Получение этилбензола

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный университет тонких химических технологий имени М. В. Ломоносова

Кафедра общей химической технологии

Курсовая работа на тему:

«Получение этилбензола»

Выполнила: Мазурина Светлана Александровна

Группа ХТ-410

Курс IV

Проверил : Брук Лев Григорьевич

Москва 2005г



Введение

Алкилароматические соединения широко используются в химии и химической технологии для получения полимерных материалов, поверхностно-активных веществ, высокооктановых добавок к топливу и в качестве полупродуктов. Наибольшее значение имеют этилбензол и изопропилбензол как исходные вещества при получении таких мономеров, как стирол и a-метилстирол. Этилбензол используется как добавка к топливам. Промышленное производство этилбензола в России впервые было организовано в 1936 г. Во время Великой Отечественной войны изопропилбензол широко применяли в качестве высокооктановой добавки к топливу. И в настоящее время он является одним из важнейших продуктов органического синтеза.

Непрерывный рост производства алкилароматических углеводородов обусловлен высокой потребностью в продуктах, получаемых на их основе.

Каталитическое алкилирование бензола олефинами занимает ведущее место среди многочисленных процессов основного органического и нефтехимического синтеза. Около 80 % общего потребления бензола приходится на долю производства алкилбензолов. Структура потребления бензола в промышленно развитых странах примерно одинакова: около 50% бензола идет на производство этилбензола и около 20% -- на производство изопропилбензола.

этилен производство алкилирование бензол



1. Исходное сырье

Ароматические соединения:

Бензол и его гомологи.

Бензол С₆Н₆:

Физические свойства: бесцветная нерастворимая в воде жидкость со своеобразным запахом, температура плавления 5,4^oС, температура кипения 80,1^oС, плотность 0,88 г/см³. Пары бензола ядовиты.

Получение бензола:

1. Выделение из природных источников.

2. Ароматизация нефти:

C₆H₁₂ 3H₂ + C₆H₆ C₆H₁₄ 4H₂ + C₆H₆

3. Тримеризация алкинов (лабораторный способ):

3C₂H₂ C₆H₆

Алкилирующие агенты:

В промышленности в качестве алкилирующих агентов при производстве этилбензола и изопропилбензола чаще всего используют олефины или их углеводородные фракции (в частности, этилен и пропилен).

В качестве алкилирующих агентов могут применяться не только олефины, но и спирты и алкилгалогениды.

В нашем процессе в качестве алкилирующего агента используется 100% этилен.

Этилен С₂Н₄:

Физические свойства:

Бесцветный газ, t_кип =103,7 °С.

В больших количествах (до 20%) содержится в газах нефтепереработки; входит в состав коксового газа. Один из основных продуктов нефтехимической промышленности: применяется для синтеза этилбензола, винилхлорида, этиленоксида, этилового спирта, полиэтилена и др.

Получение этилена:

Этилен получают каталитическим способом из природного газа,

окислительной димеризацией метана на оксидных катализаторах.

Процесс реализуется при температурах 700-800 ⁰С и непрерывной подаче смеси метана с воздухом в присутствии оксидного катализатора, содержащего щелочные добавки. В настоящее время достигнут выход этилена 20-25% при селективности по этилену ~60%.

Экономическая эффективность процесса ОДМ обусловлена низкой стоимостью природного газа и большим потенциалом по выработке водяного пара с давлением 3-10 МПа. Рентабельность процесса определяется соотношением цен одной тонны этилена и 1000 м³ природного газа, которое должно быть больше 15 .

Примеси:

В качестве примесей, отрицательно влияющих на процесс, можно отметить ацетилен, бутадиен-1,3, СО, СО₂ ацетальдегид, эфиры и др. Они по-разному сказываются на уменьшении выхода целевых продуктов. Так, ацетилен и бутадиен-1,3 полимеризуются на кислых катализаторах с образованием смолистых веществ, которые забивают катализаторы и тем самым дезактивируют их. Также дезактивирует катализатор оксид углерода, который трудно отделить от олефинов.

