Predimensionarea Reactorului de Obtinere a Monomerului (stiren)

Capitolul 5.

Predimensioanarea reactorului de obținere a monomerului (stiren)

5.1. Date de proiectare pentru reactorul de dehidrogenare al etilbenzenului

1. Capacitatea de producție a instalației: 75 000 t/an.

2. Raportul molar abur/materie primă: R=14.

3. Puritatea stirenului: 99%.

4. Pierderile de stiren admise pe fluxul tehnologic: 1% în produse grele.

5.2. Descrierea procesului tehnologic

În aceasta lucrare se prezinta calculul de predimensionare tehnologică a unui reactor de obținere a stirenului din etilbenzen, calcul ce cuprinde un bilanț material, un bilanț termic în regim adiabatic al reactorului si determinarea compoziției fluxurilor de materiale.

Pentru realizarea bilanțului de materiale la dehidrogenarea etilbenzenului se consideră procedeul cu reactor adiabatic cu două straturi și încălzire cu abur supraîncălzit între straturi, pe catalizator pe bază de oxizi de fier.

5.3. Calculul bilanțului de material

Calculul bilanțului de material se va face corespunzător schemei fluxurilor tehnologice prezentate în figura 5.1. Bilanțul de material se va realiza initial considerând o unitate de debit de etilbenzen de 1 kmol/h, urmând apoi ca rezultatele să se ridice la scara instalației ce are, conform datelor de proiectare, o capacitate de 50 000 t/an.

Figura 5.1. Schema tehnologică de obținere a stirenului

1-fluxul de etilbenzen proaspăt; 2-abur (10%); 3-abur(90%); 4-fluxul de abur și etilbenzen; 6-fluxul de etilbenzen recircula; 7-flux de stiren la separare; 8-stiren recirculate și etilbenzen nereacționat; 9-fluxul de fază apoasă; 10-fluxul de gaze reziduale; 11-fluxul de produse grele; 12-stiren marfă.

Debitele de ieșire și intrare în reactor considerând o unitate de debit de etilbezen de 1 kmol/h vor fi prezentate în tabelul 5.1.

Tabelul 5.1. Bilanț de material pe reactor

Calculul dependenței conversiei de temperatură

Dependența conversiei de temperatură se calculează pe baza ecuației constantei de echilibru scrisă în raport cu presiunile parțiale ale participanților la reacție, pe baza ecuației ce exprimă dependența de temperatură a constantei de echilibru.

(5.1)

în care: Kp = constanta de echilibru

PSt = presiunea parțială a stirenului

PEB = presiunea parțială a etilbenzenului

= presiunea parțială a hidrogenului.

(5.2)

(5.3)

Constanta de echilibru se calculează cu ajutorul relației:

(5.4)

În prima ecuație se exprimă presiunile parțiale în funcție de fracțiile molare, respectiv în funcție de XA. Se calculează constanta de echilibru pentru următoarele temperaturi.

723K: Kp=0,0065

773K: Kp=0,0259

823K: Kp=0,0863

873K: Kp=0,2515

923K: Kp=0,65

973K: Kp=1,5373

Din relația presiunii parțiale a etilbenzenului se calculează XA pentru valorile constantei de echilibru calculate, astfel:

Pentru Kp=0,0065

Pentru Kp=0,0259

Pentru Kp=0,0863

Pentru Kp=0,2515

Pentru Kp=0,65

Pentru Kp=1,5373

În tabelul 5.2. sunt redate rezutatele conversiei obținute în funcție de temperatură și constanta de echilibru.

Tabelul 5.2. Valorile obținute pentru conversie.

5.4. Calculul bilanțului termic în jurul reactorului

Pentru realizarea bilanțului termic în jurul reactorului sunt redate în tabelul 5.3. căldurile de formare pentru fiecare component în parte.

Tabelul 5.3. Căldurile standard de formare

Ecuația generală de bilanț termic în jurul reactorului este:

(5.5)

Căldurile specifice pentru fiecare component variază cu temperatura și se calculează cu relația:

(5.6)

În tabelul 5.4. sunt prezentate valorile constantelor A, B, C pentru componenții preyenți în reactor.

Tabelul 5.4. Valori ale constantelor A,B,C.

Se calculează căldura specifică pentru fiecare component în parte și la diferite temperaturi, iar rezultatele sunt prezentate în tabelul 5.5.

Tabelul 5.5. Valori calculate ale căldurii specifice

Se reprezintă grafic variația cădurii specific cu temperatura. Din grafic se citește valoarea căldurii specific pentru etilbenzen, stiren și abur la 650 (923K) și căldura specifică pentru abur la 680(953K).

Figura 5.2. Variația căldurii specific cu temperatura pentru etilbezen

Figura 5.3. Variația căldurii specific cu temperatura pentru stiren

Figura 5.4. Variația căldurii specifice cu temperatura pentru abur

Figura 5.5. Variația căldurii specific cu temperatura pentru hidrogen

Valorile rezultate sunt:

Se calculează fracțiile molare la intrare astfel:

Fluxul termic intrat în reactor se calculează cu relația:

(5.7)

Se dau valori pentru conversie și pentru temperatura efluentului și apoi se calculează fluxul la ieșire astfel încât eroarea să fie ≤5%.

În tabelul 5.6. sunt redate valorile ale conversiei obținute la diferite temperaturi.

Tabelul 5.6. Valorile conversiei la diferite temperaturi ale efluentului.

Se vor calcula fracțiile molare ale etilbenzenului, stirenului, hidrogenului și aburului la ieșirea din reactor.

Pentru EB:

Pentru St:

Pentru Hidrogen:

Pentru abur:

În tabelul 5.7. sunt prezentate valorile fracțiilor molare ale componenților masei de reacție la diferite conversii.

Tabelul 5.7. Fracții molare calculate pentru anumite valori ale conversiei

Fluxu termic la ieșire se va calcula pentru valori ale conversiei date(0,2; 0,4; 0,6; 0,8) și pentru temperaturie de ieșire în următorul interval:918-800K.

Aceste valori ale temperaturilor au fost date pentru ca eroarea să fie de maxim 5%.

(5.8)

(5.9)

Pentru o conversie de 0,2 si Te=918K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=1,406

Pentru o conversie de 0,2 si Te=913K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=1,22

Pentru o conversie de 0,2 si Te=898K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=0,67

Pentru o conversie de 0,2 si Te=883K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=0,12

Pentru o conversie de 0,4 si Te=918K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=3,55

Pentru o conversie de 0,4 si Te=913K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=3,65

Pentru o conversie de 0,4 si Te=898K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=2,57

Pentru o conversie de 0,4 si Te=883K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=2,28

Pentru o conversie de 0,4 si Te=887K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=2,42

Pentru o conversie de 0,6 si Te=886K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=4,47

Pentru o conversie de 0,6 si Te=885K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=4,44

Pentru o conversie de 0,6 si Te=883K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=4,37

Pentru o conversie de 0,8 si Te=825K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=4,34

Pentru o conversie de 0,8 si Te=815K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=3,91

Pentru o conversie de 0,8 si Te=810K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=3,91

Pentru o conversie de 0,8 si Te=805K vor rezulta următoarele valori ale căldurilor specifice:

E=3,74

În final se trasează grafic dependența căldurilor specifice funcție de temperatură împreună cu valorile de la bilanțul de masă și la intersecția celor două curbe se citește conversia la echilibru și temperatura aferentă acestei conversii.

Figura 5.6. Conversia la echilibru funcție de temperatură

Din grafic a rezultat o conversie XA=0,65 și temperatura de 893K.

5.5. Calculul compoziției fluxurilor de materiale

În urma calculelor efectuate au rezultat următoarele debite de intrare și ieșire pentru fiecare component din reactor. Rezultatele sunt prezentate în tabelul 5.8.

Tabelul 5.8. Bilanț de materiale pe reactor pentru conversia XA=0,65

Calculul debitului de stiren marfă:

Debitul de stiren marfă se calculează cu ajutorul relației:

(5.10)

Puritatea St este de 99%, ceea ce rezultă că:

-stiren marfă pur

-impurități benzen

Pierderile de stiren pe fluxul tehnologic în faza apoasă de la separatorul de faze:

Stiren recirculat:

Cantitatea totală de stiren se calculează prin însumarea stirenului marfă, a stirenului recirculat și a pierderilor.

În tabelul 5.9. se prezintă calculu compoziției fulxului 12 de stiren marfă.

Tabelul 5.9. Compoziția fluxului 12

Pentru fluxul 6=fluxul 5:

3,28 kmol/h St………………………………..91,49 kmol/h

1,72 kmol/h EB……………………………….x kmol/h EB

3,2 kmol/h H……………………………………y kmol/h H

68,88 kmol/h Ab………………………………z kmol/h Ab

x=47,97 kmol/h EB

y=89,25 kmol/h H

z=1921,29 kmol/h Ab

3,28 kmol/h St produs……………………………………..0,08 kmol/h St recirculat

91,49 kmol/h St produs…………………………………….a kmol/h St recirculat

a= 2,23 kmol/h St recirculat

În tabelul 5.10. sunt redate debitee fluxurilor 5 și 6 de stiren recirculat, abur și hidrogen.

Tabelul 5.10. Fluxul 6, respectiv fluxul 5

Fluxul 4:

4,92 kmol/h EB………………………….1,72 kmol/h EB

x’ kmol/h EB……………………………..47,97 kmol/h EB

x’=137,21 kmol/h EB

0,08 kmol/h St……………………………..3,28 kmol/h St

y’ kmol/h St………………………………..91,49 kmol/h St

y’= 2,23 kmol/h St

68,88 kmol/h Ab………………………..68,88 kmol/h Ab

z’ kmol/h Ab…………………………..1921,29 kmol/h Ab

z’=1921,29 kmol/h Ab

În tabelul 5.11. sunt prezente debitele masice si molare pentru fluxul 4.

Tabelul 5.11. Fluxul 4 – intrate în reactor.

În tabelul 5.12. sunt redate debitele masice și molare ale fuxului 10 de gaze reziduale.

Tabelul 5.12. Fluxul 10.

În tabelul 5.13. sunt redate debitele masice pentru fluxul 9 de ape uzate.

Tabelul 5.13. Fluxul 9

Pentru fluxul 7:

Alimentarea coloanelor se separare stiren:

2152,83-(90,1514+1921,29)=140,55kmol/h

Debit St care intră în coloană:

În tabelul 5.14 sunt prezente debitele masice și molare ale fuxului 7 de stiren pentru separare.

Tabelul 5.14. Fluxul 7.

Pentru fluxul 2:

Pentru aburu de 10% sunt calculate debitele masice și molare, redate tabelar în tabelul 5.15.

Tabelul 5.15. Fluxul 2.

Pentru fluxul 3

În tabelul 5.16 sunt redate debitele masice și molare ale fluxului 3 de abur 90%.

Tabelul 5.16. Fluxul 3.

Pentru fluxul 8:

Fluxul 8 este reciclul, format dinetilbenzenul nereacționat și stiren reciclu și se obține:

Flux 8= Flux 7 – flux 11 – flux 12

141,3886-90,14=51,2486

100 kmol/h reciclu……………98 kmol/h EB………………………….2 kmol/h St

51,2486 kmol/h reciclu……….x’’ kmol/h EB………………………….y’’ kmol/h St

x’’=50,22 kmol/h EB

y’’=1,0249 kmol/h St

În tabelul 5.17 sunt redate debitele masice și molare ale fluxului 8 de stiren recirculat și etilbenzen nereacționat.

Tabelul 5.17. Fluxul 8.

Pentru fluxul 1:

Fluxul 1= EBproaspăt= EBflux4 – EBflux8

137,21-50,22=86,99 kmol/h EB

În tabelul 5.18 sunt redate debitele masice și molare ale fluxului de etilbenzen proaspăt.

Tabelul 5.18. Fluxul 1.

5.6. Calculul de predimensionare a reactorului

(5.11)

în care Vc= volumul de catalizator

Dv=debit volumetric [m3/h]

ω=viteza volumară [h-1]

(5.12)

(5.13)

Din date de literatură,ω ia valori între 3 și 3,5 h-1 . S-a ales valoarea 3,4 h-1.

Se propune din date de literatură raportul H/D=2.

(5.14)

D= 1,86m

Se alege un reactor cu diametrul D= 2m și înălțimea H= 4m