Расчет материального баланса установки

Производительность установки с учетом потерь

 

 

Рассчитываем часовую производительность установки

 

 

С учетом состава технического ДХЭ

 

 

В реакторе протекают следующие реакции:

1. Образование 1,2 – дихлорэтана.

 

С₂Н₄ + 2Cl₂ C₂H₄Cl₂

 

2. Образование 1,1,2 – трихлорэтана

 

С₂Н₄ + Cl₂ C₂H₃Cl₃ + HCl

 

3. Образование винилхлорида

 

С₂H₄ + Cl₂ C₂H₃Cl + HCl

4. Образование хлористого этила

 

C₂H₄ + HCl C₂H₅Cl

 

При этом образуется:

ДХЭ –   15565 • 0,98 = 15254 кг/ч

ТХЭ –   15565 • 0,02 = 311,3 кг/ч

ВХ –     15565 • 0,1/100 = 15,56 кг/ч

ХЭ –     15565 • 0,1/100 = 15,56 кг/ч

Определение количества хлора и этилена, идущих на образование ДХЭ – сырца.

На образование ДХЭ (100%-ого):

 

X₁ X₂ 15254

CH₂=CH₂ + Cl₂ C₂H₄Cl₂

28 71 99

М (С₂Н₄) = 28 кг/кмоль

М (Сl₂) = 71 кг/кмоль

М (С₂Н₄Cl₂) = 99 кг/кмоль

X₁ (C₂H₄) = 28•15254/99 = 4402,2 кг/ч

Х₂ (Сl₂) = 71•15254/99 = 10939,7 кг/ч

 

На образование ТХЭ:

 

Х₁ Х₂ 311,3 Х₃

С₂Н₄ + 2Cl₂ С₂Н₃Cl₃ + НCl

28 142 133,5 36,5

M(HCl) = 36,5 кг/кмоль

М(С₂H₃Cl₃) = 133,5 кг/кмоль

Х₁ (С₂Н₄) = 28•∙311,3/133,5 = 65,3 кг/кмоль

Х₂ (Cl₂) = 142•311,3/133,5 = 331,2 кг/кмоль

Х₃(НCl) = 65,3•36,5/28 = 85,1 кг/ч

 

На образование ВХ:

 

Х₁ X₂ 15,56 X₃

С₂H₄ + Сl₂ C₂H₃Cl + HCl

28 71 62,5 36,5

M(C₂H₃Cl) = 62,5 кг/кмоль

Х₁(C₂H₄) = 28•15,56/62,5 = 6,97 кг/ч

Х₂ (Сl₂) = 71•15,56/62,5 = 17,27 кг/ч

Х₃(НCl) = 6,97•36,5/28 = 9,1 кг/ч

 

На образование ХЭ:

 

Х₁ X₃ 15,56

С₂Н₄ + НCl C₂H₅Сl

28 36,5 64,5

M(C₂H₅Cl) = 64,5 кг/кмоль

Х₁(С₂Н₄) =28•15,56/64,5 = 6,7 кг/ч

 

В данном случае идет утилизация хлористого водорода, образовавшегося в предыдущих реакциях.

Х₃ (HCl) = 15,56•36,5/64,5=8,8 кг/ч

Определяем суммарное количество образовавшегося хлористого водорода:

На реакцию образования этилхлорида расходуется хлористого водорода – 10,1 кг/ч. остальное количество 94,2 – 8,8 = 85,4 кг/ч растворяется в дихлорэтане сырце.

Общий расход этилена.

Расход технического этилена.

Состав технического этилена, % об.:

Этилен (С₂Н₄)                   – 99,9

Метан (СН₄)                      – 0,048

Этан (С₂Н₆)                       – 0,048

Пропилен (С₃Н₆)              – 0,005

Плотность при нормальных условиях [5]

 

 

где М – молекулярная масса газа, кг/кмоль

 – плотность газа при н.у., кг/м³

22,4 м³ – объем, занимаемый 1 кмоль газа.

(С₂Н₄) = 28/22,4 = 1,250 кг/м³

(СН₄) = 16/22,4 = 0,714 кг/м³

(С₂Н₆) = 30/22,4 = 1,339 кг/м³

(С₃Н₆) = 42/22,4 = 1,875 кг/м³

(С₂Н₂) = 26/22,4 = 1,161 кг/м³

 

Объем при нормальных условиях [5]

 

 

где  – объем, занимаемый газом при н.у., м³

m–масса газа, кг

- плотность газа при н.у., кг/м³

Объемный расход чистого 100%-ого этилена для получения дихлорэтана.

