Проектирование реакционного узла Требования, предъявляемые к реакционному

компонентов исходного сырья:


- количество компонента A до и

после химического превращения.

- Высокая селективность реакционного процесса:

от степени превращения компонента сырья, от типа реактора (соответственно модели

реактора), от режима движения жидкости в реакторе и т.п.

Реакционный узел должен обеспечивать высокую удельную производительность – количество целевого продукта, получаемого в единице объёма в единицу времени;
- минимальное энергопотребление;
- легкость автоматизированного управления.

исходного сырья;
- Кинетическая модель химических реакций и параметры этой модели

(или другие данные, необходимые для расчёта размеров реактора и состава на выходе);
- Данные для расчёта термодинамических и транспортных свойств компонентов;
- Для систем с двумя или тремя фазами необходимы данные по фазовым равновесиям и кинетике массопередачи;
- Для гетерогенно-каталитических процессов – сведения о времени работы катализатора и методах регенерации;
- Требования по степени превращения ключевых компонентов.

и структуру реакционного узла.
- Рассчитать материальный и энергетический балансы, а

также тепловую нагрузку на каждый аппарат реакционного узла;
- Рассчитать технологические размеры и число реакторов;
- Рассчитать площадь поверхности теплообменных устройств аппаратов реакционного узла;
- Рассчитать массообменные устройства;
- Выбрать материалы для изготовления реакционной аппаратуры;
- Выполнить гидравлический расчёт реакционного узла;
- Разработать эскизы реакционной аппаратуры.

- число независимых химических реакций;
Р – число потоков на входе

в реактор;
Р' – число потоков на выходе из реактора;
bk – массовое соотношение между потоками исходного сырья;
aik – массовая доля компонента i в потоке k исходного сырья;
a'ik – массовая доля компонента i в потоке k на выходе из реактора;
Gk – массовый поток компонента k на входе в реактор;
G'k – массовый поток компонента k на выходе в реактора;
gi – масса компонента i на входе в реактор;
g’i – масса компонента i на выходе из реактора;
xkj – степень превращения ключевого компонента k в реакции;
Mi – молекулярная масса компонента i;
νij – стехиометрический коэффициент при компоненте i в реакции j;
tik – коэффициент разделения компонента i для потока k на выходе из реактора;
Q – производительность установки по целевому продукту, т/год ;
Ч – число рабочих часов в году.

исходного исходного сырья;
- Массовое соотношение между потоками сырья;
- Химические реакции,

протекающие в реакторе;
- Степень превращения ключевых компонентов в каждой из реакций;
- Коэффициенты разделения компонентов между потоками на выходе из реактора;
- Производительность установки по целевому продукту;
- Число рабочих часов в году;
-Данные о потерях целевого продукта на последующих стадиях.

каждого потока исходного сырья:
2. Рассчитываем массу каждого компонента в каждом

из потоков исходного сырья:

3. Рассчитываем массу каждого компонента на входе в реактор:

масса компонента i, образующегося или расходующегося в реакции j;
gi –

масса компонента i на входе в реактор.

Запишем уравнение реакции под номером j в следующем виде:

Если компонент образуется, то его стехиометрический коэффициент >0, если компонент расходуется, то его стехиометрический коэффициент <0, а если компонент не участвует в реакции, то стехиометрический коэффициент равен 0.

(со знаком +) или расходующегося (со знаком -) в реакции

j, будет равна:

где gk – масса ключевого компонента k на входе в реактор.

из реактора и массу потока G’ik :

6. Рассчитываем массовую долю

компонентов в потоках на выходе из реактора:

эквивалентная 1 тонне товарного целевого продукта, т.е. с учетом потерь

на последующих стадиях и содержания целевого вещества в товарном продукте;
gk’ – масса целевого продукта k на выходе из реакционного узла.

7. Рассчитываем коэффициент пересчёта K1 материального баланса из размерности кг/т исходного сырья в размерность кг/т товарного целевого продукта:

8. Рассчитываем коэффициент пересчёта K2 материального баланса из размерности кг/т товарного продукта в размерность кг/ч:

фазе. Целевым продуктом является этиленгликоль:
Гидратация сопровождается побочными реакциями образования ди-

и три- этиленгликолей:

Состав исходного потока оксида этилена, % масс.: оксид этилена – 99,9; ацетальдегид – 0,05; прочие – 0,05. Молярное отношение вода:оксид этилена – 18:1.
Степень превращения оксида этилена в этиленгликоль – 85%, в диэтиленгликоль – 12%, в триэтиленгликоль – 2,5 %.
После реактора смесь дросселируют и подают в сепаратор, где она разделяется на 2 потока. Газовый поток содержит 90% ОЭ, 20% воды и 100% ацетальдегида и примесей, выходящих из реактора. Остальные компоненты находятся в жидкой фазе.
Потери этиленгликоля на стадии очистки составляют – 0,3%. Товарный продукт содержит 99% этиленгликоля. Производительность установки 30000 тонн в год. Число рабочих часов в году – 8400.

