Спроектировать контактный аппарат для гидрирования бензола в циклогексан (стр. 1 из 2)

Исходные данные:

1.	Производительность	40 000 т/год
2.	Чистота бензола	99,9995%
3.	Состав водородной смеси	H₂ – 97%, N₂ – 2,6%, CH₄ – 0,4%
4.	Чистота циклогексана	99,6%
5.	Время на перезагрузку катализатора	760 ч/год
6.	Производительность узла гидрирования	4 т/час
7.	Степень гидрирования	99,6%
8.	Соотношение газов на входе в реактор	(H₂ + N₂)/C₆H₆ = 8
9.	Объёмная скорость газов	0,6 л/(л·кат·час)
10.	Температура ввода газов в реактор	130 – 140⁰ С
11.	Температура гидрирования	180 – 200⁰ С
12.	Температура циркуляции газа	40⁰ С
13.	Тепловой эффект гидрирования	2560 кДж/кг бензола
14.	Состав циркуляционного газа	H₂ – 50%, N₂ – 50%
15.	Давление в системе	18 кгс/см²
16.	Коэффициент растворимости водорода в реакционной смеси при 35⁰ Сазота в реакционной смеси при 35⁰ С	0,12 нм³/т.атм.0,25 нм³/т.атм.

Материальный баланс

Принципиальная схема процесса получения циклогексана представлена на рисунке.

Процесс производства циклогексана – непрерывный. Отсюда годовой фонд рабочего времени:

365 * 24 – 760 = 8000 час/год

Часовая производительность по циклогексану с учётом 0,2% потерь:

(40000*1000/8000)*1,002 = 5010 кг/ч

или 5010*22,4/84 = 1336 м³/ч

По уравнению реакции C₆H₆ + 3H₆«C₆H₁₂ расходуется:

бензола: 1336 м³/ч или 4652,1 кг/ч;

водорода: 3*1336 = 4008 м³/ч или 358 кг/ч;

Расход технического бензола:

4652,1*100/99.9995»4652,1кг/ч;

В соответствии с заданным объёмным отношением компонентов [(H₂ + N₂)/C₆H₆ = 8; H₂ : N₂ : C₆H₆ = 5,5 : 2,5 : 1] в реактор первой ступени подают:

водорода: 5,5*1336 = 7348 м³/ч;

азота: 2,5*1336 = 3340 м³/ч;

остаётся водорода в циркуляционном газе после реактора второй ступени:

7348 – 4008 = 3340 м³/ч

Выходит после реактора азотоводородной смеси:

3340 + 3340 = 6680 м³/ч

Определяем объёмную долю циклогексана в циркуляционном газе с учётом частичной конденсации циклогексана из газовой смеси. Давление насыщенного пара циклогексана при 40⁰ С составляет р_п = 24620 Па. При давлении газовой смеси в сепараторе р_см = 18*10⁵ Па объёмная доля циклогексана в циркуляционном газе:

j = (р_п/ р_см) * 100 = [24620/1800000]*100 » 1,37 %

Пренебрегая для упрощения расчёта растворимостью азота и водорода в циклогексане, находим количество циклогексана в газовой смеси на входе в реактор первой ступени:

6680*1,37/(100 – 1,37) = 92,8 м³/ч или 348 кг/ч

16,5 м³/ч или 11,8 кг/ч

Состав газовой смеси на входе в реактор первой ступени:

C₆H₆	C₆H₁₂	H₂	N₂	CH₄	S
V_t , м³/ч	1336	92,8	7348	3340	16,5	12133,3
j_i, %	11	0,76	60,6	27,5	0,14	100
m_t , кг/ч	4652,1	348	656,1	4175	11,8	9843
w_i, %	47,26	3,54	6,67	42,41	0,12	100

Принимаем, что степень конверсии бензола в реакторе первой ступени равна 0,93, следовательно, реагирует:

бензола: 1336 * 0,93 = 1242,5 м³/ч;

водорода: 1242,5 * 3 = 3727,5 м³/ч.

Образуется циклогексана: 1242,5 м³/ч.

Рассчитываем состав газовой смеси на выходе из реактора первой ступени:

V_t ,м³/чj_i, %

C₆H₆1336-1242,5 = 93,5 1,1

C₆H₁₂92,8 + 1242,5 = 1335,3 15,9

H₂7348 - 3727,5 = 3620,5 43,1

N₂3340 39,7

CH₄16,5 0,2

___________________________________________________________

å 8405,8 100,0

С целью уточнения степени конверсии рассчитаем константу равновесия реакции получения циклогексана по формуле:

lgK_p = 9590/T-9,9194lgT+0,002285T+8,565

где Т = 273+180 = 453 К.

lgK_p = 4,4232, K_p = 26 500

Определяем константу равновесия реакции по значениям парциальных давлений компонентов.

р_{бензола} = 1,8 * 0,0111 = 0,01998;

р_{циклогексана} = 1,8 * 0,1586 = 0,28548;

р_{водорода} = 1,8 * 0,43 = 0,774.

K_p = р_{циклогексана} /( р_{бензола*} р³_{водорода}) = 0,28548*1000/(0,01998*0,774³) = 30790

Сравнивая значения K_p, рассчитанные по значениям по значениям парциальных давлений компонентов и по эмпирической формуле (26 500 < 30 790), видим, что принятая степень конверсии бензола завышена.

Рассчитываем K_p, варьируя степень конверсии бензола на интервале от 0,92 до 0,93:

Степень конверсии	K_p
0,92	26175
0,921	26582
0,922	27001
0,923	27431
0,924	27872
0,925	28325
0,926	28791
0,927	29270
0,928	29762
0,929	30268
0,93	30790

Видно, что наиболее точное совпадение значения K_pк рассчитанному достигается при степени конверсии 0,921.

