Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РФ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра технологических процессов и аппаратов

Специальность 240802

Основные процессы химических производств и химическая кибернетика

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему "Технологический, материальный и тепловой расчет алкилатора"

по курсу "Технологическое проектирование и типовое оборудование химических производств"

Автор проекта Щукина Е.М.

Группа КХ-501

Руководитель проекта Крутский Ю.Л.

Новосибирск 2009

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

2. Материальный расчёт алкилатора

3. Технологический расчёт алкилатора

4. Тепловой расчёт алкилатора

5. Технологическая схема алкилирования бензола этиленом

6. Технологическая схема алкилатора

Список использованной литературы

Введение

алкилирование этилен дегидрирование бензол

Основным промышленным методом получения этилбензола является каталитическое алкилирование бензола этиленом (этиленовой фракцией), протекающее по реакции:

Реакция алкилирования осуществляется в жидкой фазе, катализатор - хлорид алюминия. Образовавшийся катализаторный комплекс периодически вводится в реактор алкилирования, где он взаимодействует с реагентами. Растворы вводятся в реактор тангенсально, перемешивание осуществляется вводом этилена через множество мелких форсунок.

Алкилирование в присутствии хлорида алюминия сопровождается необратимыми побочными реакциями. В результате побочных реакций помимо моноэтилбензола образуются также ди -, три -, тетро - и более тяжелые этилбензолы. Однако реакция алкилирования обратима, поэтому полиалкилбензолы реагируют с бензолом, образуя этилбензол. Реакция переалкилирования :

Этилбензол в промышленности в основном используют как сырье для синтеза стирола. Стирол является важным исходным сырьем в производстве синтетических каучуков и пластических масс. Стирол также используется в фармацевтической и лакокрасочной промышленностях.

Основным способом получения стирола является дегидрирование этилбензола. Дегидрирование этилбензола протекает по уравнению:

1. Аналитический обзор

Алкилирование бензола этиленом.

Широко распространённым способом получения этилбензола является процесс алкилирования бензола этиленом в присутствии хлорида алюминия при 80 - 100⁰С и атмосферном или несколько повышенном давлении. Конкурирует с этим методом алкилирование на твёрдом фосфорнокислотном катализаторе. Однако на этом катализаторе можно получить только изопропилбензол, а алкилирование бензола этиленом на нём практически не проводят.

Технологическая схема алкилирования бензола этиленом приведена на рис.1. Процесс проводят в алкилаторе 7 - колонне, эмалированной или футерованной графитовой плиткой для защиты от коррозии. Основное количество выделяющегося тепла отводят путём испарения некоторой части исходного бензола. Алкилирование ведут в присутствии жидкого катализаторного комплекса, содержащего 10 -12% хлорида алюминия, 50 - 60% бензола и 25 - 30% полиалкилбензолов. Для образования хлороводорода, который является промотором реакции, в катализаторный комплекс добавляют воду (2% от количества хлорида алюминия), а также дихлорэтан или этилхлорид, при разложении которых выделяется хлороводород.

Каталитический комплекс, приготовленный в аппарате 1, подают в ёмкость 6, в которую поступают свежий осушенный бензол и полиалкилбензолы из абсорбционной колонны 2 и отстойника 8. Далее всю эту смесь направляют в алкилатор 7, куда снизу через распылитель подают олефиновую фракцию.

Газы, выходящие из алкилатора, охлаждаются в холодильнике 5 и поступают в сепаратор 4, где выделяется бензол, возвращаемый в алкилатор. Пары бензола, не отделённые в сепараторе, поглощаются полиалкилбензолами в колонне 2.

Продукты алкилирования отделяются в отстойниках 8 и 10 от катализаторного комплекса и через сепаратор 4 поступают в колонну 11, где остатки комплекса разлагаются водой. Далее алкилат промывают щелочью (в нейтрализаторе 14) и водой (в скруббере 15) и через отстойник 16 направляют на ректификацию. Высококипящие полиалкилбензолы из отстойника 10 периодически выводят на деалкилирование (при 200 - 260⁰С) в аппарат 12, а продукты деалкилирования возвращают в алкилатор. Они имеют следующий состав: 62 - 63% бензола, 28 - 29% этилбензола и 7,2 - 7,3% полиалкилбензолов.

Для выделения этилбензола из алкилата отгоняют бензол при атмосферном давлении (при этом одновременно удаляются следы влаги). От кубовой жидкости при пониженном давлении (26,6 кПа) отгоняют широкую фракцию (смесь этил- и полиалкилбензолов). В следующей колонне при остаточном давлении 56 - 60 кПа. Товарный этилбензол перегоняется в пределах 135,5 - 136,2⁰С.

Для получения этилбензола в Советском Союзе используется этан-этиленовая фракция пиролиза, содержащая 60 - 70% этилена. Бензол для алкилирования должен содержать не более 0,003 - 0,006 % воды. Поэтому товарный бензол обезвоживает методом азеотропной дистилляции. Содержание серы в бензоле не должно превышать 0,1%. Повышенное содержание серы увеличивает расход хлорида алюминия и ухудшает качество товарного этилбензола.

Алкилирование бензола пропиленом приводит к образованию изопропилбензола (кумола):

Алкилирование проводят в присутствии алюмосиликатов, серной и фосфорной кислот, фторида бора и хлорида алюминия.

Для получения изопропилбензола как высокооктанового компонента авиационного бензина применяют твёрдый фосфорнокислотный катализатор. Алкилирование ведут в трубчатом реакторе на катализаторе, содержащем дифосфорную кислоту, нанесённую на кизельгур. Реактор состоит из пучка труб или представляет собой полую трубу диаметром 0,5 - 0,6 м и высотой 5 м загружён катализатор. Для проведения процесса устанавливают последовательно несколько реакторов, в которых пропилен подают ступенчато. Смесь бензола и пропан-пропиленовой фракции при мольном соотношении пропилен : бензол, равном (1,3ч3,5) : 1, пропускают через слой катализатора с объёмной скоростью 3,5 ч^-1 при 225 - 250⁰С составляет 98 кДж/моль. Катализатор работает в течение 700 - 800 ч, затем теряет активность, и его заменяют свежим.

Наибольшее применение получил процесс алкилирования бензола пропиленом в присутствии хлорида алюминия. Преимущества этого катализатора - отсутствие олефинов в товарном изопропилбензоле и протекание на нём деалкилирования полиалкилбензолов, что увеличивает выход изопропилбензола. Сырьём для производства изопропилбензола служат пропанпропиленовая фракция, содержащая 40 - 80% пропилена, и бензол, осуществляют азеотропной дистилляцией. Хлорид алюминия вводят в количестве 8 - 10% от массы алкилата. Потери хлорида алюминия не превышают 1,5 - 2,0%. Алкилирование проводят в пустотелом аппарате колонного типа. Выделяющееся тепло отводят за счёт испарения части бензола, выходящего из алкилатора вместе с отходящими газами.

При последующем охлаждении газа бензол конденсируется, и его возвращают на алкилирование. Температура в алкилаторе зависит от степени насыщения отходящего газа бензолом, а количество испаряющегося бензола - от давления в алкилаторе (при заданной температуре). Процесс ведут при давлении до 0,6 МПа, а температуру (80 - 90⁰С) регулируют, изменяя давление.

Технологическая схема алкилирования бензола пропиленом аналогична схеме, приведенной на рис. Выход изопропилбензола составляет до 97% в расчёте на пропилен

Последовательность расчета:

1. Определение расхода компонентов этиленовой фракции на входе в реактор алкилирования.

2. Расчет расхода бензола, катализатора и количества диэтилбензола, возвращаемого в реактор алкилирования со стадии ректификации.

3. Определение состава отходящих тазов.

4. Расчет состава алкилата.

5. Выполнение теплового расчета реактора, определение количества испаряющегося бензола и составление обобщенного материального баланса стадии алкилирования.

Исходные данные:

Годовая производительность в расчете на 100%-ый этилбензол G=150, т/год .

Годовой фонд рабочего времени = 8000ч.

Состав этиленовой фракции , %:

;

;

;

;

;

;

;

;

СО -0,8

Селективность по этилбензолу в расчете на этилен .

