Dimensionarea Tehnologică A Unui Reactor de Dehidrogenare A Etilbenzenului La Stiren [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITATEA PETROL-GAZE DIN PLOIEȘTI FACULTATEA: TEHNOLOGIA PETROLULUI ȘI PETROCHIMIE SPECIALIZAREA: PRELUCRAREA PETROLULUI ȘI PETROCHIMIE

PROIECT DIMENSIONAREA TEHNOLOGICĂ A UNUI REACTOR DE DEHIDROGENARE A ETILBENZENULUI LA STIREN, CU FLUX AXIAL, ADIABATIC, CU CURGERE DE TIP PISTON

Student: Prof. Șef lucrări dr. ing Grupa: An:

1

Cuprins 1. Introducere.................................................................................................................................3 Cap I: Obținerea stirenului..........................................................................................................3 1. 2. Procese industriale de obținere a stirenului........................................................................3 Cap. II: Calculul tehnologic al reactorului de dehidrogenare......................................................7 2. 1. Calculul debitelor de stiren și etilbenzen............................................................................8 2. 2. Stabilirea compoziției materiei prime proaspete și recirculată.........................................10 2. 3. Stabilirea bilanțului material pe reactor...........................................................................11 Cap. III: Dimensionarea zonei de reacție..................................................................................12 Cap. IV: Calculul căderii de presiune.......................................................................................39 Concluzii...................................................................................................................................40 Bibliografie...............................................................................................................................41

2

INTRODUCERE 1. Stirenul. Obținerea stirenului. Din marea gama de produse aromatice, ca derivate directe ale benzenului, cu o mare aplicabilitate industriala o are etilbenzenul, principala materie prima pentru obtinerea unui important monomer utilizabil in primul rand pentru fabricarea cauciucurilor sintetice – stirenul. Stirenul, cunoscut de asemenea si ca vinilbenzen, se utilizează pentru producerea: materialelor plastice, cel mai răspândit tip de cauciuc sintetic: caucicul butadienstirenic și adezivilor. Acest lucru a determinat perfecționarea tehnologiei de dehidrogenare a etilbenzenului la stiren și apariția unor noi tehnologii.

2. Reacții Transformarea etilbenzenului in stiren este o reactie puternic endoterma, desfasurata dupa urmatorul mecanism:

C6H5 – CH2 – CH3 ↔ C6H5 - CH=CH2 + H2 Reacția este endotermă și are loc la temperaturi cuprinse între 350 si 650 °C și presiune de 1,3 – 2 bar. În paralel se produc și reacții secundare care conduc la formarea benzenului, toluenului, CO2, etenei, metanului și altor produse. In afara de reactia de dehidrogenare a etilbenzenului la stiren, in acelasi timp mai pot avea loc numeroase reactii secundare, precum: 1. Dezalchilarea etilbenzenului:

C6H5-C2H5→C6H6+C2H4 2. Hidrodezalchilarea etilbenzenului:

C6H5-C2H5→C6H5-CH3+C2H4 3. Hidrodezalchilarea toluenului:

C6H5-CH3+H2→ C6H6+CH4 4. Formarea cocsului:

C6H5-C2H5 →8C+5H2

3

3. Catalizatori Primul catalizator folosit la obținerea stirenului a fost constituit dintr-un amestec de trei componenți: ZnO, Al2O3, CaO. În prezent se folosesc catalizatori alcătuiți exclusiv pe bază de oxizi de fier promotați cu compuși ai K, Cr, V, Zn, etc. Acești catalizatori se caracterizează prin: stabilitate bună în prezență vaporilor de apă, activitate și selectivitate ridicată, durată de funcționare îndelungată (circa 2 ani). Principalul component activ, oxidul de fier, are și rolul de suport al catalizatorului. S-a observat de asemenea că promotorul alcalin, de tipul compușilor cu potasiu, influențează favorabil viteza reacției de regenerare a cocsului depus pe catalizator. S-a constatat că viteza formării stirenului și a toluenului crește cu creșterea bazicitatății promotorului. Compușii chimici care reprezintă otrăvuri ale catalizatorilor sunt sulful și mai ales clorul, ca atare sau sub formă de combinații. Otrăvirea cu clor este relativ lentă și afectează progresiv întreaga masă a stratului catalitic; efectul nociv al clorului este atenuat prin reținerea lui pe un strat de catalizator așezat deasupra principalului strat catalitic. Cocsul provenind din reacții secundare se îndepartează prin ardere în prezența oxigenului din vaporii de apă și aer.

4. Procedee industriale de obținere a stirenului 4. 1. Procedeul izoterm Procedeul izoterm este mai dificil de aplicat pentru că necesită reactoare multitubulare cu circulație de purtător caloric în exteriorul tuburilor și are un cost mai ridicat și o productivitate mică. Aceste tipuri de reactoare au însă avantajul unui consum energetic mai mic, performanțe mai bune la temperaturi de reacție mai scăzute și, ca urmare, un raport de diluție de vapori de apă inferior față de funcționarea în condiții adiabatice. Catalizatorii recomandați pentru folosirea în reactorul izoterm trebuie să aibă o rezistență mecanică bună, capacitate de a lucra la diluție redusă de abur și o durată de exploatare îndelungată (5 – 6 ani). În figura 1 este prezentată schema tehnologică a procedeului de dehidrogenare a etilbenzenului cu funcționare izotermă a reactorului.

