Instalatia de dehidrogenare a etilbenzenului

Instalatia de dehidrogenare a etilbenzenului

Date de proiectare

• Capacitatea de productie a instalatiei: 55000 tone stiren/ an
• Fond anual de ore de functionare a instalatiei: 8000 ore/ an
• Caracteristici materie prima: 98 % etilbenzen

Catalizator Fe₂O₃

Procedeu adiabat

• Raport molar abur: materie prima : R = 18
• Temperatura aburului: 10 %      din cantitatea de abur la t = 650⁰

90 % din restul de abur la t = 680⁰

• Temperatura de alimentare a reactorului: 650⁰
• Raport de recirculare: 4:1
• Compozitie la reciclu: 98 % etilbenzen

2 % stiren

• Presiunea de lucru in reactor: 4 bari
• Puritatea stirenului obtinut : 97%
• Pierderi admise pe fluxul tehnologic: 1 % fata de stirenul produs
• Pierderi admise pe fluxul tehnologic: in ape reziduale 2%

in gudron 1,5 %

Calculul bilantului de materiale

Debitul exprimat in Kmol/h etilbenzen

Tabelul 1.

3.Schema procesului tehnologic.

4.Calculul conversiei in reactor.

CH- CH CH-CH+ H

La conditiile de temperatura si presiune din reactor, Kp se realizeaza in functie de presiune

Kp=

Kp-constanta de echilibru;

P=P y ; y

Kp calculat experimental se face cu ajutorul relatiei:

Kp=exp(16,2-

T[K]; dam valori lui T in intervalul T= 723 - 973 K din 50 in 50 de grade.

Calculul bilantului de materiale.

p=98%;

FeO- catalizator;

T=650C;

Raportul de recirculare = 4:1;

p=4bar;

Tabelul 1.Calculul bilantului de materiale.

4.Calculul conversiei in reactor.

Kp= exp(16,2 -) = exp(16,2 - 21,2309) = exp( - 5,03) = 0,00653;

Kp= exp(16,2 - ) = exp(16,2 - 19,8576) = exp ( - 3,65) = 0,025;

Kp = exp(16,2 - ) = exp (16,2 - 18,6512) = exp ( - 2,4512) = 0,086;

Kp= exp( 16,2 - ) = exp ( 16,2 - 17,583) = exp (-1,383) = 0,25;

Kp = exp( 16,2 - ) = exp ( 16,2 - 16,6305) = exp (-0,4305) = 0,65;

Kp= exp( 16,2 - ) = exp ( 16,2 - 15,7759) = exp (-0,4241) = 1,53;

P= P y;

Pentru etilbenzen (EB)

P= P y

y=

P= 4

Pentru stiren (ST)

P= P y

y=

P= 4

Pentru hidrogen (H)

P= P y

y=

P= 4

Pentru abur (Ab)

P= P y

y=

P= 4

Kp=

Kp=

Kp= 4() . 4() .

Kp= 4() . = () .

Kp=

Kp=

0,0065=

2,992 - 2,834 x- 0,157 x- 96,825 x- 1,574 x=0

-96,982 x-4,408 x+ 2,992 =0

∆=b- 4ac

∆=(-4,408)- 4[-96,982 2,992]

∆= 19,43 - 4(-290,170)

∆= 19,43 + 1160,68=

=34,352

x=

x=

x=

x=0,15

Kp=

0,025=

11,507 - 10,902 x- 0,605 x- 96,825 x- 1,574 x= 0

- 97,43 x- 12,476 x+ 11,507 = 0

∆= (- 12,476)- 4[-97,43 11,507] = 155,65 - 4[- 1121,12] = 155,65 + 4484,48 = 4640,13

∆=4640,13

= 68,118

x=

x=

x=

x= 0,285

Kp=

0,086 =

39,587 - 37,505 x- 2,0817 x- 96,825 x- 1,574 x= 0

- 98,9067 x- 39,079 x+ 39,587 = 0

∆=(-39,079)- 4(-98,9067 39,587)

∆=1527,16 + 15661,67

∆=17188,83

131,10

x=

x=

x=

x= 0,465

Kp=

0,25=

115,078 - 109,027 x- 6,051 x- 96,825 x- 1,574 x=0

- 102,876 x- 110,601 x+ 115,078 = 0

∆= (- 102,876) - 4(- 110,601 115,078) = 0

∆= 10583,47 + 50910,96 = 61494,43

= 247,98

x=

x=

x=

x=0,64

Kp=

0,65=

299,20 - 283,47 x- 15,733 x- 96,825 x- 1,574 x= 0

- 112,558 x- 285,044 x+ 299,20 = 0

∆= (- 285,044)- 4(-112,558 299,20)

∆= 81250,08 + 134709,41

∆= 215959,49

= 464,71

x=

x=

x=

x= 0,798

Kp=

1,53=

704,28 - 667,24 x- 37,035 x- 96,825 x- 1,574 x= 0

- 133,86 x- 668,814 x+ 704,28 = 0

∆= (- 668,814)- 4(- 133,86 . 704,28)

∆= 447312,16 + 377099,68

∆= 824411,84

= 907,97

x=

x=

x=

x= 0,89

Tabelul Valorile conversiilor obtinute in functie de temperaturi

Capitolul 3.Bilantul termic in jurul reactorului

Fluxul de caldura intrat in reactor Qi trebuie sa fie egal cu fluxul de caldura iesit din reactor Qe.

Fluxul de caldura la intrarea in reactor

Qi = [∆h+ Cp(ti - 25)]

Tabelul 3

Capacitatile calorice variaza cu temperatura.

Cp= R(A + BT + CT

R= 8314 kj/kmol . grd

Tabelul 4

Fluxul de caldura la iesirea din reactor:

Qe= y[(∆h+ Cp(te - 25)] + y[∆h+ Cp(te - 25)] + y[∆h+ Cp(te - 25)] + y[∆h + Cp(te - 25)]

Pentru fluxul de caldura la intrarea in reactor

Pentru etilbenzen (EB)

y

∆h

Cp= R(A + BT + CT R= 8314 kj/kmol grd

T1=773 K

Cp= 8314[1,24 + 55,38 . 10.773 + (-18,476 . 10) (773)]

Cp= 8314[ 1,24 + 42,808 - 11,0399]

Cp= 8314 . 33,0081

Cp= 274429,34

Cp= 2,744 . 10

T2=873 K

Cp= 8314[ 1,24 + 55,38 . 10.873 + (- 18,476 . 10) (873)]

Cp= 8314[ 1,24 + 48,346 - 14,081]

Cp= 8314 . 35,505

Cp= 295188,57

Cp=2,951 . 10

T3=923 K

Cp= 8314[ 1,24 + 55,38 . 10. 923 + (- 18,476 . 10) (923)]

Cp= 8314[ 1,24 + 51,115 - 15,7402]

Cp= 8314 . 36,6148

Cp= 304415,44

Cp= 3,044 . 10

T4=973 K

Cp= 8314[ 1,24 + 55,38 . 10. 973 + (-18,476 . 10) (973)]

Cp= 8314[ 1,24 + 53,884 - 17,4917]

Cp= 8314 . 37,6323

Cp=312874,94

Cp= 3,128 . 10

T5=1023 K

Cp= 8314[ 1,24 + 55,38 . 10. 1023 + (- 18,476 . 10) (1023)]

Cp= 8314[ 1,24 + 56,653 - 19,3356]

Cp= 8314 . 38,5574

Cp= 320566,22

Cp=3,205 . 10

Etilbenzenul intra in reactor cu temperatura de 650C = 923 K

923 K corespunde din Graficul (T - Cp) Cp= 3,044 . 10

Qi

Qi= 0,0525[ 29920 + 304415,44( 923 - 298)]

Qi= 0,0525[ 29920 + 190259650]

Qi= 0,0525 . 190289570

Qi= 99902024,25

Qi= 9,990 . 10(t= 650)

Pentru Stiren (ST)

y

∆h

Qi

T1=773 K

Cp

Cp

Cp

Cp

Cp

T2=873 K

Cp 10. 873 + (- 16,662 . 10) . (873)]

Cp= 8314[2,05 + 43,817 - 12,698]

Cp= 8314 . 33,169

Cp= 2,757 . 10

T3=923 K

Cp=8314[2,05 + 50,192 . 10. 923 + (- 16,662 . 10) (923)]

Cp= 8314[2,05 + 46,327 - 14,194]

Cp= 8314 . 34,183

Cp= 284197,462

Cp= 2,841 . 10

T4=973 K

Cp=8314[205 + 50,192 . 10. 973 + (- 16,662 . 10) (973)]

Cp=8314[2,05 + 48,836 - 15,774]

Cp=8314 . 35,112

Cp=291921,168

Cp=2,919 . 10

T5=1023 K

Cp=8314[2,05 + 50,192 . 10. 1023 + (- 16,662 . 10) (1023)]

Cp=8314[2,05 + 51,346 - 17,437]

Cp=8314 . 35,959

Cp= 298963,12

Cp=2,989 . 10

Stirenul intra in reactor la temperatura de 650C = 923 K

923 K corespunde din Graficul (T- Cp) Cp=2,841 . 10

Qi=y[

Qi=0,00085[147360 + 284197,462(923 - 298)]

Qi=0,00085 . 177770773,8

Qi= 151105,15

Qi= 0,151 . 10(t= 650C)

Pentru Hidrogen (H)

Cp=8314 (3,249 + 0,442 . 10T)

T1=773 K

Cp=8314(3,249 + 0,442 . 10.773)

Cp=8314(3,249 + 0,3416)

Cp=8314 . 3,5906

Cp=29852,7

Cp= 2,9852 . 10

T2=873 K

Cp=8314(3,249 + 0,442 . 10.873)

Cp

Cp

Cp

T3=923 K

Cp

Cp

Cp

Cp

T4=973 K

Cp

Cp

Cp

Cp

T5=1023 K

Cp

Cp

Cp

Cp

y Qi

Pentru Abur (Ab)

Qi=y

y

Cp

T1=773 K

Cp=8314(3,470 + 1,42 . 10. 773)

Cp

Cp

Cp

T2=873 K

Cp

Cp

Cp

Cp

T3=923 K

Cp

Cp

Cp

Cp

T4=973 K

Cp

Cp

Cp

Cp

T5=1023 K

Cp 10. 1023)

Cp=8314 . 4,922

Cp=40926,9

Cp=4,092 . 10

Qi=0,9465 . 0,1 [(-241,82 . 10) + 39746,4 (923 - 298)]

Qi=0,09465 [-241820 + 24841500]

Qi=0,09465 . 24599680

Qi=2328359,712

Qi= 2,3283 . 10( la temperatura de 650)

Qi=0,9465 . 0,9[(-241.82 . 10) + 3,99 . 10(953 - 298)]

Qi= 0,85185 [-241820 + 39900 . 655]

Qi=0,85185 [-241820 + 26134500]

Qi=0,85185 . 25892680

Qi= 21986769,22

Qi= 22,056 . 10

Qi(650C) + Qi(680C)= 2,3283 .

= 24,3843 . 10

Qi= y + y

yy

Qi=Q+Q

Qi

Qi kmol/an

Tabelul 5

Pentru fluxul de caldura la iesirea din reactor

Qe= y[(∆h+ Cp(te - 25)] + y[∆h+ Cp(te - 25)] + y[∆h+ Cp(te - 25)] + y[∆h + Cp(te - 25)]

Se dau valori ale conversiei si valori pentru temperatura efluentului in grade Celsius si Kelvin, conform tabelului :

Tabelul 6

Se calculeaza Q_e astfel incat eroarea ε ≤ 5%

Se calculeaza fluxul de caldura la iesirea din reactor

Stim ca Qi= 34,5253 . 10= 3,45253 . 10kmol/an

Pentru fiecare valoare a conversiei se cauta o temperatura astfel incat ε ≤ 5% .

• x= 0,2
• Te = 645C = 918 K

y==

y= 0,0416

y=

y= 0,0112

y=

y= 0,0104 kj/mol

y=

y= 0,9367

Valorile pentru Cp, Cp, Cp, Cpse citesc din graficul de corelare( T-Cp)

• Cp= 2,995 . 10
• Cp= 2,83 . 10

• Cp= 3,05 . 10
• Cp= 3,965. 10, valori citite pentru valoarea temperaturii de 918 K.

Qe= 0,0416 [29920 + 2,995 . 10(645-25)] + 0,0112[147360 + 2,83 . 10(645-25)] + 0,9367[ -241820 + 3,965 . 10(645-25)] + 0,0104[39650(645-25)]

Qe= 7725948,672 + 1966802,432 + 22800383,31 + 255663,2

Qe= 33201823,19

Qe=3,32018 . 10

• x= 0,4
• Te= 655C =928 K

y=

y= 0,0309

y=

y= 0,0214

y=

y= 0,0206

y=

y= 0,9270

• Cp= 3 . 10
• Cp= 2,85 . 10

• Cp= 3,01 . 10
• Cp= 3,975 . 10, valori citite pentru valoarea temperaturii de 928 K.

Qe= 0,0309[29920 + 300000(655-25)] + 0,0214[147360 + 285000(655-25)] + 0,9270[-241820 + 39750(655-25)] + 0,0206[30100 (655-25)]

Qe= 33067416,19

Qe= 3,3067 . 10

x= 0,6

Te = 660C= 933 K

y=

y= 0,0203

y=

y= 0,0314

y=

y= 0,0305

y=

y= 0,9176

• Cp= 3 . 10
• Cp= 2,855 . 10

• Cp= 3,01 . 10
• Cp= 3,98 . 10, valori citite pentru valoarea temperaturii de 933 K.

Qe= 0,0203[ 29920 + 300000(660-25)] + 0,0314[147360 + 285500(660-25)] + 0,9176[-241820 + 39800(660-25)] + 0,0305[30100(660-25)]

Qe= 3867757,376 + 5697211,604 + 22968610,77 + 582961,75 = 33116541,5

Qe= 3,3116 . 10

x= 0,8

Te= 665C= 938 K

y=

y= 0,0100

y=

y= 0,0411

y=

y= 0,0403

y=

y= 0,9083

• Cp= 3,005 . 10
• Cp= 2,865 . 10

• Cp= 3,01 . 10
• Cp= 3,98 . 10, valori citite pentru valoarea temperaturii de 938 K.

Qe= 0,0100[29920 + 300500(665-25)] + 0,0411[147360 + 286500(665-25)] + 0,9083[-241820 + 39800(665-25)] + 0,0403[30100(665-25)]

Qe= 1923499,2 + 7542152,496+ 22792944,61 + 776339,2

Qe= 33158563,39

Qe= 3,3158 . 10

x= 0,9

Te= 667C=940 K

y=

y= 0,0050

y=

y= 0,0460

y=

y= 0,0451

y=

y= 0,9037

• Cp= 3,025 . 10
• Cp= 2,865 . 10

• Cp= 30500
• Cp= 39850, valori citite pentru valoarea temperaturii de 940 K.

Qe= 0,0050[29920 + 302500(667-25)] + 0,0460[147360 + 286500(667-25)] + 0,9037[-241820 + 39850(667-25)] + 0,0451[30500(667-25)]

Qe= 971174,6 + 8467696,56 + 22901456,96 + 883103,1

Qe= 33223431,22

Tabelul 7

Capitolul 4. Calculul cantitatii de stiren marfa, stiren curat si stiren total de producere a instalatiei

Este necesara reluarea urmatoarelor date:

• Capacitatea de productie a instalatiei: 55000 tone stiren/ an
• Fond anual de ore de functionare a instalatiei: 8000 ore/ an
• Pierderi admise pe fluxul tehnologic: 1 % fata de stirenul produs
• Pierderi admise pe fluxul tehnologic: in ape reziduale 0,2%

in gudron 0,15 %

• Raport molar abur: materie prima : R = 18
• Temperatura aburului: 10 %      din cantitatea de abur la t = 650⁰

90 % din restul de abur la t = 680⁰

• Temperatura de alimentare a reactorului: 650⁰
• Raport de recirculare: 4:1
• Compozitie la reciclu: 98 % etilbenzen

2 % stiren

• Presiunea de lucru in reactor: 4 bari
• Puritatea stirenului obtinut : 97%

55000 t/an . 1000 = 55.000.000 kg/an

= kg/h stiren marfa

6668,75 kg/h stiren curat

Calculul pierderilor admise pe fluxul tehnologic

100 kg/h stiren marfa ...................0,2kg/h stiren in ape reziduale

6875 kg/h stiren marfa ................x

x = 13,75 [kg/h] pierderi admise de stiren in ape reziduale

100 kg/h stiren marfa...................0,15 kg/h stiren in gudron

6875 kg/h stiren marfa ..................y

y = 10,3125[kg/h] pierderi admise in gudron

13,75 + 10,3125 + 6668,75 = 6692,81 kg/h stiren curat in total

kmoli/h stiren ( fluxul F)

= 104 g/mol

C 12 . 8 + 8 = 104 g/mol

In capitolul 2 se stie ca s-au calculat valorile conversiei in functie de temperatura, cu aceste valori s-a trasat un grafic.(Anexe)

In Tabelul 7 din capitolul 3 se pot observa niste valori ale temperaturii in functie de conversie, valori cu care s-a trasat ulterior un Grafic (T, xa), grafic ce se poate vizualiza in Anexe.

