РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА МТБЭ

3.1. Исходные данные.

Варианты исходных данных приведены в приложении 2, выбор варианта определяется в задании преподавателем.

3.1.1. Для проведения расчета приняты следующие обозначения.

Производительность установки по целевому продукту, тыс.т/год.

Состав целевого продукта, мас. доли:

- метилтретбутиловый эфир – xz (1)

- третбутиловый спирт     – xz (2)

- диизобутилен                  – xz (3)

- метанол                            – xz (4)

Содержание компонентов свежей изобутиленсодержащей у.в.фракции, мас. доли:

- изобутилена – x (1)

- н-бутиленов – x (2)

- изобутана     – x (3)

- н-бутана       – x (4)

Содержание изобутилена в отходящей с установки отработанной изобутиленсодержащей у.в.фракции, мас. доли – yz (1).

Конверсия изобутилена, доли – AL.

Соотношение метанол : изобутилен на входе в реактор, моль – D.

Соотношение вода : у.в.-метанольная фракция (промывная колонна), мас. доли – DW.

Производство метилтретбутилового эфира осуществляется в реакционном блоке, представляющем собой ректификационную колонну, в средней части которой в два слоя загружен катализатор КУ - 2 ФПП в смеси с кольцами Рашига 15x15 в соотношении 1:1 по объему. Изобутиленсодержащая у/в. фракция поступает в реакционный блок под слой катализатора, метанол - над слоем катализатора.

Целевой продукт выводится из нижней части реакционного блока, а не вступившие в реакцию компоненты сырьевых потоков - в паровой фазе через его верх. На верхнюю тарелку реакционного узла возвра­щается часть у.в.-метанольной фракции в виде флегмы.

Устройство и принцип работы реакторного блока приведены в работе /6/.

Принципиальная блок-схема получения МТБЭ приведена на рисунке 1.

Рис.1. Принципиальная блок-схема реакторного блока получения метилтретбутилового эфира:

GGO - изобутиленсодержащая у/в. фракция (свежая и циркулирующая);

GM - метанол (свежий и циркулирующий);

GWG - пары отработанной у/в. фракции и метанола;

GFO - флегма (у/в. - метанольная фракция).

Производство МТБЭ основано на взаимодействии изобутилена с метанолом, протекающем в соответствии с уравнением:

 (CH₃)₂C = CH₂ + CH₃OH  (CH₃)₃COCH₃

 

Другие компоненты, входящие в состав изобутиленсодержащей фракции С₄, используемой для этих целей, в реакцию с метанолом не вступают, в связи с чем этот процесс рассматривается как процесс извлечения изобутилена из указанных фракций.

Заданием определяется содержание изобутилена в отработанной у/в. фракции yz (1)(здесь и далее индекс 1 принадлежит только изобутилену). Концентрация изобутилена в этой фракции при одно­кратном прохождении сырьевого потока через реакционный блок опре­деляется из выражения:

yz (1) =  , доли мас.                      (1)

Если полученное значение (1) отвечает условиям, то оно используется в дальнейших расчетах.

При достаточно высоком содержании изобутилена в у/в. сырьевом потоке концентрация его в отработанной фракции будет превышать значение, приведенное в задании. В этом случае решение задачи может быть достигнуто снижением концентрации изобутилена в у/в. потоке на входе в реакционный блок путем разбавления свежего сырья отра­ботанной у/в. фракцией. Рассмотрим расчет такой системы.

3.2. Расчет состава углеводородного потока на входе в реакционный блок

Рис.2. Схема потоков у/в. фракции С₄ с применением рециркуляции:

РБ - реакционный блок;
АК - абсорбционная колонна;

z - степень разбавления - отношение количества циркулирую­щего потока к свежему;

x ( I )- концентрация компонента потока на входе в реакционный блок, доли мас.

С учетом обозначений потоков на рисунке 2 выражение (1) принимает вид:

yz (1) =  , доли мас.                       (2)

 

Отсюда после преобразований получаем выражение для определения величины концентрации изобутилена на входе в реакционный блок:

x (1) =  , доли мас.               (3)

С другой стороны:

x (1) =  , доли мас.                      (4)

Откуда после преобразований получаем выражение для определения степени разбавления:

z =  , доли мас.                                   (5)

Содержание остальных компонентов у/в. потока на входе в реактор вычисляют по формуле:

x ( I ) =  , доли мас.                       (6)

Расчеты проводятся с применением программы (приложение 1), составленной на языке "Фортран-4".

Полученные результаты используются в дальнейших расчетах.

3.3. Расчет материального баланса реакционного блока (без учета флегмы).

Производительность установки по целевому продукту (GE, кг/ч) вычисляется с учетом числа рабочих дней в году (L), приведенных в задании. Расчет материального баланса процесса производства МТБЭ осуществляется с применением программы для работы на ЭВМ (см. приложение 2). Сущность программы заключается в следующем:

Вычисляется состав целевого продукта:

 метилтретбутиловый эфир

GEK (1) = GE * xz (1)                                                              (7)

Содержание компонентов целевого продукта вычисляется как

 GEK ( I ) = GE * xz ( I )                                                               (8)

Образование основного компонента целевого продукта, протекающее в соответствии с уравнением (1), сопровождается побочными реакциями:

(CH₃)₂C = CH₂ + HOH  (CH₃)₃COH                              (9)

2 i - C ₄ H ₈ i - C ₈ H ₁₆                                                            (10)

Исходя из стехиометрических соотношений уравнений (1, 9 и 10), опре­деляют количества реагентов, необходимых для их образования (программа 2):

RI 1 -изобутилена на образование метилтретбутилового эфира, кг/ч;

RI 2 - изобутилена на образование третбутилового спирта, кг/ч;

RI 3 - изобутилена на образование диизобутилена, кг/ч.

Отсюда общее количество конвертированного изобутилена составит:

SRI = RI1 + RI2 + RI3, кг / ч .                              (11)

RME - количество метанола, расходуемого в данном процессе, кг/ч;

GW - количество воды, пошедшее на образование третбути­лового спирта, кг/ч.

Количество изобутилена, поступающего в реакционный блок, вычисляется как:

GG(1) = SRI / AL, кг / ч ,

отсюда общее количество у/в. фракции составляет

GGO = GG (1) / x (1), кг/ч.                                       (12)

Поскольку состав у/в. фракции, поступающей в реакционный блок, известен (см.программу 1), определяем содержание инертных компонен­тов ее с помощью соотношения

GG ( I ) = GGO * x ( I )                                                 (13)

С учетом соотношения метанол: изобутилен (D, моль) на входе в реакционный блок определяем GM - количество метанола, поступающе­го в реактор, кг/ч.

Количество изобутилена в газовой фазе на выходе из реактора GR (1), кг/ч вычисляется как разность между его количеством на входе в реакционный блок GG (1), кг/ч и общим количеством конвертирован­ного изобутилена.

Аналогично вычисляется содержание метанола в газовой фазе ( GMR , кг/ч).

Отсюда общее количество у/в.-метанольной смеси, уходящей через верх реакционного блока, вычисляется как сумма количеств инертов, содержащихся в у/в. потоке на входе в реакционный блок, непрореагировавших изобутилена ( GG (1), кг/ч) и метанола ( GMR , кг/ч). Результат расчета материального баланса распечатывается в виде таблицы.

3.4. Расчет теплового эффекта реакции

Расчет теплового эффекта процесса производства МТБЭ проводит­ся с применением программы для работы на ЭВМ (приложение 3). В основе расчета - методики, изложенные в работах /10, 11/. Величины стандартных теплот образования кислородсодержащих соединений (метилтретбутилового эфира, метилтретбутилового спирта, метанола) приведены в работах /8, 12/, а углеводородов - в работах /10, 13/.

В результате расчета определяется как общее количество тепла, выделяющееся в процессе ( QR , кДж/ч) _i ,так и удельные его значения ( QUG , кДж/кг и QUM , кДж/моль С₄Н₉). Последние срав­ниваются с соответствующими величинами, опубликованными в работах /6, 8/. Общее значение количества тепла, выделяющегося в данном процессе ( QR ), используется в дальнейших расчетах.

3.5. Расчет количества флегмового потока и общего количества газа, выходящего из реакционного блока

В технологической схеме производства МТБЭ предусмотрена подача в реакционный блок в виде флегмы углеводород - метанольной фракции после ее конденсации в конденсаторе - холодильнике. При ее испарении снимается тепло, выделяющееся в результате протекания основной и побочных реакций данного процесса. Расчет проводится на ЭВМ (приложение 4). Принцип расчета заключается в следующем.

Теплоту испарения флегмы, подаваемой в реакционный блок TG , определяют по закону аддитивности, исходя из содержания ее ком­понентов в смеси ( YO ( I ) доли мас.), вычисленного с применением программы 2, по соотношению

TG = S TR(I)*YMO(I), кДж / моль ,                       (14)

где YMO - содержание компонентов, мольн. доли, TR ( I ) кДж/моль - величины теплот испарения компонентов флегмового потока, приведен­ные в работах /10, 12, 13/.

Отсюда количество флегмового потока, подаваемого в реакционный блок, составляет:

GF = ,                                                      (15)

где  QR  - общее количество тепла, выделяющегося в данном процессе.

MG - средняя молекулярная масса флегмового потока.

Общее количество газа, уходящего через верх реакционного блока, определяется так:

GWG = GRO + GF, кг / ч ,                                       (16)

где GRO , кг/ч (программа 2).

Флегмовое число ( RF ) вычисляется как отношение

RF = GF / GRO .                                                       (17)

3.6. Материальный баланс реакционного блока с учетом флегмы

Материальный баланс составляется с использованием данных, полученных в расчетах при работе на ЭВМ с применением программ 2 и 4. Полученные при этом данные заносятся в таблицу 1.

Таблица 1.

Приход