Проектирование цеха по производству стирола

     СО + Н₂О ↔ СО₂+Н₂                                                                                (41) 

     При степени конверсии оксида углерода 0,99 расходуется: 

     

• оксида углерода: 46,186*0,99 = 45,724 кмоль/ч или 1280 кг/ч;
• водяного пара: 45,724 кмоль/ч или 823 кг/ч; образуется:
• диоксида углерода: 45,724 кмоль/ч или 2012 кг/ч;
• водорода: 45,724 кмоль/ч или 91 кг/ч

     Остается оксида углерода в контактном газе: 

     46,186+45,724 = 0,462 кмоль/ч или 13 кг/ч  

     Общий расход водяного пара по реакциям 2.6-2.8: 

     14,282+31,904+45,724 = 91,91 кмоль/ч или 1654 кг/ч 

     Остается водяного пара в контактном газе: 

     8115,778-91,91 = 8023,868 кмоль/ч или 144429 кг/ч 

     Образуется водорода по реакциям : 

     162,324+14,282+95,712+45,724 = 318,042 кмоль/ч или 325+29+191+91 = =636 кг/ч 

     Расходуется водорода: 

     24,379 кмоль/ч или 49 кг/ч 

     Остается водорода в контактном газе: 

     203,5+318,042-24,379 = 497,163 кмоль/ч или 407+636-49 = 994 кг/ч 

     Рассчитывают состав контактного газа на выходе из реактора дегидрирования (поток 7) и результаты расчета сводят в таблицу 12. 
 
 

Таблица 12

     Состав контактного газа на выходе из реактора 

           

     Расчет основных расходных коэффициентов. Для получения 37500 кг/ч стирола-ректификата расходуется по реакциям 1-4 43070 кг/ч этилбензола. Расходный коэффициент по этилбензолу: 

     43070/37500 = 1,149 кг/кг 

     Дополнительно образуется (кг на 1 т стирола-ректификата):

     - толуола: 2243/37500 = 0,060;

• бензола: 1172/37500=0,031.

 

      

     4.2 Тепловой баланс 

     Исходные данные: в реактор дегидрирования подают 220479/(3600*2)=    =30,622 кг/с парогазовой смеси; температура парогазовой смеси, °С: на входе в реактор-610; на выходе из первой ступени (уточняется расчетом)-530-540; на входе во вторую ступень реактора - 610; на выходе из реактора (уточняется расчетом)-570-590; температура водяного пара на выходе из промежуточного теплообменника 655 °С.

     Тепловой расчет первой ступени катализа

     Цель расчета - определение температуры парогазовой смеси на выходе из первой ступени катализа.

     Уравнение теплового баланса в общем виде: 

     Ф₁=Ф₂+Фз+Ф_пот                                                       (42) 

     где Ф₁, Ф₃ - тепловые потоки парогазовой смеси на входе в реактор и выходе из первой ступени катализа соответственно, кВт; Ф2 - теплота, расходуемая на осуществление химических реакций, кВт; Фпот - теплопотери в окружающую среду, кВт.

     Тепловой поток парогазовой смеси на входе в реактор рассчитывают, используя определенные ранее значения средней энтальпии парогазовой смеси (см. таблицу 4) и энтальпии водяного пара после смешения. 

     Ф₁= [85374/(2*3600)]*1746,6+ [135105/(2*3600)]*3720,4 = 90522,063 кВт 

     Для расчета Ф₂ определяют теплоту реакции дегидрирования (реакция 2.1); значения энтальпий образования ∆Н°₂₉₈: 

     ∆Н°298= 147,36-29,79=117,57 кДж/моль; 

     Ф₂= [203,363/ (2*3600) ]*117,57*10³=3320,741 кВт,  

     где 203,363 — расход этилбензола на первой ступени катализа, кмоль/ч.

     Для определения температуры парогазовой смеси на выходе из первой ступени катализа, используя данные о составе смеси, рассчитывают средние энтальпии парогазовой смеси при температурах 530 и 540°С (таблица 13).  

Таблица 13

     Расчет средней энтальпии парогазовой смеси 

продолжение таблицы 13 

 

     Так как значения w_С6Н6 и w_Н2 малы (0,02 и 0,185% соответственно), то значения h_С6Н6 и h_Н2 в расчете не учитывают. 

     рН₂О =pх Н₂О= 0,4*0,89935 = О,36 МПа  

     Принимают, что теплопотери в окружающую среду составляют 1,5% от общего прихода теплоты: 

     Ф_пот= 0,015*90522,063 = 1357,83 кВт 

     Тепловой поток парогазовой смеси на выходе из первой ступени находят из уравнения теплового баланса: 

     Фз = Ф₁ – Ф₂ - Ф_пот = 90522,063-3320,741-1357,83 = 85843,49 кВт         (43) 

     Энтальпия парогазовой смеси: 

     h_г = Ф3/m_г = 85843,49/30,622 = 2803,33 кДж/кг                                         (44) 

где m_г - количество парогазовой смеси, проходящей через слои катализатора, кг/с.

     Температура парогазовой смеси:  

     813+[(2803,33-2783,9)/(2783,9-2760,6)]*(813-803) = 821 К или 548⁰С 

     Температура парогазовой смеси на выходе из первой ступени катализа соответствует оптимальному технологическому режиму реактора, следовательно, степень конверсии этилбензола (0,3) принята верно.

     Расчет межступенчатого теплообменника. Цель расчета - определение температуры перегретого водяного пара на входе в теплообменник.

     Рассчитывают среднюю энтальпию парогазовой смеси на входе во вторую ступень катализа (на выходе из теплообменника) (таблица 14) при температуре Т = 610+273 = 883 К. 

Таблица 14

     Расчет средней энтальпии парогазовой смеси 

 

     Тепловая нагрузка теплообменника:  

     30,622*(2945,42-2803,33) = 4351,08 кВт  

     Тепловой поток водяного пара на выходе из теплообменника при температуре 655 °С: 

     Ф_п. = 135105*3821,0/(2*3600) = 71699047 кВт,  

где 135105 - расход водяного пара, поступающего в узел смешения (поток 5), кг/ч;  3821,0 - энтальпия водяного пара при давлении 0,9 МПа и температуре 655 °С, кДж/кг.

     Тепловой поток водяного пара на входе в теплообменник: 

     71699,47+4351,08 = 76050,55 кВт 

     Энтальпия водяного пара на входе в теплообменник: 

     76050,55*2*3600/135105 = 4052,87 кДж/кг,

что при давлении 0,9 МПа соответствует температуре водяного пара 750°С.

     Расчет второй ступени катализа. Цель расчета - определение температуры парогазовой смеси на выходе из реактора дегидрирования.

     Уравнение теплового баланса в общем виде идентично уравнению теплового баланса первой ступени катализа. Тепловой поток парогазовой смеси на входе во вторую ступень катализа: 

     Ф₁ = 30,622*2945,45 = 90194,65 кВт 

     Для определения количества теплоты, расходуемой на химические реакции Ф2, рассчитывают теплоты реакций. Теплотой реакции образования дибензилидена пренебрегают.

     Расчет теплот реакций (в кДж/моль) сводят в таблицу 15. 

Таблица 15

     Расчет теплот реакций