Zad 1. Destylacja mieszaniny alkoholi

Transkrypt

1 Zad 1. Destylacja mieszaniny alkoholi W zakładzie otrzymuje się z tlenku węgla i wodoru mieszaninę alkoholi, która musi być rozdzielona na odpowiednie frakcje. W pierwszym stopniu destylacji oddziela się metanol i cięższe alkohole. Skład pozostałej mieszaniny jest następujący: % mol etanol 25 n-propanol 50 izo-butanol 10 n-butanol 15 Mieszanina ta, w ilości 100 kmol/h, musi być rozdzielona w dwóch kolumnach destylacyjnych na następujące frakcje: I frakcja: zawierająca etanol o czystości 98%mol (odzysk etanolu co najmniej 98%) II frakcja: zawierająca n-propanol, pozostały etanol oraz izo-butanol w ilości nie większej niż 2% z ilości w surowcu III frakcja: zawierająca izo-butanol w ilości co najmniej 98% z ilości w surowcu oraz n-propanol w ilości co najwyżej 1% z ilości w surowcu Należy zaprojektować układ dwóch kolumn do rozdziału ww. mieszaniny. Ciśnienie w obu kolumnach powinno być takie samo i pozwalać na użycie wody jako czynnika chłodzącego w ich skraplaczach. Należy założyć, że woda chłodząca w skraplaczu pierwszej kolumny ogrzeje się co najwyżej do 55 o C oraz to, że minimalna różnica temperatury między temp. wody chłodzącej a temp. skraplanych oparów wynosić będzie 10oC. Nie należy brać pod uwagę destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem. Surowiec podawany jest do układu kolumn jako ciecz wrząca. Tok postępowania: 1. Wybierz stosowny model termodynamiczny. Wybór powinien być oparty na weryfikacji Porównanie z danymi literaturowymi przedstaw w sprawozdaniu. 2. Określ ciśnienie w pierwszej kolumnie. Wskazówka: przy wyznaczaniu temperatury skraplania oparów w skraplaczu pierwszej kolumny założyć możesz, że składać się one będą w 98% mol z etanolu i 2% mol z n-propanolu. W sprawozdaniu przedstaw w jaki sposób zostało wyznaczone ciśnienie w obu kolumnach. 1

2 3. Używając bloku DSTWU określ wstępne parametry pracy każdej z kolumn, przyjmując jako punkt wyjścia rzeczywisty stosunek orosienia większy o 30% od wartości minimalnej. W sprawozdaniu przedstaw założone dla każdej z kolumn wartości odzysków a także otrzymane wyniki (minimalny stosunek orosienia, minimalną liczbę półek, rzeczywistą liczbę półek, stosunek ilości destylatu do zasilania). Odpowiedz również na pytania: jaka jest temperatura skraplania oparów w skraplaczu drugiej kolumny? 4. Przeprowadź obliczenia modelem ścisłym RadFrac używając na starcie parametrów wyznaczonych modelem DSTWU. Model RadFrac wykorzystać do zoptymalizowania parametrów pracy kolumn tak aby osiągnąć założone czystości produktów i odzyski składników. Ocenić koszty eksploatacyjne pracy instalacji w przeliczeniu na tonę surowca. W sprawozdaniu omówić użyte narzędzia obliczeniowe i przedstawić wyniki obliczeń oraz przeprowadzić ich dyskusję. 5. Wykorzystując dane katalogowe producentów wypełnień i zabudowy półkowej kolumn wykonać obliczenia hydrauliczne dla dobranej zabudowy kolumn i wyznaczyć spadek ciśnienia oraz wymiary każdej z kolumn. W sprawozdaniu przedstawić analizę doboru rodzaju zabudowy, wykorzystanych korelacji i wyników obliczeń. 2