Наличие в углеводородных газах кислорода приводит к резкому увеличению выхода полиалкилбензолов и заметному изменению активности катализаторного комплекса. Это может происходить за счет образования катион-радикалов, изменяющих направленность основного процесса. Альдегиды и эфиры также приводят к увеличению выхода полиалкилбензолов и дезактивации катализатора. Следовательно, исходное сырье необходимо подвергать дополнительной очистке от указанных примесей.

Наличие в бензоле и алкилирующем агенте влаги приводит к необратимой дезактивации хлорида алюминия, который превращается в гидроксид алюминия. Следовательно, исходное сырье необходимо подвергать глубокой осушке. Кроме того, бензол необходимо очищать от тиофена и других серосодержащих соединений, которые способствуют образованию смолистых веществ, не только снижающих активность катализатора, но и загрязняющих целевые продукты.

Катализатор:

В качестве катализаторов процесса алкилирования могут быть использованы протонные и апротонные кислоты. Протонные кислоты широко применяют при алкилировании бензола олефинами и спиртами. Активность, селективность и стабильность катализаторов находятся в сложной зависимости от температуры, давления, природы и структуры алкилирующих агентов и т. д.

При алкилировании могут использоваться твердые и жидкие катализаторы. Использование твердых гетерогенных катализаторов является более предпочтительным, так как в этом случае легче отделяются продукты реакций от каталитической системы, а следовательно, снижаются затраты на подготовку сырья, промывку и нейтрализацию реакционной массы, очистку и нейтрализацию сточных вод. Кроме того, существенно снижается коррозия аппаратуры.

В последнее время стали успешно применять в качестве катализаторов алкилирования бензола олефинами и спиртами синтетические цеолиты общей формулы М_х/n А\_х Si_уО_2(х+у)zН2O) (М -- металл, n -- степень окисления, x -- число атомов А1, у -- число атомов Si; z -- число молекул воды). Кроме того, для этой цели пытаются использовать катионообменные смолы (катиониты), представляющие гетерополикислоты, которые состоят из высокомолекулярной матрицы и катионогенных групп (чаще всего SО₃Н, СООН, Р0₃Н₂, АsОзН₂). В большинстве случаев полимерной матрицей является полистирол, который подвергается, например, сульфированию. Наконец, могут применяться металлоорганические катализаторы обшей формулы МR_n (R - алкильная группа). Эти катализаторы обычно используют в комплексе с солями тяжелых металлов, например TiCl₃ и TiCl₄.

Таким образом, из многочисленных катализаторов, испытанных в процессе алкилирования бензола, в промышленности могут быть использованы только некоторые из них, позволяющие получить лучший суммарный эффект.

2. Физико-химические свойства продукта

Этилбензол, C₆H₅CH₂CH₃

Физические свойства:

бесцветная жидкость; t_кип=136,2°С, t_пл = 94,97°С; плотность 0,867 г/см3 (20°С); почти нерастворим в воде, растворяется в спирте, бензоле, эфире, четыреххлористом углероде.

Этилбензол содержится в нефти и каменноугольной смоле. В промышленности получают главным образом из бензола и этилена (по реакции Фриделя -- Крафтса). При пропускании паров этилбензола над катализаторами образуется стирол, являющийся сырьем при производстве важных промышленных продуктов -- некоторых видов пластмасс. В настоящее время в мировой практике большая часть стирола вырабатывается технологическим процессом дегидрирования этилбензола (около 90%).

Этилбензол используют также в органическом синтезе, например для получения ацетофенона жидкофазным каталитическим окислением, как растворитель и компонент высокооктановых бензинов. Предельно допустимая концентрация паров Этилбензола в воздухе 0,05 мг/л.

В промышленности из этилбензола получают высокооктановые топлива, антиокислители, поверхностно-активные и душистые вещества, этилбензол может быть использован как промышленный растворитель, вместо ксилолов. Этилбензол менее токсичен, чем ксилолы, а, значит, область применения его более разнообразна.