4

Figura 1. Schema instalației de dehidrogenare cu funcționarea izotermă a reactorului

4. 2. Procedeul adiabatic În cazul folosirii unei singure trepte de reacție, se obține o conversie de cca. 40 %, iar dacă sunt aplicate două trepte de reacție în serie se obțin conversii de 45 – 50%, la presiuni comparabile cu acelea la o singura treapta de reactie. Este necesar să se coreleze condițiile de lucru, în special temperatura de reacție, presiunea și raportul abur / hidrocarbură, cu conversia și selectivitatea. Căderea de presiune pe stratul catalitic limitează însă soluțiile tehnologice și de aceea s-au adoptat reactoarele cu curgere radială în locul reactoarelor cu curgere axială. Catalizatorii utilizați în reactoarele adiabatice lucrează în condiții de diluție cu abur a etilbenzenului de 1,6 – 2,5 și au o durată de exploatare de 1,5 – 2 ani. Se menționează trei grupe de catalizatori pentru reactoarele adiabatice de obținere a stirenului:  catalizatori activi (conversie de 55 - 60% mol), dar mai puțin selectivi (selectivitate 89 – 90 % mol), capabili să lucreze la rapoarte masice de diluție apă / etilbenzen > 2;  catalizatori selectivi (selectivitate cca. 95 % mol), dar mai puțin activi (conversie 40%), operând la temperaturi mai ridicate și la rapoarte masice de apă:etilbenzen de 2 – 2,2;  catalizatori activi (conversie 50 – 55 %) și selectivi (selectivitate 90 % mol), ce funcționează la rapoarte masice de diluție cu abur > 2. În figura 2 este prezentată schema tehnologică a unei instalații de producere a stirenului prin dehidrogenarea adiabatică a etilbenzenului. 5

Figura 2. Schema instalației de obținere a stirenului prin dehidrogenarea adiabatică

5. Întrebuințările stirenului Polimerizarea stirenului se face în soluție, supensie sau emulsie. În primul procedeu stirenul și solventul reacționează într-un reactor cu manta și agitare. Polimerul format conține monomer nereacționat și solvent care se îndepărtează prin distilare. Procedeul în suspensie este similar celui în solutie ,numai că în locul solventului se folosește apa în care stirenul este suspendat cu ajutorul unor dispersanți cum ar fi alcool polivinilic. Se produc diferite tipuri de polistiren ale căror proprietăți pot varia într-un domeniu larg. Cel mai larg utilizat este procedeul în suspensie. Prin introducerea de cauciuc dizolvat odată cu stirenul monomer se obține așa-zisul polistiren „antișoc”. O cantitate mare de stiren antișoc se folosește pentru frigidere. Prin încorporare în polimer a unui gaz sau lichid volatil se obține la încălzire polistiren expandat. Acesta are proprietăți termoizolante foarte bune și se folosește ca material izolant în construcții. 6

CAPITOLUL I Date inițiale: Valoare

Unitate de măsură

50500

t stiren/an

Conversia utilă

39

%masa

Puritate stiren

99.4

%masa

Pierderile de stiren din stirenul produs

1.6

%masa

8000

ore

2.7

kg/kg

Capacitatea instalației

Nr. ore de funcționare Raport masic abur/materie primă la intrare în reactor Conversiile reacțiilor secundare: Cs1 C6H5CH2CH3 ↔ C6H6 + C2H4

20

%mol

Cs2 C6H5C2H5 + 16H2O → 8CO2 + 21H2

40

%mol

Cs3 C6H5CH2CH3 + H2 → C6H5CH2CH3 + CH4

40

%mol

Temperatura de intrare în reactor

645

⁰C

Diametrul interior

3.8

m

1400

kg/m3

Densitate catalizator

Compoziția EB proaspăt: Component Benzen Etilbenzen

Valoare 0.2 99.8

Unitate de măsură % %

Compozitia EB recirculat: Component Benzen Etilbenzen Toluen Stiren

Valoare 0.1 99.5 0.2 0.2

Unitate de măsură % % % %

7

Bilant material pe reactor: 1.1. Debitul de stiren: DSt=

debit anual nr . ore frunctionare

DSt =

50500 · 10−3 =6312.5 = kg stiren/h 8000

,[

kg stiren ] h

1.2. Debitul de stiren de puritate 100% produs de instalație: D’St =

D St · puritatea stiren ,[ 100

D’St =

6312.5 · 99.4 =6274.625 kg stiren/h 100

kg stiren ] h

1.3. Debit stiren de puritate 100% necesar instalației care acoperă și pierderile: D”St = D’St·

100 ’[ 100− pierderi

D”St = 6274.625 ·

kg stiren ] h

100 = 6376.651 kg stiren/h 100−1.6

1.4. Randamentul de stiren: Conversia, % mol Randament, % mol

0 100

10 98.9

20 95.5

30 92

40 87.7

50 85

Randament %mol

105 100 95 90 85 80 75

0

10

20

30

Conversie % mol

8

40

50

60

Din grafic, pentru: Cu=39 % → η=91.57 % Conversia totala: Ct = Ct =

Cu · 100 , [%] η

39 · 100=42.59 91.57

%

1.5. Conversia în produse secundare: CPS = Ct - CU , [%] CPS = 42.59-39 = 3.590 % 1.6. Calculul cantității de etilbenzen necesar alimentării instalației:  Debit de etilbenzen transformat în stiren: EBin St = EBin St =

D ” St· 106 kg ,[ 104 h

6376.6514 · 106 104

]

= 6499.2793 kg/h

 Debit de etilbenzen necesar alimentarii: EBalim = EBalim =

EB¿ St ·100 ,[ CU

kg ] h

6499.2793 ·100 = 16664.8188 kg/h 39

 Debit de etilbenzen transformat în produse: EBtransf = EBtransf =

C t · EB alim 100

,[

kg ] h

42.59 ·16664.8188 =7097.6076 kg/h 100

 Debit de etilbenzen netransformat: EBnetransf = EBalim - EBtransf ,[

kg ] h

EBnetransf =16664.8188-7097.6076 =9567.2111kg/h

9

1.7. Calculul consumului specific de EB: Csp EB = Csp EB =

EB transf D ’ St

7097.6076 6274.625

kg EB/kg St = 2.65 kg EB/kg St

1.8. Calculul compoziției materiei prime proaspete și recirculată: Comp. EB

% masă 99.80

B T St Total

0.20 100

M.P proaspătă Gi, kg/h M Mi, kmol/h 7097.61 106 66.96 14.22 7111.83

78 92 104 -

Comp. Gi, kg/h 16664.82 23.84 19.23 19.23 16727.12

EB B T St Total

Gabur=

∑ Gi ·

% masă 99.63 0.14 0.11 0.11 100

0.18 67.14

% masă 99.50 0.10 0.20 0.20 100

M.P totală Mi, kmol/h 157.22 0.31 0.21 0.18 157.91

abur , kg/h materie prima

Calculul debitului de abur Gab 45163.22105 kg/h Gab 2509.067836 kmol/h

10

M.P recirculată Gi, kg/h Mi, kmol/h 9567.21 90.26 9.62 19.23 19.23 9615.29

% mol 99.56 0.19 0.13 0.12 100

0.12 0.21 0.18 90.77

% fr mol 0.9956 0.0019 0.0013 0.0012 1

Bilant material pe reactor

Bilant material pe reactor Comp.

Mi

Intrare

Ieșire

Gi, kg/h

Mi, kmol/h

%mol

Gi, kg/h

Mi, kmol/h

% mol

EB

106

16664.819

157.215

5.8949

9567.21

90.26

3.2743

B

78

23.839

0.306

0.0115

111.89

1.43

0.0520

T

92

19.231

0.209

0.0078

226.95

2.47

0.0895

St

104

19.231

0.185

0.0069

6395.88

61.50

2.2310

C2H4

28

-

-

-

31.61

1.13

0.0410

CH4

16

-

-

-

36.13

2.26

0.0819

CO2

44

-

-

-

794.76

18.06

0.6553

H2

2

-

-

-

212.94

106.47

3.8625

Ab

18

45163.221

2509.068

94.0789

44512.96

2472.94

89.7125

61890.34

2666.983

100.00

61890.34

2756.52

100.00

Total

11

CAPITOLUL II DIMENSIONAREA ZONEI DE REACȚIE 1. Calculul capacităților calorice medii a amestecului de reacție: C p , i=a+ b ·T +c ·T 2+ d · T 3 ,

kcal kmol · K

kcal kmol · K kcal −5 2 −8 3 C p , St =−5.968+ 0.1435· T −9.15 ·10 · T +2.20 · 10 · T =65.68 kmol · K kcal −5 −7 2 3 C p , H 2=6.88+ 6.60· 10 ·T +2.78 ·10 · T +0 · T =7.17 kmol · K kcal −5 2 −8 3 C p , Bz=−8.65+ 0.1158 ·T −7.54 · 10 ·T +1.854 ·10 · T =48.46 kmol · K kcal −5 2 −9 3 C p , C 2 H 4 =0.944+0.03735 · T −1.99· 10 ·T +4.22 ·10 · T =21.7004 kmol · K kcal −7 2 3 C p , H 2 O=6.89+ 0.003283· T −3.43 ·10 · T +0 · T =9.61 kmol · K kcal −6 2 3 C p , CO2 =6.85+0.008533 ·T −2.48 · 10 · T + 0· T =12.5975 kmol · K kcal C p , C 6 H 5−CH 3=−8.213+ 0.1336· T −8.23 ·10−5 · T 2 +1.92 ·10−8 · T 3=59.93 kmol · K kcal −6 2 −9 3 C p , CH 4 =4.75+ 0.012· T +3.03 · 10 · T −2.63 ·10 ·T =16.28 kmol · K −4

2

−8

3

C p , EB =−8.4+0.1593 · T −1· 10 ·T +2.395 ·10 · T =72.09

2. Calculul entalpiilor de reacție: 

Reacția principală: C6H5CH2CH3 k-1↔k1 C6H5CH=CH2 + H2



Reacții secundare: C6H5CH2CH3 →k2 C6H6 + C2H4 C6H5C2H5 + 16H2O →k3 8CO2 + 21H2 C6H5CH2CH3 + H2 →k4 C6H5CH2CH3 + CH4

298 Δ H r =∑ Δ H f produse −∑ Δ H f reactanti , kcal/kmol

12

Δ H T =Δ H 0 + ΔaT + Δb

2

3

4

T T T + Δc + Δd 2 3 4

, kcal/kmol

∆ a=∑ a produsi−∑ areactanti ∆ b=∑ b produsi−∑ b reactanti ∆ c=∑ c produsi−∑ creactanti ∆ d =∑ d produsi−∑ d reactanti Entalpiile de formare ale componenților Component

ΔH

Unitate de măsură

EB

7.12

kcal/mol

St

35.22

kcal/mol

B

19.82

kcal/mol

T

11.95

kcal/mol

CH4

-17.889

kcal/mol

C2H4

12.496

kcal/mol

H2

0

kcal/mol

CO2

-94.0518

kcal/mol

H2O

-57.7979

kcal/mol

Calculul entalpiilor de reactive ∆ a , b , c , d=∑ a ,b , c , d produse −∑ a , b , c , d reactan ți ∆ Hr 298 K =∆ a+ ∆ b ·T +∆ c ·T 2 +∆ d ·T 3 ,

kcal kmol

Reac.

∆a

∆b

∆c

∆d

Reacția principală Rs1 Rs2 Rs3

9.312 0.694 97.44 -1.943

-0.01573 -0.00615 -0.14218 -0.013766

8.78E-06 4.67E-06 9.15E-05 2.045E-05

-1.95E-09 -1.19E-09 2.4E-08 -7.38E-09

3. Calculul reactorului 13

298 K

∆ Hr (kcal/kmol) 28100 25196 165232 -13059

F(1-X)· dt – F[1-(x+ dx)] · dt – r ·dG·dt=0 F·dx= r · dG F· ∆ d

F - alimentare cu etilbenzen

= r· ∆ G

X - conversia etilbenzen la intrarea în dG

Sj= π ·H·(Di+2zj-1)

rj - viteza medie de reacție pe tronsonul j

j−1

Zj-1=

∑ ∆ zn

D - diametru reactor

0

F· ∆ x ∆ zj =

ρcat

=r·

F· ∆ x j r j · ρ cat · S

ρcat - densitate catalizator

·S· ∆z

∆ z j - lungimea zonei de reacție j

, [m]

Bilanțul termic pe zona de reacție j Qi,j= Qe,j+Qr,j Qi,j= Ti,j·

Qi,j – cantitatea de caldură globală cu care intră toți

∑ n i, i , j · c pi ,i , j

componenții în zona j Qe,j – cantitatea de caldură globală cu care ies toți componenții din zona j Ti,j – temperatura de intrare în zona j Te,j – temperatura de ieșire din zona j

