Размещено на http://allbest.ru

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Самарский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)

филиал ФГБОУ ВО «СамГТУ» в г. Новокуйбышевске

Кафедра «Химия и химическая технология»

Курсовой проект на тему:

«Моделирование ректификационного оборудования процесса алкалирования бензола с использованием системы UniSim Design»

по дисциплине: «Моделирование и оптимизация химико-технологических процессов»

Выполнил: Чернявская Ю.В.

магистрант 1 курса, группы

Руководитель: к.т.н., доцент Попов С.В.

Новокуйбышевск 2020 г.



Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Описание объекта моделирования

1.2 Химизм и механизм реакции алкилирования

1.3 Термодинамика и кинетика процесса

1.4 Описание технологической схемы

1.5 Описание моделирующих систем для ХТП

2. Моделирование ректификационной колонны в системе UniSim Design

Заключение

Список источников



Введение

В системе UniSim Design необходимо разработать модель основного оборудования химико-технологического процесса для его исследования и оптимизации с помощью проведения вычислительного эксперимента. Объектом исследования является промышленное производство синтеза изопропилбензола алкилированием бензола пропиленом.

Необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить исследуемый ХТП.

2. Обосновать выбор моделирующей системы.

3. Разработать модель основного оборудования (ректификационной колонны) в системе UniSim Design.

4. Провести вычислительный эксперимент и выполнить анализ полученных результатов.

5. Сделать выводы о результатах моделирования.



1. Теоретическая часть

1.1 Описание объекта моделирования

Промышленное производство изопропилбензола является стадией получения фенола и ацетона «кумольным» методом [1,2].

Согласно [1] кумол возможно получить тремя способами:

1. Процесс алкилирования бензола на алюминийхлориде (реакция Фриделя-Крафтса);

2. Ведение процесса в паровой фазе, с использованием фосфорнокислотного катализатора;

3. Процесс, проходящий на поверхности цеолитных катализаторов.

Процесс алкилирования бензола на безводном алюминийхлориде при помощи пропилена.

Отличительной особенностью данного метода является непрерывность процесса алкилирование и проведение его в одну стадию. Такие компоненты, как бензол и пропан-пропиленовая фракция имеют низкую цену и выпускаются в больших объемах.

Данный метод характеризуется конверсией пропилена до 99 % и селективностью по моноалкилбензолу до 91 %. За один технологический цикл бензол превращается на 30-40 %. Побочно образованные продукты вовлекают в процесс вторично, и, благодаря реакции переалкилирования, превращаются в изопропилбензол.

Данный метод также предусматривает несколько рециркуляционных циклов не полностью превращенного бензола, которые направлены на получение целевого продукта. Также задействование подобных продуктов увеличивает эффективность процесса. За счет полного выделения продуктов из реакционной смеси проводится схема рециркуляции потоков.

За счет экзотермичности реакции потребность во внешней энергии в данном процессе низка, но необходимо уточнить, что из-за низкого потенциала выделяемой энергии она используется недостаточно.

Главным минусом данного процесса является использование больших объемов промышленной воды, необходимых для разбавления крепкой щелочи, промывания скрубберов, что способствует появлению солевых, кислотных или щелочных сточных вод. Кроме этого, необходима предварительная подготовка сырья - гетероазеотропная дегидратация - чтобы содержание влаги колебалось в пределах 0,002-0,005%.

Следовые концентрации воды в хлориде алюминия запускают процесс гидролиза катализатора, за счет чего образуется небольшое количество хлорида водорода, который активирует катализатор и способствует возникновению активного комплекса. Описанный процесс - жидкофазный и достаточно экзотермичный.

Образованные в процессе кислые и щелочные стоки взаимно нейтрализуются, что способствует соответствию данного процесса требованиям экологического законодательства.

Этот момент осложняет технологию, так как для нейтрализации необходимо равнозначное содержание кислоты и щелочи в стоках. Тогда данная технология будет вполне применима. Отработанный алюминийхлорид направляется на очистные сооружения для очистки вод, загрязненных нефтепродуктами и отходами целлюлозно-бумажного производства.

В результате процесса образуются некоторые количества смолы, используемой в топочном хозяйстве. Перспективно ее использование в строительных смесях.

Еще один значительный минус технологии - невозможность использования теплоты реакции, которую приходится утилизировать в холодильниках водой.

Фирмой «Monsanto» предложила процесс [1], проводимый в жидкой фазе, но лишенный недоработок рассмотренного выше процесса. Катализатор используется в минимальном количестве (около 2 г на 1 кг алкилата), однако регенерация его не производится.

По причине того, что реакционная смесь должна находиться в жидкой фазе, температура процесса напрямую зависит от значения величины давления. ректификационный колонна изопропилбензол программный

Температура процесса достаточно высока (160-200°C при соответствующем давлении), но количество катализатора минимально, поэтому смолы образуется очень мало, что положительно сказывается на имидже технологии, как безотходной.

Но при данной технологии не производится алкилирование полиалкилбензолов, поэтому нужно использовать еще один реактор. Однако, если полиалкилбензолы - конечный продукт установки, тогда дополнительный реактор исключается из технологической линии.

При проведении алкилирования аренов пропиленом на поверхности хлорида алюминия технология полностью соответствует методике получения этилбензола. В качестве алкилирующего агента применяется не только пропилен чистый, но и пропан-пропиленовая фракция. Условие только одно - фракция не должна содержать влаги, углекислого газа и диеновых примесей.

Проведение процесса алкилирования бензола в паровой фазе может использовать различные гетерогенные катализаторы. К ним относят фосфорнокислотный, катализаторы на основе оксидов и солей металлов, оксиды, модифицированные BP3, аморфные алюмосиликаты, цеолиты и катиониты.

Применение катализатора в твердой фазе облегчает процесс и снижает металлоемкость установки, допускает автоматизировать производство, снижает коррозионное разрушение оборудования, упрощает выделение продуктов реакции, их не нужно очищать, что при гомогенном процессе вызывает появление стойких эмульсий и большое количество промывных стоков. Катализаторы подлежат восстановлению и повторному использованию.

Катализаторы ионнообменного типа пока не нашли применение в процессах промышленного алкилирования. Но данный тип катализатора открывает новые перспективы процесса - снизит экономические вложения, улучшит экологические аспекты - так как может быть применена комбинация процесса реакции дистилляции. Что в свою очередь увеличивает селективность и уменьшает вложения в разделение, так как конверсия бензола в реакторе может достигать 100%.

Алкилирование бензола пропиленом на цеолитных катализаторах (процесс Mobil-Wadger, США) эксплуатируется в Европе. Данный метод освоили на больших производственных площадках для получения этилбензола с мощностью до 450 тысяч тонн этилбензола в год. Параметры процесса следующие - давление от 1,5 до 2,7 МПА и температура до 500°С.

Особенность данного метода - возврат полиалкилбензолов, побочно образованных в результате реакции, в технологический процесс. Благодаря этому выход целевого продукта - этилбензола, возрастает до 98% в расчете на этилен, конверсия которого достигает 100 %.

При использовании цеолитных катализаторов для алкилирования бензола значительно превосходит по показателям классическую схему с использованием хлорида алюминия. С точки зрения экологии, отсутствие хлорида водорода для активации катализатора снижает количество образованных кислых стоков, что снимает необходимость их нейтрализации.

В данной технологии количество используемого катализатора в разы ниже, что снижает металлоемкость оборудования, уменьшает площадь установки и снижает количество обслуживающего персонала.

1.2 Химизм и механизм реакции алкилирования

Алкилирование бензола пропиленом производится в присутствии катализатора хлористого алюминия (AlCl₃) при соотношении бензола к пропилену в весовом соотношении 3:1 [4].

Первой стадией процесса является присоединение олефина к хлористому алюминию в присутствии хлористого водорода:

2AlCl₃ + HCl + C₃H₆ > Al₂Cl₆•C₃H₇Cl

Затем присоединяется бензол и образуется тройной комплекс:

Al₂Cl₆•C₃H₇Cl + C₆H₆ > Al₂Cl₆•C₆H₅•C₃H₇•HCl

После образования тройного комплекса реакция протекает по следующей схеме:

а) присоединяется олефин к комплексу:

Al₂Cl₆ • C₆H₅•C₃H₇•HCl + C₃H₆ > Al₂Cl₆•C₆H₄(C₃H₇)₂•HCl

б) реакция обмена между комплексом и исходным углеводородом (бензолом) c образованием алкилбензола:

Al₂Cl₆•C₆H₄(C₃H₇)₂•HCl+C₆H₆>Al₂Cl₆•C₆H₅•C₃H₇•HCl+C₆H₅C₃H₇

Все эти комплексы находятся в состоянии подвижного равновесия, то есть алкильные радикалы непрерывно переходят из одного комплексного соединения в другое. Хлорид алюминия может образовывать тройные комплексы не только с одним, но и с двумя, тремя и так далее алкильными радикалами:

Al₂Cl₆•C₆H₄(C₃H₇)₂•HCl

Al₂Cl₆•C₆H₃(C₃H₇)₃•HCl

В результате добавления олефина образуются комплексы с еще большим числом алкильных радикалов, которые при обмене с исходным углеводородом (бензолом) образуют полиалкилбензолы:

Al₂Cl₆•C₆H₃(C₃H₇)₃•HCl+C₆H₆>Al₂Cl₆•C₆H₅C₃H₇•HCl+C₆H₄(C₃H₇)₂

Комплексы могут вступать в реакцию обмена не только с бензолом, но и с продуктами реакции, например, с диалкилбензолами, тогда происходит процесс деалкилирования:

Al₂Cl₆•C₆H₅C₃H₇•HCl+C₆H₄(C₃H₇)₂>Al₂Cl₆•C₆H₄(C₃H₇)₂•HCl+C₆H₅C₃H₇

Чем выше концентрация алкильных радикалов в среде комплекса, тем больше алкильных радикалов будет содержаться в комплексных соединениях хлорида алюминия и тем больше будет образовываться полиалкилбензолов.

Отсюда следует, что, чем выше отношение прореагировавшего олефина к бензолу, тем больше смещается равновесие в сторону появления полиалкилбензолов.

Таким образом, в результате протекающих реакций образуются ИПБ и весь спектр алкилбензолов, и в то же время углеводородная часть комплекса изменяется»

Этот процесс длится до тех пор, пока не будет достигнут полностью определенный состав продуктов реакции, который определяется только отношением алкильных радикалов к ядрам бензола в реакционной смеси и не зависит от состава сырья.

Алкилирование бензола пропиленом проводят в алкилаторе при температуре не более 130°С и давлении не более 0,4 МПа.

«Тепловой эффект реакции алкилирования составляет 621 ккал/кг поглощенного пропилена»

«Разложение каталитического комплекса и нейтрализация реакционной массы. Получение глинозема происходит по 1-й системе разложения согласно следующему уравнению:

AlCl₃+ H₂O > AlCl_3-n(OH)_n•nHCl,

где: n = 1, 2, 3.

Разложение катализаторного комплекса на 2-ой системе разложения производится водой и протекает по уравнению:

Al₂Cl₆•C₆H₅C₃H₇•HCl+ 6H₂O >C₆H₅C₃H₇+ 2Al(OH)₃+ 7HCl

Реакционная масса нейтрализуется гидрооксидом натрия по уравнению:

HCl + NаOH > NаCl+ H₂O

Отмывка от фенолов реакционной массы пройдет по реакции:

C₆H₅OH+NаOH>C₆H₅ONа +H₂O

Нейтрализовывать щелочной водой абгазы нужно по реакции:

HCl+ NаOH > H₂O + NаCl

Последовательное разделение целевых и второстепенных продуктов осуществляется путем отгонки реакционной массы алкилирования»

1.3 Термодинамика и кинетика процесса

Согласно данных литературы [5] равновесный выход изопропилбензола при температуре 500 °С и давлении 0,1 МПа в зависимости от молярного отношения бензол:пропилен выглядит следующим образом: 1:1 - 67,0%; 3:1 - 70,2%; 4:1 - 75,9%.

Выход ИПБ в зависимости от давления при постоянной температуре 500 °С и соотношении 4:1 (бензол:пропилен) существенно изменяется: 0,1 МПа - 61,2 %; 0,2 МПа - 94,0 %; 1,0 МПа - 97,0 %; 2,0 МПа - 98,5 %; 3,0 МПа - 98,9 %.

При алкилировании бензола пропиленом при температурах до 250-300 °С достигается практически полное превращение бензола в кумол. При температуре реакции 450-500°С для достижения такой глубины превращения нужно повысить давление до 1,0 - 2,0 МПа.

Практически состав продуктов реакции алкилирования определяется как термодинамическим выходом при данных условиях, так и скоростями реакций, которые могут протекать в реакционной смеси:

Орто-, мета- и параизомеры вступают в последовательно протекающие реакции, скорости которых и количество сырьевых компонентов влияет на состав продуктовой смеси.

Состав продуктовой смеси зависит от соотношения бензола и пропилена, но никак не коррелируется с методом получения алкилата - прямым алкилированием или деалкилированием полиалкилбензола.

В зависимости от температуры, давления и катализаторов процесс протекает по различным схемам. Реакция между жидким бензолом и пропиленом рассматривается как реакция первого порядка, протекающая через ряд последовательных стадий. Бензол находится в избытке, концентрация пропилена постоянна и невелика, скорость алкилирования определяется именно растворимостью пропилена. Поэтому скорость этой реакции может снижаться с повышением температуры, так как растворимость газа снижается.

В [5] утверждается, что алкилирование бензола пропиленом необходимо проводить в присутствии кислот Льюиса. Известно, что алкилирование протекает через активацию олефина катализатором, после чего активированный комплекс реагирует с бензолом и алкилбензолами.

Активность кислот Льюиса как катализаторов лежит в следующей последовательности:

AlBr₃>AlCl₃>FeCl₃>ZrCl₄>TaCl₅>BF₃>UСl₄>TiCl₃>WCl₆>CdCl₅>

> ZnCl₂> SnCl₄>TiCl₄>BeCl₂>SbCl₅>HgCl₂>BiCl₅>AsF₃

Активность, селективность и стабильность катализаторов напрямую коррелируют с температурой и давлением проводимого процесса, происхождения алкилирующего компонента»

Кинетика процесса. Процесс алкилирования при использовании активированного комплекса алюминийхлорида проходит очень быстро, причем ускоряется за счет использования мешалок или прохождении газовой фазы алкилирующего агента через раекционную массу и работает в диффузионной или близдиффузионной части. На скорость реакции значительно влияет повышение давления, температура оказывает слабое влияние на скорость процесса. Зависимость реакционной способности этиленовых углеводородов лежит в прямой зависимости от их растворимости. Лимитирующей ступенью будет диффузия этиленового углеводорода сквозь пограничную пленку каталитического комплекса алюминийхлорида, где и происходят все процессы.

Напротив, переалкилирование намного медленнее и значительно ускоряется с повышением температуры, поскольку оно имеет энергию активации около 63 кДж / моль.

Обе реакции замедляются с постепенной дезактивацией катализатора, но скорость переалкилирования падает особенно сильно. В результате в реакционной смеси будет накапливаться значительное количество полиалкилбензолов, которые не успевают вступить в обратимую реакцию трансалкилирования. Чтобы избежать этого, необходимо ограничить подачу реагентов, и, следовательно, возможность интенсификации процесса ограничена самой медленной реакцией трансалкилирования.

1.4 Описание технологической схемы

Производство изопропилбензола включает следующие стадии [1,2]: алкилирование бензола пропиленом; разложение каталитического комплекса и нейтрализация реакционной массы; нейтрализация газов; Последовательное разделение готовых и побочных продуктов осуществляется ректификацией реакционной массы алкилирования (РМА).

Структурная схема производства представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Структурная схема производства изопропилбензола

Описание производственного процесса. Каталитический комплекс готовят с использованием безводного хлорида алюминия, бензола и полиалкилбензолов. Для образования хлористого водорода к смеси добавляют ограниченное количество воды (не более 2 мас. % хлористого алюминия).

Готовую суспензию закачивают в реактор алкилатора, в который подают предварительно высушенную (до 0,0005 % содержания воды) жидкую смесь свежего и возвратного бензола, а также предварительно выпаренный и нагретый пропилен. Бензол берется в избытке (мольное отношение пропилена к бензолу составляет 1:3).

Теплота, выделившаяся в процессе алкилирования, направляется на испарение избыточного бензола. Пары бензола, примеси из сырьевой пропан-пропиленовой фракции выводятся из реакционной зоны и попав в водяные холодильники, полностью конденсируется.

Этот конденсат возвращается в реактор, а отделившиеся газы направляют в топливную сеть предприятия.

Степень превращения бензола не превышает 50% (потому что он в избытке), тогда как пропилен реагирует до 100%. Продукты реакции в жидкой форме вместе с каталитическим комплексом непрерывно выгружаются в зону отстаивания, где каталитический комплекс отделяется от углеводородов и возвращается в реактор.