3 Zad 2. Destylacja ekstrakcyjna azeotropu etanol-woda Literatura: Gil I.D., Uyazan A.M., Aguilar J.L., Rodriguez G., Caicedo A., Separation of ethanol and water by extractive distillation with salt and solvent as entrainer: process simulation, Brazilian Journal of Chemical Engineering, Vol. 25, No. 01, pp , January - March, Azeotrop etanolu z wodą pod ciśnieniem atmosferycznym może być rozdzielony dzięki destylacji ekstrakcyjnej z wykorzystaniem glikolu etylenowego z rozpuszczonym w nim chlorkiem wapnia (tzw. entrainer). Schemat instalacji przedstawia rysunek poniżej. W kolumnie C1 woda oddzielana jest od etanolu. Etanol o wysokiej czystości otrzymuje się w destylacie z kolumny C1 (strumień 3). Ciecz wyczerpana z tej kolumny (strumień 4) zawiera zaś mieszaninę wody z glikolem etylenowym i chlorkiem wapnia. Mieszanina ta jest rozdzielana w kolejnej kolumnie C2. W destylacie z tej kolumny (strumień 5) otrzymuje się prawie czystą wodę. Glikol wraz z chlorkiem wapnia otrzymywany jest w cieczy wyczerpanej z kolumny C2 (strumień 6) i zawracany z powrotem na kolumnę C1. Ubytki glikolu etylenowego i chlorku wapnia uzupełniane są strumieniem 9. Wstępna specyfikacja kolumny C1 jest następująca: kolumna pracuje pod ciśnieniem atmosferycznym azeotropowa mieszanina etanolu z wodą w ilości 100 kmol/h podawana jest do kolumny jako ciecz wrząca pod ciśnieniem atmosferycznym glikol etylenowy podawany jest do kolumny w ilości 30 kmol/h, pod ciśnieniem atmosferycznym i w temp. 80 o C 3

4 zawartość chlorku wapnia w glikolu etylenowym wynosi 0,1g/ml glikolu (25 o C) kolumna zawiera 22 półki równowagowe półka zasilająca na którą podawana jest mieszanina azeotropowa : 12 półka zasilająca na którą podawany jest entrainer: 3 molowy stosunek orosienia: 0.6 molowy stosunek ilości glikolu etylenowego do mieszaniny azeotropowej: 0.3 Wyznacz optymalne parametry pracy kolumny C1: 1. Wybierz stosowny model termodynamiczny. Wybór powinien być oparty na weryfikacji Porównanie z danymi literaturowymi przedstaw w sprawozdaniu. 2. Zbadaj wpływ liczby półek w kolumnie (w zakresie od 1 do 22) oraz położenia półki zasilającej dla azeotropu na ułamek molowy etanolu w destylacie i ilość ciepła którą należy dostarczyć do wyparki. W tym celu wykonaj analizę wrażliwości z dwiema zmiennymi niezależnymi. Wyniki przedstaw na wykresach trójwymiarowym. Wybierz optymalną wartość liczby półek oraz optymalne położenie półki zasilającej. W sprawozdaniu zamieść wykresy oraz wybrane optymalne wartości. 3. Przyjmując wyznaczoną uprzednio optymalną liczbę półek oraz optymalne położenie półki zasilającej, zbadaj wpływ położenia półki zasilającej dla entrainera oraz stosunku orosienia na ułamek molowy etanolu w destylacie i ilość ciepła którą należy dostarczyć do wyparki. W tym celu wykonaj analizę wrażliwości z dwiema zmiennymi niezależnymi. Wyniki przedstaw na wykresach trójwymiarowym. Wybierz optymalną wartość położenia półki zasilającej dla entrainera. W sprawozdaniu zamieść wykresy oraz wybraną optymalną wartość. 4. Przyjmując wyznaczone uprzednio optymalną liczbę półek, optymalne położenia półek zasilających dla azeotropu i entrainera oraz optymalny stosunek orosienia, zbadaj wpływ stosunku ilości glikolu etylenowego do mieszaniny azeotropowej oraz stosunku orosienia na ułamek molowy etanolu w destylacie i ilość ciepła którą należy dostarczyć do wyparki. W tym celu wykonaj analizę wrażliwości z dwiema zmiennymi niezależnymi. Wyniki przedstaw na wykresach trójwymiarowym. Wybierz optymalną wartość stosunku ilości glikolu etylenowego do mieszaniny azeotropowej oraz optymalną wartość stosunku orosienia. W sprawozdaniu zamieść wykresy oraz wybrane optymalne wartości. 4

5 Zad 3. Rozdział trójskładnikowej mieszaniny benzenu, toluenu i n-pentanu Należy rozdzielić poprzez destylację 100 kmol/h trójskładnikowej mieszaniny benzenu (B), toluenu (T) i n-pentanu (P), o składzie molowym odpowiednio: 0.35; 0.3; Rozdział ten może być prowadzony w dwóch kolumnach (2 warianty) lub jednej złożonej kolumnie. Destylacja powinna być prowadzona przy ciśnieniu atmosferycznym. Należy otrzymać produkty o czystości co najmniej 98 %. Zaprojektuj instalację do rozdziału tej mieszaniny: 1. Wybierz stosowny model termodynamiczny. Wybór powinien być oparty na weryfikacji Porównanie z danymi literaturowymi przedstaw w sprawozdaniu. 2. Wybierz jeden z wariantów rozdziału, który będzie najbardziej opłacalny ekonomicznie: a. b. c. 5

6 W sprawozdaniu przedstaw który z wariantów wybrałeś i uzasadnij wybór. 3. Wybór wariantu oraz obliczenia wstępne można wykonać używając modelu DSTWU. Surowiec podawany jest do kolumny jako ciecz wrząca pod ciśnieniem atmosferycznym. Założyć wstępnie, że stosunek orosienia w każdej z kolumn jest 30% większy od wartości minimalnej. W sprawozdaniu przedstaw uzyskane wyniki (minimalny stosunek orosienia, rzeczywisty stosunek orosienia, minimalna liczba półek, rzeczywista liczba półek, temperatura w skraplaczu, stosunek ilości destylatu do zasilania). Czy w skraplaczach kolumn można zastosować wodę jako czynnik chłodzący? Dlaczego otrzymano taką wartość stosunku destylatu do zasilania? 4. Przeprowadź obliczenia blokiem ścisłym RadFrac używając wyznaczonych uprzednio parametrów pracy. Sprawdź wyniki dla każdego z trzech produktów. W sprawozdaniu porównaj otrzymane wyniki z założeniami projektowymi. 5. Wykorzystując dane katalogowe producentów wypełnień i zabudowy półkowej kolumn wykonać obliczenia hydrauliczne dla dobranej zabudowy kolumn i wyznaczyć spadek ciśnienia oraz wymiary każdej z kolumn. W sprawozdaniu przedstawić analizę doboru rodzaju zabudowy, wykorzystanych korelacji i wyników obliczeń. 6

7 Zad 4. Produkcja toluen w katalitycznej re akcji odwodornienia n-heptanu Literatura: Jeżowska A., Jeżowski J., Wprowadzenie do projektowania systemów technologii chemicznej. Część II: Przykłady, str. 192, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Toluen produkowany jest w katalitycznej reakcji odwodornienia n-heptanu. Surowiec, czysty n-heptan, jest ogrzewany w podgrzewaczu od temperatury 18 o C do 427 o C i następnie podawany do reaktora katalitycznego, który pracuje w warunkach izotermicznych, przy stopniu przereagowania n-heptanu równym 15%. Mieszanina poreakcyjna jest chłodzona w chłodnicy i podawana do rozdzielacza, z którego odbierany jest strumień pary zawierający wodór, a także strumień cieczy będącej mieszaniną toluenu i nieprzereagowanego n-heptanu. Po ogrzaniu do temp. wrzenia ta mieszanina może być rozdzielona w kolumnie rektyfikacyjnej, z której nieprzereagowany n-heptan może być z powrotem zawrócony do reaktora. Założenia procesowe: w instalacji panuje stałe atmosferyczne ciśnienie wielkość produkcji toluenu wynosi 6,8 kmol/h przy założeniu, że straty toluenu ze strumieniem wodoru, a także w kolumnie rektyfikacyjnej nie przekroczą 5% molowa czystość wodoru z rozdzielacza wynosi co najmniej 95% stosunek orosienia w kolumnie rektyfikacyjnej jest 10krotnie większy od wartości minimalnej kolumna wyposażona jest w skraplacz częściowy z pełnym orosieniem molowa czystość toluenu otrzymywanego po rozdziale w kolumnie rektyfikacyjnej wynosi co najmniej 98% Zaprojektuj instalację do otrzymywania toluenu w katalitycznej reakcji odwodornienia n-heptanu w oparciu o następujący tok postępowania: 1. Wybierz stosowny model termodynamiczny. Wybór powinien być oparty na weryfikacji Porównanie z danymi literaturowymi przedstaw w sprawozdaniu. 2. Oszacuj zapotrzebowanie na surowce biorąc pod uwagę stopień przereagowania, założoną wielkość produkcji toluenu oraz straty tego związku. 7

8 Obliczenia wraz z komentarzem przedstaw w sprawozdaniu. 3. Oszacuj ciepło reakcji odwodornienia n-heptanu w warunkach standardowych Wynik przedstaw w sprawozdaniu. 4. Dobierz temperaturę do której w chłodnicy schładzana jest mieszanina poreakcyjna, tak aby spełnić założenia procesowe. W sprawozdaniu przedstaw wyniki odpowiedniej analizy wrażliwości. 5. Wykonując obliczenia modelem DSTWU określ liczbę półek oraz stosunek ilości odbieranego destylatu do ilości zasilania (D:F) w kolumnie rektyfikacyjnej. W sprawozdaniu przedstaw założone wartości odzysków oraz otrzymane wartości liczby półek i stosunku D:F. Jakie jest ekonomiczne uzasadnienie tak dużego stosunku orosienia? 6. Wykonaj obliczenia kolumny rektyfikacyjnej modelem ścisłym Rad Frac. W razie niezadowalającej czystości toluenu odpowiednio zmodyfikuj stosunek D:F. W sprawozdaniu przedstaw pierwotnie otrzymaną wartość molowej czystości toluenu. Przedstaw również wyniki analizy wpływu wartości stosunku D:F na molową czystość toluenu. 7. Wykonaj obliczenia z recyklem nieprzereagowanego n-heptanu. Jak należy zmniejszyć ilość świeżego n-heptanu? W sprawozdaniu przedstaw wyniki odpowiedniej analizy. 8. Rozpatrz możliwość integracji cieplnej instalacji. Czy ciepło odbierane podczas chłodzenia mieszaniny poreakcyjnej może być użyte do ogrzewania surowca? W sprawozdaniu przedstaw odpowiedź na to pytanie popartą odpowiednimi wynikami. 8