Qe,j = Te,j·

∑ n i, e , j · c pi, e, j

ni,j – debitul molar al componentului i la intrare în

4

Qr,j = Fj·

∑ ∆ H i, j · ∆ xi , j

zona j

i=1

4

Te,j = Ti,j-

F j ·∑ ∆ H i , j · ∆ xi , j i=1

Fj – debitul molar de etilbenzen la intrare în zona j

∑ ni ,i , j · c pi ,i , j ∆ x i , j - comversia etilbenzenului în zona j ( pentru cele 8 zone) ∆ H i , j - entalpia de reacție pentru zona j

∆x

= 5% → 8 zone 14

Zona I xi,1= 0 xe,1 = xi,1 +

Δx

= 0 + 0.05 = 0.05

Ti,1 = Ti reactor = 645 ̊C = 918 K Te,1 calc = Ti,1-

F· ∑ Δ H i · Δ xi

∑ n i · c pi

Presupunem: Te,i = Ti,1- ΔT 1 = 918-6.6 = 911.4 K T i ,1 +T e ,1 2

=

xre1,i = ( C t−x e 1 ) ·

CS 100

Tm,1 =

918+911.4 2

= 914.7 K

η1=99.45 Ct =

x e1 0.05 = · 100=0.0502 η1 99.45

xre1 1 = ( 0.0502−0.05 ) ·

20 =5.5304 · 10−5 100

( 0.0502−0.05 ) ·

40 =0.00011 100

xre1 3 = ( 0.0502−0.05 ) ·

40 =0.00011 100

xre1 2 =

Entalpia reacției principale și celor secundare Δ H r (kcal/kmol) 29783.64 24268.51 198843.11 -15644.90532

Reac. R. princ Rs1 Rs2 Rs3

∑ ΔHr 1= ΔHR1,1 · x 1+ ΔHS 1,1 · Δxs1,1+ ΔHS1,2 · Δxs 1,2+ ΔHS 1,3· Δxs 1,3 =1511 kcal/kmol Calculul capacității calorice medii a amestecului de reacție 15

Comp. EB Benzen Toluen Stiren H2O Total

ni , (kmol/h) 157.215 0.306 0.209 0.185 2509.068 -

cpi , (kcal/(kmol·K)) 72.0932 48.4559 59.9291 65.6754 9.6147 -

ni·cpi , (kcal/(h·K)) 11334.154 14.809 12.527 12.144 24124.034 35498

Verificarea temperaturii:

Te,1 calc = Ti,1-

F· ∑ Δ H i · Δx i

∑ ni · c pi

= 911.309 K

Te,1 pres – Te,1 calc = 911.4- 911.309 = 0.091 < 0.5 Presupunerea este corectă.

Bilanțul material pe Zona I Comp.

ni, kmol/h

ne, kmol/h

yi

ye

y

EB

157.215

149.311

0.05894

0.05582

0.05738

St

0.185

8.046

0.00006

0.00301

0.00153

H2

0

8.209

0

0.00307

-

B

0.306

0.315

0.00011

0.00012

0.00011

T

0.209

0.226

0.00007

0.00008

C2H4

0

0.0091

0

0.000003

0.00004 -

CH4

0

0.0170

0

0.00001

-

CO2

0

0.1391

0

0.00005

-

H2O

2509.068

2508.790

0.94078

0.93784

0.93931

Total

2666.983

2675.061

1

1

-

lg k1= 4.1−

4770 4770 =4.1− =−1.1342 Tm 914.7

lg kp= 6.8−

6467 6467 =6.8− =−0.2963 Tm 914.7

k 1=0.3216

16

k p =0.7435 P = 1,7 bar PEB = yEB∙P = 0.09755 bar PSt = ySt∙P = 0.002615 bar pH2 = yH2∙P = 0.005217 bar 

Calculul vitezei:

(

r = k1·

p EB−

p St · p H 2 kp

)

=0.3216

[ 

0.09755−

EB h kg catalizator kmol

0.002615 · 0.005217 = 0.03137 0.7435 ·¿

]

Calculul lungimii tronsonului: F·∆ x e 1 · 4

∆ z1 =

2

r · ρcat · π · Di

=

157.215 · 0.05· 4 =¿ 2 0.03137 ·1400 · π · 3.8

Zona II xi,2 = xe,1= 0.05 xe,2 = xi,2 + ∆ x = 0.05 + 0.05= 0.1 Ti,2 = Te,1 = 911.309 K Te,2 calc = Ti,1-

F· ∑ Δ H i · Δ xi

∑ n i · c pi

Presupunem: Te,2 = Ti,2 - ∆ T 2 = 911.309 - 6.5 = 904.809 K T i ,2 +T e ,2 2

=

xre2 = ( C t−x e 2 ) ·

CS 100

Tm,2 =

911.309+904.809 2

= 908.059 K

η2=98.9 Ct =

x e2 0.1 = =0.101 η2 0.989

17

0.01578 [m]

xre1 1 = ( 0.101−0.1 ) · xre1 2=

( 0.101−0.1 ) ·

xre1 3= ( 0.101−0.1 ) ·

20 =¿ 0.000222 100 40 =0.000444 100 40 =¿ 100

0.000444

Entalpia reacției principale și celor secundare

18

Δ H r (kcal/kmol)

Reac. R. princ.

29778.41

Rs1

24281.34

Rs2

198431.26

Comp.

Rs3 cpi , kcal/kmol·K

EB

71.85

St

ni, kmol/h -15624.39727 cpi·ni , kcal/h·K 149.311

10727.868

65.47

8.046

526.716

H2

7.17

8.208984744

58.867

B

48.29

0.315

15.200

T

59.72

0.226

13.496

C2H4

21.62

0.009

0.197

CH4

16.21

0.016954588

0.275

CO2

12.57

0.139114569

1.749

H2O

9.60

2508.790

24076.781

Total 35421.150 ∑ ΔHr 2= ΔHR 2,1· x 2+ ΔHS 2,1· Δxs 2,1+ ΔHS 2,2· Δxs 2,2+ ΔHS 2,3 · Δxs 2,3 =1554.088677 kcal/kmol Calculul capacității calorice medii a amestecului de reacție

Verificarea temperaturii: Te,2 calc = Ti,2-

F· ∑ Δ H i · Δx i

∑ ni · c pi

= 904.758 K

Te,2 pres – Te,2 calc =904.809 - 904.758 = 0.051 < 0.5

Presupunerea este corectă.

