Особенности процесса гидратации пропанола

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Описание процесса

Пропан-пропиленовая фракция сжимается компрессором К-1 до 21 МПа, нагревается в теплообменнике Т-1 до 210 C и подается в реактор-гидрататор Р-1, который заполнен катализатором. Параллельно этому в реактор подается водяной пар, подогреваемый в теплообменнике Т-2.

Снизу реактора выводят реакционные газы, которые направляются в конденсатор Х-1, где неконденсирующийся пропилен возвращается в процесс, а жидкая фаза отправляется на дальнейшее разделение в колонну РК-1, предварительно нагреваясь в теплообменнике Т-3 до 222 C. В колонне РК-1, где происходит ректификация, поддерживается давление 2,5 МПа: смесь "изопропанол - эфир - вода" выводится как дистиллят (температура вывода из колонны равна 220 C), а из кубового остатка выводится вода при температуре 224 C.

Азеотропная смесь далее охлаждается в конденсаторе-холодильнике Х-2 и затем отправляется в емкость Е-1, часть смеси подается на верхнюю тарелку в качестве орошения колонны РК-1. Другая часть отстаивается в однокамерном отстойнике О-1, где более плотное вещество - вода удаляется снизу, а смесь эфира и спирта, прокачиваясь в насосе Н-1, поступает на разделение в ректификационную колонну РК-2, предварительно нагреваясь в теплообменнике Т-5 до температуры 76

Колонна РК-2 работает при атмосферном давлении. Эфир, как вещество с более низкой температурой кипения, отбирается в виде дистиллята и охлаждается в конденсаторе-холодильнике Х-3. Температура верха составляет 72 C. Часть эфира возвращается в колонну из емкости Е-2 в качестве орошения, а другая часть отводится как конечный товарный продукт. Целевой продукт - изопропиловый спирт отбирается снизу колонны как остаток при температуре низа равной 80 и попадает в теплообменник Т-6. Пары спирта подаются в колонну РК-2 в качестве парового орошения, а жидкая фаза отбирается как конечный товарный изопропиловый спирт.

Принципиальная схема процесса представлена на рисунке 1. В таблице 1 дан перечень аппаратов и оборудования.

Таблица 1. Перечень аппаратов и оборудования

Поз. обозначение	Наименование	Кол.
РК-1, 2	Ректификационная колонна	2
Р-1	Реактор-гидрататор	1
К-1,2	Компрессор	2
Т-1, 2, 3…6	Теплообменник	6
Х-1, 2, 3	Конденсатор-холодильник	3
Н-1	Насос	1
О-1	Отстойник	1
Е-1, 2	Емкость	2

2.Механизм химической реакции

Данная реакция - типичный пример реакции электрофильного присоединения.При диссоциации кислоты образуется протон. Присоединение протона кислоты по двойной связи пропилена через промежуточныйр-комплекс приводит к образованию карбокатиона:

(2.1)

На следующей стадии к карбокатиону присоединяется вода с образованием оксониевого иона:

(2.2)

Далее от этого иона отщепляется протон и образуется молекула спирта:



(2.3)

3.Операторная схема и математическая модель процесса

Стехиометрическое уравнение реакций:

С₃H₆+ H₂O > CH₃CH(OH)CH₃; (3.1)

2C₃H₆ + H₂O> (C₃H₇)₂O . (3.2)

В дальнейшем вместо формул веществ будем оперировать буквами. Введем обозначения:

Вещество А - пропилен;

Вещество Y-вода;

Вещество В - изопропанол, целевой продукт;

Вещество С - диизопропиловый эфир, побочный продукт.

Тогда можно написать:

A + Y > B; (3.3)

2A + Y > C. (3.4)

Операторная схема процесса представлена на рисунке 2.

Рисунок. Операторная схема процесса



Реактор идеального вытеснения.

Процесс происходит изотермически.

Математическая модель РИВ:

(3.5)

Для протекания реакции на непористом зерне катализатора:

(3.6)

(3.7)

(3.8)

(3.9)

Тогда:

Для изотермического процесса:

(3.10)

при

(3.11)



(3.12)

4. Материальный баланс процесса

Нагрузка установки по ППФ: 60 тыс. м/год=60000/(340*24)=7,35 м/ч.

Состав ППФ:

7,35 м/ч ППФ-100%

x м/ч -90%

V_A= 6,62 м³/ч ;

V_J м³/ч ;

n_A = (6,622110⁶)/(8,314483) = 34,62 кмоль/ч;

n_J= (0,732110⁶)/(8,314483) = 3,82 кмоль/ч;

G_A= кг/ч;

G_J= кг/ч.

Потери пропилена составят:

G_потери = 29,08 кг/ч.

Тогда пропилен с учетом потерь :

G_A=1424,96 кг/ч.



Переведем % моль.в % масс.:

Зададимся реакционной смесью 100кмоль, тогда:

n_A =1000,8743=87,43 кмоль;

n_B =1000,1143=11,43 кмоль;

n_C =1000,0114=1,14 кмоль.

Тогда:

G_A=87,43;

G_B= 685,8 кг;

G_C=116,28 кг;

G_{реакц см}= 3672,06+685,8+116,28=4474,28 кг;

Зададим хкг/ч -масса безводной реакционной смеси, тогда

- масса превращенного в первой реакции;

- масса превращенного во второй реакции;

- масса непревращенного.

Тогда получаем уравнение:



,

х=1502,01 кг/ч -масса безводной реакционной смеси.

Отсюда находим:

- масса превращенного в первой реакции;

- масса превращенного во второй реакции;

- масса непревращенного.

По первой реакции найдем остальные компоненты:

161,18 кг/ч - 42

х кг/ч - 18

69,08) кг/ч -масса превращенной в первой реакции;

161,18 кг/ч - 42

х кг/ч - 60

230,26 кг/ч -масса полученного

По второй найдем остальные компоненты:

32,16 кг/ч - 84

х кг/ч - 18

6,89 кг/ч -масса превращенной во второй реакции;



32,16 кг/ч - 84

х кг/ч - 102

39,05 кг/ч -масса полученного

Масса поданной и непревращенной воды составит:

Материальный баланс представлен в таблице 2.

Таблица 2. Материальный баланс процесса

Приход	Расход
Компоненты	кг/ч	% масс.	Компоненты	кг/ч	% масс.
ППФ	38,44		Изопропанол	230,26	2,94
Пропилен	1454,04	18,49	Диизопропиловый эфир	39,05	0,49
Пропан	168,08	2,13	Пропилен непрев.	1232,7	15,66
Вода	6231,6	79,38	Вода непрев.	6154,03	78,42
			Пропан	168,08	2,13
			Пропилен потери	29,08	0,36
ИТОГО	7853,72	100	ИТОГО	7853,72	100

5. Тепловой баланс процесса

Сначала определим тепловые эффекты химических реакций. Тепловой эффект химической реакции равен убыли энтальпии:

;

.



В таблице 3 представлены необходимые термодинамические свойства компонентов реакционной смеси.

Таблица 3. Термодинамические свойства компонентов реакционной смеси

Компонент	кДж/моль	, Дж/(моль•°C)	Температура, K
Пропилен	12,38	92,13	483
Вода	-243,68	35,06
Изопропанол	-283,76	129,79
Диизопропиловый эфир	-336,39	225,27
Пропан	-80,29	45,52

Изменение энтальпии выразим через энтальпии образования компонентов, учитывая, что энтальпия не зависит от давления в реакторе:

(5.3)

С учетом стехиометрических уравнений (3.1) и (3.2), имеем:

(5.4)

, (5.5)

где , , , - энтальпии образования вещества A, Y, Bи С соответственно.

-283,76 - ( -243,68 ) -12,38 = -52,47 кДж/моль,

52,47 кДж/моль,

-336,39 - ( -243,68) - 2•12,38 = -117,47 кДж/моль,

= 117,47 кДж/моль.



Определим количество теплоты, выделяющее в результате реакций за 1 секунду:

• 1000 : 3600 , кВт , (5.6)

• 1000 : 3600 , кВт , (5.7)

= 3,84 кмоль/ч;

= 0,38кмоль/ч.

= 52,47 • 3,84 • 1000 : 3600 = 55,97кВт,

= 117,47 • 0,38 • 1000 : 3600 = 12,4кВт.

Найдем общее количество теплоты, выделившееся в результате химических реакций:

= 68,37кВт.

гидратация пропанол реакционный смесь

Реакции идут с выделением тепла. Чтобы не допустить дальнейший перегрев реактора, нужно организовать теплосъем.Учтём это в дальнейшем при составлении теплового баланса.

Рассчитаем теплоту, входящую в реактор вместе с теплоносителями:

: 3600 ,кВт (5.8)

где - мольный поток вещества, входящего в реактор, кмоль/ч,

- средняямолярная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(моль • °C);

- температура в реакторе, °С.



= 34,62 92,13 210: 3600 = 186,06кВт,

= 346,2 • 35,06 • 210: 3600 = 708,04кВт,

= 3,82 • 45,52 • 210 : 3600 = 10,14кВт.

Общее количество тепла, вошедшее в реактор:

= 904,24кВт.

Аналогично рассчитаем тепло, выходящее из реактора вместе с теплоносителями:

: 3600 ,кВт (5.9)

= 3,84 • 129,79 • 210 : 3600 = 29,07кВт,

= 0,38 • 225,27 • 210 : 3600 = 4,99кВт,

= 29,35 • 92,13 • 210 : 3600 = 157,73кВт,

= 341,89 • 35,06 • 210 : 3600 = 699,22кВт,

= = 10,14кВт.

Общее количество тепла, вышедшее из реактора с теплоносителями:

= 901,15кВт.

Рассчитаем теплоту потерь пропилена:

3600 = (29,08 :42) • 92,13 • 210 : 3600 = 3,72 кВт.



Из условия теплового баланса следует, что количество тепла, вошедшего в реактор, равно количеству тепла, вышедшего из него:

; (5.10)

= ; (5.11)

= . (5.12)

Из уравнений (5.10) - (5.12) найдем количество тепла, отводимое из реактора для поддержания постоянной температуры:

Q_съема= 901,15 + 3,72 + 55,97 +12,4 - 904,24 = 69кВт.

Результаты расчета теплового баланса представлены в таблице 4.

Таблица 4. Тепловой баланс процесса



Заключение

В данной работе было проведено исследование процесса гидратации пропанола, была исследована схема процесса, на основе нее составлена упрощенная операторная схема. Составлена математическая модель реакционного объема. Проведен расчет материального и теплового баланса, на основе выданного задания и литературных данных.



Список использованной литературы

1. Паушкин Я.М., Адельсон С.В., Вишнякова Т.П., Технология нефтехимического синтеза.В двух частях, ч II. Нефтехимические продукты и полимеры. М., «Химия», 1975 г;

2. Динцес А.И. Основы технологии синтеза. 1960 г. 852 с. Государственное техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы;

3. Справочник нефтехимика. Под общей редакцией С.К. Огородникова. Ленинград «Химия» Ленинградское отделение 1978 г. 593 с. ;

4. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие/ Пер. с англ. под ред. Б. И. Соколова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1982. -592 с., ил. - Нью-Йорк, 1977.

5. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехи мического синтеза : Учебник для вузов. 4 - е изд., перераб. и доп. - М. Химия, 1988. - 592 с.

Размещено на Allbest.ru