 

 

Общий объемный расход этиленовой фракции составит:

 

 

Расход остальных газов:

Пропилен  или

Метан  или

Этан  или

Общий массовый расход технического этилена составит:

Состав этилена в массовых процентах :

 

 [5]

 

Этилен

Пропилен

Метан

Этан

Общий расход хлора

 

 

G = 11288,6 кг/ч – расход чистого 100%-ого хлора пошедшего на реакцию получения 1,2 – дихлорэтана и побочные реакции.

Определим состав технического хлора в массовых процентах.

Определим плотность газов, входящих в состав технического хлора.

(Cl₂) = 71/22,4 = 3,17 кг/м³

(Н₂O) = 18/22,4 = 0,8 кг/м³

(O₂) = 32/22,4 = 1,43 кг/м³

 

Объемный расход чистого 100%-ого хлора составит:

 

 

Объемный расход технического хлора:

 

 

Остальные компоненты:

Вода  или

Кислород  или

 

Массовый расход технического хлора.

 

(вода)

 

где  – массовый расход технического хлора

m_i (хлор) – массовый расход 100%-ого (чистого) хлора

m_i (кислород) – массовый расход 100%-ого (чистого) кислорода

m_i (вода) – массовый расход 100%-ого (чистого) водяного пара

Определим состав технического хлора в массовых процентах.

 

                                                                      [5]

 

хлор

вода

кислород

 

Таблица 5.1. Материальный баланс стадии прямого хлорирование этилена

Приход				Расход
Компоненты			%	Компоненты			%
Технический этилен в том числе: Этилен Пропилен Метан Этан Технический хлор, в том числе: Хлор Вода кислород	4484,77   4481,2 0,3 1,23 2,3 11392,6   11288,6 0,033 104	160,17   160,04 0,007 0,07 0,07 160,46   159 0,002 3,25	27,88   72,12	ДХЭ-товарный Побочные, в том числе: ТХЭ ВХ ХЭ   Отходящие газы, в том числе: Хлористый водород Пропилен Метан Этан Вода Кислород   Потери ДХЭ	14943 342,4   311,3 15,56 15,56   193,3     85,4 0,2 1,23 2,3 0,033 104   395	151 2,85   3,17 0,24 0,24   5,85     1,2 0,007 0,07 0,07 0,002 3,25   4	94,73 1,98   1,17   2,2
ИТОГО:	15873,7		100	ИТОГО:	15873,7		100

 

Таблица 5.2. Материальный баланс реактора прямого хлорирование этилена

Приход				Расход
Компоненты			%	Компоненты			%
Технический этилен, в том числе: Этилен Пропилен Метан Этан Технический хлор, в том числе Хлор Вода Кислород	4484,77   4481,2 0,3 1,23 2,3 11392,6   11288,6 0,033 104	160,17   160,04 0,007 0,07 0,07 160,46   159 0,002 3,25	27,88   72,12	ДХЭ-сырец, в том числе: ДХЭ ТХЭ ВХ ХЭ   Остальные, в том числе: Хлористый водород Пропилен Метан Этан Вода Кислород	15565   15254 311,3 15,56 15,56   193,3     85,4 0,3 1,23 2,3 0,033 104	157,2   154,1 3,2 0,24 0,24   5,85     1,2 0,007 0,07 0,07 0,002 3,25	94,73     1,17
ИТОГО:	15873,7		100	ИТОГО:	15873,7		100

 

 

Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса в общем виде:

Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ + Q ₄ + Q ₅ + Q ₆ + Q _пот., [6]

 

где Q₁, Q₂, Q_3, Q₄ – тепловые потоки технического этилена, технического хлора азота и продуктов реакции соответственно, кВт;

Q₅ – теплота экзотермических реакций;

Q₆ – теплота, отводимая кипящим конденсатом, кВт;

Q пот. – теплопотери в окружающую среду, кВт

 

 

Исходные данные:

Материальные потоки (из таблицы материального баланса реактора)

Технический этилен:

Технический хлор:

Продукты реакции (ДХЭ – сырец):

Остальные:

Для расчета тепловых расчетов технического хлора, технического этилена, продуктов реакции рассчитаем средние молярные теплоемкости:

 

 [6]

 

технического хлора при температуре:

Т₁=25+273=298К

технического этилена при температуре:

Т₂=25+273=298К

продуктов реакции при температуре:

Т₃=55+273=328К

остальных при температуре:

Т₄=55+273=328К

 

Средние молярные теплоемкости

Наименование
Технический этилен: Этилен Пропилен Метан Этан Итого: Технический хлор: Хлор Вода Кислород Итого: Остальные газы + продукты реакции: ДХЭ ТХЭ ВХ ХЭ Хлористый водород Пропилен Метан Этан Вода Кислород	99,9 0,006 0,027 0,05 100   99,1 0,0003 0,9 100     97,3 1,28 0,004 0,004 1,34 0,001 0,01 0,038 0,0012 0,009	43,56 63,89 35,71 52,64     33,93 75,42 29,37   79,63 148,50 53,68 12,76 29,0 76,08 39,74 63,02 34,23 30,02	43,52 0,004 0,009 0,026 43,56   33,62 0,00023 0,264 33,88     77,48 1,90 0,002 0,004 0,39 0,0001 0,0004 0,024 0,0004 0,0027
ИТОГО:	100		79,8

 

Тепловые потоки:

Технического этилена

 

                        [6]

 

где G_M – материальный поток, кмоль/с

t – температура, ⁰С

 – средняя молярная теплоемкость, Дж/(моль·К)

Технического этилена:

Q₁=0,04·43,56·25 = 43,56 кВт

Технического хлора:

Q₂=0,04·33,88·25 = 33,88 кВт

Продукты реакции +остальные:

Q₃=(0,043+0,002)·79,8·55 = 197,5 кВт

Рассчитаем теплоты реакции.

Теплоты образования веществ (кДж/моль)

 

С₂Н₄               52,28                                 [5]

Cl₂                  0

HCl           -92,31

C₂H₄Cl₂           -130,02

C₂H₃Cl₃           -138,49

C₂H₃Cl            31,37

C₂H₅Cl            -105,0

 

 [5]

 

где - теплота химической реакции

- теплота продуктов реакции

- теплота исходных веществ

 

1. С₂Н₄+Сl₂→C₂H₄Cl₂

= -130,02 – (0+52,28) = -182,3 кДж/моль

2. С₂Н₄+2Сl₂→C₂H₃Cl₃+НCl

= -138,49+(-92,31) – 52,28 = -283,08 кДж/моль

3. С₂Н₄+Сl₂→C₂H₃Cl+НCl

= 31,37+(-92,31) – 52,28= -113,22 кДж/моль

4. С₂Н₄+НСl→C₂H₅Cl

= -105,0 – (-92,31+52,28) = -64,97 кДж/моль

 

Теплота экзотермических реакций.

 

Q_реак=[1000/3600] (17,89·182,3+2,4·283,08+0,28·113,22·0,27·64,97) = 9109,27 кВт

 

Общий приход тепла.

 

Q_прих=Q_реак+Q₁+Q₂                               [6]

 

где Q_прих – общий приход тепла

Q₁ – тепловой поток технического этилена

Q₂ – тепловой поток технического хлора

Q_прих = 9109,27+43,56+33,88 = 9186,44 кВт

Потери тепла в окружающую среду принимаем равными – 5% от общего прихода тепла.

Q_потерь= 9186,44·0,05=459,32 кВт

Определим количество тепла, отводимое из реактора дихлорэтаном.

 

Q_сжим = Q_{прих –} Q_потерь - Q_{прод.реак}

Q_сжим = 9186,44 – 459,32 – 197,5 = 8529,62 кВт

 

Данные расчета теплового баланса заносим в таблицу.

 

Таблица 6.2. Тепловой баланс реактора прямого хлорирования этилена

Приход			Расход
	кВт	%		кВт	%
1. Тепловой поток технического этилена. 2. Тепловой поток технического хлора. 3. Тепловой поток экзотермических реакций.	43,56   33,88   9109,27	0,59   0,47   98,94	1. Тепловой поток: продукты реакции + остальные 2. Потери в окружающую среду. 3. Тепло, снимаемое в холодильнике	197,5   459,32     8529,62	2,48   5,0     92,55
ИТОГО:	9286,44	100	ИТОГО:	9286,44	100

 

На основании теплового расчета определяем количество дихлорэтана, циркулирующее в холодильнике.

 

Формула:                                                     [6]

 

где G – количество дихлорэтана – сырца, кг/ч

Q – тепло, снимаемое в выносном холодильнике, кВт

С– теплоемкость ДХЭ – сырца, кДж/кг∙К

tн, tк – начальная и конечная температура ДХЭ – сырца.