9 Zad 5. Instalacja do produkcji amoniaku metodą Habera-Boscha. Literatura: Jeżowska A., Jeżowski J., Wprowadzenie do projektowania systemów technologii chemicznej. Część II: Przykłady, str. 188, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów Amoniak produkowany jest w metodzie Habera-Boscha bezpośrednio z pierwiastków w reaktorze katalitycznym przy wysokich ciśnieniach i temperaturach. Oba gazy użyte do reakcji zawierają inertne zanieczyszczenia. Azot, otrzymywany najczęściej z powietrza, zawiera argon. Wodór zaś zanieczyszczony jest metanem. Zaprojektuj instalację do produkcji amoniaku, postępując zgodnie z poniższą instrukcją: 1. Natężenie przepływu surowca wynosi 145,36 kmol/h, zaś jego skład molowy przedstawia się następująco: 0.24 N 2, H 2, Ar, CH 4. Temperatura surowca to 25 o C, ciśnienie 1atm. 2. Wybierz stosowny model termodynamiczny. Wybór powinien być oparty na weryfikacji W sprawozdaniu przedstaw porównanie z danymi literaturowymi 3. Reakcja przebiega w reaktorze w temperaturze 500 o C i pod ciśnieniem kpa. Stosując równowagowy model reaktora zbadaj wpływ ciśnienia na wartość równowagowego stopnia przereagowania. W sprawozdaniu przedstaw wyniki analizy. Odpowiedz również na pytanie dlaczego w procesie wymagane są wysokie ciśnienia. 4. Mieszanina poreakcyjna jest chłodzona do temperatury -33 o C w chłodnicy w której spadek ciśnienia wynosi kpa. Następnie zaś podawana jest do rozdzielacza równowagowego pracującego w warunkach izotermiczno-izobarycznych. Z rozdzielacza uzyskuje się amoniak w fazie ciekłej. Nieprzereagowany amoniak i wodór oraz gazy inertne pozostają w fazie gazowej. Zbadaj wpływ temperatury rozdziału na ilość i czystość otrzymywanego amoniaku (powinna ona wynosić min. 96%). W sprawozdaniu przedstaw wyniki analizy oraz optymalną wartość temperatury rozdziału. 5. W procesie produkcji amoniaku do instalacji wprowadzane są śladowe ilości gazów inertnych z surowcami. Ponieważ równowagowy stopień przereagowania azotu do amoniaku jest stosunkowo niewielki, istnieje konieczność zawracania nieprzereagowanych surowców do reaktora. Zarówno oczyszczenie surowców, jak 9

10 i oddzielenie inertów od produktu jest niezwykle kłopotliwe i kosztowne. Nadmierny wzrost stężenia inertów w reaktorze powoduje zatrucie katalizatora platynowego, dlatego należy zastosować strumień upustu w celu obniżenia ich stężenia. Dobór wielkości strumienia upustu jest niezwykle ważny. Wzrost natężenia przepływu upustu powoduje straty surowca, a więc zmniejszenie wydajności instalacji. Z kolei zmniejszenie tego strumienia powoduje wzrost stężenia inertów w reaktorze, zwiększenie zatrucia katalizatora, a także zwiększenie strumienia recyklu. Zbadaj wpływ wielkości upustu na czystość amoniaku, molową zawartość inertnych zanieczyszczeń w reaktorze, a także na ilość traconego azotu i wodoru. Wyniki analiz przedstaw w sprawozdaniu. Zaproponuj wielkość upustu. 10

11 Zad 6. Rozdział roztworu trójskładnikowego Należy rozdzielić roztwór o składzie molowym: 0,55 benzen; 0,25 toluen; 0,2 o-ksylen. Na ile czyste produkty można byłoby uzyskać z jednej kolumny z dodatkowym odbiorem bocznym, przy rozsądnych kosztach? Założyć, że surowiec w ilości 50 kmol/h jest podawany do kolumny w postaci cieczy wrzącej, pod ciśnieniem 1, Pa. W obliczeniach można przyjąć stałe ciśnienie w kolumnie równe 1, Pa. Kolejność działania: 1. Wybierz stosowny model termodynamiczny. Wybór powinien być oparty na weryfikacji W sprawozdaniu przedstaw porównanie z danymi literaturowymi. 2. Stosując model uproszczony kolumny, oblicz wartości minimalne stosunku orosienia i liczby półek teoretycznych oraz inne wielkości, które posłużą do specyfikacji kolumny liczonej modelem ścisłym. Destylat powinien być niemal czystym benzenem. W sprawozdaniu przedstaw uzyskane wyniki wraz ze stosownym komentarzem. 3. Narysuj schemat kolumny z dwoma strumieniami produktów (model ścisły Radfrac), przeprowadź obliczenia dla wstępnie przyjętych specyfikacji. Wykonaj wykres zmian ułamka molowego składników w kolumnie, aby ewentualnie zaproponować odbiór produktów bocznych. W sprawozdaniu przedstaw uzyskane profile składu. Zaproponuj półkę z której mógłby być odbierany produkt boczny. 4. Przeprowadź obliczenia kolumny z dodatkowym odbiorem bocznym produktu, załóż wielkość tego odbioru. Zbadaj wpływ stosunku orosienia na odzysk składników w strumieniach produktów z kolumny. W sprawozdaniu podaj wraz z uzasadnieniem założoną wielkość odbioru bocznego. Przedstaw również wyniki analizy wpływu stosunku orosienia na odzysk składników w odpowiednich strumieniach. Sformułuj wnioski. 5. Zbadaj wpływ natężenia przepływu strumienia produktu bocznego na ułamki molowe toluenu i o-ksylenu odpowiednio w strumieniach produktów, przy R=1,5. W sprawozdaniu przedstaw wyniki analizy wpływu natężenia przepływu strumienia produktu bocznego na odpowiednie ułamki molowe. Sformułuj wnioski. 11

