Материальный баланс ХТП. Расчет материального баланса сложных необратимых реакций по исходному сырью.

Материальный баланс составляется для периодических процессов с целью определения количества целевого продукта и конструктивных характеристик реакционного аппарата.

Для составления материального баланса по исходному сырью необходимо заранее знать состав и количество подаваемого исходного сырья, степень превращения исходного сырья и селективность.

Все значимые реакции и их стехиометрию.

a₁A+b₁B à cC - целевая реакция

M_A M_B     M_C

a₂A+b₂B à dD – побочная реакция

M_A M_B     M_D

Состав исходного сырья - ω_А, ω_В

Степень превращения - Х_А

Селективность - φ_А

Производительность по сырью - G_А, G_В (т/ч.)

1) Определяем количество чистых реагентов, подаваемых на процесс

G_А ^чист.= G _А^техн. ; (кг/ч.)

         ω_А

G_В ^чист.= G _В^техн.; (кг/ч.)

ω_В

2) Определим количество превращенного реагента А

G_А ^превр.= G_А^чист. Х_А ; (кг/ч.)

3) Определим количество реагента А израсходанного на целевую реакцию.

G_А ^целев.= G_А^превр. φ _А

G_А^побоч.= G_А^превр. - G_А^целев.

4) Определим количество израсходованного реагента В и количество целевого и побочного продукта

G_В ^целев.= G _А ^{целев .} * μ _В * b ₁ ;

                μ_A * a₁

G_С = G _А ^{целев .} * μ _С * С ;

           μ_а * a₁

G_В ^побоч.= G _А ^{побоч .} * b₂ * M_B ;

                a₂ * M_A

G_D= G _А ^{побоч .} * d ₂ * M_D ;

           a₂ * M_A

5)       Таблица материального баланса.

Приход	кг/ч	Расход	кг/ч
1. Тех. Реагент А В том числе: - чистый А - примеси А   2. Тех. Реагент В В том числе: - чистый В - примеси В	GАТ   GA чист. GA прим.   GВ Т   GВ чист. GВ прим.	1. целевой продукт С   2. побочный продукт D 3. непрореаг. Сырье   4. примеси А В	Gс GD   GА непрореаг.   GA непр.     GA прим. GВ прим.
Всего:		Всего:

6) Расходный коэффициент

К_П^А = G_A^T    : К_П^В = G _В^T    

        G_C                           G_C

2. Технол.основы процесса изомеризации пентана. Технология производства изопентана.При разгонке широкой у/в фракции помимо изопентана получается значительное количество нормального пентана,в то время как сырьем для получения изопрена методом 2^хстадийного дегидрирования является только изопентан.С этой целью осуществляют изомеризацию нормального пентана в изопентан: СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ ^kat СН₃-СН(СН₃)-СН₂-СН₃-изомеризация. В качестве катализатора такого процесса используется бифункциональный алюмоплатиновый контакт, который представляет собой платину осажденную на активную окись алюминия и проматированную фтором: СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ ^{-Н2,Р t} СН₂=СН-СН₂-СН₂-СН₃^{Al 2 O 3} СН₂=С(СН₃)-СН₂-СН₃^{H 2, Pt} СН₃-С(СН₃)-СН₂-СН₃. Все эти процессы идут одновременно на бифункциональном катализаторе. Технология процесса состоит из следующих стадий: 1.подготовка сырья заключающаяся в удалении из пентана тяжелых у/в С₆ и осушки его от влаги методом азеотропной ректификации. 2.изомеризация пентана на бифункциональном катализаторе в потоке циркулирующего водородсодержащего газа. 3.разделение продуктов реакции методом ректификации. 4.подготовка циркулирующего водородсодержащего газа для изомеризации, включающего в себя очистку от фтористых соединений и осушку методом адсорбции. Схема: Сырье- нормальная пентановая фр. Поступает в К-1 азеотропной осушке.К-1 предназ. д/отделения влаги от н-С₅. Отходящая сверху колонны азеот.смесь конденсир-ся и поступает в отстойник Е-1 сливается в дренажную емкость. У/в слой из Е-1 подается в К-1. Осушенный н-пентан из К-1 пройдя печь подается на смешение с Н₂ и пост-т в Р-1. В р-ре в среде Н₂ на слое каt проис-т реакция И. Контак.газ из Р-1 после охл-я поступает на узел стабил-и. В сепар-ре О-1 изо-пентан пентановая фр. отд-ся от газа. Водородсод-й газ смеш-ся с н-пентанов.фр. пентан и изо-пентан.фр. потупает в К-2. К-2 предназ. д/отд-я легких у/в С₁-С₄ (обр-ся в пр-се крекинга) из изомеризата. Куб К-2 изопентан.фр. под-ся на питание в К-3, в к-й проис-т выделение товар. изопентана. Куб К-3 (непрореагир-й в Р-1 н-пентан) направ-ся в К-4 в кач-ве рецикла. К-4 предназ. д/отделения у/в С₆,С₅ обр-ся в пр-се И. и прешедший с исх.сырьем Вверх К-4 –это н-пентан, он напрв-ся в П-1.

 

 

3. Реакторы каталитических газофазных процессов.

 Реакторы можно классифицировать по одному из следующих признаков:

1) по организации процесса (непрерывно действующие, периодические, полунепрерывные);

2) по гидродинамическому режиму движения реагентов в реакционном объеме (реакторы полного вытеснения, в ктр реакцион-я масса дв-я в реакторе без продольного перемешивания частиц; реакторы полного смешения, в ктр происходит мгновенное смешение вновь поступивших в реактор частиц с уже им-я там частицами; реакторы промежуточного типа);

3) по тепловому режиму работы реактора (изотермические-температура постоянна; адиабатические, в ктр отсут-т с окр-й средой);

4) по агрегатному состоянию реагентов (реаторы газофазных процессов, реакторы жидкофазных процессов, р-ры газожидкостных процессов, реакторы для хим-го превращения ТВ. в-в);

5) по наличию катал-ра (р-ры кат-х проц-в, р-ры некат-х проц-в);

6) по конструктивному признаку (колонные потолочные, трубчатые, пластинчатые и т.п.)

7) по состоянию кат-ра (р-ры с непожвиж-м слоем кат-ра, р-ры с псевдоожиженным слоем кат-ра).

Классиф-ю по 1-ым 3 признакам исп-т в основном при расчетах, а по остальным 4-м – при рассмотрении их конструкций.

При рассмотрении конструкций реаторов исп-т классиф-ю по 2-м признакам: агрегатному состоянию реагентов и наличию кат-раю исп-т след-е гр.:

1)р-ры кат-х газофазных проц-в;2) р-ры некат-х газофазных проц-в;3) р-ры жидкофазных проц-в;4) р-ры для хим-го превращения ТВ. в-в.

Аппараты, в которых проводят химические реакции, называют реакторами. Конструкция реактора зависит от следующих основных факторов:

1) агрегатного состояния реагирующих и образующихся веществ;2) температуры и давления в реакционной зоне; З) теплового эффекта и интенсивности теплообмена;4) химических свойств перерабатываемых веществ;5) интенсивности перемешивания реагирующих веществ;6) непрерывности или периодичности ведения процесса; 7) наличия катализатора и его состояния.

температура и давление относятся к важнейшим побудитёлям химических процессов. Оба эти фактора заметно влияют на конструкцию реактора. В зависимости от температуры ведения процесса приходится применять те или иные теплоносители или хладагентьт. Тип теплоносителя оказывает большое влияние на конструкцию реактора.

давление среды определяет форму и габаритные размеры аппарата, его материал, конструкцию перемешивающих устройств и сальников. Аппаратам, работающим под высоким давлением, обычно придают цилиндрическую или шаровую форму. Чем выше давление среды, тем меньше диаметр корпуса аппарата.

Тепловой эффект реакции определяет необходимость теплообменной поверхности реактора, ее размеры. Иногда интенсивность тепловыделений бывает на столько большой, что имеющихся способов отвода тепла не хватает для поддержания заданной температуры реакции. В этом случае приходится соответствующими методами снижать скорость реакции.

Большинство химических процессов протекает значительно эффективнее при перемешивании реагирующих веществ.

 

Реакторы каталитических газофазных процессов. Реакторы с неподвижным слоем катализатора – реактора с катализаторными сетками.

В тех случаях, когда реакция протекает практически мгновенно, при контакте с поверхностью катализатор удобно использовать реакторы с катализаторными сет­ками. В реакторе этого типа проводят, например, окисле­ние аммиака в азотную кислоту. Конструктивно он вы­полнен весьма просто. В цилиндрической части корпуса аппарата закреп­лена платиновая сетка, служащая в этом про­цессе катализатором. Ре­акционные газы подаются сверху, их температура доведена до необходимой для реакции в специаль­ном теплообменнике. В мо­менты пуска реактора сетка разогревается до температуры реакции гре­ющим электрическим эле­ментом. Большинство химиче­ских реакций, осущест­вленных в промышленно­сти, протекают во времени, поэтому в реакторе необ­ходимо создать такие ус­ловия, при которых реагирующие друг с другом газы находились бы в контакте с катализатором в течение времени, близ­кого к необходимому.

 

Расчет теплового баланса адиабатического реактора. Любой тепл.баланс основывается прежде всего на законе сохранения энергии: сколько тепла вошло в аппарат, столько и вышло,за вычетом тепла в окружающую среду. Iрод: Qп=Qр+Qпот;Qc=G·cp·T;G-производительность;cp-теплоемкость. IIрод(фаза перехода):Q=G·r; Qприхода=∑Gi·cpi·Ti;∑-тепла всех матер.потоков которые входят в реактор. Q’расх=∑Gi·cpi·Ti-количество тепла отводимое всеми потоками в системе. Q”расх=G·∆Hp; G-количество превращенного вещества.∆Hp-тепло выделяющееся при расходовании 1моля вещества. Qпот=0,02÷0,03Qприх; Температура и массовые расходы исходных веществ известны заранее. Тепловой эффект реакции можно, определить из справочных данных либо экспериментально. Количество израсходованного при этом сырья и кол-во образовавшихся продуктов известны из расчета мат.баланса. Теплоемкости продуктов и исходных веществ известны заранее. Следовательно тепловой расчет адиабатического р.сводится к определению температуры реакционной массы на выходе из реактора. Знание данной температуры позволит понять сколько оптимально работает р.:

∑Gi·cpi·Ti=Твых(∑Gi·cpi)± Qх.р- Qпот;

Твых=((∑Gi·cpi·Ti+ Qх.р- Qпот) / ∑Gi·cpi);

В большинстве случаев выходящая из аппарата реакционная смесь поступает в теплообменный аппарат. Полученная температура является исходной для расчета количества теплоносителя и хладоагента в последующей теплообменной аппаратуре. Для проведения эндотермических реакций как правило используют 2 адиабатических р.с промежуточным теплообменником в котором выходящая охлажденная реакционная масса в следствии химических реакций заново перегревается и поступает в последующий реактор Данный процесс нашел свое применение при парофазной дегидротации МФК в стирол.

Задача