Определение объема реакционной зоны алкилатора Пример расчета теплового баланса алкилатора

Для обеспечения заданной производительности по ИПБ (14732,58 кг/ч) необходимо определить число аппаратов.

Техническая характеристика алкилатора

Диаметр стальной обечайки 1600 мм

Толщина стенки обечайки 10 мм

Толщина футеровки 20 мм

Высота цилиндрической части 10305 мм

Высота общая 12200 мм

Вместимость аппарата:

полная 19 м³

полезная 16 м³

Производительность по ИПБ 300 кг/ч

в расчете на 1 м³

Число аппаратов, необходимых для обеспечения заданной производительности по ИПБ:

N= 14732,58/(300*16)= 3,07

Следовательно, необходимо установить 3 аппарата, соединенных параллельно.

Исходные данные:

ППФ – 147,2304/(3*3600)=0,0136 кмоль/с

Отходящие газы - 24,0055/(3*3600)=0,002227 кмоль/с

Бензол - 408,5911/(3*3600)=0,0378 кмоль/с

ДИПБ –17,2357/(3*3600)= 0,0016 кмоль/с

Жидкий алкилат - 426,3957/(3*3600)=0,0395 кмоль/с

Температура исходной смеси на входе в алкилатор 20°С.

Температура реакционной смеси на выходе из алкилатора 130°С.

Уравнение теплового баланса в общем виде:

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ = Q₅ + Q₆ + Q₇ + Q₈ + Q_пот ,

где Q₁, Q₂, Q₃, Q₅, Q₆, Q₇ – тепловые потоки пропан - пропиленовой фракции, жидкого бензола, диизопропилбензола, отходящих газов, алкилата и паров бензола, кВт;

Q₄ – теплота экзотермической реакции, кВт;

Q₈ – расход теплоты на испарение бензола, кВт;

Q_пот – теплопотери в окружающую среду, кВт.

Для определения значений Q₁ и Q₅ рассчитывают средние молярные теплоёмкости пропиленовой фракции при температуре 20°С (293К) и отходящих газов при 130°С (403К).

Таблица 4 – Расчёт средних молярных теплоёмкостей

Пропан-пропиленовая фракция
Состав пропан - пропиленовой фракции	n, кмоль/ч		хi, % мольн	Cpi, Дж/(моль*К)	Сpi*хi, Дж/(моль*К)
1	2		3	4	5
С3Н6	136,1439		92,47	62,890	58,15
С3Н8	7,4057		5,03	72,320	3,64
С2Н4	2,2085		1,5	42,953	0,644
С4Н8	1,4723		1,0	88,223	0,88
Итого	147,2304				63,314
Отходящие газы
Состав отходящих газов		n, кмоль/ч	хi, % мольн	Сpi, Дж/(моль*К)	Сpi*хi, Дж/(моль*К)
С3Н6		16,3372	68,05	80,742	54,945
С6Н6		0,0567	0,24	112,448	0,270
С3Н8		7,4057	30,85	95,175	29,361
НCl		0,2059	0,86	29,055	0,250
Итого		24,0055	100		84,826

Тепловой поток пропан-пропиленовой фракции:

Q₁ = 0,0136 * 63,314 * 20 = 17,221 кВт

Тепловой поток отходящих газов:

Q₅ = 0,0022 * 84,826* 130 = 24,260 кВт

Тепловой поток жидкого бензола:

Q₂ = (0,0378 + n_б) * 136,218 * 203 = 101,469+2684,36 * n_б

где n_б – количество кмолей циркулирующего бензола в системе холодильник-конденсатор-алкилатор, кмоль/с.

Тепловой поток ПАБ (в пересчете на ДИПБ):

Q₃ = 0,0016 * 464,46 * 20 = 14,863 кВт

Рассчитаем тепловой эффект реакций:

1. С₆Н₆ + С₃Н₆ → С₆Н₅ – С₃Н₇

n_ИПБ = m/M

где n_ИПБ – количество кмолей ИПБ;

m – масса ИПБ, кг;

М – молярная масса ИПБ.

n_ИПБ = 12321,826/120 = 102,68 кмоль/ч

∆Н°₂₉₈(С₆Н₆) = 49,04 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₃Н₆) = 20,41 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₆Н₅-С₃Н₇) = - 41,24 кДж/моль

∆Н_г = ∆Н°₂₉₈(С₆Н₅-С₃Н₇) – (∆Н°₂₉₈(С₆Н₆) + ∆Н°₂₉₈(С₃Н₆))

где ∆Н°₂₉₈ – стандартная энтальпия образования веществ, кДж/моль;

∆Н_г – тепловой эффект реакции.

∆Н_г = - 41,24 – (49,04 + 20,41) = - 110,69 кДж/моль

2. С₆Н₄ – (С₃Н₇)₂ + С₆Н₆ → 2С₆Н₅ – С₃Н₇

n_ИПБ = 4146,951/120 = 34,558 кмоль/ч

∆Н°₂₉₈(С₆Н₄ – (С₃Н₇)₂) = - 75,54 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₆Н₆) = 49,04 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₆Н₅ – С₃Н₇) = - 41,24 кДж/моль

∆Н_г = ∆Н°₂₉₈(С₆Н₅-С₃Н₇) – (∆Н°₂₉₈(С₆Н₄ – (С₃Н₇)₂) +

+ ∆Н°₂₉₈(С₆Н₆))

∆Н_г = 2 * (- 41,24) – (-75,54+ 49,04) = - 55,98 кДж/моль

3. С₆Н₅-С₃Н₇ + С₃Н₆ → С₆Н₄ – (С₃Н₇)₂

n_ДИПБ = m/M

где n_ДИПБ – количество кмолей ДИПБ;

m – масса ДИПБ, кг;

М – молярная масса ДИПБ.

M_ДИПБ = 2343,857/162 = 14,468 кмоль/ч

∆Н°₂₉₈(С₆Н₅-С₃Н₇) = -41,24 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₃Н₆) = 20,41 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₆Н₄-(С₃Н₇)₂) = - 75,54 кДж/моль

∆Н_г = ∆Н°₂₉₈(С₆Н₄-(С₃Н₇)₂) – (∆Н°₂₉₈(С₆Н₅ – С₃Н₇) + ∆Н°₂₉₈(С₃Н₆))

∆Н_г = - 75,54 – (-41,24 + 20,41) = - 54,71 кДж/моль

4. С₆Н₄ – (С₃Н₇)₂ + С₃Н₆ → С₆Н₃ – (С₃Н₇)₃

n_ТИПБ = m/ M

где n_ТИПБ – количество кмолей ТИПБ;

m – масса ТИПБ, кг;

М – молярная масса ТИПБ.

M_ТИПБ = 483,251/204 = 2,369 кмоль/ч

∆Н°₂₉₈(С₆Н₃ – (С₃Н₇)₃) = -154,74 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₃Н₆) = 20,41 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₆Н₄-(С₃Н₇)₂) = - 75,54 кДж/моль

∆Н_г = ∆Н°₂₉₈(С₆Н₃-(С₃Н₇)₃) – (∆Н°₂₉₈(С₆Н₄ – (С₃Н₇)₂) + +∆Н°₂₉₈(С₃Н₆))

∆Н_г = - 154,74 – (-75,54 – 20,41) = - 99,61 кДж/моль

5. С₆Н₃ – (С₃Н₇)₃ + С₃Н₆ → С₆Н₂ – (С₃Н₇)₄

n_{ТетраИПБ} = m/M

где n_{ТетраИПБ} – количество кмолей ТетраИПБ;

m – масса ТетраИПБ, кг;

М – молярная масса ТетраИПБ.

M_{ТетраИПБ} = 70,762/246 = 0,288 кмоль/ч

∆Н°₂₉₈(С₆Н₃ – (С₃Н₇)₃) = -154,74 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₃Н₆) = 20,41 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₆Н₂-(С₃Н₇)₄) = - 204,91 кДж/моль

∆Н_г = ∆Н°₂₉₈(С₆Н₂-(С₃Н₇)₄) – (∆Н°₂₉₈(С₆Н₄ – (С₃Н₇)₂) +

+ ∆Н°₂₉₈(С₃Н₆))

∆Н_г = - 204,91 – (-154,74 + 20,41) = - 70,58 кДж/моль

6. С₆Н₆ + С₂Н₄ → С₆Н₅ – С₂Н₅

n_{этилбенз.} = m/M

где n_{этилбенз.} – количество кмолей этилбензола;

m – масса этилбензола, кг;

М – молярная масса этилбензола.

n_{этилбенз.} = 234,048/106 = 2,208 кмоль/ч

∆Н°₂₉₈(С₆Н₆) = 49,04 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₂Н₄) = 52,28 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₆Н₅ – С₂Н₅) = - 12,68 кДж/моль

∆Н_г = ∆Н°₂₉₈(С₆Н₅ – С₂Н₅) – (∆Н°₂₉₈(С₆Н₆) + ∆Н°₂₉₈(С₂Н₄))

∆Н_г = - 12,68 – (49,04 + 52,28) = - 114,0 кДж/моль

7. С₆Н₆ + С₄Н₈ → С₆Н₅ – С₄Н₉

n_{бутилбенз.} = m/M

где n_{бутилбенз.} – количество кмолей бутилбензола;

m – масса бутилбензола, кг;

М – молярная масса бутилбензола.

n_{бутилбенз.} = 197,248/134 = 1,472 кмоль/ч

∆Н°₂₉₈(С₆Н₆) = 49,04 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₄Н₈) = 1,17 кДж/моль

∆Н°₂₉₈(С₆Н₅ – С₄Н₉) = 25,12 кДж/моль

∆Н_г = ∆Н°₂₉₈(С₆Н₅ – С₄Н₉) – (∆Н°₂₉₈(С₆Н₆) + ∆Н°₂₉₈(С₄Н₈))