12 Zad 7. Porównanie wyników obliczeń reakcji estryfikacji, przy zastosowaniu różnych modeli reaktora Należy wykonać obliczenia przebiegu reakcji stosując różne modele reaktora. Stechiometria reakcji: Etanol + kwas octowy octan etylu + woda Parametry przy których biegnie reakcja: Temperatura 70 o C; ciśnienie 1 bar Reakcja jest odwracalna, przebiega w fazie ciekłej. Wykonać obliczenia dla dwu przypadków: a) wpływ szybkości reakcji odwrotnej jest nieistotny, b) należy uwzględnić wpływ szybkości reakcji odwrotnej Dane do równania Arrheniusa: reakcja tworzenia estru: stała częstotliwości 1, /s; energia aktywacji 5, J/kmol reakcja odwrotna: stała częstotliwości 5, /s; energia aktywacji 5, J/kmol Reakcje są pierwszego rzędu w odniesieniu do koncentracji wszystkich reagentów. Obliczenia należy wykonać równocześnie stosując modele reaktorów RSTOIC, RGIBBS REQUIL, RPLUG i RCSTR (zastosuj model Dupl). Strumień wlotowy do reaktora ma temp. 70 o C; ciśnienie 1 bar. Natężenie przepływu składników, w kmol/h, wynosi: woda 8,89; etanol 186,59; kwas octowy 192,6. Dla modelu RSTOIC przyjąć 70% przereagowania etanolu. Reaktor rurowy składa się z jednej rury o średnicy 0,3 m i długości 2,0 m. Całkowitą objętość reaktora zbiornikowego z idealnym przemieszaniem przyjąć 0,14m 3. 12

13 Kolejność działania: 1. Wybierz stosowny model termodynamiczny. Wybór powinien być oparty na weryfikacji Porównanie z danymi literaturowymi przedstaw w sprawozdaniu. 2. Narysować schemat do obliczeń, najpierw, składający się z modeli uproszczonych reaktora. Wykonać obliczenia i ocenić wyniki. RSTOIC 2A 2 RGIBBS 3A RPLUG 1 B1 3 DUPL 4 4A RCSTR 5 5A 3. Dodać do schematu modele ścisłe reaktora (RPLUG i RCSTR). Zdefiniować dwie reakcje: reakcję estryfikacji i reakcję odwrotną. 4. Wypełnić wszystkie niezbędne formularze. Należy pamiętać, że dla p. a) dołączyć tylko reakcję estryfikacji, natomiast dla b) obie zdefiniowane reakcje, przeprowadzić obliczenia i ocenić wyniki. W sprawozdaniu podać: stopień przereagowania etanolu dla każdego z modeli, ciepło wymieniane w reaktorze dla każdego z modeli, ciepło reakcji estryfikacji (RSTOIC) liczbę postępu reakcji (RSTOIC) jaki powinien być czas przebywania w reaktorze rurowym i jego długość aby stopień konwersji etanolu wynosił 0,96, przy zaniedbaniu wpływu szybkości reakcji odwrotnej? 13

