3. Выполнить полный теоретический анализ избранного процесса получения этилена:
3.1 Стехиометрия и материальные расчеты.
Сводная таблица расчета материального баланса.
Компонент
|
M кг/кмоль
|
Взято
|
Получено
|
||
кмоль/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
кг/ч |
||
C3H8 |
44,097 |
437,5404 |
19294,22 |
30,62783 |
1350,595 |
C2H4 |
28,054 |
0 |
0 |
406,9126 |
11415,53 |
СН4 |
16,043 |
0 |
0 |
406,9126 |
6528,098 |
Н2О |
18,015 |
437,5404 |
7882,29 |
437,5404 |
7882,29 |
Σ |
|
875,0808 |
27176,51 |
1281,993 |
27176,51 |
3.2. Термохимический анализ процесса.
Реакция эндотермическая, сопровождается поглощением тепла, поэтому при проведении реакции необходимо подводить тепло к зоне реакции.
Задаем температуру на входе в реактор Твх=1088К, в реактор поступает GС3Н8 =437,5404кмоль/час, GH2O=437,5404кмоль/час, степень конверсии 93%, Х=0,93.
При разбавлении пропана 1:4 , т.е. 1 кмоль пропана на 4 кмоль воды.
|
Взято |
|
|
Получено |
|
Компонент |
M кг/кмоль |
кмоль/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
кг/ч |
C3H8 |
44,097 |
437,5404 |
19294,22 |
30,62783 |
1350,595 |
C2H4 |
28,054 |
0 |
0 |
406,9126 |
11415,53 |
СН4 |
16,043 |
0 |
0 |
406,9126 |
6528,098 |
Н2О |
18,015 |
1750,162 |
31529,16 |
1750,162 |
31529,16 |
Σ |
|
2187,702 |
50823,38 |
2594,615 |
50823,38 |
Разбавление 1 кмоль пропана на 6 кмоль воды.
|
Взято |
|
|
Получено |
|
Компонент |
M кг/кмоль |
кмоль/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
кг/ч |
C3H8 |
44,097 |
437,54039 |
19294,219 |
30,62782752 |
1350,59531 |
C2H4 |
28,054 |
0 |
0 |
406,9125656 |
11415,52511 |
СН4 |
16,043 |
0 |
0 |
406,9125656 |
6528,098289 |
Н2О |
18,015 |
2625,2424 |
47293,741 |
2625,242358 |
47293,74109 |
Σ |
|
3062,7828 |
66587,96 |
3469,695317 |
66587,9598 |
Разбавление 1 кмоль пропана на 7 кмоль воды.
|
Взято |
|
|
Получено |
|
Компонент |
M кг/кмоль |
кмоль/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
кг/ч |
C3H8 |
44,097 |
437,5404 |
19294,22 |
30,62783 |
1350,595 |
C2H4 |
28,054 |
0 |
0 |
406,9126 |
11415,53 |
СН4 |
16,043 |
0 |
0 |
406,9126 |
6528,098 |
Н2О |
18,015 |
3062,783 |
55176,03 |
3062,783 |
55176,03 |
Σ |
|
3500,323 |
74470,25 |
3907,236 |
74470,25 |
2Разбавление 1 кмоль пропана на 8 кмоль воды.
|
Взято |
|
|
Получено |
|
Компонент |
M кг/кмоль |
кмоль/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
кг/ч |
C3H8 |
44,097 |
437,54039 |
19294,219 |
30,62782752 |
1350,59531 |
C2H4 |
28,054 |
0 |
0 |
406,9125656 |
11415,52511 |
СН4 |
16,043 |
0 |
0 |
406,9125656 |
6528,098289 |
Н2О |
18,015 |
3500,3231 |
63058,321 |
3500,323145 |
63058,32145 |
Σ |
|
3937,8635 |
82352,54 |
4344,776103 |
82352,54016 |
По закону Гесса рассчитываем тепловой эффект реакции :
∆rH0т=Σ(vj∆fH0т)продукт - Σ(vi∆fH0т)исх
|
пропан |
метан |
этилен |
вода |
ΔrH01088, кДж/моль |
ΔHf01088, кДж/моль |
-135,6500 |
-91,8600 |
43,5750 |
-29,6836 |
87,3650 |
Таким образом в результате полученной энтальпии реакции ΔrH01088=87,3650 кДж/моль - процесс эндотермичный.
Qр=-∆rH0т*n*1000, Дж/ч
Qр=-87,365*1000*406,91=-35549916 Дж/ч
Рассчитываем количество тепла на входе в реактор: Qвх=Gвх*Cp*Tвх, Дж/ч
Qвх 1=437,5404*181,7*1088=86497946,96 Дж/ч в реактор пропана ,
Qвх 2 =1750,1616*42,226*1088=80407288,36 Дж/ч воды ;
Qвх общ= Qвх 1+ Qвх 2= 106599769,1 Дж/ч
Q'вых= Qвх+Qр, с учетом потерь в окружающую среду
Q'вых=106599769,1 –(-35549916)+ 106599769,1 *0,05=123010057 Дж/ч
Далее рассчитываем Твых из реактора по уравнению Qвых расч =∑Gвых*Ср*Твых, методом последовательного приближения:
|
пропан |
метан |
этилен |
H20 |
Сp,Дж/моль*К |
181,7016 |
77,4196 |
97,5056 |
42,22682 |
(1:4)
Т вых , К |
Q вых расч,Дж/ч |
1073 |
161008850,2 |
1173 |
182430204,2 |
1273 |
204404288 |
ТвыхХ= (Q'вых+b)/a= 935,6595К
∆Т= ТХ-Твх= 152,3404К
При разб.1:6
Т вых , К |
Q вых расч,Дж/ч |
1073 |
200619480,4 |
1173 |
227003220,9 |
1273 |
254111973,3 |
ТвыхХ= 939,2190К
∆Т=148,7809 К
При 1:7 молей воды
Т вых , К |
Q вых расч,Дж/ч |
1073 |
220424795,5 |
1173 |
249289729,2 |
1273 |
278965815,9 |
ТвыхХ= 957,6366К
∆Т= 130,3633К
При разб.1:8
Т вых , К |
Q вых расч,Дж/ч |
1073 |
240230110,5 |
1173 |
271576237,6 |
1273 |
303819658,5 |
Твых Х= 1004,5825К
∆Т= 83,4174К
Влияние разбавителя на разность температур на входе и выходе, представим графиком зависимости ∆Т(n) .
График показывает , что с увеличением количества разбавителя происходит уменьшение разности температур на входе и выходе .
Разбавление сырья водяным паром благотворно сказывается на процессе пиролиза. При работе с большими количествами перегретого водяного пара (до 1: 4; 1: 8) резко снижается парциальное давление и вследствие увеличивается выход этилена до 45% на пропущенный пропан при 8150С и времени контакта 0,4 сек.
Вывод: таким образом адиабатический перепад температур ∆Т=83,4174 К следовательно при данном процессе нельзя использовать адиабатический режим.