Уточним состав газовой смеси на выходе из реактора первой ступени.

бензол: 1336 * 0,921 = 1230,5 м³/ч;

водород: 1230,5 * 3 = 3691,5 м³/ч.

Образуется циклогексана: 1230,5 м³/ч.

Рассчитываем состав газовой смеси на выходе из реактора первой ступени:

C₆H₆	C₆H₁₂	H₂	N₂	CH₄	S
V_t , м³/ч	105,5	1323,3	3656,6	3340	16,5	8441,9
j_i, %	1,2	15,7	43,3	39,6	0,2	100
m_t , кг/ч	367,3	4962,4	326,5	4175	11,8	9843
w_i, %	3,7	50,4	3,3	42,5	0,1	100

В реакторе второй ступени реагирует 105,5 м³/ч бензола, расходуется 105,5*3 = 316,5 м³/ч водорода и образуется 105,5 м³/ч циклогексана. Остаётся 3656,6 - 316,5 = 3340,1 м³/ч водорода.

Количество циклогексана на выходе из реактора второй ступени:

1323,3 + 105,5 = 1428,8 м³/ч

Количество газовой смеси на выходе из реактора второй ступени:

1428,8 + 3340,1 + 3340 + 16,5 = 8125,4 м³/ч

Потери циклогексана с продувочными и танковыми газами составляют 0,2% или (1428,8-92,8)*0,002 = 1336*0,002 = 2,7 м³/ч, возвращается в реактор первой ступени – 92,8 м³/ч циклогексана.

Количество циклогексана, конденсирующегося в сепараторе:

1428,8 - 2,7 - 92,8 = 1333,3 м³/ч или 5000 кг/ч.

Растворимость компонентов газа в циклогексане:

водорода – 0,120 м³/т; азота – 0,250 м³/т при 35⁰ С и давлении 100 000 Па.

В циклогексане при давлении 18*10⁵ Па растворяется:

водорода: 0,120 * 18 * 5 = 10,8 м³/ч или 0,96 кг/ч;

азота: 0,250 * 18 * 5 = 22,5 м³/ч или 28,13 кг/ч.

Считаем, что метан растворяется полностью.

Всего из сепаратора выходит жидкой фазы:

1333,3 + 10,8 + 22,5 + 16,5 = 1383,1 м³/ч

или

5000 + 0,96 + 28,13 + 11,8 = 5040,89 кг/ч

Состав газовой смеси после сепаратора:

V_t ,м³/чj_i, %

C₆H₁₂1428,8-1333,3 = 95,5 1,4

H₂3340,1- 10,8 = 3329,3 49,4

N₂3340 – 22,5 = 3317,5 49,2

å 6742,5 100

Состав продувочных газов:

V_t , м³/ч

C₆H₁₂ 2,7

H₂2,7*49,4/1,4 = 95,3

N₂2,7*49,2/1,4 = 94,9

192,9

Состав циркуляционного газа:

V_t , м³/ч

C₆H₁₂ 92,8

H₂3329,3-95,3 = 3234

N₂3317,5-94,9 = 3222,6

å6549,4

Расход свежей азотоводородной смеси должен компенсировать затраты водорода на реакцию гидрирования, потери азотоводородной смеси при продувке и на растворение в циклогексане.

Состав свежей азотоводородной смеси:

V_t , м³/ч

H₂7348 - 3340,1 + 95,3 + 10,8 = 4114

N₂94,9 + 22,5 = 117,4

å4231,4

Т.к. метан содержится в газовой смеси с водородом, то его содержание:

4114 * 0,004 = 16,5 м³/ч или 11,8 кг/ч

Продувочные газы охлаждаются в холодильнике-конденсаторе при температуре 10⁰ С. Парциальное давление паров циклогексана при этой температуре равно 6330 Па, объёмная доля циклогексана в газе после после холодильника-конденсатора составляет:

(6330/1800000)*100 = 0,35%

Количество водорода и азота в продувочных газах:

192,9 - 2,7 = 190,2 м³/ч

Количество циклогексана в продувочных газах после холодильника-конденсатора и сепаратора:

190,2*0,35/(100 - 0,35) = 0,67 м³/ч или 2,5 кг.

Количество циклогексана, поступающего из сепаратора в сборник:

2,7 - 0,67 = 2,03 м³/ч или 7,6 кг.

Сбрасывают на факел газа:

190,2 + 0,67 = 190,9 м³/ч

Растворённые в циклогексане азот и водород отделяются при дросселировании газа до давления 200 000 Па. Образуются танковые газы, объёмная доля циклогексана в которых составляет:

(24620/200000)*100 = 12,31%

Количество циклогексана в танковых газах:

(10,8 + 22,5)* 12,31/(100-12,31)=4,67 м³/ч или 17,5 кг/ч

Где 10,8 и 22,5 м³/ч – количество водорода и азота, растворённых в циклогексане.

Количество танковых газов:

10,8 + 22,5 + 4,67 = 37,97 м³/ч

Общие потери циклогексана составляют 2,7 м³/ч или 10,1 кг, потери с продувочными газами - 2,5 кг, следовательно, с газами дросселирования после их охлаждения в холодильнике-конденсаторе теряется:

10,1 – 2,5 = 7,6 кг или 2 м³/ч

Возвращается в сборник:

17,5 – 7,6 = 9,9 кг или 4,67 – 2 = 2,67 м³/ч

Сбрасывают в атмосферу после холодильника-конденсатора:

37,97 - 2,67 = 35,3 м³/ч

Сбрасывают газа на факел: