Материальный баланс и тепловой расчет химического реактора. Элементы тепловых расчетов применительно к промышленным процессам

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС И ТЕПЛОВОЙ 
РАСЧЕТ ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА  
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ  
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОМЫШЛЕННЫМ 
ПРОЦЕССАМ 
Учебное пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2023 

УДК 66.023.001.24(075) 
ББК 35.11–02я7 
М34 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
канд. хим. наук Б. Н. Бобров 
канд. хим. наук В. А. Васильев 
М34 
Авторы: Э. А. Каралин, Г. Г. Елиманова, Д. И. Ягудин,  
М. А. Бочков, А. А. Гайфуллин, Е. С. Воробьев, В. И. Анисимова, 
И. А. Суворова, Х. Э. Харлампиди 
Материальный баланс и тепловой расчет химического реактора. Элементы тепловых расчетов применительно к промышленным процессам : 
учебное пособие / Э. А. Каралин, Г. Г. Елиманова, Д. И. Ягудин [и др.]; 
Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : 
Изд-во КНИТУ, 2023. – 100 с. 
ISBN 978-5-7882-3356-7 
Содержит алгоритм составления материального баланса промышленного реактора каталитической дегидратации этанола и лабораторного реактора пиролиза 
жидких углеводородов; примеры расчета технологических и технико-экономических показателей на основании материального баланса, элементы теплового расчета реактора, примеры тепловых расчетов применительно к промышленной технологии совместного получения оксида пропилена и стирола. 
Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям 
подготовки 18.03.01 (18.04.01) «Химические технологии», 18.03.02 (18.03.02) 
«Энергоресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и 
биотехнологии», а также может представлять интерес для научных работников по 
технологическим направлениям. 
Подготовлено на кафедре общей химической технологии. 
УДК 66.023.001.24(075) 
ББК 35.11–02я7 
ISBN 978-5-7882-3356-7 
© Каралин Э. А., Елиманова Г. Г., Ягудин Д. И., Бочков М. А., 
Гайфуллин А. А., Воробьев Е. С., Анисимова В. И., 
Суворова И. А., Харлампиди Х. Э., 2023 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2023 
2 

Содержание 
Введение ....................................................................................................................... 4 
Задача 1. Составление материального баланса производства этилена 
дегидратацией биоэтанола, элементы теплового расчета реактора ...................... 9 
Материальный баланс .............................................................................................. 9 
Тепловые расчеты ................................................................................................... 23 
Расчет технологических и технико-экономических показателей 
на основании материального баланса .................................................................. 34 
Задача 2. Составление материального баланса и элементы теплового 
расчета реактора на примере лабораторной работы «Пиролиз  
нефтепродуктов» 
........................................................................................................ 40 
Материальный баланс ............................................................................................ 45 
Тепловые расчеты ................................................................................................... 51 
Перенос температурного режима лабораторного реактора 
на промышленный аппарат ................................................................................... 56 
Тепловые расчеты применительно к промышленным процессам 
на примере технологии PO/SM ................................................................................. 61 
Оценка возможности частичной замены воды на инертный 
теплоноситель на стадии газофазной дегидратации 1-фенилэтанола 
............... 64 
Оценка затрат тепла, связанных с рециркуляцией  2-фенилэтанола 
в процессе PO/SM ................................................................................................... 70 
Гидрирование ацетофенона в адиабатическом реакторе с неподвижным 
слоем катализатора: оценка возможных вариантов расположения  
реакторного узла 
..................................................................................................... 73 
Заключение 
................................................................................................................. 78 
Контрольные вопросы ............................................................................................... 79 
Литература .................................................................................................................. 84 
Приложение А ............................................................................................................ 86 
Приложение Б 
............................................................................................................. 88 
Приложение В 
............................................................................................................. 96 
Приложение Г ............................................................................................................. 97 
3 

