Дипломная работа. Получение 2-метилпропена дегидратацией ,2-диметилэтанола-1 (стр. 8 )

Gn2 = Gn4 • νс8/ νи = 1,0002•0,5 = 0,0001 кмоль/мин

. Количество воды, поступающей в реактор вместе с трет-бутиловым спиртом. Исходя из мольного соотношения ТБС/вода = 80%/20%:

Gводы = Gтбс • 20%/ 80% = 1,0004• 20/80 = 0,2501 кмоль/мин

Сведем полученные результаты в таблицу 5.1.

Таблица 5.1.

Материальный баланс дегидрации ТБС.

Приход	Gn	Gm	Расход	Gn	Gm
	кмоль/мин	%	кг/мин	%		кмоль/мин	%	кг/мин	%
Трет-бутиловый спирт	1,0004	80	74,0296	94,3	Изобути-лен	1,0002	44,4	56,0112	71,3
Вода	0,2501	20	4,5018	5,7	вода	1,0002	44,4	18,0036	22,9
					Диизобу-тилен	0,0001	0,1	0,0112	0,01
					вода	0,2501	11,1	4,5018	5,7
Итого	1,2505	100	78,5314	100	Итого	2,2506	100	78,5278	100

5.2 Тепловой баланс

Уравнения теплового баланса в общем случае имеет вид:

∑Qприх. = ∑Qрасх. + ∑Qпот.

Уравнение теплового баланса для процесса дегидратации трет-бутилового спирта имеет вид:

Qисх. ± Qг. ± Qf = Qпрод. ± Qпот.

Расчет теплового баланса проведен на основе материального баланса и следующих данных:

температура на входе в реактор - 140°С (413К)

температура на выходе из реактора - 100°С (373К) [29]

тепловые потери - 5% [45].

1. Количество теплоты, поступающая с исходными веществами:

∑Qисх. =∑Gi •Сpi•Tн

Сpi = а + в + с

Сртбс413 = 20,42 + 398,2•413•10-3 − 146,6•4132•10-6 = 159,87

Срводы413 = 30 + 4,42 + 0,91 = 34,6

Qисх = (1,0004•159,87•413 + 0,2501•34,6•413) = 69626,59 Дж/моль

2. Теплота, поглощающаяся в процессе реакции

Qг = − HG

Реакция протекает при средней температуре 120°С [29].

Н0r. t = Н0298 + а(Т-298) + в/2(T2 -2982 ) + с/3(T3 - 2983 )

а). Целевая реакция при температуре 393 К Н0и = 46833 Дж/мольК

(см. термодинамический расчет).

б). Побочная реакция: Н0298 = ∑νiН0298 пр. р-и − ∑νiН0298 исх. в-в

Н0298 = Н0298 c8 − 2•Н0298 и

a = ∑νia пр. р-и − ∑νia исх в-в=20,96 − 2•7,08 = 6,8

в = ∑νiв пр. р-и − ∑νiвисх в-в=−627,94 − 2•321,63 = 15,32

с = ∑νiспр. р-и − ∑νiс исх в-в=−341,32 − 2•(−166,07) = -9,18

Энтальпия реакции при 393 К:

Н0поб,39 = −97720,20+ 95•6,8 − 15,32•62645•10-3/2 − 9,18•34234865•10-6 /3=

=− 97658,61 Дж/мольК

Общая теплота с учетом селективности:

Qr = −∑H GI φ = −(46833•1.2501•0.9998 −( −97658.61•2.2506•0.0002)) = =−58596.91 Дж/моль

3. Количество теплоты, уходящее с продуктами реакции:

Qреаг = ∑Gi •Сpi•Tк

Сри373 = 7,08 + 119,96 - 23,11+1,74 = 105,67

Срводы373 = 30+ 3,99+0,24 = 34,23

Срс8,373 = 20,96 + 234,22 −47,44 = 207,74

Qреаг = 105,67•1,0002•373+ 34,23•1,2503•373+207,74•0,0001•373 =

= 55394,1 Дж/моль

4. Суммируем приходящее тепло:

Qприх = Qисх + Qг = 69626,59 − 58596,91 = 11029,69 Дж/моль

Определим потери тепла:

Qпот = Qприх • % = 11029,69 • 0,05 = 551,48 Дж/моль

5. Суммируем тепло, расходуемое в процессе:

Qрасх = Qреак + Qпот = 55394,1 + 551,48 = 55945,58 Дж/моль

Определим количество теплоты, которое необходимо подводить к реактору:

Qf = Qрасх − Qприх = 55945,58 − 11029,69 = 44915,89 Дж/моль

Определим поверхность теплообмена:

F=Qr/(K•T•60) = 44915,89/200•40•60 = 93,5 м2

Где К=100−200вт/м2с

T = 413-393 =40К

Сведем данные теплового баланса в таблицу 5.2

Тепловой баланс дегидратации ТБС.

Таблица 5.2

Приход	Дж/моль	%	Расход	Дж/моль	%
Qприх	69626,59	60,8	Qрасх	55394,1	48,4
Qf	44915,89	39,2	Qпот	551,48	0,4
			Qr	58596,91	50,7
Всего	114542,48	100	Всего	114542,49	100

5.3 Расчет объема реактора

В реакторе идеального вытеснения (РИВ) исходная смесь движется в одну сторону с постоянной и одинаковой скоростью. Такой режим называется «поршневым».

Объем реактора РИВ рассчитывается по формуле:

V = Gv0 •τ;

где Gvo - объемный расход реакторной массы, τ - время пребывания реакторной массы в реакторе:

xi

τ = Сi0∫dxi/υr

0

тогда: xi

τ = Сv0Сi0 ∫dxi / υr

0

Так как не известна кинетика реакция, определить по уравнению время пребывания не представляется возможным.

В литературных источниках приводится размеры нескольких лабораторных установок: диаметр 2,29 см., высота 80 см, [29], либо диаметр 25 мм, высота 280мм, [49].

В промышленности используются следующие аппараты колонного типа: диаметром 2м и высотой 15м [45]; диаметр 2-3м с высотой 6-6,5м [47].

Что касается высоты слоя катализатора, то она обычно колеблется в пределах от 0,5 до 2 диаметров аппарата [48], а также возможно соотношение 1:4. [47].

Если использовать для расчетов диаметр 2м и высоту 15м, то объем реактора составит:

V=πd2 h/4=3.14*4*15/4=47.1 м3

При этом объем катализатора может составлять от 1 до 8 м3

6. Операторная схема получения изобутилена

Операторная схема процесса жидкофазной дегидратации третбутанола представлена на рис. 6.

Рис. 6. Операторная схема процесса дегидратации третбутилового спирта,

где ТБ - третбутиловый спирт, С8 - димеры изобутилена, продукт побочной реакции, И - изобутилен.

Исходное сырье - третбутиловый спирт и вода смешиваются в смесителе 1 и подается в теплообменник 2, где смесь нагревается (до 50-60оС). Затем исходная смесь поступает в компрессор 3, где сжимается до рабочего давления (1Мпа) и нагревается в теплообменнике 4 до начальной температуры (140оС). Нагретая жидкая смесь, подается в реактор 5, который обогревается теплоносителем из теплообменника 10. Из реактора 5, жидкая смесь, содержащая ТБ, Н2О, С4Н8 поступает в колонну 6. Из верхней части колонны 6 выделяется азеотропная смесь С4Н8, и Н2О, она подается в сборник 7, здесь вода выделяется в качестве сепаратной фазы и отводится. Изобутилен направляется на склад. Из нижней части колонны 6 выходит смесь содержащая ТБ, Н2О и С8 (0,3%).

Основное количество этого продукта возвращается на реакцию. Меньшая часть подается в колонну 8. Из головной части колонны 8 отводится тройная смесь ТБ, Н2О и С8 (около 50% С8).