19

Bilanțul material pe Zona II Comp. EB St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

ni, kmol/h

ne, kmol/h

yi

ye

y

157.215

141.319

0.05895

0.05266

0.05580

0.185

15.906

6.93328 −5 ·10

0.00593

0.00300

0

17.120

0

0.00638

0.00319

0.306

0.341

0.00011

0.00013

0.00012

0.209

0.279

7.8376 ·10−5

0.00010

9.11657 ·10−5 6.51594 ·10−6

0

0.035

0

1.30319 −5 ·10

0

0.070

0

0

0

0

0.560

0

0.00021

0.00010

2509.068

2507.949

0.94079

0.93455

0.93767

2666.983

2683.579

1.00

1.00

-

lg k1= 4.1−

4770 4770 =4.1− =−1.1721 Tm 908.059

lg kp= 6.8−

6467 6467 =6.8− =−0.3477 Tm 908.059

k 1=0.3097

k p =0.7062 P = 1,7 bar PEB = yEB∙P = 0.0948 bar PSt = ySt∙P = 0.00509 bar pH2 = yH2∙P = 0.00542 bar 20



Calculul vitezei:

(

r = k1· 

p EB−

p St · p H 2 0.00509· 0.00542 =0.3097 ·(0.0948− ) = 0.0293 kp 0.7062

)

Calculul lungimii tronsonului: ∆ z2 =

F·∆ x e 2 · 4 2

r · ρcat · π · Di

=

157.215 · 0.1· 4 0.0293· 1400 · π ·3.8 2

= 0.0337 [m]

Zona III xi,3 = xe,2 = 0.1 xe,3 = xi,3 + ∆ x = 0.1+ 0.05 = 0.15 Ti,3 = Te,2= 904.758 K Presupunem: Te,3 = Ti,3 - ∆ T 3 = 904.758 - 6.9 = 897.858 K Tm,3 =

T i ,3 +T e ,3 2

= 901.308 K

η3=97.2 Ct =

x e3 =0.154 η3

xre1 1= ( 0.154−0.15 ) · xrel 2=

[

EB h kg catalizator

( 0.154−0.15 ) ·

xre1 3= ( 0.154−0.15 ) ·

20 =¿ 0.000864 100 40 =0.00172 100 40 =¿ 0.00172 100

Entalpia reacției principale și celor secundare Δ H r (kcal/kmol)

Reac. R. princ.

29772.89

Rs1

24294.36

Rs2

198016.36 -15603.31851

Rs3 21

kmol

]

Comp. EB

cpi , kcal/kmol·K 71.6072

ni, kmol/h 141.319

cpi·ni , kcal/h·K 10119.445

65.2578

15.906

1038.019

7.1673

17.1204

122.707

48.1307

0.341

16.393

59.5129

0.279

16.602

21.55

0.035

0.754

16.14

0.0699

1.129

12.54

0.5595

7.019

9.58

2507.949

24025.008

-

35347.075

St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

kcal

∑ ∆ H r · ∆ x=1738.362 kmol

Calculul capacității calorice medii a amestecului de reacție

22

Verificarea temperaturii: Te,3 calc = Ti,3-

F· ∑ Δ H i · Δx i

∑ ni · c pi

= 897.808 K

Te,3 pres – Te,3 calc = 897.858 -897.808 = 0.050 < 0.5

Presupunerea este corectă.

23

Bilanțul material pe Zona III Component EB St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

ni, kmol/h

ne, kmol/h

yi

ye

y

157.215

132.954

0.058948

0.049352

0.054150

0.185

23.767

0.008822

0.004445

0

29.0168

0

0.010771

0.005385

0.306

0.441

0.00011

0.000163

0.000139

0.209

0.481

0.000178

0.000128 2.52166 −5 ·10

6.93328 ·10−5

7.83762 ·10−5

0

0.1358

0

5.04332 −5 ·10

0

0.2717

0

0

0

0

2.1738

0

0.000806

0.000403

2509.068

2504.720

0.94078

0.929753

0.935271

2666.983

2693.962

1.00

1.00

-

lg k1= 4.1−

4770 =−1.21294 Tm

lg kp= 6.8−

6467 =−0.40309 Tm

k 1=0.2973

k p =0.6682 P = 1,7 bar PEB = yEB∙P = 0.09205 bar PSt = ySt∙P = 0.00755 bar pH2 = yH2∙P = 0.00915 bar 

Calculul vitezei: r = 0.2973 ·(0.09205−

0.00755 · 0.00915 ) =0.0273 3 0.6682

24

[

EB h kg catalizator kmol

]



Calculul lungimii tronsonului: ∆ z 3=

157.215 · 0.15· 4 0.02733 ·1400 · π · 3.82

= 0.05435 [m]

Zona IV xi,4 = xe,3 = 0.15 xe,4 = xi,4 + ∆ x = 0.15 + 0.05= 0.2 Ti,4 = Te,3 = 897.808 K Presupunem: Te,4 = Ti,4 - ∆ T 4 = 897.808 – 7.1 =890.708 K Tm,4 =

T i , 4 +T e , 4 2

= 894.258 K

η4 =95.5

Ct =

x e4 =0.209 η4

xrel 1 = ( 0.209−0.2 ) ·

20 =¿ 0.0018 100

( 0.209−0.2 ) ·

40 =¿ 0.0037 100

xre1 3 = ( 0.209−0.2 ) ·

40 =¿ 0.0037 100

xre1 2 =

Entalpia reacției principale și celor secundare Δ H r (kcal/kmol)

Reac. R. princ.