3. Физико-химическое обоснование основных процессов производства этилбензола и экологической безопасности производства

Химизм процесса алкилирования:

Алкилирование ароматических углеводородов - сложный многостадийный процесс, состоящий из ряда взаимосвязанных реакций: алкилирование, изомеризация, диспропорционирование, переалкилирование, полимеризация и др. Поэтому расчет равновесия процесса алкилирования с учетом всех побочных реакций представляет сложную задачу.

Если в качестве алкилирующего агента используют олефины, то в качестве катализаторов, как отмечалось выше, применяют протонные кислоты и кислоты Льюиса. Причем непредельные углеводороды (олефины) в этом случае можно рассматривать как основания Льюиса благодаря легкой поляризуемости p---электронов двойной связи и способности олефинов образовывать при Взаимодействии с кислотами p- или s - комплексы. Эти комплексы получаются при атаке двойной связи олефинов или ароматических соединений протонами или другими положительно заряженными частицами:

Образование ?- и ?- комплексов зависит от наличия в реакционной смеси промоторов типа НС1и Н₂О, поскольку чистые олефины при контакте с безводными металлгалогенидами МХ₃ в реакцию не вступают:

Комплексы тапа I следует рассматривать как гипотетические, но соли их довольно устойчивы.

В общем виде образование промежуточных комплексов при алкилировании бензола олефинами можно представить следующей схемой:

Кинетика процесса:

Процесс алкилирования ароматических углеводородов можно представить упрошенной схемой:



Если принять во внимание, что промежуточный продукт об-ладает высокой энергией (в результате чего его концентрация до-статочно мала), то можно применить принцип стационарности и представить зависимость скорости реакции в следующем виде:

r =d[ArR]/dt=k₁k₂[ArH][R^.][B]/(k₁+k₂[B]).

Как было отмечено ранее, скорость реакции алкилирования зависит от многих факторов, следовательно, возможны различные предельные случаи:

Распад ?- комплекса на исходные компоненты протекает значительно медленнее, чем отрыв протона; тогда k₂[В]>> k_-1 и величиной k_-1 в знаменателе можно пренебречь. В этом случае выражение 7.10 преобразуется в r = k₁ [ArH][R⁺], т.е. реакция имеет второй порядок и концентрация основания не влияет на ее скорость;

Если k_-1 >>k₂[В], r =( k₁k₂/k_-1)[ArH][R⁺][B], т.е. реакция имеет третий порядок и скорость реакции определяется концентрацией основания;

Еслиk_-1= k₂[В]> k₁, то скорость реакции описывается выражением

r =d[ArR]/d?=k₁k₂[ArH][R^.][B]/(k₁+k₂[B]). и нелинейно зависит от концентрации основания;

Если k_-1 =k₁> k₂[В], то скорость реакции зависит от концентрации основания и находящегося в избытке исходного реагента.

Для осуществления процесса алкилирования необходимо определить его лимитирующую стадию.

Реакция алкилирования с активным комплексом А1С1₃ идет очень быстро, ускоряется при механическом перемешивании или при интенсивном барботировании газообразных олефинов через реакционную массу и протекает в диффузионной или близкой к ней области. Ее скорость повышается при росте давления. Но она мало зависит от температуры, имея низкую энергию активации. Лимитирующей является стадия диффузии олефина через пограничную пленку катализаторного комплекса А1С1₃, в которой протекают все реакции. Переалкилирование идет значительно медленнее и существенно ускоряется при повышении температуры.

Обе реакции замедляются при постепенной дезактивации катализатора, особенно понижается скорость переалкилирования. В результате в реакционной смеси будет накапливаться значительное количество полиалкилбензола, который не успевает вступить в реакцию переалкилирования. Во избежание этого приходится ограничивать подачу реагентов и, следовательно, возможность интенсификации процесса лимитируется самой медленной реакцией переалкилирования.

Технология алкилирования бензола этиленом

В последние годы получил распространение процесс, в котором используется катализатор на основе цеолитов.