Количество диэтилбензола, возвращаемого со стадии ректификации , кг/т получаемого диэтилбензола .

Молярное отношение 6ензол : этилен на входе в реактор (без учета циркулирующего бензола, возвращаемого со стадии улавливания) .

Расход хлорида алюминия , кг/т образующегося этилбензола .

Потери этилбензола на стадиях выделения 3 % .

2. Материальный расчет алкилатора

Часовая производительность стадии алкилирования по 100% этилбензолу, кг/час (кмоль/час):

кг/час

Для пересчета величины в размерность кмоль/час полученное значение в размерности кг/час разделим на мольную массу этилбензола: 19310/106 =182,170 кмоль/час.

Расход этилена с учетом селективности процесса кмоль/час:

Расход этиленовой фракции, кмоль/час:

,

Где - содержание этилена в этиленовой фракции,%.

Результаты расчета заносятся в таблицу.

Таблица. Расход этиленовой фракции

	, %	, кмоль/час	, кг/час
	15,7	66,328	1061,248
	0,3	1,267	32,942
	56	236,584	6624,352
	15,9	67,173	2015,19
	5,8	24,503	1029,126
	1,5	6,337	12,674
	3,3	13,942	390,376
	0,7	2,957	94,624
СО	0,8	3,38	94,640
Сумма:	100	422,471	11355,172

Молярное отношение бензол : этилен на входе в реактор равно 3,1:1. Расход бензола, кмоль/час (кг/час):

кмоль/час или 57205,98 кг/час

Массовая доля воды в бензоле после азеотропной осушки составляет 0,002% , следовательно с бензолом поступает воды, кмоль/час (кг/час):

кмоль/час или 0,270 кг/час

Расход хлорида алюминия, кг/час (кмоль/час):



Количество диэтилбензола, возвращаемого со стадии ректификации, кг/час (кмоль/час):

Для определения состава отходящих газов рассчитывают содержание в них хлорида водорода, этилена, бензола, оксида углерода. Метан, этан, водород, азот и кислород, входящие в состав этиленовой фракции, переходят в отходящие газы полностью. Влага в составе бензола взаимодействует с хлоридом алюминия по реакции:

С учетом известного количества воды , кг/час по уравнению этой реакции определяются количества расходуемого хлорида алюминия и получаемых гидроксида алюминия и хлорида водорода, кг/час (кмоль/час):

Расходуется хлорида алюминия: кмоль/час или 0,667 кг/час.

Образуется гидроксида алюминия: 0,005 кмоль/час или 0,390 кг/час.

Образуется хлорида водорода: 0,015кмоль/час или 0,547 кг/час.

В отходящие газы переходит (по экспериментальным данным):

-1% подаваемого этилена, кмоль/час (кг/час):

Величина берется из табл.1.

-90% подаваемого оксида углерода, кмоль/час (кг/час):

Величина берется из таблицы 1.

-0,3 кг бензола на 1 т. этилбензола; тогда количество его в газовой фазе, кг/час (кмоль/час):

Количество и состав отходящих газов приводится в таблице 2

Таблица 2. Количество и состав отходящих газов

Компонент	, кмоль/час	, %	, кг/час
	66,328	40,88	1061,248
	2,366	1,46	66,248
	67,173	41,40	2015,19
	0,074	0,05	5,793
	6,337	3,91	12,674
	13,942	8,59	390,376
	2,957	1,82	94,624
СО	3,042	1,88	85,176
HCl	0,015	0,01	0,547
Сумма:	162,234	100	3731,876

Для определения состава алкилата рассчитывают изменение состава сырьевой смеси в процессе алкилирования.

1. По реакции переалкилирования:

Расходуются одинаковые количества (в размерности кмоль/час) диэтилбензола и бензола, численно равные величине :

Бензола: 37,611 кмоль/час или 2933,658 кг/час.

Диэтилбензола: 37,611 кмоль/час или 5039,874 кг/час.

Количество получаемого этилбензола в размерности кмоль/час равно

2 или 7973,532 кг/час.

Следовательно, алкилированием бензола получают этилбензола, кмоль/час:

2. По уравнению целевой реакции (алкилирования бензола):

Количество исходных реагентов - бензола и этилена в размерности кмоль/час равно величине

Бензола расходуется: 106,948 кмоль/час или 8341,944 кг/час.