29766.89

Rs1

24307.93

Rs2

197587.03

Rs3

-15581.05707

kcal

∑ ∆ H r · ∆ x=1844.671 kmol 25

Comp. EB

cpi , kcal/kmol·K 71.3472

ni, kmol/h 132.954

cpi·ni , kcal/h·K 9485.868

65.0341

23.767

1545.679

7.1633

29.01689275

207.858

47.9564

0.441

21.172

59.2903

0.481

28.504

21.47

0.136

2.917

16.06

0.271730099

4.365

12.52

2.173840795

27.208

9.56

2504.720

23947.692

-

-

35271.263

St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

Calculul capacității calorice medii a amestecului de reacție

Verificarea temperaturii:

Te,4 calc = Ti,4-

F· ∑ Δ H i · Δx i

∑ ni · c pi

= 890.704 K

Te,4 pres – Te,4 calc = 890.708 -890.704 = 0.004 < 0.5

Presupunerea este corectă.

26

Bilanțul material pe Zona IV Comp. EB St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

ni, kmol/h

ne, kmol/h

yi

ye

y

157.215

124.291

0.05894

0.04593

0.05244

0.185

31.628

6.93328 ·10−5

0.01168

0.00587

0

43.295

0

0.01600

0.00800

0.306

0.602

0.00011

0.00022

0.00016

0.209

0.802

7.83762 −5 ·10

0.00029

0.00018

0

0.296

0

0.00010

5.47561 ·10−5

0

0.592

0

0

0

0

4.741

0

0.00175

0.00087

2509.068

2499.586

0.94078

0.92377

0.93228

2666.983

2705.834

1.00

1.00

-

lg k1 = 4.1−

4770 =−1.2500 Tm

lg kp= 6.8−

6467 =−0.4533 T

k 1=0.2865

k p =0.6354 P = 1,7 bar PEB = yEB∙P = 0.0891 bar PSt = ySt∙P = 0.0099 bar pH2 = yH2∙P = 0.0136 bar 

Calculul vitezei: 27

(

r ¿ 0.2865 · 0.0891− 

0.0099 ·0.0136 0.6354

)

= 0.02548

[

EB h kg catalizator kmol

Calculul lungimii tronsonului: ∆ z4 =

157.215 · 0.2· 4 = 0.07043 [m] 0.02548 · 1400· π 3.82

Zona V xi,5 = xe,4 = 0.2 xe,5 = xi,5 + ∆ x = 0.2 + 0.05 = 0.25 Ti,5 = Te,4 = 890.704 K Presupunem: Te,5 = Ti,5 - ∆ T 5 = 890.704- 7.2 = 883.504 K Tm,5=

T i ,5 +T e ,5 2

= 887.104 K

η5=93.75

Ct =

x e5 =0.266 η5

xre1 1=

( 0.266−0.25 )∗20 =¿ 0.0033 100

xre1 2=

( 0.266−0.25 ) ·

40 =¿ 0.0066 100

xre1 3= ( 0.266−0.25 ) ·

40 =¿ 0.0066 100

Entalpia reacției principale și celor secundare Δ H r (kcal/kmol)

Reac. R. princ.

29761.36

Rs1

24319.97

Rs2

197208.52

Rs3

-15561.04678 28

]

Comp. EB

cpi , kcal/kmol·K 71.0779

ni, kmol/h 124.291

cpi·ni , kcal/h·K 8834.313

64.8023

31.628

2049.565

7.1593

43.2959

309.970

47.7758

0.602

28.759

59.0596

0.802

47.346

21.38

0.296

6.336

15.98

0.5926

9.473

12.49

4.7411

59.202

9.54

2499.586

23851.195

-

-

35196.159

St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

kcal

∑ ∆ H r · ∆ x=2049.5347 kmol

Calculul capacității calorice medii a amestecului de reacție

Verificarea temperaturii: Te,5 calc = Ti,5-

F· ∑ Δ H i · Δx i

∑ ni · c pi

= 883.467 K

Te,5 pres – Te,5 calc = 883.504-883.467 = 0.037 < 0.5

29

Presupunerea este corectă.

Bilanțul material pe Zona V Comp. EB St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

ni, kmol/h

ne, kmol/h

yi

ye

y

157.215

115.291

0.05894

0.04239

0.05067

0.185

39.489

6.93328 −5 ·10

0.01452

0.00729

0

60.265

0

0.02216

0.01108

0.306

0.830

0.00011

0.00030

0.00020

1.257

7.83762 ·10−5

0.00046

0.00027

0.209 0

0.524

0

0.00019

9.63546 −5 ·10

0

1.048

0

0

0

0

8.384

0

0.00308

0.00154

2509.068

2492.298

0.94078

0.91649

0.92864

2666.983

2719.388

1.00

1.00

-

lg k1 = 4.1−

4770 =−1.2937 Tm

k 1=0.2742

30

lg kp = 6.8−

6467 =−0.5126 Tm

k p =0.5988 P = 1,7 bar PEB = yEB∙P = 0.0861 bar PSt = ySt∙P = 0.0124 bar pH2 = yH2∙P = 0.0188 bar 

Calculul vitezei: 0.0124 · 0.0188 r ¿ 0.2742· 0.0861− 0.5988

(



)

= 0.02351

Calculul lungimii tronsonului: ∆ z 5=

157.215 · 0.25· 4 0.02351· 1400 · π ·3.8 2

= 0.09127 [m]

Zona VI xi,6 = xe,5 = 0.25 xe,6 = xi,6 + ∆ x = 0.25 + 0.05 = 0.3 Ti,6 = Te,5 = 883.467 K Presupunem: Te,6 = Ti,6 - ∆ T 6 = 883.467 - 7.25 = 876.217 K Tm,6 =

T i ,6 +T e ,6 2

= 879.842 K

η6=92 Ct =

x e6 =0.326 η6

xre1 1= ( 0.326−0.3 ) ·

20 =¿ 0.00521 100

( 0.326−0.3 ) ·

40 =¿ 0.01043 100

xre1 3= ( 0.326−0.3 ) ·

40 =¿ 0.01043 100

xre1 2=

[

EB h kg catalizator kmol

31

]

Entalpia reacției principale și celor secundare Comp.

cpi , kcal/kmol·K Reac.