Углеводороды перекачиваются для отделения через систему очистки от остатков каталитического комплекса и нейтрализации соляной кислоты. На стадии разделения продуктов реакции, называемой реакционной массой (ПМ), непрореагировавший (возвратный) бензол выделяют и направляют в смесь со свежим бензолом.

Далее выделяют целевой продукт - изопропилбензол, полиалкилбензолы (ПАБ), возвращаемые в реактор, этилбензольные и бутилбензольные фракции, которые отправляют на склад.

«Приготовление каталитического комплекса. Чтобы приготовить каталитический комплекс, необходимо смешать все его компоненты. В качестве такого устройства мы будем использовать мешалку, в которую мы будем периодически подавать компоненты в следующей последовательности:

- осушенную бензольную шихту (ОБШ - смесь свежего и возвратного бензола);

- хлорид алюминия расчета концентрации будущего комплекса 10 %;

- воду в количестве 1-2 % от веса загруженного хлористого алюминия (для получения хлористого водорода, являющегося инициатором процесса).

Затем мешалка включается и выдержка проходит 2-4 часа. Готовый каталитический комплекс перекачивают на следующую стадию - алкилирование.»

Алкилирование бензола пропиленом проводят в специальном реакторе - алкилаторе, куда подают комплекс катализатора и пропилен.

В алкилатор подают:

- осушенную бензольную шихту;

- пропан-пропиленовую фракцию (ППФ);

- свежий катализаторный комплекс.

Процесс алкилирования протекает в алкилаторе Р-7 при небольшом избыточном давлении и температуре 122 °С. Полученная реакционная масса поступает в отстойник, где каталитический комплекс отделяется и возвращается в алкилатор.

Полученный PMA подается на следующую стадию процесса.

Разложение каталитического комплекса и нейтрализация ПМ. Поскольку углеводородная смесь, удаляемая из алкилатора, содержит посторонние вещества: остатки каталитического комплекса, хлористый водород, смесь должна быть очищена перед разделением.

Очистку проводят в отстойниках, добавляя соответствующие нейтрализующие реагенты и проводя процесс отстаивания.

РMA, содержащий каталитический комплекс, подается на стадию. Для нейтрализации последнего вода подается в трубопровод, затем смесь подается в отстойник для отделения воды. Затем нейтрализуйте РМА щелочью (NaOH).

После нейтрализации PMA подается в промывную колонну для удаления остатков щелочи. Далее очищенный ПМА подается в дистилляционную установку для разделения.

Далее очищенный РМА подается в дистилляционную установку для разделения.

Очистка и нейтрализация химически загрязненных стоков и выхлопных газов. Для очистки химически загрязненной воды мы будем использовать отстаивание с последующей нейтрализацией и фильтрацией.

Мы будем конденсировать пары воды и углеводородов в конденсаторе, а затем отправлять их в отстойник и отправлять неконденсированные газы в скруббер для улавливания бензола из газов.

Принципиальная технологическая схема представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2 - Принципиальная технологическая схема

Основные материальные потоки схемы:

1. Пропилен, направленный из сырьевого парка;

2. Газообразный пропилен на прием в алкилатор;

3. Свежий бензол на прием в алкилатор;

4. Безводная шихта бензола на прием в алкилатор;

5. Полиалкилбензолы на прием алкилатор;

6. Вода, подаваемая в смеситель;

7. Хлористый алюминий на прием в смеситель;

8. Катализаторный комплекс на прием в алкилатор;

9. Абгаз и бензол в газовой фазе на выходе из алкилатора;

10. Абгаз и бензол в газовой фазе на прием в сепаратор;

11. Бензол сконденсированный;

12. Бензол на прием в отстойник Е-11;

13. Абгазы на свечу;

14. Бензол на прием в отстойник Е-11;

15. Реакционная масса алкилирования на выходе из алкилатора;

16. РМА в отстойник Е-11;

17. Катализаторный комплекс после отстоя;

18. РМА в отстойник Е-15;

19. Реакционная масса в отстойник Е-16;

20. РМ на прием смесителя;

21. Щелочной раствор;

22. Реакционная масса, смешанная со щелочью на отстой в Е-19;

23. РМ для сбора в емкость Е-20;

24. РМ на промывку;

25. РМ после водной очистки;

26. РМ в цех готовой продукции.

