Производство 1,2-дихлорэтана

дипломная работа

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

Х12Н4) = 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

Х12Н4) =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.

2Н4) = 28/22,4 = 1,250 кг/м3

(СН4) = 16/22,4 = 0,714 кг/м3

2Н6) = 30/22,4 = 1,339 кг/м3

3Н6) = 42/22,4 = 1,875 кг/м3

2Н2) = 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

2O) = 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

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

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

mi (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

Приход

Расход

Компоненты

%

Компоненты

%

Технический этилен

в том числе:

Этилен

Пропилен

Метан

Этан

Технический хлор,

в том числе:

Хлор

Вода

кислород

4484,77

4481,2

0,3

1,23

2,3

11392,6

11288,6

0,033

104

160,17

160,04

0,007

0,07

0,07

160,46

159

0,002

3,25

27,88

72,12

ДХЭ-товарный

Побочные,

в том числе:

ТХЭ

ВХ

ХЭ

Отходящие газы,

в том числе:

Хлористый водород

Пропилен

Метан

Этан

Вода

Кислород

Потери ДХЭ

14943

342,4

311,3

15,56

15,56

193,3

85,4

0,2

1,23

2,3

0,033

104

395

151

2,85

3,17

0,24

0,24

5,85

1,2

0,007

0,07

0,07

0,002

3,25

4

94,73

1,98

1,17

2,2

ИТОГО:

15873,7

100

ИТОГО:

15873,7

100

Таблица 5.2. Материальный баланс реактора прямого хлорирование этилена

Приход

Расход

Компоненты

%

Компоненты

%

Технический этилен,

в том числе:

Этилен

Пропилен

Метан

Этан

Технический хлор,

в том числе

Хлор

Вода

Кислород

4484,77

4481,2

0,3

1,23

2,3

11392,6

11288,6

0,033

104

160,17

160,04

0,007

0,07

0,07

160,46

159

0,002

3,25

27,88

72,12

ДХЭ-сырец,

в том числе:

ДХЭ

ТХЭ

ВХ

ХЭ

Остальные,

в том числе:

Хлористый водород

Пропилен

Метан

Этан

Вода

Кислород

15565

15254

311,3

15,56

15,56

193,3

85,4

0,3

1,23

2,3

0,033

104

157,2

154,1

3,2

0,24

0,24

5,85

1,2

0,007

0,07

0,07

0,002

3,25

94,73

1,17

ИТОГО:

15873,7

100

ИТОГО:

15873,7

100

6. Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса в общем виде:

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

где Q1, Q2, Q3, 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

Наименование

Технический этилен:

Этилен

Пропилен

Метан

Этан

Итого:

Технический хлор:

Хлор

Вода

Кислород

Итого:

Остальные газы + продукты реакции:

ДХЭ

ТХЭ

ВХ

ХЭ

Хлористый водород

Пропилен

Метан

Этан

Вода

Кислород

99,9

0,006

0,027

0,05

100

99,1

0,0003

0,9

100

97,3

1,28

0,004

0,004

1,34

0,001

0,01

0,038

0,0012

0,009

43,56

63,89

35,71

52,64

33,93

75,42

29,37

79,63

148,50

53,68

12,76

29,0

76,08

39,74

63,02

34,23

30,02

43,52

0,004

0,009

0,026

43,56

33,62

0,00023

0,264

33,88

77,48

1,90

0,002

0,004

0,39

0,0001

0,0004

0,024

0,0004

0,0027

ИТОГО:

100

79,8

Тепловые потоки:

Технического этилена

[6]

где GM - 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.

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

Общий приход тепла.

Qприх=Qреак+Q1+Q2 [6]

где Qприх - общий приход тепла

Q1 - тепловой поток технического этилена

Q2 - тепловой поток технического хлора

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

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

Qпотерь= 9186,44·0,05=459,32 кВт

Определим количество тепла, отводимое из реактора дихлорэтаном.

Qсжим = Qприх - Qпотерь - Qпрод.реак

Qсжим = 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

Приход

Расход

кВт

%

кВт

%

1. Тепловой поток технического этилена.

2. Тепловой поток технического хлора.

3. Тепловой поток экзотермических реакций.

43,56

33,88

9109,27

0,59

0,47

98,94

1. Тепловой поток: продукты реакции + остальные

2. Потери в окружающую среду.

3. Тепло, снимаемое в холодильнике

197,5

459,32

8529,62

2,48

5,0

92,55

ИТОГО:

9286,44

100

ИТОГО:

9286,44

100

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.

Делись добром ;)