Смекни!
smekni.com

Спроектировать контактный аппарат для гидрирования бензола в циклогексан (стр. 1 из 2)

.

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 Сазота в реакционной смеси при 350 С 0,12 нм3/т.атм.0,25 нм3/т.атм.

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

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»4652,1кг/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

Выходит после реактора азотоводородной смеси:

3340 + 3340 = 6680 м3

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:

j = (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 S
Vt , м3 1336 92,8 7348 3340 16,5 12133,3
ji, % 11 0,76 60,6 27,5 0,14 100
mt , 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:

Vt3/чji, %

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

___________________________________________________________

å 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 конверсии Kp
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 Kpк 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 S
Vt , м3 105,5 1323,3 3656,6 3340 16,5 8441,9
ji, % 1,2 15,7 43,3 39,6 0,2 100
mt , 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

Количество газовой смеси на выходе из реактора второй ступени:

1428,8 + 3340,1 + 3340 + 16,5 = 8125,4 м3

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

или

5000 + 0,96 + 28,13 + 11,8 = 5040,89 кг/ч

Состав газовой смеси после сепаратора:

Vt3/чji, %

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

å 6742,5 100

Состав продувочных газов:

Vt , м3

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:

Vt , м3

C6H12 92,8

H2 3329,3-95,3 = 3234

N2 3317,5-94,9 = 3222,6

å6549,4

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:

Vt , м3

H2 7348 - 3340,1 + 95,3 + 10,8 = 4114

N2 94,9 + 22,5 = 117,4

å4231,4

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

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

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

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

Возвращается в сборник:

17,5 – 7,6 = 9,9 кг или 4,67 – 2 = 2,67 м3

Сбрасывают в атмосферу после холодильника-конденсатора:

37,97 - 2,67 = 35,3 м3

Сбрасывают газа на факел: