Процесс алкилирования на примере получения этилбензола в присутствии катализатора хлорида алюминия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

2. Технологическая часть

2.1 Физико-химические основы процесса получения этилбензола в присутствии хлорида

2.2 Технологическая схема процесса

2.3 Расчет материального баланса процесса производства этилбензола алкилированием в присутствии хлорида алюминия

2.4 Расчет основного аппарата

2.5 Расчет теплового баланса алкилатора

3. Экологическая часть

Заключение

Список использованных источников

Введение

В промышленности для получения различных органических и неорганических веществ используются различные процессы: гидрирование, дегидрирование, гидратации, дегидратации, алкилирование, окисление, восстановление и т.д.

В данной курсовой работе будет описан процесс алкилирования на примере получения этилбензола в присутствии катализатора хлорида алюминия, будут описаны физико-химические основы процесса и технологическая схема данного процесса. Также в ходе курсовой работы по исходным данным будут рассчитаны основные величины, необходимые для составления материального и теплового балансов процесса и произведен
расчет основного аппарата - алкилатора.

1. Аналитический обзор

Алкилированием называется процесс введения алкильных групп в молекулы органических веществ и некоторых неорганических веществ. Процесс алкилирования часто является промежуточной стадией в производстве мономеров, моющих веществ и т.д.

Вещества, которые участвуют в процессе алкилирования, называются алкилирующими агентами. Все алкилирующие агенты по типу связей, разрывающихся в них при алкилировании, делятся на следующие группы:

- ненасыщенные соединения (олефины и ацетилен);

- хлорпроизводные с неподвижным атомом хлора;

- спирты, простые и сложные эфиры (оксиды олефинов).

Олефины (этилен, бутилен, пропилен и т.д.) имеют первостепенное значение в качестве алкилирующих агентов. В виду дешевизны ими стараются пользоваться во всех случаях, где это возможно. Основное применение они нашли для С-алкилирования парафинов ароматических соединений. Алкилирование олефинами в большинстве случаев протекает по ионному механизму через промежуточное образование ионов аргония и катализируется протонными и апротонными кислотами.

Реакционная способность олефинов при реакции такого типа определяет их склонность к образованию ионов карбония:

RCH = СH2 + H+ -> R+СНСН3

Это означает, что удлинение и разветвление цепи атомов углерода значительно повышает реакционную способность олефина к алкилированию.

В ряде случаев алкилирование олефинами протекает под влиянием инициаторов радикально-цепных реакций, освещения или высокой температуры. Здесь промежуточными активными частицами являются свободные радикалы и реакционная способность разных олефинов при таких реакциях значительно снижается.

Хлорпроизводные являются алкилирующими агентами наиболее широкого диапазона действий. Применять их рационально для тех процессов, в которых их невозможно заменить олефинами или когда хлорпроизводные дешевле и доступнее олефинов. Алкилирующее действие хлорпроизводных проявляется в трех различных типах взаимодействия:

- электрофильного;

- нуклеофильного;

- свободно-радикального.

Механизм электрофильного замещения характерен в основном для алкилирования по атому углерода, но в отличие от олефинов реакции катализируются только апротонными кислотами. Процесс идет с промежуточным образованием ионов аргония, в связи с чем, реакционная способность хлористых алкилов зависит от поляризации связи С-Сl и повышается при удлинении цепи.

При нуклеофильном замещении атомов Сl, характерном для алкилирования S и N, механизм аналогичен гидролизу хлорпроизводных, причем реакция протекает в отсутствии катализаторов:

RCl + : NH3 -> RN+ H3 + Cl- -> RNH2 + HCl

Спиртами, оксидами и простыми эфирами алкилируют в присутствии кислых катализаторов. Процесс идет с разрывом таких связей, как С-О, С-N, С-S. Спирты применяют для алкилирования только в тех случаях, когда они дешевле и доступнее хлорпроизводных. Нерационально использовать спирты с катализатором хлоридом алюминия, так как при алкилировании спиртами катализатор разлагается, а протонные кислоты разбавляются образовавшейся водой. В этих случаях происходит дезактивирование катализатора, что обуславливает его большой расход.

Алкилирование олефинами применяется в промышленности в основном для получения компонентов моторного топлива с высокой антидистанционной способностью. Каталитическое алкилирование протекает при обычной температуре или даже при охлаждении до 0°С и давлении, близком к атмосферному (кроме этилена).

