5. Материальный баланс

Химическое превращение сырья осуществляется в реакционных аппаратах, или реакторах. Процессы, протекающие в них, обеспечивают получение различных продуктов реакции и улучшение их качества. Конструкция реактора должна отвечать требованиям данного химического процесса.

Исходные данные:

Производительность по товарному ДХЭ 120000 т/год

Число рабочих часов в году 8040 часов

Общие потери 2,2%

Температура в реакторе 55 ^оС

Давление в реакторе 0,18 МПа

Продукты прямого хлорирования этилена, % масс.:

1,2 - дихлорэтан - 98

1,1,2 - трихлорэтан - 1,8

Винилхлорид - 0,1

Хлористый этил - 0,1

Состав сырья:

Технический хлор, % об.:

Хлор - 98

Вода - 0,001

Кислород - 2

Технический этилен, % об.:

Этилен - 99,9

Метан - 0, 048

Этан - 0, 048

Пропилен - 0,005

5.1 Расчет материального баланса установки

Производительность установки с учетом потерь

Рассчитываем часовую производительность установки

С учетом состава технического ДХЭ

В реакторе протекают следующие реакции:

1. Образование 1,2 - дихлорэтана.

С₂Н₄ + 2Cl₂ C₂H₄Cl₂

2. Образование 1,1,2 - трихлорэтана

С₂Н₄ + Cl₂ C₂H₃Cl₃ + HCl

3. Образование винилхлорида

С₂H₄ + Cl₂ C₂H₃Cl + HCl

4. Образование хлористого этила

C₂H₄ + HCl C₂H₅Cl

При этом образуется:

ДХЭ - 15565 * 0,98 = 15254 кг/ч

ТХЭ - 15565 * 0,02 = 311,3 кг/ч

ВХ - 15565 * 0,1/100 = 15,56 кг/ч

ХЭ - 15565 * 0,1/100 = 15,56 кг/ч

Определение количества хлора и этилена, идущих на образование ДХЭ - сырца.

На образование ДХЭ (100%-ого):

X₁ X₂ 15254

CH₂=CH₂ + Cl₂ C₂H₄Cl₂

28 71 99

М (С₂Н₄) = 28 кг/кмоль

М (Сl₂) = 71 кг/кмоль

М (С₂Н₄Cl₂) = 99 кг/кмоль

X₁ (C₂H₄) = 28*15254/99 = 4402,2 кг/ч

Х₂ (Сl₂) = 71*15254/99 = 10939,7 кг/ч

На образование ТХЭ:

Х₁ Х₂ 311,3 Х₃

С₂Н₄ + 2Cl₂ С₂Н₃Cl₃ + НCl

28 142 133,5 36,5

M(HCl) = 36,5 кг/кмоль

М(С₂H₃Cl₃) = 133,5 кг/кмоль

Х₁ (С₂Н₄) = 28*•311,3/133,5 = 65,3 кг/кмоль

Х₂ (Cl₂) = 142*311,3/133,5 = 331,2 кг/кмоль

Х₃(НCl) = 65,3*36,5/28 = 85,1 кг/ч

На образование ВХ:

Х₁ X₂ 15,56 X₃

С₂H₄ + Сl₂ C₂H₃Cl + HCl

28 71 62,5 36,5

M(C₂H₃Cl) = 62,5 кг/кмоль

Х₁(C₂H₄) = 28*15,56/62,5 = 6,97 кг/ч

Х₂ (Сl₂) = 71*15,56/62,5 = 17,27 кг/ч

Х₃(НCl) = 6,97*36,5/28 = 9,1 кг/ч

На образование ХЭ:

Х₁ X₃ 15,56

С₂Н₄ + НCl C₂H₅Сl

28 36,5 64,5

M(C₂H₅Cl) = 64,5 кг/кмоль

Х₁(С₂Н₄) =28*15,56/64,5 = 6,7 кг/ч

В данном случае идет утилизация хлористого водорода, образовавшегося в предыдущих реакциях.

Х₃ (HCl) = 15,56*36,5/64,5=8,8 кг/ч

Определяем суммарное количество образовавшегося хлористого водорода:

На реакцию образования этилхлорида расходуется хлористого водорода - 10,1 кг/ч. остальное количество 94,2 - 8,8 = 85,4 кг/ч растворяется в дихлорэтане сырце.

Общий расход этилена.

Расход технического этилена.

Состав технического этилена, % об.:

Этилен (С₂Н₄) - 99,9

Метан (СН₄) - 0,048

Этан (С₂Н₆) - 0,048

Пропилен (С₃Н₆) - 0,005

Плотность при нормальных условиях [5]

где М - молекулярная масса газа, кг/кмоль

- плотность газа при н.у., кг/м³

22,4 м³ - объем, занимаемый 1 кмоль газа.

(С₂Н₄) = 28/22,4 = 1,250 кг/м³

(СН₄) = 16/22,4 = 0,714 кг/м³

(С₂Н₆) = 30/22,4 = 1,339 кг/м³

(С₃Н₆) = 42/22,4 = 1,875 кг/м³

(С₂Н₂) = 26/22,4 = 1,161 кг/м³

Объем при нормальных условиях [5]

где - объем, занимаемый газом при н.у., м³

m - масса газа, кг

- плотность газа при н.у., кг/м³

Объемный расход чистого 100%-ого этилена для получения дихлорэтана.

