3. Операторная схема производства

С – сборники - реактор

К – конденсация А – абсорбция Р – ректификация

О – отстаивание П - перегонка

Материальный баланс производства

Расчёт материального баланса основан на общей схеме потоков

Исходные данные

-Стехиометрические уравнения химических реакций

-Количество товарного ацетона, т/сут.

-Объёмный (мольный) состав отходящих газов

-Массовый состав исходной смеси изопропанол-вода

Требуется рассчитать

-Количество исходной смеси изопропанол-вода

-Количество исходного воздуха

-Количество отходящих газов

-Количество сточной воды

-Количество сточной уксусной кислоты

Баланс массы

Исходя из рисунка, можно составить общее уравнение баланса массы:

,

Здесь и далее все величины будут отнесены к единице времени (кг/сут, кмоль/сут).

Расшифровка индексов:

«сп» – спирт изопропанол

«в,исх» - вода, содержащаяся в сырье

«возд» - воздух

«г» - отходящие газы

«в,сток» - сточная вода

«к» - уксусная кислота

«ац» - товарный ацетон

Поскольку материальный баланс рассчитывается с использованием стехиометрии реакций, уравнение баланса массы следует записать через мольные количества:

,

где N– мольный расход (кмоль/сут),M– мольная масса (кг/кмоль).

Алгоритм расчёта

Реакции, протекающие в реакторе:

Для системы реакций можно составить следующие выражения:

Обозначения:

A– Изменение количества изопропанола

B– Изменение количества кислорода

C– Изменение количества ацетона

D– Изменение количества воды

E– Изменение количества углекислого газа

F– Изменение количества пропилена

H– Изменение количества метана

G– Изменение количества уксусной кислоты

Для веществ, участвующих в нескольких реакциях, около букв стоят индексы, указывающие на то, к какой реакции относится данная величина.

Требуемые потоки можно рассчитать, зная общее количество прореагировавшего спирта:

Отсюда

Таким образом, требуется определить C,E,F,G.

С – количество образовавшегося ацетона

Большинство ацетона идёт в продукт, оставшаяся часть теряется с отходящими газами:

, гдеy_ац– мольная доля ацетона в отходящих газах.

N_г– неизвестная величина.

N_ацможно выразить через массовый расход товарного ацетона:

, где П – производительность по ацетону, т/сут

E – количество образующего углекислого газа

Весь углекислый газ уходит с отходящими газами:

F – количество образующего пропилена

Весь пропилен уходит с отходящими газами:

G – количество образующего метана

Весь метан уходит с отходящими газами:

Подставляя эти выражения в уравнение для A:

В этом уравнении 2 неизвестные: AиN_г.

Решить его можно, выразив одну неизвестную через другую. Это делается с помощью основного уравнения баланса массы:

Необходимо поочерёдно составить выражения для всех мольных потоков.

N_сп – количество исходного спирта.

Часть исходного спирта тратится на реакцию, оставшаяся часть теряется в атмосферу:

N_в,исх – количество исходной воды.

Количество исходной воды связано с количеством исходного спирта через величину - массовую долю воды в сырье.

N_возд – количество исходного воздуха.

Количество воздуха определяется исходя из того, что азот, содержащийся в нём, проходит через производство как балласт и полностью уходит в атмосферу с отходящими газами.

, где 0,79 – приблизительная мольная доля азота в атмосферном воздухе.

N_в,сток – количество сточной воды.

Количество воды, совершающей цикл абсорбция-ректификация постоянно, поэтому сток воды количественно определяется излишками воды, привнесённой в производство, т.е. исходной водой и водой, которая образуется в результате реакции:

, где

N_к – количество сточной уксусной кислоты.

По реакции 4:

N_ац – количество товарного ацетона.

Подставляем все выражения в уравнение для N_г:

В уравнении 2 неизвестные:N_гиA. ВыразимN_гчерезA:

Выражения в больших фигурных, круглых и квадратных скобках – константы, поэтому для удобства обозначим их соответственно через S,L,T:

Таким образом,

Сопоставим это уравнение с уравнением, составленным по стехиометрическому балансу:

Обозначим константы:

Тогда

Отсюда: