Основы научных исследований и проектирования Контрольная работа

Катализатором процесса служит ортофосфорная кислота на шариковом носителе — силикагеле. 

3 Схема материальных и тепловых потоков, определение энергетических затрат на осуществление процесса

3.1 Материальный баланс

Составим материальный баланс реактора гидратации пропилена в изопропиловый спирт мощностью 10000 кг/ч

CH₃CH=CH₂+ H₂O → (CH₃)₂CHOH

На образование 1кмоль спирта идёт 22,4 м³ олефина:

V_{теор проп} = 12 22,4 в€™ 10000 60 =3733,33 "> м³;

С учётом степени превращения на стадиях процесса:

V_прак= 12 3733,33 0,95 =3929,82 "> м³;

Вместе с пропиленом будет подано пропана в количестве:

V_прак= 12 3929,82в€™25% 75% =1309,94 "> м³;

Всего пропан-пропиленовой фракции:

3929,82м³+1309,94 = 5239,76 м³;

Определим расход пропилена:

G (C₃H₆) = (3929,82∙42)/22,4 = 7368,41кг;

Определим расход пропана:

G (C₃H₈) = (1309,94∙44)/22,4 = 2573,09 кг;

Всего пропан-пропиленовой фракции:

7368,41 кг + 2573,09 кг =9941,50 кг.

Для получения 1 кмоль изопропилового спирта требуется 1 кмоль воды. Определим расход воды для производства 10000 кг изопропилового спирта:

G (Н₂O) = 18∙10000 / 60 = 3000 кг;

Побочных продуктов с учётом степени превращения образуется:

G_{поб.прод.} = 12 7368,41 в€™5% 95% "> = 368,41кг.

Таблица 3.1 – Материальный баланс

3.2 Тепловой баланс

Тепловой баланс любого аппарата может быть представлен в виде уравне­ния, связывающего приход и расход тепла процесса (аппарата), он составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Уравнение теплового баланса:

∑Q_пр = ∑Q_расх или ∑Q_пр - ∑Q_расх=0

Тепловой баланс рассчитывают по данным материального баланса с уче­том тепловых эффектов (экзотермических и эндотермических) химических ре­акций и физических превращений (испарение, конденсация и т.п.), происходя­щих в аппарате с учетом подвода теплоты извне и отвода ее с продуктами реак­ции, а также через стенки аппарата.

Расчет теплового баланса:

Q_m + Q_ж + Q_г + Q_ф + Q_р+ Q_n+ Q_m^/+ Q_ж^/ + Q_г^/+ Q_ф^/ + Q_р^/ + Q_n^/

где Q_m, Q_ж, Q_г - количество теплоты, вносимое в аппарат твердыми, жидкими и газообразными веществами соответственно;

Q'_m, Q'_ж, Q'_г - количество теплоты, уносимое из аппарата выходящими продуктами и полупродуктами реакции и не прореагировавшими исходны­ми веществами в твердом, жидком и газообразном виде;

Q_фиQ'_ф- теплота физических процессов, происходящих с выделением и поглощением теплоты;

Q_pиQ'_p- количество теплоты, выделяющееся в результате экзо- и погло­щаемое в результате эндотермических реакций;

Q_п- количество теплоты, подводимое в аппарат извне (в виде дымовых га­зов, нагретого воздуха, водяного пара, сжигания топлива, электроэнергии);

Q'_n - потери тепла в окружающую среду, а также отвод тепла через холо­дильники, помещенные внутри аппарата.

ВеличиныQ_m,Q_ж, Q_г, Q_m^/, Q_ж^/, Q_г^/рассчитывают для каждого вещества, поступающего в аппарат и выходящего из него по формуле:

Q=G·c·t,

где G - количество вещества, кг;

с - средняя теплоемкость этого вещества, кДж/(кмоль-К);

t- температура, отсчитанная от какой-либо точки (обычно от 0 °С), К.

Теплоемкости газов, участвующих в процессе, для данной температуры (температура в °К) рассчитывается по формуле:

где - коэффициенты (приведены в справочниках).