ВВЕДЕНИЕ
Низшие олефины (этилен и пропилен) занимают ведущее место по 
потреблению в нефтехимическом синтезе и являются основными полупродуктами в полимерной промышленности. Самым многотоннажным 
является производство этилена, за ним следует пропилен [1, 2]. 
В 2017 г. в мире было произведено порядка 150 млн тонн этилена 
с ожидаемым ростом до 180 млн тонн к 2022 году. На 2018 г. мировое 
потребление пропилена составило 106 млн тонн при объеме производственных мощностей 118 млн тонн (по данным [3], 129 млн тонн). 
Этилен является сырьем для производства полимеров этилена, оксида этилена, этилбензола, стирола, винилхлорида, этиленхлорида 
и других продуктов. Основное использование пропилена – получение 
полимеров (полипропилен и сополимеры). Алкилирование бензола пропиленом позволяет получить изопропилбензол – полупродукт в производстве оксида пропилена (технология CHP) и в кооперированном производстве фенола и ацетона. Пропилен в составе пропан-пропиленовой 
фракции используется в производстве бензина: путем алкилирования 
получают С7-углеводороды с октановым числом на уровне 96 единиц. 
В настоящее время основным промышленным способом получения низших олефинов является пиролиз углеводородного сырья – 
нефтяных фракций (легкого бензина, нафты, газойля) и попутного газа. 
На рис. 1 представлены крупнейшие страны-производители этилена [2]. 
В России (на 31.11.2017 г.) производство этилена осуществлялось 
на 11 предприятиях нефтехимической отрасли [2]. В табл. 1 приведена 
информация по проектной мощности этих предприятий. 
Альтернативный промышленный способ производства этилена – 
каталитическая дегидратация этилового спирта, получаемого из биомассы. Согласно работе [4], в 1950–1960 гг. на территории Индии и Бразилии были созданы первые промышленные предприятия, осуществляющие переработку этанола в этилен, мощностью 20–30 тыс. т/год. Первое крупнотоннажное производство этилена из биоэтанола организовано в сентябре 2010 г. компанией Braskem в составе действующего 
производственного комплекса в г. Триунфо (Бразилия) для обеспечения 
сырьем производства полиэтилена. Стоимость проекта – 278 млн долл., 
проектная мощность по полиэтилену – 200 тыс. т/год, потребление эта4 

нола – 462 млн л/год. Получаемый полиэтилен по своим характеристикам полностью идентичен продукту, получаемому из нефтехимического сырья. 
Рис. 1. Годовое производство этилена по странам 
Таблица 1 
Предприятия в РФ, производящие этилен 
Предприятие 
Мощность 
тыс. т/год 
% 
ЗАО «СИБУР-Химпром» 
60 
1,6 
ОАО «СИБУР-Нефтехим» 
300 
8,2 
ООО «Томскнефтехим» 
300 
8,2 
ООО «СИБУР-Кстово» 
384 
10,5 
ООО «Ставролен» 
350 
9,5 
ОАО «Ангарский завод полимеров» 
300 
8,2 
ЗАО «Новокуйбышевская НХК» 
180 
4,9 
ОАО «Уфаоргсинтез» 
210 
5,7 
ООО «Газпром нефтехим Салават» 
340 
9,3 
ПАО «Казаньоргсинтез» 
640 
17,5 
ПАО «Нижнекамскнефтехим» 
600 
16,4 
Суммарно по всем предприятиям 
3664 
100 
Отмечается, что биомассу как сырье для производства энергоносителей (в том числе, этанола) можно условно разделить на три поколения [5]:  
5 

1. Пищевые сахаросодержащие наземные растения – сахарный
тростник, сахарная свекла, сахарное сорго, кукуруза, пшеница, картофель, топинамбур, борщевик. 
2. Непищевые целлюлозосодержащие растения – солома зерновых
и масличных, плодовые оболочки злаковых, мискантус. 
3. Непищевые водные растения – водоросли.
Анализ охранных документов 
Патентно-информационный поиск проводился в базе данных 
Еspacenet [6], поисковый запрос задавался в поле «ключевые слова 
в названии изобретения или реферате». Поисковые запросы: pyrolysis; 
pyrolysis AND hydrocarbons; ethylene AND ethanol AND dehydration. 
Отметим, что первые патенты, относящиеся как к пиролизу углеводородов, так и к дегидратации спиртов, были получены во второй половине 20-х гг. прошлого века, т. е. примерно сто лет назад. 
Это канадский патент «Art of pyrolysis» (CA278201, 1928-02-28, заявитель The Standard Oil Development Company), в котором заявляется 
аппаратурное оформление процесса высокотемпературной обработки 
нефтяных фракций, и патент Великобритании «Improvements in or relating to catalytic processes of dehydrogenation and dehydration of organic 
compounds» (GB323713, 1929-12-30, заявитель E.I. Du Pont de Nemours 
and Co), в котором заявляется способ регулирования селективности бифункциональных гетерогенных катализаторов. 
На рис. 2–5 приведена динамика появления охранных документов, 
относящихся к пиролизу углеводородов и дегидратации этанола. 
Рис. 2. Количество охранных документов, относящихся к пиролизу 
углеводородов (за период 1900–2021 гг.) 
6 

 
Рис. 3. Количество охранных документов, относящихся к пиролизу  
углеводородов (за период 2010–2021 гг.) 
 