Этилена расходуется: 106,948 кмоль/час или 2994,544 кг/час.

3. По реакции:

Расходуется 38, 2 % от поступающего этилена: кмоль/час или 2530,5 кг/час;

Бензола расходуется в 2 раза меньше: кмоль/час или 3524,586 кг/час;

Образуется диэтилбензола: 45,187 кмоль/час или 6055,058 кг/час.

4. По реакции:

Расходуется 11% от поступающего этилена, что составляет кмоль/час или 728,679 кг/час.

Бензола расходуется в 3 раза меньше: кмоль/час или 676,624 кг/час.

Образуется триэтилбензола: 8,675 кмоль/час или 1405,35 кг/час.

5. На реакцию:

Расходуется оставшийся этилен (исходное количество за вычетом содержания в отходящих газах и расхода в реакциях 2-4.): 236, 584-2,366-106,948-90,375-26,024=10,871 кмоль/час или 304,388 кг/час.

Бензола расходуется в 4 раза меньше: кмоль/час или 211,984 кг/час.

Тетраэтилбензола образуется: 2,718 кмоль/час или 516,42 кг/час.

6. На реакцию:

Расходуется весь пропилен, содержащийся в этиленовой фракции: 24,503 кмоль/час или 1029,126 кг/час.

Бензола расходуется: 24,503 кмоль/час или 1911,234 кг/час.

Образуется изопропилбензола: 24,503 кмоль/час или 2940,36 кг/час.

7. На реакцию:

Расходуется весь ацетилен, содержащийся в этиленовой фракции: 1,267 кмоль/час или 32,942 кг/час.

Бензола расходуется в 2 раза больше: 1,267•2=2,534 кмоль/час или 197,652 кг/час.

Образуется дифенилэтана: 1,267 кмоль/час или 230,594 кг/час.

8. На реакцию:

Расходуется 10% оксида углерода, содержащегося в этиленовой фракции: 3,38•0,1=0,338 кмоль/час или 9,464 кг/час.

Бензола расходуется в 2 раза больше: 0,338•2=0,676 кмоль/час или 52,728 кг/час.

Образуется дифенилкарбинола: 0,338 кмоль/час или 62,192 кг/час.

Общий расход бензола по всем восьми реакциям:

или 17850,456 кг/час.

В алкилат поступают также оставшийся после гидролиза по реакции хлорид алюминия и продукт его гидролиза - гидроксид алюминия.

Количество и состав алкилата приводится в таблице 3

Таблица 3. Количество и состав алкилата

Компонент	, кмоль/час	, %	, кг/час	,%
	504,484	65,49	39349,752	56,22
	182,170	23,65	19310	27,59
	45,187	5,86	6055,058	8,65
	8,675	1,12	1405,35	2,27
	2,718	0,35	516,42	0,73
	24,503	3,53	2940,36	4,20
	1,267	0,16	230,594	0,33
	0,338	0,04	62,192	0,09
	0,864	0,11	115,197	0,16
	0,005	0,001	0,220	0,0003
Сумма:	770,211	100	69985,143	100,00

Таблица 4. Упрощенный материальный баланс процесса

Приход	Расход
Компонент	Количество, кг/час	Содержа-ние, % масс.	Компонент	Количество, кг/час	Содержа-ние, % масс.
Бензол()	57205,98	0,04	Отходящие газы()	3731,876	5,06
Этиленовая фракция ()	11355,172	68,75	Алкилат ()	69985,143	94,94
Диэтилбензол ()		30,51	невязка	0,099	0,0001
Хлорид алюминия ()		0,70
Итого	73716,92	100		73716,92	100

Расчет основных расходных коэффициентов, кг/кг

По бензолу:

По этилену:

По этиленовой фракции:

.

3. Технологический расчет алкилатора

Техническая характеристика алкилатора

Диаметр стальной обечайки внутренний, мм - 2400

Толщина стенки обечайки, мм - 14

Толщина футеровки, мм - 80

Высота цилиндрической части, мм -11800

Вместимость аппарата, м³ :

- полная -50

-полезная () -36

Производительность по этилбензолу (П) в расчете на 1 м³ алкилатора, кг/час -180

Высота общая, мм - 15000

Число аппаратов для обеспечения заданной производительности, шт:

Полученное число округляем до ближайшего большего целого, т.о.

В технологической установке алкилаторы соединяются параллельно.

4. Тепловой расчёт алкилатора

Исходные данные:

Материальные потоки, кмоль/с:

Этиленовая фракция:

Технический бензол:

Диэтилбензол:

Отходящие газы:

Жидкий алкилат:

Температура на входе в алкилатор , температура на выходе из алкилатора . Определить количество испарившегося бензола в алкилаторе.

Уравнение теплового баланса аппарата в общем виде:

Ф₁+ Ф₂+ Ф₃+ Ф₄= Ф₅+ Ф₆+ Ф₇+ Ф₈+Ф_пот,

где Ф₁, Ф₂, Ф₃, Ф₅, Ф₆, Ф₇ - тепловые потоки этиленовой фракции, жидкого бензола, диэтилбензола, отходящих газов, алкилата и паров бензола соответственно, кВт; Ф₄ - теплота экзотермических реакций, кВт; Ф₈ - расход теплоты на испарение бензола, кВт; Ф_пот - теплопотери в окружающую среду, кВт.

Для определения значений Ф₁ и Ф₅ рассчитывают средние молярные теплоёмкости этиленовой фракции при температуре 20+273=293 К и отходящих газов при 90+273=363 К.

Расчёт молярных теплоёмкостей:

Теплоёмкость органических веществ находят по формуле:

где - коэффициенты уравнения (по справочнику).

Теплоёмкость простых веществ и неорганических соединений определяется по формуле:



Средние молярные теплоемкости этиленовой фракции при температуре 293 К:

Средние молярные теплоемкости отходящих газов при температуре 363К:

Таблица 6. Расчет средних молярных теплоемкостей

Компонент	xi , %	ci, Дж/(моль•К)	C= ci•xi/100, Дж/(моль•К)
Этиленовая фракция
	15,7	34,699	5,448
	0,3	43,695	0,131
	56	43,815	24,536
	15,9	52,091	8,282
	5,8	63,549	3,686
	1,5	28,818	0,432
	3,3	29,131	0,961
	0,7	28,062	0,196
СО	0,8	29,075	0,233
Сумма:	100	-	43,905
Отходящие газы
	40,88	39,125	15,99
	1,46	50,616	0,739
	41,40	61,692	25,54
	3,91	28,843	1,13
	8,59	29,430	2,53
	1,82	29,830	0,54
СО	1,88	29,549	0,56
Сумма:	100	-	47,03

Тепловой поток этиленовой фракции, кВт:

Тепловой поток отходящих газов, кВт:

Тепловой поток технического бензола, кВт:

Где - количество циркулирующего бензола в системе холодильник -конденсатор - алкилатор, кмоль/с; -удельная молярная теплоемкость жидкого бензола при =20.

Тепловой поток диэтилбензола, кВт:

,

Где - удельная молярная теплоемкость диэтилбензола при .. Для определения величины Ф₄ рассчитывают теплоты реакции; Результаты расчета в таблице 7. Стандартные теплоты образования исходных реагентов и продуктов реакции берутся из справочной литературы.

Таблица 7. Расчет теплоты экзотермических реакций (в размерности кДж/моль)

реакция

Расчет количества теплоты, выделяемой в экзотермических реакциях, кВт:

Общий приход теплоты, кВт:

Для определения теплового потока алкилата рассчитаем его среднюю молярную теплоемкость при температуре 363К. Результаты представлены в таблице 8.

Таблица 8. Расчет средней молярной теплоемкости алкилата

компонент	xi , %	ci, Дж/(моль•К)	C= ci•xi/100, Дж/(моль•К)
	72,59	152,07	110,388
	15,39	186,56	28,712
	6,50	369,06	23,989
	1,25	464,46	5,806
	0,39	559,86	2,183
	3,53	321,36	11,344
	0,18	415,94	0,749
	0,12	94,48	0,113
Сумма:	99,95	-	183,284

Тепловой поток жидкого алкилата, кВт:

Тепловой поток паров бензола, кВт:

где - удельная молярная теплоемкость парообразного бензола при 363К.

Расход теплоты на испарение бензола, кВт:

где - молярная масса бензола; - удельная теплота испарения бензола при температуре 363К. .

Принимаем, что потери в окружающую среду составляют 3% от общего прихода теплоты:



Общий расход теплоты, кВт:

Количество циркулирующего бензола , кмоль/с , находят из условия равенства прихода и расхода теплоты:

Количество бензола, испарившегося на стадии алкилирования, кмоль/час (кг/час):

Всего в алкилатор подают бензола (с учетом циркулирующего), кмоль/час (кг/час ):

Общее количество отходящих газов (с учетом испарившегося бензола), кмоль/час (кг/час ):

По рассчитанному количеству испаряющегося бензола определим известные ранее тепловые потоки Ф₂, Ф₇, Ф₈, кВт

Тепловой поток отходящих газов составляет, кВт:

Результаты расчетов сводятся в сводные таблицы материального и теплового балансов.

Таблица 9. Материальный баланс стадии алкилирования

Приход	Расход
компонент	Количество, кг/час	Содержание, % масс.	компонент	Количество, кг/час	Содержание, % масс.
Бензол технический:			Отходящие газы	55960,676	44,43
	109434,78	86,89	алкилат	69985,143	55,57
Н2О	0,270	0,0001
Итого	109435,05
Этиленовая фракция	11355,172	9,02
Диэтилбензол	5039,91	4,00
Хлорид алюминия	115,860	0,09	невязка	0,173	0,0001
Всего	125945,992	100,00	всего	125945,819	100,00

Таблица 10. Тепловой баланс алкилатора

Приход	Расход
Статья	кВт	%	Статья	кВт	%
Тепловой поток этиленовой фракции(Ф1)	34,246	1,00	Тепловой поток отходящих газов(Ф5 +Ф7)	571,072	16,69
Тепловой поток технического бензола(Ф2)	331,295	9,68	Тепловой поток алкилата(Ф6)	1055,716	30,86
Тепловой поток диэтилбензола(Ф3)	22,144	0,65	Расход теплоты на испарение(Ф8)	1691,404	49,44
Тепловой поток процесса(теплота экзотермических реакций)(Ф4)	3033,141	88,67	Тепловые потери окружающую среду	102,625	3
всего	3420,826	100,00	всего	3420,817	100,00

Выводы:

В ходе расчёта определили:

1) расход компонентов этиленовой фракции на входе в реактор алкилирования: 422,471 кмоль/ч.

2) рассчитали расход бензола - , катализатора - 0,869 кмоль/ч и количество диэтилбензола, возвращаемого в реактор алкилирования со стадии ректификации - 37,611 кмоль/ч.

3) определили состав отходящих газов (см. табл.2)

4) рассчитали состав алкилата (см. табл.3)

5) выполнили тепловой расчёт реактора, определили количество испарившегося бензола - 598,504 кмоль/ч

6) составили обобщённый материальный и тепловой баланс стадии алкилирования (см. табл.8,9).

5. Технологическая схема алкилирования бензола этиленом

Рис. Схема алкилирования бензола этиленом

1 - мешалка; 2 - абсорбционная колонна; 3 - насос; 4 - сепаратор; 5, 9, 13 - холодильники; 6 - ёмкость; 7 - алкилатор; 8, 10, 16 - отстойники; 11 - колонна разложения катализаторного комплекса; 12 - деалкилатор; 14 - нейтрализатор; 15 - скруббер.

6. Технологическая схема алкилатора

Рис. Технологическая схема алкилатора

а - общий вид;

б - схема ввода рециркулирующего потока

Список использованной литературы

1. Гутник С.П. Расчёты по технологии органического синтеза. Москва, Химия 1988

2. Капкин В.Д. и др. Технология органического синтеза. Москва, Химия 1981

3. Рейхсфельд В.О, Шейн В.С, Ермакова В.И. Реакционная аппаратура и машины заводов основного органического синтеза и синтетического каучука. Ленинград, Химия 1985

Размещено на Allbest.ru

...