Влияние строения ароматических соединений при реакциях алкилирования в общем такое же, как при других процессах электрофильного замещения ароматического ядра, но имеет свои особенности. Реакция алкилирования отличается низкой чувствительностью к электронно-донорным заместителям в ядре. Правила ориентации при алкилировании, в общем, подобны другим реакциям электрофильного замещения, но строение продуктов может существенно изменяться в зависимости от катализатора и условий реакции. Так электронно-донорные заместители и атомы галогенов направляются преимущественно в пара- и орта- положения. Однако, в более жестких условиях при катализаторе хлориде алюминия происходит изомеризация гомологов бензола с внутримолекулярной миграцией алкильных групп и образование равновесных смесей, в которых преобладают термодинамически более стабильные изомеры.

Алкилирование ароматических углеводородов это сложный многостадийный процесс, состоящий из ряда взаимосвязанных реакций: алкилирование, изомеризация, полимеризация и др. В качестве катализаторов могут использоваться как протонные, так и кислоты Льюиса. Протонные кислоты широко применяются при алкилировании бензола олефинами и спиртами, причем их активность падает в ряду:

При алкилировании ароматических соединений в присутствии любых катализаторов происходит последовательное замещение атомов водорода с образованием смеси продуктов разной степени алкилирования. При умеренной температуре каждая стадия практически не обратима.

С6Н6 + С2Н4 -> С6Н5С2Н5 + С2Н4 -> С6Н4(С2H5)2 + С2Н4 -> С6(С2H5 )6

На хлориде алюминия и в жестких условиях происходит обратная реакция переалкилирования с межмолекулярной миграцией алкильных групп:

C6H4(C2H5)2 + C6H6 -> 2C6H5C2H5

Следовательно, в процессе на хлориде алюминия может установиться равновесие, что необходимо учитывать при выборе условий процесса оптимального мольного соотношения реагентов. На протонных катализаторах состав продуктов определяется кинетикой процесса, а на хлориде алюминия и в жестких условиях - равновесием.

2. Технологическая часть

2.1 Физико-химические основы процесса получения этилбензола в присутствии хлорида алюминия

Исходные продукты (бензол и олефины) для процесса алкилирования необходимо очищать от разных примесей, в том числе и воды, так как при наличии влаги будет гидролизоваться А1С13 с образованием НСl. 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 А1Сl3 достигается только в присутствии НС1, который требуется для образования каталитического комплекса. Для образования комплекса, как правило, используют алкихлориды. Можно использовать и безводный НСl, однако его содержание в реакционной массе регулировать трудно.

Процесс алкилирования бензола олефинами, катализируемый комплексом на основе А1Сl3, является жидкофазным и протекает с выделением тепла. Для проведения процесса можно предложить три типа
реактора. Наиболее простым является трубчатый аппарат (рисунок 1), в нижней части которого размещается мощная мешалка, предназначенная для эмульгирования катализаторного раствора и реагентов. Такой тип аппарата часто используется при организации периодического процесса.

Реагент, а также катализаторный раствор подают в нижнюю часть реактора. Эмульсия поднимается вверх по трубам, охлаждаясь за счет воды, подаваемой в межтрубное пространство. Продукты синтеза, не прореагировавшие бензол и олефины, а также катализаторный раствор выводятся из верхней части реактора и поступают в сепаратор. В сепараторе происходит отделение каталитического раствора от остальных продуктов (алкилата). Катализаторный раствор возвращается в реактор, а алкилаты направляются на разделение.

Для обеспечения непрерывности процесса может быть применен каскад из 2-4 трубчатых ректоров. На рисунке 2 представлен каскад из двух реакторов. Катализаторный раствор подают в оба реактора, реагенты - в верхнюю часть первого реактора. Оба реактора представляют пустотелые аппараты с мешалками. Тепло отводится с помощью воды, подаваемой в «рубашки». Реакционная масса из верхней части первого реактора поступает в сепаратор, из которого нижний (катализаторный) слой возвращается в реактор, а верхний - поступает в следующий реактор. Из верхней части второго реактора реакционная масса также поступает в сепаратор. Нижний (катализаторный) слой из сепаратора поступает в реактор, а верхний слой
(алкилаты) направляется на разделение. Конверсия реагентов определяется числом реакторов. Процесс проводится при 40 - 60 °С.

Непрерывное алкилирование газообразными олефинами можно проводить в барботажных колоннах (рисунок 3). Как правило, внутреннюю поверхность колонн защищают кислотоупорными плитками. Верхняя часть колонн заполнена кольцами Рашига, которые играют роль каплеотбойника, остальная часть - катализаторным раствором. Реагенты подают в нижнюю часть колонны. Газообразный олефин, барботируя через колонну, интенсивно перемешивает реакционную массу. Конверсия реагентов зависит от высоты катализаторного слоя. Частично тепло отводится через «рубашку», разделенную на секции, а основная часть тепла - за счет нагрева реагентов и испарения избыточного количества бензола. Пары бензола вместе с другими газами, содержащимися в олефине, поступают в конденсатор, в котором конденсируется главным образом бензол. Конденсат возвращают в реактор, а несконденсированные вещества выводят из системы для утилизации. В этом случае можно установить автотермический режим, варьируя давление и количество отходящих газов. Катализаторный раствор вместе с продуктами алкилирования и не прореагировавшим бензолом выводят из верхней части колонны и направляют в сепаратор. Нижний слой возвращают в колонну, а верхний слой направляют на разделение.

Технология жидкофазного алкнлирования имеет следующие подсистемы:

гетероазеотропная осушка бензола;

реакторный узел;

очистка газов от НС1;

очистка продуктов алкилирования от НС1;

разделение продуктов алкилирования.

Рециклы по бензолу и полиалкилбензолам объединяют эти подсистемы и систему. В систему входят потоки: А1Сl3, этилхлорид. бензол, этан-этиленовая фракция, водный раствор щелочи. Выходят из системы следующие потоки: алкилбензолы, 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.

Рисунок 1 - трубчатый реактор;



рисунок 2 - каскад реакторов; рисунок 3 - реактор колонного типа.

2.2 Технологическая схема процесса

Технологическая схема рассматриваемой технологии представлена на рисунке 4.

1, 15, 16, 17 - ректификационные колонны; 2 - флорентийский сосуд; 3 - отгонная колонна; 4 - аппарат для приготовления катализаторного комплекса; 5 - реактор алкилирования; 6 - конденсатор; 7 - отстойник; 8 - скруббер поглощения бензола; 9 - скруббер водной промывки отходящих газов; 10, 12 - насосы; 11 - скруббер щелочной промывки; 13 - скруббер водной промывки алкилата; 14 - подогреватель; 18 - вакуум-приемник; 19 - холодильник полиалкилбензола.

На колонном агрегате, состоящем из ректификационной колонны 1, отгонной колонны 3 и флорентийского сосуда 2 происходит гетероазеотропная осушка исходного бензола. Из куба колонны 1 выводится обезвоженный бензол, часть которого поступает в аппарат 4 приготовления катализаторного раствора, остальная часть - в реактор 5. В колонну 1 поступает как свежий, так и возвратный бензол. Верхние паровые потоки колонн 1 и 3 представляют собой гетероазеотропные смеси бензола и воды.