Эта технология применена на нескольких действующих крупных установках получения этилбензола с единичной мощностью 335-465 тыс. т этилбензола в год. Процесс производится при температуре 370-500 °С и давлении 1,4-2,8 МПа. По этой технологии образующиеся в процессе полиалкилбензолы возвращаются в узел алкилирования. Конверсия этилена составляет 100%, а выход этилбензола в расчете на этилен достигает =98%.

Однако свое значение сохраняют и технологии, базирующиеся на использовании в качестве катализатора комплексов на основе хлорида алюминия. Это обусловлено тем, что в его присутствии протекает изомеризаиия алкилбензолов и переалкилирование диакилбензолов. Поэтому технологию процесса алкилирования мы рассмотрим на примерах с использованием различных каталитических систем.

Производство этилбензола в присутствии А1С1₃

Этапы подготовки сырья

Исходные продукты (бензол и этилен) для процесса алкилирования необходимо очищать от разных примесей, в том числе и воды, так как при наличии влаги будет гидролизоваться А1С1₃ с образованием НС1. Как очистка, так и осушка требуют значительных энергетических затрат. В связи с этим чаще всего осуществляют гетероазеотропную осушку исходных продуктов только до 0,002-0,005%. Кроме того, необходимая активность А1С1₃ достигается только в присутствии НСl, который требуется для образвания каталитического комплекса.

Образование катализаторного комплекса

Для образования комплекса, как правило, используют алкилхлориды (например, С₂Н₅Сl). Можно использовать и безводный НСl (если таковой имеется на производстве), однако его содержание в реакционной массе регулировать трудно.

При наличии безводного НСl катализаторный комплекс готовится централизованно из отходов алюминия по следующей реакции:

2Аl + 6ArН + НClg (ArH)₆ AlCl₃ НСl

В противном случае в качестве исходного сырья для получения каталитического комплекса используют хлорид алюминия.

Подбор оптимальных условий

Многочисленные исследования процесса алкилирования бензола с получением этилбензола позволили выбрать оптимальные условия проведения этого процесса (катализатор, алкилирующий агент, температуру и давление).

Обычно выбирают оптимальные условия проведения процесса и поддерживают их в течение всего периода работы установки на рекомендованном уровне.

В качестве главных причин, снижающих выход целевых продуктов и способствующих протеканию побочных реакций, можно отметить следующие:

недостаточная чистота исходного сырья и наличие примесей приводит к дезактивации катализатора, затруднению выделения целевых продуктов из-за образования азеотропов или трудноразделяемых смесей, к их накоплению в некоторых местах установки, что также может через некоторое время привести к ухудшению условий протекания процесса или качества продукта;

изменение состава катализаторного комплекса приводит к снижению селективности реакции, а в ряде случаев -- к прекращению протекания реакции переалкилирования;

образование прочных комплексов полиалкилароматических соединений с катализатором приводит к его дезактивации;

изомеризационные превращения целевых продуктов реакции и превращение их в побочные продукты за счет вторичных реакций приводят к снижению селективности реакции.

Эти и другие причины обязательно необходимо учитывать как при выборе катализатора и условий проведения процессов и реакций, так и при управлении процессами.

Увеличение концентрации примесей в алкилате наблюдается при повышении температуры, увеличении времени контакта и концентрации катализатора, при ухудшении перемешивания, изменении соотношения реагентов. Правда, влияние этих параметров различно. Например, при алкилировании бензола этиленом на А1С1₃ выход побочных продуктов зависит в большей степени от концентрации катализатора, чем от температуры. Следовательно, процесс лучше проводить при повышенных температурах, с малым количеством активного катализатора.

На дезактивацию катализатора кроме примесей реагентов влияет накопление некоторых побочных продуктов алкилирования, способных прочно связывать А1С1₃ или образовывать стабильные ???комплексы, с трудом отдающие свой протон молекуле олефина. Такими веществами при низкой температуре, когда переалкилирование идет медленно, являются полиалкилбензолы, а при высокой - полициклические ароматические соединения и смолы. В результате оказывается, что оптимальная производительность и расход катализатора при получении этилбензола достигается при некоторой средней температуре (=100 ^ОС). Процесс целесообразно проводить при Р=0,15-0,20 МПа и незначительном количестве отходящих газов. Когда переалкилирование протекает уже достаточно быстро, но полициклических веществ, дезактивирующих катализатор, получается еще мало.

