Спроектировать контактный аппарат для гидрирования бензола в циклогексан - Химия - Скачать бесплатно
Спроектировать контактный аппарат для гидрирования бензола в циклогексан.
Исходные данные:
|1. |Производительность |40 000 т/год |
|2. |Чистота бензола |99,9995% |
|3. |Состав водородной смеси |H2 – 97%, N2 – 2,6%, |
| | |CH4 – 0,4% |
|4. |Чистота циклогексана |99,6% |
|5. |Время на перезагрузку катализатора |760 ч/год |
|6. |Производительность узла гидрирования |4 т/час |
|7. |Степень гидрирования |99,6% |
|8. |Соотношение газов на входе в реактор |(H2 + N2)/C6H6 = 8 |
|9. |Объёмная скорость газов |0,6 л/(л(кат(час) |
|10. |Температура ввода газов в реактор |130 – 1400 С |
|11. |Температура гидрирования |180 – 2000 С |
|12. |Температура циркуляции газа |400 С |
|13. |Тепловой эффект гидрирования |2560 кДж/кг бензола |
|14. |Состав циркуляционного газа |H2 – 50%, N2 – 50% |
|15. |Давление в системе |18 кгс/см2 |
|16. |Коэффициент растворимости | |
| |водорода в реакционной смеси при 350 С |0,12 нм3/т.атм. |
| |азота в реакционной смеси при 350 С |0,25 нм3/т.атм. |
[pic]
Материальный баланс
Принципиальная схема процесса получения циклогексана представлена на
рисунке.
Процесс производства циклогексана – непрерывный. Отсюда годовой фонд
рабочего времени:
365 * 24 – 760 = 8000 час/год
Часовая производительность по циклогексану с учётом 0,2% потерь:
(40000*1000/8000)*1,002 = 5010 кг/ч
или 5010*22,4/84 = 1336 м3/ч
По уравнению реакции C6H6 + 3H6 ( C6H12 расходуется:
бензола: 1336 м3/ч или 4652,1 кг/ч;
водорода: 3*1336 = 4008 м3/ч или 358 кг/ч;
Расход технического бензола:
4652,1*100/99.9995 ( 4652,1 кг/ч;
В соответствии с заданным объёмным отношением компонентов [(H2 +
N2)/C6H6 = 8; H2 : N2 : C6H6 = 5,5 : 2,5 : 1] в реактор первой ступени
подают:
водорода: 5,5*1336 = 7348 м3/ч;
азота: 2,5*1336 = 3340 м3/ч;
остаётся водорода в циркуляционном газе после реактора второй ступени:
7348 – 4008 = 3340 м3/ч
Выходит после реактора азотоводородной смеси:
3340 + 3340 = 6680 м3/ч
Определяем объёмную долю циклогексана в циркуляционном газе с учётом
частичной конденсации циклогексана из газовой смеси. Давление насыщенного
пара циклогексана при 400 С составляет рп = 24620 Па. При давлении газовой
смеси в сепараторе рсм = 18*105 Па объёмная доля циклогексана в
циркуляционном газе:
( = (рп / рсм) * 100 = [24620/1800000]*100 ( 1,37 %
Пренебрегая для упрощения расчёта растворимостью азота и водорода в
циклогексане, находим количество циклогексана в газовой смеси на входе в
реактор первой ступени:
6680*1,37/(100 – 1,37) = 92,8 м3/ч или 348 кг/ч
16,5 м3/ч или 11,8 кг/ч
Состав газовой смеси на входе в реактор первой ступени:
| |C6H6 |C6H12 |H2 |N2 |CH4 |( |
|V( , м3/ч|1336 |92,8 |7348 |3340 |16,5 |12133,3 |
|(i, % |11 |0,76 |60,6 |27,5 |0,14 |100 |
|m( , кг/ч|4652,1 |348 |656,1 |4175 |11,8 |9843 |
|wi, % |47,26 |3,54 |6,67 |42,41 |0,12 |100 |
Принимаем, что степень конверсии бензола в реакторе первой ступени
равна 0,93, следовательно, реагирует:
бензола: 1336 * 0,93 = 1242,5 м3/ч;
водорода: 1242,5 * 3 = 3727,5 м3/ч.
Образуется циклогексана: 1242,5 м3/ч.