14 Zad 8. Produkcja styrenu Przeprowadzić obliczenia symulacyjne instalacji, pracującej w sposób ciągły, w której wytwarzany jest styren na drodze odwodornienia etylobenzenu. Wymagana jest produkcja 10 5 ton styrenu w ciągu roku. Należy wykonać kolejne etapy obliczeń: Część 1. Obliczenia równowagi reakcji 1.1) Wybierz stosowny model termodynamiczny. Wybór powinien być oparty na weryfikacji Porównanie z danymi literaturowymi przedstaw w sprawozdaniu. 1.2) Oblicz wymaganą ilość surowca. Załóż że: instalacja pracuje przez 335 dni w roku, nieprzereagowany etylobenzen w całości będzie zawrócony do pirolizy, straty produktu nie przekroczą 0,15%, surowiec nie zawiera zanieczyszczeń, zaniedbać udział reakcji następczych. W sprawozdaniu przedstaw obliczenia wraz ze stosownym komentarzem. 1.3) Dobierz parametry pracy reaktora. Styren powstaje w reakcji odwodornienia etylobenzenu. Załóż że nie powstają produkty uboczne. Oblicz: wartość stałej równowagi reakcji w temperaturze 560 o C, równowagowy stopień przereagowania etylobenzenu w reakcji odwodornienia np. przy ciśnieniu równym Pa, w temperaturze 560 o C, zbadać wpływ tych parametrów na równowagowy stopień przereagowania etylobenzenu, wykonać stosowne analizy wrażliwości; jak należałoby zmienić parametry pracy reaktora, aby poprawić równowagowy stopień przereagowania? czy celowe jest zastosowanie inertu i jakiego? jakie czynniki decydują o możliwości tworzenia koksu? obliczyć efekt cieplny reakcji odwodornienia etylobenzenu w temperaturze 25 o C i 580 o C (zastosować model reaktora RSTOIC). 14

15 W sprawozdaniu przedstaw wyniki wraz ze stosownym komentarzem. 1.4) Dobór inertu (jaki i ile?). Oblicz jaka jest wartość równowagowego stopnia przereagowania etylobenzenu, w temperaturze 560 o C, pod ciśnieniem Pa i przy molowym stosunku inertu do etylobenzenu równym 18? Jaki powinien być stosunek molowy inertu do ETB, by równowagowy stopień przereagowania wynosił 65% (zrobić żądanie projektowe)? W sprawozdaniu przedstaw uzyskane wyniki. 1.5) Zbadaj możliwość przebiegu niepożądanych reakcji ubocznych i następczych (tworzenie benzenu, toluenu, koksu, etylenu, metanu). Obliczenia wykonaj stosując model reaktora REQUIL (sprawdzić też model RGIBBS). Uwzględnij dodatkowo reakcje1-3. C 8 H 8 + H 2 C 6 H 6 + C 2 H 4 (1) C 8 H 8 + 2H 2 C 6 H 5 CH 3 + CH 4 (2) C 8 H 10 8C+5H 2 (3) W sprawozdaniu podaj wartość równowagowego stopnia przereagowania etylobenzenu i selektywność, w temperaturze 560 o C, z inertem i bez inertu. Wyniki opatrz stosownym komentarzem. Część 2. Obliczenia reaktora pracującego w sposób ciągły Przeprowadź obliczenia reaktora do produkcji styrenu w ilości określonej w p.1.2), zakładając, że w reaktorze osiąga się stopień przereagowania etylobenzenu równy 40%. Przy odpowiednio dobranym katalizatorze i parametrach pracy reaktora, można założyć, że nie powstają produkty uboczne (zastosować model RSTOIC). Reaktor pracuje w warunkach adiabatycznych. Inert podawany jest w stosunku molowym do etylobenzenu 15:1. Z czego 10 % inertu podawane jest z etylobenzenem w temperaturze 520 o C, pod ciśnieniem 1 bar do węzła mieszania, gdzie podaje się pozostałą część inertu, przegrzanego wcześniej do temperatury 710 o C. W przypadku wolniejszego ogrzewania etylobenzenu, np. w wymienniku ciepła mogłoby dojść do dekompozycji ETB i osadzania się węgla na powierzchni grzewczej wymiennika (podobnie, nadmiar inertu w reaktorze zapobiega osadzaniu się węgla na ziarnach katalizatora). Jak można zintegrować cieplnie instalację? (ochłodzenie mieszaniny poreakcyjnej połączyć z ogrzaniem strumieni wlotowych do reaktora) W sprawozdaniu przedstaw wyniki obliczeń oraz dokonaj ich analizy. 15

16 Część 3. Rozdzielanie mieszaniny poreakcyjnej Zaproponuj sposób rozdzielenia mieszaniny poreakcyjnej (z uwzględnieniem produktów ubocznych), zawroty strumieni do reaktora. W sprawozdaniu przedstawić koncepcje rozdziału mieszaniny poreakcyjnej wraz ze stosownym komentarzem. 16

17 Zad. 9. Obliczenia kolumny rektyfikacyjnej (problem z uzyskaniem zbieżności obliczeń) Należy wykonać obliczenia (i omówić wyniki) kolumny w której oddzielony jest HCl z mieszaniny poreakcyjnej, w procesie produkcji chlorku winylu. Sformułowanie problemu: Z reaktora wypływa mieszanina poreakcyjna o składzie masowym: 19,5% HCl; 33,5% chlorku winylu; 47% 1,2-dichloroetanu, w ilości 130 t/h. Po rozprężeniu do ciśnienia 18 bar i ochłodzeniu do temperatury 50 o C podawana jest do kolumny rektyfikacyjnej w celu oddzielenia HCl. Kolumna składa się z 33 półek teoretycznych, w tym: skraplacz częściowy z odbiorem destylatu w postaci pary oraz wyparka kotłowa. Surowiec podawany jest na półkę 17. Przyjąć ciśnienie w skraplaczu równe 17,88 bar a w wyparce 18,24 bar. Jako wstępne specyfikacje kolumny założyć: natężenie przepływu destylatu w przybliżeniu równe ilości HCl doprowadzanego do kolumny, oraz masowy stosunek orosienia 0,7. Kolejność działania 1. Wybierz stosowny model termodynamiczny. Wybór powinien być oparty na weryfikacji Porównanie z danymi literaturowymi przedstaw w sprawozdaniu. 2. Wykonaj obliczenia modelem ścisłym kolumny. Sprawdź wyniki obliczeń (profile zmiany temperatury na półkach, profile składu, czystość destylatu i odzysk składników w strumieniach produktów). W sprawozdaniu przedstaw uzyskane wyniki. 3. Czy trzeba zmienić specyfikacje kolumny (i jak), by zawartość chlorku winylu w destylacie nie przekraczała 10 ppm, a w cieczy wyczerpanej nie było HCl więcej niż 5 ppm. W sprawozdaniu przedstaw wartości początkowe zawartości tych dwóch składników oraz wyniki stosownej analizy. 4. Czy wystarczający jest standardowy algorytm obliczeń dla rozwiązywanego problemu? W sprawozdaniu odnieś się do postawionego pytania. 5. Jak rozdzielić pozostałe składniki i czy rozdział będzie łatwy? Jeśli rektyfikacja, to pod jakim ciśnieniem powinna być prowadzona aby możliwe było zastosowanie wody do chłodzenia skraplacza kolumny. W sprawozdaniu przedstaw odpowiedzi na powyższe pytania opierając się na odpowiednich analizach. 17