Общий объемный расход этиленовой фракции составит:

Расход остальных газов:

Пропилен или

Метан или

Этан или

Общий массовый расход технического этилена составит:

Состав этилена в массовых процентах :

[5]

Этилен

Пропилен

Метан

Этан

Общий расход хлора

G = 11288,6 кг/ч - расход чистого 100%-ого хлора пошедшего на реакцию получения 1,2 - дихлорэтана и побочные реакции.

Определим состав технического хлора в массовых процентах.

Определим плотность газов, входящих в состав технического хлора.

(Cl₂) = 71/22,4 = 3,17 кг/м³

(Н₂O) = 18/22,4 = 0,8 кг/м³

(O₂) = 32/22,4 = 1,43 кг/м³

Объемный расход чистого 100%-ого хлора составит:

Объемный расход технического хлора:

Остальные компоненты:

Вода или

Кислород или

Массовый расход технического хлора.

(вода)

где - массовый расход технического хлора

m_i (хлор) - массовый расход 100%-ого (чистого) хлора

m_i (кислород) - массовый расход 100%-ого (чистого) кислорода

m_i (вода) - массовый расход 100%-ого (чистого) водяного пара

Определим состав технического хлора в массовых процентах.

[5]

хлор

вода

кислород

Таблица 5.1. Материальный баланс стадии прямого хлорирование этилена

Таблица 5.2. Материальный баланс реактора прямого хлорирование этилена

6. Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса в общем виде:

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ +Q₆+ Q_пот., [6]

где Q₁, Q₂, Q_3, Q₄ - тепловые потоки технического этилена, технического хлора азота и продуктов реакции соответственно, кВт;

Q₅ - теплота экзотермических реакций;

Q₆ - теплота, отводимая кипящим конденсатом, кВт;

Q пот. - теплопотери в окружающую среду, кВт

111

Исходные данные:

Материальные потоки (из таблицы материального баланса реактора)

Технический этилен:

Технический хлор:

Продукты реакции (ДХЭ - сырец):

Остальные:

Для расчета тепловых расчетов технического хлора, технического этилена, продуктов реакции рассчитаем средние молярные теплоемкости:

[6]

технического хлора при температуре:

Т₁=25+273=298К

технического этилена при температуре:

Т₂=25+273=298К

продуктов реакции при температуре:

Т₃=55+273=328К

остальных при температуре:

Т₄=55+273=328К

Средние молярные теплоемкости

Тепловые потоки:

Технического этилена

[6]

где G_M - материальный поток, кмоль/с

t - температура, ⁰С

- средняя молярная теплоемкость, Дж/(моль·К)

Технического этилена:

Q₁=0,04·43,56·25 = 43,56 кВт

Технического хлора:

Q₂=0,04·33,88·25 = 33,88 кВт

Продукты реакции +остальные:

Q₃=(0,043+0,002)·79,8·55 = 197,5 кВт

Рассчитаем теплоты реакции.

Теплоты образования веществ (кДж/моль)

С₂Н₄ 52,28 [5]

Cl₂ 0

HCl -92,31

C₂H₄Cl₂ -130,02

C₂H₃Cl₃ -138,49

C₂H₃Cl 31,37

C₂H₅Cl -105,0

[5]

где - теплота химической реакции

- теплота продуктов реакции

- теплота исходных веществ

1. С₂Н₄+Сl₂>C₂H₄Cl₂

= -130,02 - (0+52,28) = -182,3 кДж/моль

2. С₂Н₄+2Сl₂>C₂H₃Cl₃+НCl

= -138,49+(-92,31) - 52,28 = -283,08 кДж/моль

3. С₂Н₄+Сl₂>C₂H₃Cl+НCl

= 31,37+(-92,31) - 52,28= -113,22 кДж/моль

4. С₂Н₄+НСl>C₂H₅Cl

= -105,0 - (-92,31+52,28) = -64,97 кДж/моль

Теплота экзотермических реакций.

Q_реак=[1000/3600] (17,89·182,3+2,4·283,08+0,28·113,22·0,27·64,97) = 9109,27 кВт

Общий приход тепла.

Q_прих=Q_реак+Q₁+Q₂ [6]

где Q_прих - общий приход тепла

Q₁ - тепловой поток технического этилена

Q₂ - тепловой поток технического хлора

Q_прих = 9109,27+43,56+33,88 = 9186,44 кВт

Потери тепла в окружающую среду принимаем равными - 5% от общего прихода тепла.

Q_потерь= 9186,44·0,05=459,32 кВт

Определим количество тепла, отводимое из реактора дихлорэтаном.

Q_сжим = Q_{прих -} Q_потерь - Q_{прод.реак}

Q_сжим = 9186,44 - 459,32 - 197,5 = 8529,62 кВт

Данные расчета теплового баланса заносим в таблицу.

Таблица 6.2. Тепловой баланс реактора прямого хлорирования этилена

На основании теплового расчета определяем количество дихлорэтана, циркулирующее в холодильнике.

Формула: [6]

где G - количество дихлорэтана - сырца, кг/ч

Q - тепло, снимаемое в выносном холодильнике, кВт

С - теплоемкость ДХЭ - сырца, кДж/кг•К

tн, tк - начальная и конечная температура ДХЭ - сырца.