Calculul Bilantului de Materiale Pentru O Instalatie de Fabricare a Anhidridei Ftalice

CAPITOLUL IV

CALCULUL BILANȚULUI DE MATERIALE PENTRU O INSTALAȚIE DE FABRICAREA

A ANHIDRIDEI FTALICE

IV.1. Tema de proiectare

Se cere să se realizeze calculul bilanțului de materiale pentru o instalație de fabricare a anhidridei ftalice, prin oxidarea parțială a o-xilenului in fază de vapori, intr-un reactor cu catalizator in strat fix. Se va realiza și calculul bilanțului termic in jurul reactorului și se va predimensiona reactorul.

IV.2. Date de calcul

Se dau următoarele date de calcul:

Capacitatea instalației este de 24.000 tone/an anhidrida ftalică de puritate 99,7%. Se consideră că anhidrida ftalică producție marfă conține drept impurității 0,15% anhidridă maleică si 0,15 acid benzoic.

Procesul este caracterizat de o selectivitate de 70% in anhidridă ftalică, conversiile în produse secundare se consideră a fi următoarele: 7% anhidridă maleică; 0,20% acid benzoic; 0,02% toluilaldehidă; 2,78% ardere parțială de CO.

Alimentarea reactorului cu oxigen se face în raport de 5/1 fată de necesarul stoechiometric, iar in alimentarea reactorului se injectează 0,5%sulf.

Agentul de oxidare utilizat în proces este aer cu un conținut de umiditate de 0,8%.

Se admite că temperatura gazelor ce pleacă de la sublimare este de 50˚C; aceste gaze se spală cu apă cu un debit de 9kg apă/100 /gaz, răcindu-se la 35˚C.

Pe fluxul terhnologic se admit următoarele pierderi de anhidridă ftalică: 0,8% la sublimare; 0,5% in gazele reziduuale; 1% in produse ușoare și respectiv 0,5% in reziduul de la distilare din faza de purificare.

IV.3. Calculul bilanțului de materiale

Calculul bilanțului de materiale pentru o instalație de oxidare partiala a o-xilenului, cu obținere de anhidridă ftalică, se face considerând un flux tehnologic ca cel prezentat in fig. IV.1 [2].

Fig.IV.1. Fluxul tehnologic al unei instalații de oxidare partiala a o-xilenului

(1-reactor de oxidare in strat fix;2-preincălzitor de aer;3-generator de abur de medie presiune;4-generator de abur de joasă presiune;5-răcitoare efluent;6-sublimator;7-vas anhidridă ftalică brută;8-coloană de spălare gaze reziduale)

Reacțiile chimice care se desfășoară în reactor sunt următoarele:

– oxidarea o-xilenului la anhidridă ftalică:

(I)

Si reacții secundare:

formarea anhidridei maleice

(II)

formarea toluilaldehidei

(III)

oxidarea la oxid de carbon

ΔH = – 512 kcal/mol (IV)

oxidarea totală la bioxid de carbon

(V)

Calculul s-a realizat conform unui model din literatură [1].

IV.3.1. Calcul anhidrida ftalica

Se consideră un fond anual de lucru pentru instalatie de 8000ore/an. Conform datelor de proiectare, producția marfă de anhidridă este:

(IV.1)

in care PM reprezintă producția marfă a instalației; Cap – capacitatea de productie a instalației; Fla – fond de lucru anual.

= 3 Tone/h= 3kg/h

Cantitatea de anhidridă pură din producția marfă se calculează ținând seama de puritatea produsului:

(IV.2)

=2991 kg/h

Calculul pierderilor de anhidridă pe fluxul tehnologic, comform datelor de proiectare este:

(IV.3)

in care Afx reprezintă debitul de anhidridă ftalică pierdută pe flux; PI – procentul admis de pierderi.

Total pierderi de anhidridă ftalică:

AFP=AFSB+AFGR+AFBU+AFRD (IV.4)

AFP=84 kg/h

Debitul de anhidrida ftalica ce trebuie sa iasă din reactor este:

AFR=AF+AFP (IV.5)

AF=2991+84=3075 kg/h

IV.3.2. Calcul o-xilen

Comform reacției (I), debitul de o-xilen ce trebuie să intre in reactor este:

(IV.6)

in care OX reprezintă fluxul o-xilen alimentat în reactor; MOX – masa molară a o-xilenului; MAF -masa molara a anhidridei ftalice ;OX – coeficientul stoechiometric al o-xilenului în reacția chimică (I); S – selectivitatea transformării la anhidridă ftalică.

Formarea anhidridei ftalice:

(IV.7)

= 3146,2 X 0,70 = 2202,3 kg/h

in care OXAF reprezintă fluxul o-xilenului alimentat in reactor care se transforma in anhidrida.

Formarea anhidridei maleice:

(IV.8)

in care S1 reprezinta selectivitatea transformarii o-xilenului la anhidrida maleica.

3146,2 X 0,07=220,2 kg/h

Formarea acidului benzoic:

(IV.9)

in care OX AB reprezintă fluxul de o-xilenului transformat in acid benzoic; S2 – selectivitatea transformarii la acid benzoic.

=3146,2 X 0,002=6,3 kg/h

Formarea toluilaldehidei:

(IV.10)

= 3146,2 X 0,0002=0,6 kg/h

in care OX reprezintă fluxul o-xilenului alimentat in reactor; AT toluilaldehide; S – selectvitate

Oxidarea parțială la CO:

Conform datelor de proiectare, oxidarea parțială a o-xilenului la CO se face cu o selectivitate de 2,78%.

(IV.11)

=3146,2 X 0,0278=87,4 kg/h

Total o-xilen transformat în reactor:

OXR =OAF+OAM+OAB+OAT+OBC+OCO

OXR=2202,3+220,2+6,3+0,6+629,2+87,4=3146 kg/h

IV.3.3. Calculul oxigenului

In reactor oxigenul se consumă in reactia principala pentru producerea anhidridei ftalice și în câteva reactii secundare: producerea anhidridei maleice, a acidului benzoic, a toluilaldehidei, arderea totală la bioxid de carbon, arderea parțială cu obținere de bioxid de carbon și oxidarea bioxidului de sulf.

Oxigenul consumat pentru obtinerea anhidridei ftalice se calculează tinând seama de reacția chimică (I).

(IV.12)

Oxigenul consumat în producerea anhidridei maleice se calculează tinând seama de reacția chimică (II):

(IV.13)

Oxigenul consumat pentru obținerea acidului benzoic se calculeaza tinând seama de reacției chimice (III):

(IV.14)

Oxigenul consumat pentru obținerea toluilaldehide se calculează ținând seama de reacția chimica (III):

(IV.15)

Oxigenul consumat pentru arderea totală a o-xilenului se calculează ținând seama de reacția chimica (V):

(IV.16)

Oxigenul consumat pentru oxidarea la CO se calculează ținând seama de reacția chimica (IV):

(IV.17)

Oxidarea sulfului la si se consideră conform datelor de literatură, ca fiind de 6.

Total oxigen consumat ( ) este:

OCR=OAT+OAM+OAB+OT+OBC+OCO+OS

OCR=1994,5+498,5+5,7+0,18+1994,4+171,5+6=4670,7

Tinând seama că se introduce in reactor in raport de 5/1 fată de cantitatea stoechiometric necesară, debitul total va fi:

=

Debitul de aer introdus în reactor va fi:

A=

Incărcarea o-xilenului în fluxul de aer este:

IV.3.4. Calculul bioxidului de sulf

Conform datelor de literatură [1], in alimentarea reactorului se injectează 0,7 fată de o-xilen, respectiv 22kg/h. Ceea mai mare parte din această cantitate se oxidează la cu consumarea a 6kg/h .

In reactor se produce anhidrida maleică prin reacția secundară a o-xilenului, conform reacției chimice (II). Debitul de anhidridă maleică formata este:

AM= (IV.18)

AM=

In mod asemanator se calculeaza debitul de acid benzoic format in reactor:

AB= (IV.19)

AB=

Debitul de toluilaldehida este:

AT= (IV.20)

AT=

Bioxidul de carbon rezultă din reacțiile secundare desfășurate in reactor:

la formarea anhidridei maleice

(IV.21)

=

la formarea acidului benzoic:

(IV.22)

in reacția de ardere a o-xilenului:

(IV.23)

Total debit de bioxid de carbon format in reactor este:

BCR=BCAM+BCOX+BCAB=365,4+2089,4+2,5=2457,7

IV.3.5. Calculul oxidului de carbon

Monoxidul de carbon rezultă in reactor ca urmare a arderii o-xilenului (reactia IV):

CO= (IV.24)

CO=

IV.3.6. Calculul apei

Apa se introduce in reactor sub forma de umiditate, cu aerul trimis la oxidare și rezultă din reacția ce se desfășoară in reactor. In ipoteza unei umiditati de 1% a aerului, debitul de apa introdusă cu aerul este:

A x 0,01=100229 x 0,01=1002

Apa rezultată la formarea anhidridei ftlice in urma reacției chimice (I) este:

(IV.25)

Apa rezultată la formarea anhidridei maleice in urma reacție chimice (II) este:

(IV.26)

Apa rezultată la formarea acidului benzoic este:

(IV.27)

Apa rezultată la formarea toluilaldehidei in urma reacției chimice (III) este:

(IV.28)

Apa rezultată in urma arderii parțiale a o-xilenuluiin urma reacției chimice (IV) este:

(IV.29)

Total apă in reactor:

HTO=HA+HAF+HAM+HAB+HT+HOX+HOXP

HTO=1002+1121,9+149,5+1,1+0,1+534,2+74,2=2883

IV.3.7 Calcul trioxid de sulf

Conform datelor din literatură [1], se consideră ca aproximativ 85% din SO2 introdus in reactor, se oxidează la SO3 :