Варианты производства этилбензола

Процесс алкилирования бензола олефинами, катализируемый комплексом на основе А1С1₃, является жидкофазным и протекает с выделением тепла. Для проведения процесса можно предложить три типа реактора. Наиболее простым является трубчатый аппарат (рис. а), в нижней части которого размещается мощная мешалка, предназначенная для эмульгирования катализаторного раствора и реагентов. Такой тип аппарата часто используется при организации периодического процесса.I

Для обеспечения непрерывности процесса может быть применен каскад из 2-4 трубчатых реакторов. На рис. б представлен каскад из двух реакторов. Конверсия реагентов определяется числом реакторов. Процесс проводится при 40-60°С.

Непрерывное алкилирование ароматических углеводородов газообразными олефинами можно проводить в барботажных колоннах (рис. в). Конверсия реагентов зависит от высоты катализаторного слоя.



Производство этилбензола на гетерогенных катализаторах

Преимущество гетерогенного алкилирования проявляется при осуществлении процесса в паровой фазе. Однако для этого необходимо располагать катализатором, обладающим не только высокой активностью и стабильностью, но и способностью проводить переалкилирование полиалкилбензолов в моноалкилбензолы.

В настоящее время известны следующие гетерогенные катал заторы алкилирования бензола пропиленом: фосфорнокислотный катализаторы на основе оксидов и солей металлов, оксиды модифицированные ВР_{3 ,} аморфные алюмосиликаты, цеолиты и катиониты. Применение твердых катализаторов намного упрощает технологическую схему, позволяет автоматизировать процесс исключает проблему коррозии аппаратуры, облегчает отделение продуктов реакции, не требующих дополнительной очистки, которая в гомогенном катализе приводит к образованию стойких эмульсий и больших объемов сточных вод. Эти катализаторы можно регенерировать и использовать многократно.

Этилбензол может также получаться при алкилировании бензола как чистым этиленом, так и газами, содержащими не менее 10 % этилена, в паровой фазе в присутствии кристаллического алюмосиликатного цеолита. Такой катализатор не вызывает сильную коррозию и позволяет использовать обычные конструкционные материалы. В частности, применение цеолитного катализатора ZSM-5 позволяет проводить реакцию с разбавленным этиленом при концентрациях 15-20 % (мас.). При этом можно использовать отходящий газ многих нефтехимических производств (например, каталитический крекинг в псевдоожиженном слое). Обычно эти газы используют в качестве топлива.



Технологическая схема производства этилбензола (изопропилбензола) с использованием катализатора на основе А1С1₃: 1,3,15-17- ректификационные колонны; 1 - флорентийский сосуд; 4 - реактор приготовления катализатора; 5 - реактор алкилирования;6-конденсатор;7 -сепаратор жидкостъ-жидкость;8,9,11,13 -скрубберы; 10,12 -насосы; 14- подогреватель; 18- вакуум-приемник; 19 - холодильник полиалкилбензолов; I - этилен (пролилен); 11 -бензол; 111 - диэтилбензолы; IV - раствор щелочи; V - этил(изопропил)бензол; VI - полиалкилбензолы; VII - к вакуумной линии; VIII - вода; IX - газы на факел; X - этил(изопропил)хлорид и хлорид алюминия; XI - сточные воды.

4. Описание технологической схемы процесса получения этилбензола

В двухколонном агрегате гетероазеотропной ректификации, состоящем из ректификационной колонны 1, отгонной колонны 3 и флорентийского сосуда 2, происходит осушка исходного бензола. Из куба колонны 1 выводится обезвоженный бензол, часть которого поступает в аппарат 4 для приготовления катализаторного раствора, а остальная часть в качестве реагента -- в реактор 5. В колонну 1 поступает как свежий, так и возвратный бензол. Верхние паровые потоки колонн I и 3 представляют гетероазеотропные смеси бензола и воды. После конденсаиии в конденсаторе и расслаивания во флорентийском сосуде 2верхний слой -- обводненный бензол, поступает в колонну/, а нижний слой -- вода, содержащая бензол (по растворимости), направляется в колонну 3.

Каталитический комплекс готовится в аппарате с мешалкой 4, в который подают бензол, а также хлорид алюминия, этиленхлорид и полиалкилбензолы. Максимальной активностью обладают комплексы, полученные на шихте, в которой мольное соотношение бензол: алкилбензолы составляет (3--5): 1, а мольное соотношение А1С1₃: ароматические углеводороды - 1: (2,5-3,0). Реактор заполняют катализаторным раствором, а затем в ходе процесса для подпитки подают катализаторный раствор, так как он частично выводится из реактора для регенерации, а также с реакционной массой.

Реактором алкилирования служит колонный аппарат 5, отвод тепла реакции в котором осуществляется за счет подачи охлажденного сырья и испарения бензола. Катализаторный раствор, осушенный бензол и этан-этиленовую (пропан-пропиленовую) фракцию подают в нижнюю часть реактора 5. После барботажа из колонны (реактора) выводят непрореагировавшую парогазовую смесь и направляют ее в конденсатор 6, где прежде всего конденсируется бензол, испарившийся в реакторе. Конденсат возвращают в реактор, а несконденсированные газы, содержащие значительное количество бензола (особенно при использовании разбавленного олефина в качестве реагента), и НС1 поступают в нижнюю часть скруббера 8, орошаемого полиалкилбензолами для улавливания бензола. Раствор бензола в полиалкилбензолах направляют в реактор, а несконденсированные газы поступают в скруббер 9, орошаемый водой для улавливания НС1. Водный раствор НС1 (разбавленная соляная кислота) направляют на нейтрализацию, а газы - на утилизацию тепла.

Катализаторный раствор вместе с продуктами алкилирования поступает в отстойник 7, нижний слой которого (катализаторный раствор) возвращается в реактор, а верхний слой (продукты алкилирования) с помощью насоса /0направляется в нижнюю часть скруббера 11. Скрубберы 11 и 13 предназначены для отмывки хлороводорода и хлорида алюминия, растворенных в алкилате. Скруббер 11 орошается раствором щелочи, который перекачивается насосом 12. Для подпитки в рециркуляционный поток щелочи подают свежую щелочь в количестве, необходимом для нейтрализации НСl. Далее алкилат поступает в нижнюю часть скруббера 13, орошаемого водой, которая вымывает щелочь из алкилата. Водный раствор щелочи направляют на нейтрализацию, а алкилат через подогреватель 14 -- на ректификацию в колонну 15. В ректификационной колонне 15 в дистиллят выделяется гетероазеотроп бензола с водой. Бензол направляется в колонну 1 для обезвоживания, а кубовый продукт-- на дальнейшее разделение. Если производство предназначено для получения этилбензола, то кубовый продукт колонны 15направляют в ректификационную колонну 16 для выделения в качестве дистиллята продуктового этилбензола. Кубовый продукт колонны 16 направляют в ректификационную колонну 17 для разделения полиалкилбензолов на две фракции. Эта колонна работает под вакуумом (Р= 5,3 кПа). Верхний продукт направляют в аппарат 4н реактор 5, а нижний продукт (продукты осмоления) выводят из системы в качестве целевого продукта. Выход целевых продуктов достигает 94-- 95 %. При расходе 5-10 кг А1С1₃ на 1 т моноалкилбензола.

С целью улучшения экологической чистоты рассматриваемого производства целесообразно организовать взаимную нейтрализацию кислых и щелочных вод. Для этого необходимо создать такие условия, чтобы соблюдалось определенное соотношение кислоты и щелочи. В этом случае рассмотренная технология будет более приемлемой. Следует отметить, что раствор хлорида алюминия (отработанный катализатор) может быть использован как коагулянт для очистки сточных вод в нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. Смола, получаемая в процессе, в настоящее время используется как топливо. Однако это не лучший способ ее применения, она может быть использована более эффективно в строительстве. Основным недостатком этой технологии является отсутствие регенерации теплоты реакции, которая отводится водой в конденсаторе 6.

Технология жидкофазного алкилирования, разработанная в США, позволяет ликвидировать недостатки рассмотренного выше процесса. Предложено использовать небольшое количество А1С1₃ (около 2 г на 1 кг алкилата) без его регенерации. Давление при жидкофазном алкилировании зависит от температуры процесса, так как реакционная смесь должна находиться в жидком состоянии. Несмотря на повышенные температуры (160-200°С при соответствующем давлении), вследствие небольшого количества катализатора степень смолообразования низкая, что очень важно для создания безотходных производств. Однако в этом случае при условиях процесса алкилирования не протекает переалкилирование полиалкилбензолов, поэтому в технологии предусмотрен дополнительный реактор.

Вместе с тем данная технология имеет ряд недостатков: промышленные катализаторы являются недостаточно стабильными и активными; такие промышленные катализаторы как А1С1₃ Н₂SО₄ и другие, вызывают коррозию аппаратуры и плохо регенерируются; протекание вторичных реакций снижает селективность основной реакции, а также требует затрат на очистку основных алкилбензолов и регенерацию вторичных продуктов; образуется большое количество сточных вод, в том числе и кислых, что требует затрат на их очистку.

Принципы в технологии жидкофазного алкилирования

Технология жидкофазного алкилирования бензола олефинами на катализаторах на основе хлорида алюминия характеризуется одностадийностью и непрерывностью. Бензол и олефины или олефин-парафиновая фракция являются дешевым и доступным сырьем. Технология обладает высокой эффективностью и при конверсии олефина до 99 % дифференциальная селективность по моноалкилбензолу достигает 91 %. Конверсия бензола за один проход - 30-40 %. Образующиеся в ходе процесса побочные продукты диалкилбензолы используются для получения целевого продукта за счет совмещения реакции алкилирования с реакцией переалкилирования. Для обеспечения полного использования бензола используется принцип рециркуляции. Характерной особенностью данной технологии является наличие нескольких рециркуляционных циклов, охватывающих реакторную и разделительные подсистемы. В данном случае они направлены на полное использование исходного сырья - рецикл по бензолу, на использование побочных продуктов для получения целевого моноалкилбензола (принцип полноты использования отходов) -- рецикл по диалкилбензолу, на повышение эффективности процесса -- рецикл по бензолу, ди- и полиалкилбензолам, обеспечивающий оптимальную структуру каталитического комплекса. Организация этих рециркуляционных потоков становится возможной за счет реализации принципа полноты выделения всех продуктов из реакционной смеси.

Технология обладает невысоким энергопотреблением за счет использования тепла реакции, хотя необходимо отметить, что эта энергия используется недостаточно из-за низкого ее потенциала. Существенным недостатком технологаи жидкофазного алкилирования на катализаторах на основе хлорида алюминия является высокое потребление воды, которая идет для приготовления щелочных растворов и промывки в скрубберах и превращается в кислотные, щелочные или солевые стоки.

Формализация технологической схемы процесса

Технология жидкофазного алкилирования имеет следующие подсистемы:

гетероазеотропная осушка бензола;

реакторный узел;

очистка газов от HCl;

очистка продуктов алкилирования от НС1;

разделение продуктов алкилирования.

Рециклы по бензолу и полиалкилбензолам (для приготовления катализаторного комплекса и улавливания бензола) объединяют эти подсистемы в систему. В систему входят потоки: А1С1₃, этилхлорид, бензол, этан-этиленовая фракция, бензол, водный раствор щелочи. Выходят из системы следующие потоки: алкилбензолы (этилбензол, полиалкилбензолы), абгазы, водный раствор щелочи, водный раствор хлороводородной кислоты, катализаторный раствор. Следовательно, наряду с продуктами выводятся потоки, которые требуют утилизации, нейтрализации и очистки. От этих процессов в значительной степени зависит как экономическая, так и экологическая эффективность предлагаемой технологии.

Основная реакция:

С₆Н₆+С₂Н₄=С₆Н₅С₂Н₅+Q₁

Побочные реакции:

С₆Н₅С₂Н₅+С₂Н₄=С₆Н₄(С₂Н₅)₂+Q₂

С₆Н₄(С₂Н₅)₂+С₂Н₄=С₆Н₃(С₂Н₅)₃+Q₃

С₆Н₃(С₂Н₅)₃+С₂Н₄=С₆Н₂(С₂Н₅)₄+Q₄

Переалкилирование диэтилбензола:

С₆Н₆+ С₆Н₄(С₂Н₅)₂=2С₆Н₅С₂Н₅

Дано:

показатель
Содержание этилбенола в алкилате, мольная доля	0,30
Содержание бенола в алкилате, мольная доля	0,59
Содержание диэтилбенола в алкилате, мольная доля	0,09
Содержание тетраэтилбенола в алкилате, мольная доля	0,02
Конверсия этилена, %	99
Базис расчета, кг этилбензола	2500

Поточная диаграмма синтеза этилбензола

1- Свежий бензол

2- Этилен

3- Этилбензол

4- Тэтраэтилбензол

5- Непрореагировавший этилен

6- Возвратный бензол



5. Расчет материального баланса ХТС

№ потока	Индекс потока	Ед. измер.	Содержание компонентов	Примеч.
			бензол	этилен	этилбензол	Тетраэтил-бензол	Диэтил-бензол
1	01	кмоль	Х1	--------	---------------	----------------------	-----------------
2	31	кмоль	Х2	--------	---------------	----------------------	-----------------
3	02	кмоль	--------	Х5
4	12	кмоль	Х1 +Х2
5	23	кмоль	0,5 Х4	Х5	0,5 Х4	0,02 Х4	0,08 Х4
6	301	кмоль	--------	--------	0,5 Х4	0,02 Х4	-----------------

Система уравнений материального баланса

По этилену:

N₂₃ =П/(М^эб 0,3) =2500/(106*0,3)=78,62 кмоль

N₀₂= N₂₃ (0,3+4 *0,02) /0,99=78,62*(0,3+0,08)/0,99=30,18 кмоль

N_тэб= N₂₃*0,02=78,62*0,02=1,57 кмоль

N_эб= N₂₃*0,3=78,62*0,3=23,58 кмоль

N_тэб= 1,57+23,58=25,15 кмоль

Бензол:

m=n*M

m=25,15*7878,62=1977,29 кг

Этилен:

m=n*M

m=30,18*28=845,04 кг

Этилбензол:

m=n*M

m=23,58*106=2499,48 кг

Тетраэтилбензол:

m=n*M



m=1,57*190=298,30 кг

Этилен( 1%):

m=845,04*0,01=8,45 кг

Материальный баланс химико-технологической системы

Производство этилбензола на 2000 кг

Введено	Получено
Приход	Масса, кг	% от масс.	Расход	Масса, кг	% от масс.
Бензол	1977,29	70,06	Этилбензол	2499,48	89,07
Этилен	845,04	29,94	Тетраэтилбензол	298,30	10,63
			Этилен	8,45	0,3
Итого	2822,33	100	Итого	2806,23	100
Невязка	16,1

6. Расчет основных технологических показателей процесса

1. Расходные коэффициенты по сырью:

2. Конверсия бензола:



3. Выход этилбензола:



Список используемой литературы

1. ТимофеевВ.С., Серафимова Л.А. Принципы технологии основного органического синтеза. - М.: Химия, 1992.

2. Лебедев Н.Н Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: Химия, 1988.

3. Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Е.В. Егорова Расчет материального баланса химико-технологических систем интегральным методом. - М. 1999.

Размещено на Allbest.ru

...