Cele doua curbe s-au trasat pe acelasi grafic, astfel incat sa se poata obtine o valoare Te ( temperatura la echilibru), respectiv Xae( conversia la echilibru), valori ce se pot citi prin intersectia celor doua curbe.

^{Valorile citite pe grafic pentru Te si xa la echilibru sunt urmatoarele:}

^{Te= 939 K = 666} [⁰ C]

Xae= 0,82

Se completeaza tabelul 1 cu valoarea conversiei obtinute:

Tabelul 1.Calculul bilantului de materiale.

4,1144 kmol/h St(e)..................0,08 kmol/h St(i)

64,35 kmol/h St curat...............x

X= 1,2512 kmol/h St(i)

64,35 kmol/h St.curat + 1,25kmol/h St.(i)= 65,6 kmol/h Stiren

4,1144kmol/h St(e)...................4,92 kmol/h Eb(i)

64,35 kmol/h St curat...............y

Y=76,94 kmol/h Eb(i)

4,1144 kmol/h St(e)..................85,56 kmol/h Ab(i)

64,35 kmol/h St curat...............z

Z=1338,174 kmol/h Ab(i)

4,1144 kmol/h St(e)..................0,8856 kmol/h Eb(e)

64,35 kmol/h St curat................p

P= 13,850 kmol/h Eb(e)

4,1144 kmol/h St(e).................4,0344 kmol/h H(e)

64,35 kmol/h St curat.................q

Q=63,098 kmol/h H(e)

4,1144 kmol/h St(e)....................85,56 kmol/h Ab(e)

64,35 kmol/h St curat................r

R=1338,74 kmol/h Ab(e)

Inlocuind in tabel se vor obtine urmatoarele rezultate:

Tabelul 8: Se face intr-un tabel compozitia fluxurilor la intrare si la iesire

^{Schema procesului tehnologic pe fluxuri}

= 104 g/mol;

= 106 g/mol;

= 18 g/mol;

= 2 g/mol;

Pentru fluxul e (fluxul de intrare in reactor)

Pentru fluxul f (fluxul de iesire din reactor)

Pentru fluxul a (alimentarea cu etilbenzen)EB=76,94-75,41=1,53kmol/h

Pentru fluxul b (reprezinta alimentarea aburului in procent de 10% la temperatura de 650 C, inmultit cu fluxul e, de alimentare in reactor) 0,1 . 1338,74=13,3874 kmol/h

Pentru fluxul c (reprezinta alimentarea aburului in procent de 90% la temperatura de 680 C) 1338,74= 1204,866 kmol/h

Pentru fluxul d=a + b + m

Fluxul m,ce reprezinta 98% EB= 0,98

2% St=0,02

100kmol/h reciclu......................2kmol/h St.

x.............................1,2512 kmol/h St.(i)

x= 62,56 kmol/h

76,94 kmol/h - 1,53kmol/h = 75,41 kmol/h

Fluxul m

Fluxul d= a+b+m

Fluxul g=f

Fluxul h=g-i-j

Fluxul i ce reprezinta abur din f + pierderi in ape reziduale

Fluxul j=hidrogen + pierderi din gaze

Fluxul k= stirenul marfa

Fluxul l reprezinta pirderile in gudron

0,15 % pierderi in gudron

Capitolul 5.Calculul de predimensionare al reactorului

Vc=

Unde :

• Vc= volumul de catalizator;
• ∆v=debitul volumetric;
• w= viteza volumara;

w ia valori intre 3 - 3,5

se alege valoarea w= 3,2

∆v=

( componenta fluxului la intrarea in reactor)

d(EB)=870 kg/;

d(St)= 880 kg/;

d(Abur)= 996 kg/;

∆v(EB)= ;

∆v(St)= ;

∆v(Abur)=

∆v(Total)=33,541 /h

Vc= H.

Unde: Vc=volumul cilindrului;

Vc=

Se alege un reactor cilindric vertical

D= 1,7[m]

D= 1,7[m]

H=3D[m]

H=3D=3 . 1,644=4,932[m] 5[m]

H= 5[m]