компонентов):

ОЭ – 1; Н2О – 2; ЭГ-3; ДЭГ-4; ТЭГ-5; ацетальдегид-6;

примеси -7.

2. Пронумеруем все реакции (всего M=3 реакций), преобразовав их таким образом, чтобы в левой части стояли только компоненты исходного сырья, а в правой – только продукты реакции:

C2H4O + H2O → HO-CH2CH2-OH;
2C2H4O + H2O → HO-(CH2CH2O)2-H;
3C2H4O + H2O → HO-(CH2CH2O)3-H;

: mH2O = 1:18. Массовое соотношение: 44/18*18 или 44/324. В

потоке ОЭ содержится 99,9% масс. оксида этилена. Массовое соотношение между потоками сырья составит 44/0,999*324, т.е. 44,04 : 324.

b1=44,04; b2=324.

4. Задаём молярные доли компонентов в потоках питания.

5. Создадим матрицу стехиометрических коэффициентов.

6. Для каждой реакции выбираем ключевой компонент и задаёмся степенью превращения компонента.

массы компонентов 6-7 не нужны, так как эти компоненты не

участвуют в химических реакциях.

8. Задаём коэффициенты разделения для каждого потока.

9. Находим массу этиленгликоля на выходе, эквивалентную 1 тонне товарного целевого продукта.

G – 0,003G = 990; G=992,98.

Расчёт материального баланса (на 1000 кг исходного сырья) проводим в следующей последовательности (размерность кг/кг):
Рассчитываем массовые потоки оксида этилена и воды на входе в реактор:
Поток 1 ОЭ:

G1 = (1000b1)/(b1+b2) = (1000*44,04)/( 44,04+324) = 119,7

Поток 2 (Н2О):

G2 = (1000b2)/(b1+b2) = (1000*324)/( 44,04+324) = 880,3

сырья:
Поток 1 (k=1) ОЭ:

ОЭ G11 = G1a11 = 119,7*0,999 = 119,6

AЦ G61

= G1a61 = 119,7*0,0005 = 0,0598

Прим. G71 = G1a71 = 119,7*0,0005 = 0,0598

Поток 2 (k=2) H2O:

G22 = G2a22 = 880,3*1 = 880,3

Всего компонентов на входе:

g1 = G11 + G12 = 119,6 + 0 = 119,6

g2 = G21 + G22 = 0 + 880,3 = 880,3.

g6 = 0,0598

g7 = 0,0598

реакций.

Расчёт для первой реакции, j=1:
Для реакции 1 ключевой компонент 1

(ОЭ).

ОЭ m11 = -(119,6*0,85*(-1)*44)/((-1)*44) = - 101,66 кг/кг

Н2О m21 = -(119,6*0,85*(-1)*18)/((-1)*44) = - 41,588

ЭГ m31 = - (119,6*0,85*(1)*62)/((-1)*44) = 143,25

m41 = … = m71 =0.

Расчёт для второй реакции, j=2:
Для реакции 2 ключевой компонент 1 (ОЭ).

ОЭ m12 = - (119,6*0,12*(-2)*44)/((-2)*44) = - 14,352 кг/кг

Н2О m22 = - (119,6*0,12*(-1)*18)/((-2)*44) = - 2,935

ЭГ m32 = 0

ДЭГ m42 = - (119,6*0,12*(1)*106)/((-2)*44) = 17,288

m51 = … = m71 =0.

(ОЭ).

ОЭ m13 = - (119,6*0,025*(-3)*44)/((-3)*44) = - 2,99 кг/кг

Н2О m23

= - (119,6*0,025*(-1)*18)/((-3)*44) = - 0,408

ЭГ m33 = 0

ДЭГ m43 = 0

ТЭГ m52 = - (119,6*0,025*(1)*150)/((-3)*44) = 3,398

m61 = m71 =0.

Рассчитываем количество каждого компонента на выходе из реактора gi^ :

ОЭ g1^ = 119,6 - 101,66 - 14,352 – 2,99 = 0,598
H2O g2^ = 880,3 – 41,588 – 2,935 – 0,4077 = 835,36
ЭГ g3^ = 0 + 143,25 = 143,25
ДЭГ g4^ = 0 + 17,288 = 17,288
ТЭГ g5^ = 0 + 3,398 = 3,398
g6^ = 0,0598
g7^ = 0,0598

выходе из реактора Gik^ :
5.1 Поток1 (газовая фаза) k=1
ОЭ G11^ =

g1^ *t11 = 0,598*0,9 = 0,5382
H2O G21^ = g2^ *t21 = 835,36*0,2 = 167,07
G31^ = … G51^ = 0
G61^ = 0,0598
G71^ = 0,0598
5.2 Поток2 (жидкая фаза) k=2
ОЭ G12^ = g1^ *t12 = 0,598*0,1 = 0,0598
H2O G22^ = g2^ *t22 = 835,36*0,8 = 668,29
ЭГ G32^ = g3^ *t32 = 143,25
ДЭГ G42^ = 17,288
ДЭГ G52^ = 3,398
G61^ = 0
G71^ = 0