EB St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O

ni, kmol/h ΔH

r

cpi·ni , kcal/h·K (kcal/kmol) 8162.595

70.799 R. princ. 64.562

115.291

Rs1 7.155

60.265

47.589 Rs2 58.821 Rs3 21.30

0.830

15.90

1.048

16.668

12.46

8.384

104.448

9.52

2492.298

23733.421

-

2719.388

35122.443

Total

39.489

2549.501

29753.90

431.220 24335.57

39.484

1.257 196721.21

73.946

0.524

11.160

-15534.74

kcal

∑ ∆ H r · ∆ x=2216.27 kmol Calculul capacității calorice medii a amestecului de reacție

Verificarea temperaturii: Te,6 calc = Ti,6-

F· ∑ Δ H i · Δx i

∑ ni · c pi

= 876.192 K

Te,6pres – Te,6 calc = 876.217-876.192 = 0.025 < 0.5

Presupunerea este corectă.

32

Bilanțul material pe Zona VI Component EB St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

ni, kmol/h

ne, kmol/h

yi

ye

y

157.215

105.949

0.05894

0.03874

0.04884

0.185

47.349

6.93328 −5 ·10

0.01731

0.00869

0

79.974

0

0.02924

0.01462

0.306

1.126

0.00011

0.00041

0.00026

0.209

1.850

7.83762 ·10−5

0.00067

0.00037

0

0.820

0

0.00029

0.00014

0

1.640

0

0

0

0

13.124

0

0.00479

0.00239

2509.068

2482.820

0.94078

0.90791

0.92434

2666.983

2734.654

1.00

1.00

4770 lg k1= 4.1− T =−1.3385 m k 1=0.2622

lg kp= 6.8−

6467 =−05733 Tm

k p =0.5636 P = 1,7 bar PEB = yEB∙P = 0.08303 bar PSt = ySt∙P = 0.01477 bar 33

pH2 = yH2∙P = 0.02485 bar 

Calculul vitezei:

(

r ¿ 0.2622· 0.08303− 

0.01477 · 0.02485 0.5636

)

= 0.0216

[

EB h kg catalizator kmol

]

Calculul lungimii tronsonului: ∆ z 6=

157.215 · 0.3 · 4 = 0.11363 [m] 0.0216 ·1400 · π · 3.82

Zona VII xi,7 = xe,6 = 0.3 xe,7 = xi,7 + ∆ x = 0.3 + 0.05 = 0.35 Ti,7 = Te,6 = 876.192 K Presupunem: Te,7 = Ti,7 - ∆ T 7 = 876.192- 7.6 = 868.592 K Tm,7 =

T i ,7 +T e ,7 2

= 872.392 K

η7=89.85 Ct =

x e7 =0.3895 η7

xre1 1 = ( 0.3895−0.35 ) ·

20 =¿ 0.0079 100

( 0.3895−0.35 ) ·

40 =¿ 0.0158 100

xre1 3 = ( 0.3895−0.35 ) ·

40 =¿ 0.0158 100

xre1 2 =

Entalpia reacției celor secundare

Δ H r (kcal/kmol)

Reac. R. princ.

29746.79 Rs1 Rs2

34

24349.80 196279.90

Rs3 -15510.39925

principale și

Compozitie EB

cpi , kcal/kmol·K 70.5164

ni, kmol/h 105.949

cpi·ni , kcal/h·K 7471.174

64.3184

47.349

3045.446

7.1513

79.9747252

571.919

47.3987

1.126

53.365

58.5786

1.850

108.343

21.21

0.820

17.396

15.82

1.640507184

25.955

12.43

13.12405747

163.086

9.50

2482.820

23594.762

2734.654

35051.446

St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

kcal

∑ ∆ H r · ∆ x=2525.4703 kmol

Calculul capacității calorice medii a amestecului de reacție

Verificarea temperaturii: Te,7 calc = Ti,7-

F· ∑ Δ H i · Δx i

∑ ni · c pi

= 868.558 K

Te,7pres – Te, calc = 868.592-868.558 = 0.034 < 0.5

Presupunerea este corectă. 35

Bilanțul material pe Zona VII Comp. EB St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

ni, kmol/h

ne, kmol/h

yi

ye

y

157.215

95.974

0.05894

0.03486

0.046904

0.185

55.210

6.93328 −5 ·10

0.02005

0.010061

0

104.753

0

0.03804

0.019024

0.306

1.549

0.00011

0.00056

0.000338

0.209

2.695

7.83762 −5 ·10

0.00097

0.000528

0

1.243

0

0.00045

0.000225

0

2.486

0

0

0

0

19.891

0

0.00722

0.003612

2509.068

2469.285

0.94078

0.89691

0.918851

2666.983

2753.088

1.00

1.00

-

lg k1 = 4.1−

4770 =−1.3862 Tm

lg kp = 6.8−

6467 =−0.6380 Tm

k 1=0.25001

k p =0.52831 P = 1,7 bar 36

PEB = yEB∙P = 0.0797 bar PSt = ySt∙P = 0.0171 bar pH2 = yH2∙P = 0.0323 bar 

Calculul vitezei:

(

r ¿ 0.25001· 0.0797− 

0.0171 ·0.0323 0.52831

)

= 0.01967

[

EB h kg catalizator kmol

]

Calculul lungimii tronsonului: ∆ z 7=

157.215 · 0.35 · 4 0.01967 ·1400 · π · 3.82

= 0.13642 [m]

Zona VIII xi,8 = xe,7 = 0.35 xe,8 = xi,8 + ∆ x = 0.035+0.04 = 0.39 Ti,8 = Te,7 = 868.558 K Presupunem: Te,7 = Ti,7 - ∆ T 7 = 868.558-2 = 866.558 K Tm,8=

T i ,8 +T e ,8 = 867.558 K 2

η8=91.57 Ct =

x e8 =0.4259 η8

xre1 1= ( 0.4259−0.39 ) ·

20 =0.00718 100

( 0.4259−0.39 ) ·

40 =0.01436 100

xre1 3= ( 0.4259−0.39 ) ·

40 =0.01436 100

xre1 2=

Entalpia reacției celor secundare

Δ H r (kcal/kmol)