Рассчитываем состав газовой смеси на выходе из реактора первой
ступени:
V( , м3/ч (i, %
C6H6 1336-1242,5 = 93,5 1,1
C6H12 92,8 + 1242,5 = 1335,3 15,9
H2 7348 - 3727,5 = 3620,5 43,1
N2 3340 39,7
CH4 16,5 0,2
___________________________________________________________
( 8405,8 100,0
С целью уточнения степени конверсии рассчитаем константу равновесия
реакции получения циклогексана по формуле:
lgKp = 9590/T-9,9194lgT+0,002285T+8,565
где Т = 273+180 = 453 К.
lgKp = 4,4232, Kp = 26 500
Определяем константу равновесия реакции по значениям парциальных
давлений компонентов.
рбензола = 1,8 * 0,0111 = 0,01998;
рциклогексана = 1,8 * 0,1586 = 0,28548;
рводорода = 1,8 * 0,43 = 0,774.
Kp = рциклогексана /( рбензола* р3водорода) =
0,28548*1000/(0,01998*0,7743) = 30790
Сравнивая значения Kp, рассчитанные по значениям по значениям
парциальных давлений компонентов и по эмпирической формуле (26 500 < 30
790), видим, что принятая степень конверсии бензола завышена.
Рассчитываем Kp, варьируя степень конверсии бензола на интервале от
0,92 до 0,93:
|Степень |Kp |
|конверсии | |
|0,92 |26175 |
|0,921 |26582 |
|0,922 |27001 |
|0,923 |27431 |
|0,924 |27872 |
|0,925 |28325 |
|0,926 |28791 |
|0,927 |29270 |
|0,928 |29762 |
|0,929 |30268 |
|0,93 |30790 |
Видно, что наиболее точное совпадение значения Kp к рассчитанному
достигается при степени конверсии 0,921.
Уточним состав газовой смеси на выходе из реактора первой ступени.
бензол: 1336 * 0,921 = 1230,5 м3/ч;
водород: 1230,5 * 3 = 3691,5 м3/ч.
Образуется циклогексана: 1230,5 м3/ч.
Рассчитываем состав газовой смеси на выходе из реактора первой
ступени:
| |C6H6 |C6H12 |H2 |N2 |CH4 |( |
|V( , м3/ч|105,5 |1323,3 |3656,6 |3340 |16,5 |8441,9 |
|(i, % |1,2 |15,7 |43,3 |39,6 |0,2 |100 |
|m( , кг/ч|367,3 |4962,4 |326,5 |4175 |11,8 |9843 |
|wi, % |3,7 |50,4 |3,3 |42,5 |0,1 |100 |
В реакторе второй ступени реагирует 105,5 м3/ч бензола, расходуется
105,5*3 = 316,5 м3/ч водорода и образуется 105,5 м3/ч циклогексана.
Остаётся 3656,6 - 316,5 = 3340,1 м3/ч водорода.
Количество циклогексана на выходе из реактора второй ступени:
1323,3 + 105,5 = 1428,8 м3/ч
Количество газовой смеси на выходе из реактора второй ступени:
1428,8 + 3340,1 + 3340 + 16,5 = 8125,4 м3/ч
Потери циклогексана с продувочными и танковыми газами составляют 0,2%
или (1428,8-92,8)*0,002 = 1336*0,002 = 2,7 м3/ч, возвращается в реактор
первой ступени – 92,8 м3/ч циклогексана.
Количество циклогексана, конденсирующегося в сепараторе:
1428,8 - 2,7 - 92,8 = 1333,3 м3/ч или 5000 кг/ч.
Растворимость компонентов газа в циклогексане:
водорода – 0,120 м3/т; азота – 0,250 м3/т при 350 С и давлении 100 000 Па.
В циклогексане при давлении 18*105 Па растворяется:
водорода: 0,120 * 18 * 5 = 10,8 м3/ч или 0,96 кг/ч;
азота: 0,250 * 18 * 5 = 22,5 м3/ч или 28,13 кг/ч.
Считаем, что метан растворяется полностью.