Тепловые эффекты химических ре­акций могут быть рассчитаны на основе теплот образования или теплот сгора­ния веществ, участвующих в реакции. Так, по закону Гесса тепловой эффект реакции определяется как разность между теплотами образования всех веществ в правой части уравнения и теплотами образования всех веществ, входящих в левую часть уравнения.

Например, для модельной реакции:

Тепловой эффект будет определяться

Изобарные теплоты образования элементов различных веществ приведены в справочниках физико-химических, термохимических или термо­динамических величин. При этом в качестве стандартных (нормальных) усло­вий приняты: температура 25 °С, давление 101325 Па, для растворенных ве­ществ концентрация 1 моль на 1 кг растворителя, при этом газы и растворы предполагаются идеальными.

Тепловой эффект реакции также равен сумме теплот образования исход­ных веществ за вычетом суммы теплот образования продуктов реакции:

Для определения зависимости теплового эффекта реакции от температуры применяется уравнение Нернста:

Рассчитываем количество теплоты, вносимое водой, по формуле:

Q_i = G_i · C_p · t,

где G- количество вещества, с - средняя теплоемкость этого вещества, t- температура, отсчитанная от какой-либо точки (обычно от 0⁰С)

Q_воды = 3000 · 33,61·220 = 22182,6 кДж/ч.

Рассчитывает количество теплоты, вносимое пропиленовой фракцией:

Q_{проп.фр.} = 9941,5 · 45,91 · 220 = 100498,6 кДж/ч.

Теплоёмкость пропиленовой фракции рассчитываем по уравнению:

С = (G_{пропилена} · С_{пропилена} +G_{пропана} · С_{пропана})/ (G_{пропилена} + G_{пропана)} ;

С = (7368,41 · 43,56 + 2573,09 · 52,64) / (7368,41 + 2573,09) = 45,91Дж/моль·К;

Определим количество теплоты, уносимое пропаном:

Q (С₃H₈) = G · С · t;

Q (С₂H₆) = 2573,09·(5,75 + 175,11· 10^-3 · 493 - 57,85 · 10^-6 · 493²) ·(320-220)= =16059,95 кДж/ч

Определим количества теплоты, уносимое изопропанолом:

Q (C₃H₇OH) = G · С · t;

С = (19,07 + 212,7 · 10^-3 · 493 - 108,6 · 10^-6 · 493²) = 97,54 Дж/моль · К;

Q (C₂H₅OH) = G · С · t = 10000 · 97,54 · (300-220) = 78032 кДж/ч.

Количество теплоты, уносимое из реактора с помощью холодильников:

Q_п=Q(H₂O) + Q(проп.фр.) - Q(C₃H₈) - Q(C₃H₇OH);

Q_п= 22182,6+100498,6-16059,95- 78032 = 28589,25 кДж/ч.

Расход воды в холодильниках:

G_{(воды в холодильниках)} = Q_п / (С_(воды) · (t_кон- t_нач));

G_{(воды в холодильниках)} = 28589,25 · 1000 / 33,61·(300-220) = 10632,72 кг/ч.

Таблица 3.2 – Тепловой баланс

3.3 Термодинамический расчет

CH₃CH=CH₂+ H₂O → (CH₃)₂CHOH

Изменение удельной изобарной теплоёмкости считается по уравнению:

ΔС_р= ΔС_{р(продуктов)} - ΔС_{р(исходных веществ)}.

Изменение удельной изобарной теплоёмкости для данной реакции:

ΔС_р= ΔС_р(C₃Н₇OH) - С_р(С₃Н₆) - С_р(Н₂O);

Δа=19,07-4,196=14,874;

Δb=(212,7-154,59) ·10^{- 3} = 58,11· 10^-3;

Δc=(-108,6+81,09) ·10^-6 = - 27,51 ·10^-6.