 
Рис. 4. Количество охранных документов, относящихся 
к дегидратации этанола до этилена (за период 1900–2021 гг.) 
Как видно, за последние 10 лет патентование изобретений, относящихся к получению этилена из этанола, идет опережающими тем7 

пами: отношение количества патентов в этой области к количеству патентов по пиролизу УВ за все время составляет 0,15 : 1, а за период 
2010–2021 гг. 0,34 : 1.  
Рис. 5. Количество охранных документов, относящихся  
к дегидратации этанола до этилена (за период 2010–2021 гг.) 
В обсуждении и компоновке материала учебного пособия принимали участие студенты групп 5101-21, 5101-51, 5101-52, 5201-2, 5201-5, 
5101-61, 5191-41, 5191-51, 5191-52. 
8 

Задача 1. СОСТАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО 
БАЛАНСА ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛЕНА 
ДЕГИДРАТАЦИЕЙ БИОЭТАНОЛА, ЭЛЕМЕНТЫ
ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА РЕАКТОРА 
Материальный баланс 
Полученный в результате спиртового брожения в присутствии 
дрожжей или спиртовых бактерий разбавленный спиртосодержащий 
раствор концентрируют посредством ректификации. Приведенный 
в патенте [7] состав концентрированного биоэтанола показан в табл. 2.  
Таблица 2 
Состав сырья, поступающего на дегидратацию 
Компонент 
w, % мас. 
Этанол 
93,000 
Вода 
6,700 
Кислородсодержащие примеси 
0,295 
Азотсодержащие примеси 
0,005 
Более подробная информация по составу биоэтанола приведена 
в работе [8] (табл. 3). 
Таблица 3 
Состав примесей в опытных образцах биоэтанола  
после ректификации с помощью бражной колонны 
Показатель 
Количественное значение 
Массовая концентрация альдегидов  
в пересчете на безводный спирт, мг/дм3 
8,0–10,0 
Массовая концентрация эфиров 
в пересчете на безводный спирт, мг/дм3 
1,0–2,0 
Массовая концентрация сивушного масла 
в пересчете на безводный спирт, мг/дм3 
1300–1400 
Содержание метанола в пересчете на безводный 
спирт, % об. 
0,002 
Объемная доля этанола, % об. 
91,6–92,1 
NB! Для упрощения расчетов принимаем, что биоэтанол является бинарной смесью этанола 
и воды. 
9 

Что касается продуктов химических реакций, согласно патенту [9], 
при каталитической дегидратации этанола помимо этилена, диэтилового 
эфира и ацетальдегида образуется и некоторое количество этана (на 
уровне нескольких сот ppm из расчета на углеводородную С2-фракцию). 
NB! ppm — «parts per million», для массовых концентраций 1 мг/кг или 1 г/т. 
Исходя из наличия в продуктах реакции этилена, диэтилового 
эфира, ацетальдегида, водорода и этана реакционную систему можно 
представить следующими реакциями: 
Номер 
Реакция 
Стехиометрическое 
уравнение 
реакции 
Внутримолекулярная дегидратация 
этанола 
C2H5OH → C2H4 + Н2О 
I 
Межмолекулярная дегидратация этанола 
2 C2H5OH → (C2H5)2O + Н2О 
II 
Дегидрирование этанола 
C2H5OH → CH3CHO + H2 
III 
Гидрирование этилена 
C2H4 + H2 → C2H6 
IV 
NB! Используем словосочетание «реакционная смесь» при обсуждении качественного и количественного компонентного состава потока, находящегося в реакторе, а словосочетание 
«реакционная система» — при обсуждении набора химических реакций, протекающих в реакторе. 
Исходные данные по расчету материального баланса приведены 
в табл. 4. 
Таблица 4 
Показатели процесса дегидратации этанола (составлены  
по данным, приведенным в [7, 9]) 
Показатель 
Значение 
Пропускная способность по спирту-сырцу, кг/ч 
46870 
Состав спирта-сырца, % мас.: этанол 
93,0 
вода 
7,0 
Конверсия этанола, % 
99,2 
Селективность по целевому продукту, % 
97,8 
Селективность по диэтиловому эфиру, % 
2,1 
Селективность по ацетальдегиду, % 
0,1 
Потери этанола, % мас. от поданного этанола (из расчета 
на чистый этанол)* 
0,1 
Потери этилена при гидрировании, % мас. из расчета на 
образующийся этилен 
0,04 
Примечание: * – рассматриваем как физические потери, например с абгазами. 
10