1.5 Описание моделирующих систем для ХТП

Для моделирования ХТП используется ряд программных сред, приведенных на рис. 1.3.

Aspen HYSYS предназначен для моделирования в стационарном режиме, проектирования химико-технологических производств, контроля производительности, мониторинга состояния оборудования и выявления неисправностей, оптимизации и бизнес-планирования в области добычи и переработки углеводородов и нефтехимии.

Ключевыми особенностями HYSYS являются:

• Удобный графический интерфейс (PFD - Process Flowsheet Diagram);

• Точные термодинамические модели (наличие 20 различных методов расчета термодинамических и физических свойств; более 2000 библиотечных компонентов и 16000 пар бинарных коэффициентов);

• Открытая архитектура (возможность создавать пользовательские термодинамические и кинетические модели, а также модели единиц оборудования с помощью встроенного языка программирования (аналога Visual Basic)).

Рис. 1.3. Системы моделирования ХТП.



• Обширная библиотека модульных операций (статические и динамические модели ректификационных колонн, реакторов, теплообменников, циклонов).

• Детальный проектный и поверочный расчет теплообменников (импорт моделей из TASC+ (программа для детального конструкционного расчета кожухотрубчатых теплообменников), ACOL+ (детальный расчет воздушных холодильников), MUSE (расчет пластинчато-ребристых теплообменников).

• Экономическая оценка проекта (экспорт моделей в программу Aspen Icarus Process Evaluator или Aspen Icarus Project Manager с целью оценки стоимости оборудования отдельных элементов схемы и всей установки в целом).

• Передача данных в конструкторскую программу (экспорт в Aspen Zyqad для дальнейшего использования в конструкторских программах (например, в AutoCAD).

Пакет динамического моделирования SimSci-Esscor включает:



DYNSIM способствуют оптимизации инжиниринговых работ, включая проектирование, операционный анализ, динамическое моделирование, обучение операторов, повышение эффективности технологического процесса и поддержку процесса принятия административных решений.

DYNSIM моделирует техпроцессы следующих промышленных установок:

• нефтехимические установки;

• нефтехимические процессы и этиленовые установки;

• установки для сжижения газа и регазификации;

• установки для сепарации нефти и газа, газогенераторные установки.

Сферы практического применения пакета динамического моделирования DYNSIM:

• снижение нагрузок ректификационной колонны;

• ввод в эксплуатацию компрессоров и анализ помпажных колебаний;

• анализ разгерметизации;

• системы подачи пара на нефтеперерабатывающих предприятиях;

• анализ факельной системы;

• динамическое моделирование для обеспечения средств поддержки принятия решений.

Возможности DYNSIM:

• высокоточное моделирование технологического процесса;

• точное и детальное применение законов термодинамики для обеспечения соответствия расчетным условиям и условиям эксплуатации;

• легкость подключения к системам управления сторонних производителей;

• построение интегрированных моделей;

• широкие возможности практического применения: от инженерного анализа до обучения операторов.

ChemCAD предназначен для:

• подготовки оптимальных исходных данных по единицам оборудования и трубопроводным системам для рабочего инженерно-технического проектирования при создании новых, а также реконструкции и диверсификации действующих химических и нефтехимических производств;

• исследования и оптимизации работы систем автоматического регулирования химико-технологических процессов, в том числе и в составе систем автоматизированного управления технологическими процессами (АСУТП);

• разработки динамических моделей действующих технологических процессов, так называемых «виртуальных производств» при создании тренажеров для операторов и инженеров химических производств.

Развитием системы моделирования HYSYS является система UniSim

Design [10], которая используется в настоящей работе.



2. Моделирование ректификационной колонны в системе UniSim Design

Для моделирования ректификационной колонны используем данные материального баланса производства ИПБ алкилированием бензола пропиленом [3]:

- годовая производительность в расчете на 100 %-й изопропилбензол - 350 тыс. т/год;

- годовой фонд рабочего времени - 8160 ч;

- состав пропиленой фракции:

СН₄ - 15,8 %; С₂Н₂ - 0,2 %; С₂Н₄ - 6,0 %; С₂Н₆ - 16,9 %; С₃Н₆ - 55,0 %; Н₂ - 1,3 %; N₂ - 3,5 %; О₂ - 0,7 %; СО - 0,6 %;

- селективность по ИПБ в расчете на пропилен 0,78;

- количество диизопропилбензола, возвращаемого со стадии ректификации 250 кг на 1 т получаемого ИПБ;

- мольное отношение бензол:пропилен на входе в реактор (без учета циркулирующего бензола, возвращаемого со стадии улавливания) 3:1;

- расход хлорида алюминия 10 кг на 1 т образующегося ИПБ;

- потери ИПБ на стадиях выделения - 3%.»