Всего из сепаратора выходит жидкой фазы:
1333,3 + 10,8 + 22,5 + 16,5 = 1383,1 м3/ч
или
5000 + 0,96 + 28,13 + 11,8 = 5040,89 кг/ч
Состав газовой смеси после сепаратора:
V( , м3/ч (i, %
C6H12 1428,8-1333,3 = 95,5 1,4
H2 3340,1- 10,8 = 3329,3 49,4
N2 3340 – 22,5 = 3317,5 49,2
( 6742,5 100
Состав продувочных газов:
V( , м3/ч
C6H12 2,7
H2 2,7*49,4/1,4 = 95,3
N2 2,7*49,2/1,4 = 94,9
192,9
Состав циркуляционного газа:
V( , м3/ч
C6H12 92,8
H2 3329,3-95,3 = 3234
N2 3317,5-94,9 = 3222,6
( 6549,4
Расход свежей азотоводородной смеси должен компенсировать затраты
водорода на реакцию гидрирования, потери азотоводородной смеси при продувке
и на растворение в циклогексане.
Состав свежей азотоводородной смеси:
V( , м3/ч
H2 7348 - 3340,1 + 95,3 + 10,8 = 4114
N2 94,9 + 22,5 =
117,4
( 4231,4
Т.к. метан содержится в газовой смеси с водородом, то его содержание:
4114 * 0,004 = 16,5 м3/ч или 11,8 кг/ч
Продувочные газы охлаждаются в холодильнике-конденсаторе при
температуре 100 С. Парциальное давление паров циклогексана при этой
температуре равно 6330 Па, объёмная доля циклогексана в газе после после
холодильника-конденсатора составляет:
(6330/1800000)*100 = 0,35%
Количество водорода и азота в продувочных газах:
192,9 - 2,7 = 190,2 м3/ч
Количество циклогексана в продувочных газах после холодильника-
конденсатора и сепаратора:
190,2*0,35/(100 - 0,35) = 0,67 м3/ч или 2,5 кг.
Количество циклогексана, поступающего из сепаратора в сборник:
2,7 - 0,67 = 2,03 м3/ч или 7,6 кг.
Сбрасывают на факел газа:
190,2 + 0,67 = 190,9 м3/ч
Растворённые в циклогексане азот и водород отделяются при
дросселировании газа до давления 200 000 Па. Образуются танковые газы,
объёмная доля циклогексана в которых составляет:
(24620/200000)*100 = 12,31%
Количество циклогексана в танковых газах:
(10,8 + 22,5)* 12,31/(100-12,31)=4,67 м3/ч или 17,5 кг/ч
Где 10,8 и 22,5 м3/ч – количество водорода и азота, растворённых в
циклогексане.
Количество танковых газов:
10,8 + 22,5 + 4,67 = 37,97 м3/ч
Общие потери циклогексана составляют 2,7 м3/ч или 10,1 кг, потери с
продувочными газами - 2,5 кг, следовательно, с газами дросселирования после
их охлаждения в холодильнике-конденсаторе теряется:
10,1 – 2,5 = 7,6 кг или 2 м3/ч
Возвращается в сборник:
17,5 – 7,6 = 9,9 кг или 4,67 – 2 = 2,67 м3/ч
Сбрасывают в атмосферу после холодильника-конденсатора:
37,97 - 2,67 = 35,3 м3/ч
Сбрасывают газа на факел:
190,9 + 35,3 = 236,2 м3/ч
Материальный баланс процесса получения циклогексана.
|Входит |м3/ч |кг/ч |Выходит |М3/ч |кг/ч |
|Бензол |1336 |4652,1|Циклогексан | | |
| | | |технический: | | |
| | | |циклогексан |1333,3 |5000 |
| | | |метан |16,5 |11,8 |
| | | |Итого: |1349,8 |5011,8 |
|Азотоводородная | | |Продувочные газы: | | |
|смесь: | | |азот |94,9 |118,6 |
|азот |117,4 |146,8 |водород |95,3 |8,5 |
|водород |4114 |367,3 |циклогексан |0,67 |2,5 |
|метан |16,5 |11,8 | | | |
|Итого: |4247,9|525,9 |Итого: |190,87 |129,6 |
|Циркуляционный газ: | | |Танковые газы: | | |
|азот |3222,6|4028 |азот |22,5 |28,1 |
|водород | |289 |водород |10,8 |0,96 |
|циклогексан |3234 |348 |циклогексан |2 |7,6 |
|Итого: |92,8 |4665 |Итого: |35,3 |36,6 |
| |6549,4| | | | |
| | | |Циркуляционный | | |
| | | |газ: | | |
| | | |азот |3222,6 |4028 |
| |
|