∆Н_г = 25,12 – (49,04 + 1,17) = - 25,09 кДж/моль

Рассчитаем теплоту химических реакций:

Q₄ = (n_ИПБ(1) *∆Н_г(1) +n_ИПБ(2)*∆Н_г(2)+n_ДИПБ *∆Н_г(3)+n_ТИПБ*∆Н_г(4)+

+n_{ТетраИПБ} *∆Н_г(5)+n_{этилбенз.}*∆Н_г(6)+n_{бутилбенз.}*∆Н_г(7))*

*1000/(3*3600)

Q₄ =(102,6819*110,69+34,5579*55,98+14,4683*54,71+

+2,3689*99,61+0,2876*70,58+2,2085*114+1,4723*25,09)*

*1000/(3*3600)=1355,273 кВт

Общий приход теплоты:

Q_прих =Q₁ +Q₂ +Q₃ +Q₄

Q_прих =17,221+101,460+2684,36*n_{бенз.цир.}+14,863+1355,273

Q_прих = (1488,826+2684,36*n_б) кВт

Для определения теплового потока жидкого алкилата необходимо рассчитать среднюю теплоёмкость при 403 К.

Таблица 5 - Средняя молярная теплоёмкость для жидкого алкилата

Вещество	n, кмоль/ч	хi, %	Сi,°403, Дж/(мольград)	Сi,°403*хi, Дж/(мольград)
С6Н5–С3Н7	122,7716	28,80	321,36	92,552
С6Н4–(С3Н7)2	12,0994	2,81	464,46	13,051
С6Н3–(С3Н7)3	2,0812	0,49	607,56	2,977
С6Н2–(С3Н7)4	0,2876	0,07	750,66	0,525
С6Н5–С2Н5	2,2085	0,52	186,56	0,970
С6Н5–С4Н9	1,4723	0,35	369,06	1,292
С6Н6	284,733	66,8	162,57	108,363
АlCl3	0,5228	0,12	102,65	0,164
NiCl2	0,1522	0,04	В связи с малыми значениями в расчетах не учитываем
Аl(ОН)3	0,07096	0,01	В связи с малыми значениями в расчетах не учитываем
Итого	426,3957	100		219,894

Тепловой поток жидкого алкилата:

Q₆ = 0,0395 * 219,894 * 130 = 1129,156 кВт

Тепловой поток паров бензола:

Q₇ = 112,57 * n_б * 130= 14634,1 * n_б

Тепловой поток теплоты на испарение бензола:

Q₈ = n_б * q_уд * М_б

где q_уд – удельная теплота испарения бензола при температуре 403К, кДж/кг.

Q₈ = 78 * 354,68 * n_б = 27665,04 * n_б

Потери в окружающую среду составляют 3% от общего прихода тепла:

Q_пот = Q_прих * 0,03

Q_пот = (1488,826 + 2684,36 * n_б)*0,03 = 44,665 + 80,53 * n_б

Общий расход теплоты:

Q_расх = Q₅ + Q₆ + Q₇ + Q₈ + Q_пот

Q_расх = 24,260 + 1129,156+ 14634,1 * n_б+ 27665,04 * n_б +44,665 + +80,53 * n_б= = 1198,081 + 42379,67 * n_б

Количество циркулирующего бензола находим из условия равенства прихода и расхода теплоты:

Q_прих = Q_расх

1488,826 + 2684,36 * n_б= 1198,081 + 42379,67 * n_б

39695,31 * n_б = 290,745

n_б = 0,00732 кмоль/с

Количество бензола, испаряющегося на стадии алкилирования:

n_б = 0,00732*3*3600=79,056 кмоль/ч или 6166,37 кг/ч

Всего в алкилатор подают бензола (с учётом циркулирующего бензола):

n_общ = n + n_{бенз.цир.}

n_общ = 408,5911 + 79,056 = 487,6471 кмоль/ч или 38036,47 кг/ч

По рассчитанному количеству испаряющегося бензола уточняем тепловые потоки.

Q₂ = 101,469+2684,36 * 0,00732 = 121,119 кВт

Q₇ = 14634,1 * 0,00732 = 107,122 кВт

Q₈ = 27665,04*0,00732 = 202,508 кВт

Q_пот = 44,665 + 80,53*0,00732 = 45,254 кВт

Таблица 6 – Тепловой баланс

Приход		Расход
	кВт		кВт
Тепловой поток пропан-пропиленовой фракции	17,221	Тепловой поток отходящих газов	24,260
Тепловой поток жидкого бензола	121,119	Тепловой поток алкилата	1129,156
Тепловой поток диизопропилбензола (с ректификации)	14,863	Расход теплоты на испарение бензола	202,508
Тепловой эффект химических реакций	1355,273	Тепловой поток паров бензола	107,122
		Теплопотери в окружающую среду	45,254
Итого:	1508,4	Итого:	1508,3