В табл. 2.1 показан используемый для разработки модели материальный баланс процесса алкилирования, а в табл. 2.2 приведен соответствующий состав алкилата.

Таблица 2.1 - Материальный баланс процесса алкилирования

Материальный поток	кмоль/ч	кг/ч
Приход
Пропиленовая фракция ИПБ Хлорид алюминия	2702 0,12 858 67,3 3,3	210756 2,2 29024 11045 442
Итого	3630,72	250347,4
Расход
Отходящие газы Алкилат	1594,786 1470,521	108318 142029,4
Итого	3065,307	250347,4

Таблица 2.2 - Состав алкилата

Компонент	, кмоль/ч	, %	, кг/ч	, %
	937,7 368 90 17,3 0,475 51,48 1,716 0,55 3,26 0,04	63,767 25,025 6,120 1,176 0,032 3,501 0,117 0,037 0,222 0,003	73141 44179 14760 3529 117 5457 312 101 430 3,4	51,497 31,106 10,392 2,485 0,082 3,842 0,220 0,071 0,303 0,002
Итого	1470,521	100,000	142029,4	100,000

В системе UniSim Design выполнено моделирование ректификационной колонны выделения бензола из алкилата (рис. 2.1).

Технологические параметры колонны показаны на рисунке 2.2.

Составы потоков колонны показаны на рисунке 2.3. Рассчитанные геометрические размеры колонны показаны на рисунке 2.4.

Таким образом, в результате моделирования в системе UniSim Design оценены требуемые технологические и конструктивные параметры колонны (Рниз =55.73 кПа, Тниз = 126.7°С, Рверх = 50.66 кПа, Тверх = 58.18°С, число тарелок 44 (клапанные), тарелка питания 22), рассчитаны количество и составы дистиллята и кубовой жидкости, её геометрические размеры (D=2600 мм, Н=26000 мм) для обеспечения рассматриваемой мощности производства (результаты моделирования приведены для одной нитки).



Рисунок 2.1 - Ректификационная колонна в моделирующей системе UniSim Design со значениями рассчитанных технологических режимов и составов потоков

Рисунок 2.2 - Технологические параметры колонны



Рисунок 2.3 - Составы потоков колонны

Рисунок 2.4 - Конструкционные размеры колонны



Заключение

В результате выполнения курсового проекта в системе UniSim Design была разработана модель ректификационной колонны процесса алкилирования бензола пропиленом, позволяющая рассчитывать материальный и тепловой балансы аппарата, находить оптимальные значения технологических параметров, составы технологических потоков, геометрические размеры колонны.



Список литературы

1. «Химическая энциклопедия» под редакцией А.М. Прохоров и др., М: Советская энциклопедия, 1988 г, 624 с.

2. Кружалов Б.Д., Голованенко Б.И. Совместное получение фенола и ацетона. - М.: Госхимиздат, 1963. - 200 с.

3. Дьячкова Т. П. Химическая технология органических веществ /Т. П. Дьячкова, В. С. Орехов, К. В. Брянкин, М. Ю. Субочева. - Тамбов: Издательство ТГТУ, 2008.- Ч. 2. - 100 с.

4. Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М. Химия, 1988. - 592 с.: ил.

5. Чудинова А. А. и др. Термодинамический анализ процесса алкилирования бензола пропиленом/ Известия ТПУ. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 7 - с. 121-129

6. Юкельсон И. И. Технология основного органического синтеза - М. Химия, 1988. - 848 стр.

7. Способ получения изопропилбензола: патент Рос. Федерация № 247717; заявл. 21.10.11; опубл. 20.03.11, Бюл № - 8 с.

8. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа: Учебное пособие для вузов / С. А. Ахметов - Уфа: Гилем, 2002. - 672 с.

9. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: «Химия», 1971. -784 с.

10. Кузнецов О.А. Основы работы в программе Aspen HYSYS / О.А. Кузнецов. - М.-Берлин: Директ-Медиа, 2015. - 153 с.

Размещено на Allbest.ru

...