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. Количество водяного пара, подаваемого в гидратор, равно Nz nz. Gэпр 28, кмоль час. Gz 18 Nz кг ч Количество обратного газа, выходящего из гидратора составит Gобр.в. Gпр Gz - A - GH2O Gспирт Gэф Ga Gэт Gп, кг ч. 1 6.