Энтальпия реакции при данной температуре рассчитывается по формуле:

ΔН⁰₄₉₃ =ΔН⁰₄₉₃(C₂Н₅OH) - ΔН⁰₄₉₃(С₂Н₄) - ΔН⁰₄₉₃(Н₂O) = ΔН⁰₂₉₈+ 12 О”РЎ СЂ "> dT;

ΔН⁰₄₉₃= ΔН⁰₄₉₃(C₂Н₅OH) - ΔН⁰₄₉₃(С₂Н₄) - ΔН⁰₄₉₃(Н₂O) = -235,3 – 52,28 +241,84 = - 45,74 кДж/моль;

ΔН⁰₄₉₃ = - 45,74 кДж/моль+ 12 "> ((14,87+58,11 · 10^-3 -27,51·10^-6Т²) -

- (30,00+10,71· 10^-3Т + 0,33·10⁵Т^-2));

ΔН⁰₄₉₃ = - 45,74 + 14,87 · (493-298) + 0,5·58,11 · 10^-3· (493²-298²) - 0,33· ·27,51·10^-6 ·(493³-298³) - (30 · (493-298) + 0,5·10,71·10^-3·(493²-298²) - 0,33 · ·10⁵(493^-1-298^-1) = -45,74 + 1,785 = - 43,955 кДж/моль.

Энтропию реакции при 493 К рассчитаем по уравнению:

ΔS₄₉₃= ΔS₄₉₃(C₂Н₅OH) - ΔS₄₉₃(С₂Н₄) - ΔS₄₉₃ (Н₂O);

ΔS₄₉₃ = ΔS₂₉₈+ 12 О”РЎ СЂ T "> dT;

ΔS₂₉₈= ΔS₂₉₈(C₂Н₅OH) - ΔS₂₉₈(С₂Н₄) - ΔS₂₉₈(Н₂O);

ΔS₂₉₈= 282,0 – 219,4 -188,74 = -126,14 Дж/моль·К;

ΔS₄₉₃= -126,14 + ((14,874·Т^-1 +58,11·10^-3- 27,51·10^-6Т) - (30·Т^-1 +10,71· 10³++0,33·10⁵Т^-3)dT;

ΔS₄₉₃= - 126,14 + 14,874ln(493-298) +58,11·10^-3(493-298)– 0,5·27,51 ·10^-6 · · (493²-298²) - 30· ln(493-298) - 10,71·10^-3(493² - 298²) – 0,5·0,33·10⁵(493^-2 - 298^-2) =

= -198,66 Дж/моль· К.

Энергия Гиббса для реакции при 493 К вычисляется по уравнению:

ΔG = ΔН - T ΔS;

ΔG₄₉₃= ΔН⁰₄₉₃ - ΔS₄₉₃ · 493 = -43,95 + 0,19·493 = 53,98 кДж/моль.

Так как реакция является обратимой, найдём значение константы равновесия:

К = 12 e -О” G KT "> = 12 e -53980 4938,3 "> = 1,91·10^-6 .

4 Расчет основного и вспомогательного оборудования

4.1 Расчет реактора.

Насыпнаяплотность катализатора ρ_нас = 2500кг/м³, плотность частиц ρ=4700 кг/м³. Эквивалентный диаметр частиц d_э=1 мм. Температура воздуха 450 ⁰С. Число псевдоожижения К_ω=1.6. Производительность катализатора 10500 т/ч , при среднем времени пребывания его в реакторе τ₀=480 мин. Расход воздуха в рабочих условиях 73893,29 м³/ч. Живое сечение решетки 0,015, диаметр отверстий 0,8 мм, толщина решетки 2 мм.

Динамический коэффициент вязкости воздуха при 450 ⁰С: μ=0,034∙10^-3 Па∙с.

Плотность воздуха

ρ = 1,293 12 273 273+450 "> = 0,488 кг/м³;

следовательно,

Ar = 12 d СЌ 3 ПЃ ПЃ СЃ g Ој c 2 "> = 12 1в€™ 10 -9 в€™4,7 10 3 в€™0,488в€™9,81 3,4 2 10 -10 "> = 1,946∙ 12 10 4 "> ;

ЗначениюAr=1,946∙ 12 10 4 "> соответствует Ly_кр=4∙ 12 10 - 2 "> . Отсюда