Спроектировать контактный аппарат для гидрирования бензола в циклогексан
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 С азота 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 » 4652,1 кг/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 рп = 24620 Па. При давлении газовой смеси в сепараторе рсм = 18*105 Па объёмная доля циклогексана в циркуляционном газе:
j = (рп / рсм) * 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 | |
|
Vt , м3/ч |
1336 |
92,8 |
7348 |
3340 |
16,5 |
12133,3 |
|
ji, % |
11 |
0,76 |
60,6 |
27,5 |
0,14 |
100 |
|
mt , кг/ч |
4652,1 |
348 |
656,1 |
4175 |
11,8 |
9843 |
|
wi, % |
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:
Vt , м3/ч ji, %
C6H6 1336-1242,5 = 93,5 1,1
C6H12 92,8 + 1242,5 = 1335,3 15,9
H2 7348 - 3727,5 = 3620,5 43,1
N2 3340 39,7
CH4 16,5 0,2
_
å 8405,8 100,0
С целью уточнения степени конверсии рассчитаем константу равновесия реакции получения циклогексана по формуле:
lgKp = 9590/T-9,9194lgT+0,002285T+8,565
где Т = 273+180 = 453 К.
lgKp = 4,4232, Kp = 26 500
Определяем константу равновесия реакции по значениям парциальных давлений компонентов.