Reac. R. princ. Rs1 Rs2 Rs3

29742.04 37

24359.01 195995.73 -15494.45

principale și

Comp. EB

cpi , kcal/kmol·K 70.2148

ni, kmol/h 95.974

cpi·ni , kcal/h·K 6738.794

64.058

55.210

3536.673

7.147

104.753

748.677

47.195

1.549

73.098

58.320

2.695

157.198

21.115

1.243

26.250

15.735

2.486

39.124

12.394

19.891

246.537

9.483

2469.285

23415.540

-

-

34981.891

St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

kcal

∑ ∆ H r · ∆ x=909.567 kmol

Calculul capacității calorice medii a amestecului de reacție

Verificarea temperaturii: Te,8 calc = Ti,8-

F· ∑ Δ H i · Δx i

∑ ni · c pi

= 866.063 K

Te,8pres – Te, calc= 866.558-866.063 = 0.495 < 0.5

Presupunerea este corectă.

38

Bilanțul material pe Zona VIII Comp. EB St H2 B T C2H4 CH4 CO2 H2O Total

ni, kmol/h

ne, kmol/h

yi

ye

y

157.215

90.26

0.05895

0.03274

0.04585

0.185

61.50

0.00007

0.02231

0.01119

0

106.47

0

0.03863

0.01931

0.306

1.43

0.00011

0.00052

0.00032

0.209

2.47

0.00008

0.00089

0.00049

0

1.13

0

0.00041

0.00020

0

2.26

0

0

0

0

18.06

0

0.00655

0.00328

2509.068

2472.94

0.94079

0.89712

0.91896

2666.983

2756.52

1

1

-

lg k1 = 4.1−

4770 =−1.4076 Tm

k 1=0.2447 lg kp = 6.8−

6467 =−0.6671 Tm

k p =0.5131

P = 1,7 bar PEB = yEB∙P = 0.0779 bar 39

PSt = ySt∙P = 0.0190 bar pH2 = yH2∙P = 0.0328 bar 

Calculul vitezei: 0.0190 · 0.0328 r ¿ 0.2447 · 0.0779− 0.5131

(



)

[

= 0.0187

EB h kg catalizator kmol

]

Calculul lungimii tronsonului: ∆ z 8=

157.215· 0.39 · 4 = 0.1679 [m] 0.0187 · 1400· π · 3.82

În următorul tabel este prezentat bilanțul material pe reactorul de dehidrogenare, după calculele pe cele 8 zone de reacție.

Bilant material pe reactor Comp.

Mi

Intrare

Ieșire

Gi, kg/h

Mi, kmol/h

%mol

Gi, kg/h

Mi, kmol/h

% mol

EB

106

16664.819

157.215

5.8949

9567.21

90.26

3.2743

B

78

23.839

0.306

0.0115

111.89

1.43

0.0520

T

92

19.231

0.209

0.0078

226.95

2.47

0.0895

St

104

19.231

0.185

0.0069

6395.88

61.50

2.2310

C2H4

28

-

-

-

31.61

1.13

0.0410

CH4

16

-

-

-

36.13

2.26

0.0819

CO2

44

-

-

-

794.76

18.06

0.6553

H2

2

-

-

-

212.94

106.47

3.8625

Ab

18

45163.221

2509.068

94.0789

44512.96

2472.94

89.7125

61890.34

2666.983

100.00

61890.34

2756.52

100.00

Total

40

CAPITOLUL III CALCULUL CĂDERILOR DE PRESIUNE Lungimea stratului catalitic: Lstr catalitic =∑ ∆ z i , m Lstr .cat .=0 ,01578+ 0,0337+0,05435+0,07043+ 0,09127+0,11363+ 0,13642+ 0,1679=0,6834 m Diametru granulă de catalizator, Dgr = 2.5 mm Lungime granulă de catalizator, Lgr = 10 mm Fracție volum ocupat, ε = 0.35 m3/m3

T1 = 918 K T2 = Te, zona 8 = 866,063 K Vâscozitatea dinamică: μ = 2,4∙ 10-5 kg∙m/s Diametru echivalent granulă de catalizator: d eg =

2 · D gr · L gr =0.004 m D gr + Lgr

M i ,intr · R·T 1 2666,983 · 0,083 ·918 m3 Vi = P · 3600 = = 33.204 1,7 · 3600 s M i ,iesire · R·T 2 2756,52 · 0,083· 866,063 m3 Ve = = = 32.377 1,7 · 3600 P·3600 s 3 V i +V e Vm = 2 = 32,790 ms

41

Viteza fictivă medie a gazelor

ωf =

Vm 2

π · Di 4

2

180 ·(1−ε ) · μ· ω f · Lcataliz Δpcalc = 3 2 ε · d eg

=

=

32,790 m =2,893 2 s π · 0,025 4

180 · ( 1−0,35 )2 ·2,4 ·10−5 ·2,893 · 0,6834 =0,0526 0,353 · 0,004 2

bar

Concluzii În urma calculului pe cele 8 zone de reacție ale reactorului de dehidrogenare, s-a observat o creștere a lungimii tronsonului de la ∆ z 1=0,0157 la ∆ z 7=0,1679 . Pentru că reactorul este operat adiabatic are loc o cădere de presiune între temperatura de intrare și cea de ieșire în fiecare zonă. Această variație a temperaturii. De asemenea, la finalul calculului s-a observat o variație a randamentului de la 99,45% în zona I până la 91,57 % în zona VIII, pe când conversia utilă crește de-a lungul tronsoanelor.

42

Bibliografie 1. Suciu, G.C.,Ghejan,I.,Ionescu,S.F.,Opris,I., INGINERIA HIDROCARBURILOR, VOL.5, Editura Tehnica, Bucuresti, 1999.

PRELUCRARII

2. Soare, S, PROCESE HIDRODINAMICE, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1979. 3. Somoghi, V., PROPRIETATI FIZICE UTILIZATE IN CALCULE TERMICE SI FLUIDODINAMICE, U.P.G., Ploiesti, 1997. 4. Movileanu, D., SUPORT CURS PETROCHIMIE 2.

43

44