(IV.30)

Debitul total de gaze rezultate din reactor este:

Tr=AFR+AM+AB+AT+BCR+CO+HTO+TBS+TS+(A-OCR)

TR=3075+203,5+7,2+0,6+2457,3+184,6+2883+22+2,3+(100229-4670,7)=104393,8

IV.4. Calculul bilanțului termic in jurul reactorului

Fluxul termic degajat în urma desfăsurării reacției de oxidare a o-xilen cu formarea de anhidridă ftalică (reactia I) este:

( IV.31)

Fluxul termic degajat în urma desfăsurării reacției de oxidare a o-xilenului cu formarea de anhidridă maleică (reactia II) este:

(IV.32)

Fluxul termic degajat în urma desfăsurării reacția de oxidare a o-xilenului cu formarea de acid benzoic este:

(IV.33)

Fluxul termic degajat în urma desfăsurării reacției de oxidare a o-xilenului cu formarea de toluilaldehidei (reactia III) este:

(IV.34)

Fluxul termic degajat în urma desfăsurării reacției de oxidare a o-xilenului cu formarea de (reactia V) este:

(IV.35)

Fluxul termic degajat în urma desfăsurării reacției de oxidare a o-xilenului cu formarea de CO (reactia IV) este:

(IV.36)

Fluxul termic degajat în urma desfăsurării reacției de oxidare a o-xilenului cu formare de SO2 (conform datelor din literatură) este:

(IV.37)

unde 307;760;322;154;1094;512;380 reprezinta călduri de reacție ().

Fluxul termic total degajat in reactor ca urmare a desfasurarii reacțiilor chimice este:

=(6378,3+1578,7+19,1+0,87+6493,8+422,1+2150,9)=14343700

Fluxul termic ieșit din reactor cu efluentul este:

(IV.38)

104393,8 x 0,24 x 380= 9520714,5

Fluxul termic ce trebuie preluat de fluxul de saruri topite ce circula in reactor printre tevile in care este incarcat catalizatorul este:

(IV.39)

=1434770+3618125-9520714,5=8441181

IV.5. Calculul de predimensionare a reactorului

Reactorul de oxidare a o-xilenului cu obtinere de anhidridă ftalică este de tip schimb de căldură; în țevile reactorului este dispus catalizatorul în strat fix, iar printre țevi, circulă săruri topite care au rolul de a prelua căldura de reacție.

Pentru a predimensiona acest reactor trebuie să se determie numarul de țevi in care este așezat catalizatorul.

Debitul volumetric considerat pentru predimensionarea reactorului se calculează pe seama datelor din calculul bilanțului de materiale.

(IV.40)

unde DV-debitul volumetric de calcul; Dve-debitul volumic al efluentului in reactor; Vn-volumul normal ocupat de 1 kmol de gaze; Tn-temperatura nominal; Pn-presiunea nominal; Pr-presiunea in reactor (10 atm); Tr-temperatura in reactor, M –masa molecular medie calculata pe baza compozitiei efluentului ( M = ΣxiMi = 29,4 kg/kmol).

Volumul masei de reacție din reactor se calculează ținand seama de durata de staționare a masei de reacție din reactor

(IV.41)

in care durata de staționare este de 0.15 secunde conform datelor din literatură [1].

VMR-volum masă de reacție; DV-debitul volumic de calcul; -durata de staționare.

Pentru calculul volumului tevilor prin care circulă masa de reacție se ține seama de fracția de goluri lăsată de amplasarea catalizatorului in țevi (=0,4)

Vțevi=

Vțevi=

Volumul unei țevi se calculează:

(IV.42)

in care lungimea unei țevi este de 4 m, iar diametrul interior este de 20 mm.

-reprezintă diametrul interior al țevi; L-lungimea unei țevi

Numarul tevilor cu care este dotat reactorul este:

(IV.43)

(IV.44)

p-pasul dintre țevi (conform datelor din literature este de 3 mm [1]); se consideră că țevile se așează sub formă de pătrat în interiorul reactorului.

= aprox 1.2 m

Diametrul reactorului

D=

Suprafața de transfer termic cu care este prevăzut reactorul este

(IV.45)

in care St suprafața de transfer termic

de-diametrul exterior al țevilor =di+ 4 mm

IV.6 Concluzii

Pe seama datelor rezultate din calculul bilanțului de materiale a rezultat că, pentru a asigura o producție de 24000 t/an anhidrida ftalică obținuta prin oxidarea parțiala a o-xilenului, este necesar un consum de 3146 kg/h o-xilen și 100229 kg/h aer, cu producerea a 3075 kg/h anhidridă ftalică in reactor. Pentru vehicularea acestor debite de material este necesar un reactor de tip multitubular prevăzut cu 2520 țevi ce au un diametru interior de 20 mm. Reactorul trebuie să aibă un diametru de 1,7 m și o inalțime a parții cilindrice de 4 m.