5.5. Расчёт материального баланса гидратора

При прямой гидратации этилена на фосфорнокислотных катализаторах помимо основного процесса получения этанола из этилена, протекают побочные реакции:

1)образование диэтилового эфира;

2)образование ацетальдегида;

3)образование полимеров.

Задаёмся количеством образующегося спирта Gc (кг/ч). Обозначим доли конвертируемого этилена, расходуемого на образование различных продуктов (в масс.%):

на этанол – С1;

на диэтиловый эфир – С2;

на ацетальдегид и этан – С3;

на полимеры – С4.

Расход этилена

Расход этилена рассчитывают, исходя из заданного распределения вступившего в реакцию этилена и стехиометрического уравнения реакции. Общий расход этилена равен:

;

где Мэ и Мс – молекулярные веса этилена и спирта. Из этого количества расходуются: на образование этанола

;

На образование диэтилового эфира:

;

На образование ацетальдегида и этана:

;

На образование полимеров:

.

Количество продуктов реакции

Количество этилового спирта заданно Gc (кг/ч). Количество побочных продуктов (кг/ч) находим на основе стехиометрических уравнений.

Количество диэтилового эфира равно:

;

Количество ацетальдегида равно:

;

Количество этана равно:

;

где Мэф и Мэт – молекулярные веса эфира и этана.

Рассчитываем количество полимеров. Условно считаем, что полимеры состоят только из углерода и водорода. Тогда имеем:

Gп = А4, кг/ч.

Количество воды на реакцию.

На каждую из реакций расходуется вода в количестве 1 моль на 1 моль продукта. Общее количество воды составляет:

;

Количество отдуваемого газа.

Для поддержания определённой концентрации этилена в циркулируемом газе необходимо выводить из системы поступающие инертные примеси путём отдувки части циркуляционного газа. Инертные примеси поступают в систему с исходным техническим этиленом, а также за счёт побочного образования небольших количеств этана. Хотя общее количество этих примесей невелико, они неизбежно будут накапливаться в системе, если их не удалять.

На рисунке приведена принципиальная схема циркуляции этилена. В гидратор 3 поступает компримированный этилен. Парогазовая смесь из гидратора после конденсации разделяется на газ и конденсат в сепараторе 4 высокого давления поскольку этот аппарат работает под давлением часть газа остаётся растворённой в спирто-водном конденсате. Последний после дросселирования направляется в сепаратор 5 низкого давления, где отделяется растворенный газ – отдувка низкого давления (н.д.). циркуляционный газ высокого давления из сепаратора 4 поступает на приём компрессора 2, а часть газа отдувается в систему газофракционирования (отдувка в.д.). таким образом, инертные примеси удаляются из примеси двумя путями – с отдуваемым газом высокого давления и с растворённым газом сепаратора 4 (отдувка н.д.). вместе с отдуваемым и растворённым газом из системы выводится также этилен. Поэтому количество свежего этилена, который необходимо подать в систему превышает количество конвертируемого этилена и зависит от количества отдуваемого этилена.

Введём следующие обозначения:

А – количество конвертируемого этилена, кг/ч или кмоль/ч;

В – количество свежего технического этилена, кг/ч или кмоль/ч;

V – количество отдуваемого газа высокого давления, кг/ч или кмоль/ч;

S – количество газа растворённого в спирто-водном конденсате, кг/ч или кмоль/ч;

Gэт – количество образующегося этана, кг/ч или кмоль/ч;

x, y, z – массовые или мольные концентрации этилена соответственно в свежем техническом этилене, в циркуляционном газе и в растворённом газе.

Составим баланс по этилену. Количество этилена, поступающего в систему, равно сумме конвертированного, отдуваемого и растворённого этилена

Bx = A + Vy + Sz (1)

Точно также составим баланс по примесям. Они поступают в систему со свежим этиленом плюс образующийся по реакции этан; примеси выводятся из системы с отдувкой в.д. и с растворённым газом. Следовательно, можно записать равенство:

B(1– x) + Gэт = V(1– y) + S(1 – z) (2)

Количество свежего этилена В неизвестно. Найдём его значение из уравнения (1):

В = (А + Vy +Sz)/ x (3)

И подставим его в уравнение (2):

(4)

Преобразуем уравнение (4):

(A + Vy + Sz)(1 – x ) + Gэт.x = V(1 – y)x + S(1 – z)x;

A(1 – x) + Gэт.x = V(x – y) + S(x – z);

V(x – y) = A(1 - x) + Gэт.x – S(x – z).

Количество отдуваемого циркуляционного газа выразится уравнением:

, кг/ч или кмоль/ч; (5)

Из уравнения (5) следует, что V увеличивается с уменьшением концентрации свежего этилена (х) и с увеличением концентрации этилена в циркуляционном газе (у), а из уравнения (1) следует, что с увеличением V увеличивается количество свежего этилена, которое необходимо подать в систему. Поэтому практически подбирают такие концентрации х и у, которые обеспечивали бы оптимальное парциальное давление в системе при приемлемом с экономической точки зрения количестве отдуваемого газа высокого давления.

Количество отдуваемого чистого этилена равно:

Vэ = Vy, кг/ч или кмоль/ч;

Количество отдуваемых примесей составляет:

Vпр = V(1 - y) кг/ч или кмоль/ч;

Концентрацию этилена в циркуляционном газе находим в материальном баланса по метану и этану:

В.хметан = V.yметан +S.zметан (6)

В.хэтан + Gэт = V.yэтан +S.zэтан (7)

Значение В легко вычислить из уравнения (2); следовательно, оно уже известно, поэтому из уравнения (6) и (7) легко найти соответствующие концентрации:

yметан = (В.хметан – S.zметан )/V (8)

yэтан = (В.хэтан + Gэт – S.zэтан )/V (9)

Для расчёта отдуваемого газа и последующих расчётов задаются значениями х и у. значение S и Z, zметан и zэтан определяют при расчёте сепаратора высокого давления, так как они заранее не известны, ими задаются на основе опытных данных методом подбора.

Количество прямого газа, поступающего в гидратор, определяют как сумму циркулирующего и свежего этилена. Зная количество каждого компонента, определяем состав прямого газа: метан – Gц. yметан + В.хметан (кг/ч), этилен – Gэпр; этан – Gц. yэтан + В.хэтан . .Всего - Gпр.