После конденсации и расслаивания во флорентийском сосуде 2 верхний слой (обводненный бензол) поступает в ректификационную колонну 1, а нижний слой (вода), содержащий бензол, направляется в отгонную колонну 3. Каталитический комплекс готовится в аппарате 4 с мешалкой и «рубашкой», куда подается бензол, а также хлорид алюминия, этилхлорид и полиалкилбензолы. Максимальной активностью обладают комплексы, получаемые на шихте, в которой мольное соотношение бензол: алкилбензолы составляет (3-5): 1. Мольное соотношение хлорид алюминия ароматические углеводороды составляет 1: (2,5 - 3). Катализаторным раствором заполняется реактор, а затем в ходе процесса для подпитки подают катализаторный раствор, так как он частично выводится из реактора при регенерации. Реактором служит колонный аппарат, отвод теплоты в котором осуществляется за счет подачи охлажденного сырья и испаряющегося бензола. Катализаторный раствор, осушенный бензол и этан - этиленовую фракцию подают в нижнюю часть реактора 5. После барботажа из реактора выводят не прореагировавшую парогазовую смесь и направляют ее в конденсатор 6, где прежде всего конденсируется бензол, испарившийся в реакторе. Конденсат возвращается в реактор, а несконденсированные газы, содержащие значительное количество бензола, особенно при использовании разбавления олефина, и НСl поступают в нижнюю часть скруббера поглощения бензола 8, орошаемого полиалкилбензолами для улавливания бензола. Раствор полиалкилбензола направляется в реактор, а не сконденсированные газы поступают в скруббер 9, орошаемый водой для улавливания НСl. Водный раствор НС1 направляется на нейтрализацию, а газы - на утилизацию теплоты. Катализаторный раствор вместе с продуктами поступают в отстойник 7, нижний слой которого возвращается в реактор, а верхний слой с помощью насоса 10 направляется в нижнюю часть скруббера 11. Скрубберы 11 и 13 предназначены для отмывки НС1 и А1Сl3, растворенных в алкилате. Скруббер 11 орошается раствором щелочи, который перекачивается насосом 12. Для потпитки в ре-циркуляционный поток щелочи подают свежую щелочь в том количестве, которое расходуется на нейтрализацию НС1. Далее алкилат поступает в нижнюю часть скруббера 13, орошаемого водой, которая вымывает щелочь из алкилата. Водный раствор щелочи направляется на нейтрализацию, а алкилат через подогреватель 14 на ректификационную колонну 15. В колонне 15 выделяется в виде дистиллята бензол вместе с растворенной водой. Выделившийся бензол направляется в ректификационную колонну 1 для обезвоживания, а кубовый остаток - на дальнейшее разделение. Кубовый продукт из колонны 15 направляется в ректификационную колонну 16 для выделения в качестве дистиллята продуктов этилбензола. Кубовый продукт колонны 16 направляется в ректификационную колонну 17 для разделения полиалкилбензолов на две фракции. Колонна 17 работает под вакуумом 5,3 кПа. Верхний продукт направляется в аппарат 4 и реактор 5, а нижний продукт (смолы) выводится из системы. Основным недостатком этой технологии является отсутствие регенерации теплоты реакции, которая отводится с водой в конденсаторе 6.

2.3 Расчет материального баланса процесса производства этилбензола алкилированием в присутствии хлорида алюминия

Производительность стадии алкилирования по 100% этилбензолу составляет:

или

где 10000 - производительность в расчете на 100%-й этилбензол, т/год;

8000 - число рабочих часов; 4 - потери этилбензола на стадиях выделения, %; 106 - молярная масса этилбензола, кг/кмоль.

Расход этилена с учетом селективности процесса составляет:

или

где 0,8 - селективность по этилбензолу в расчете на этилен;

28 - молярная масса этилена, кг/кмоль.

Определяем расход этиленовой фракции, учитывая объемную долю этилена:

или

где 0,55- процентное содержание этилена в этиленовой фракции.

Рассчитываем состав этиленовой фракции:

Метан: или

Ацетилен: или

Этилен : или

Этан: или

Пропилен: или

Водород: или

Азот: или

Кислород: или

Оксид углерода: кмоль/ч или кг/ч

Таблица 1

Состав этиленовой фракции

Наименование компонента	n ф, кмоль/ч	Xi,%	m ф , кг/ч
Метан СH4	42,24	15,5	676
Ацетилен С2Н2	1,36	0,5	35
Этилен С2H4	163,52	60,0	4578
Этан С2Н6	32,43	11,9	973
Пропилен С3H6	13,63	5	572
Водород H2	6,27	2,3	13
Азот N2	8,18	3	229
Кислород О2	3,27	1,2	105
Оксид углерода CO	1,64	0,6	46
Всего:	272,54	100	7227

Молярное отношение бензол-этилен на входе в реактор равно 3:1, следовательно, расходуется бензола:

или

Массовая доля воды в бензоле после азеотропной осушки составляет 0,002%, следовательно, с бензолом поступает воды:

или

Расход хлорида алюминия составит:

или

где 10 - расход хлорида алюминия на 1 т образующегося этилбензола, кг;

133,5 - молярная масса хлорида алюминия.

Рассчитываем массовое количество диэтилбензола, возвращаемое со стадии ректификации:

кг/ч кмоль/ч

где 200 - масса диэтилбензола, возвращаемого со стадии ректификации на 1 т получаемого этилбензола, кг;

134 - молярная масса диэтилбензола.

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:

AlCl3+3H2O -> Al(OH)3+3HCl,

при этом реагирует хлорид алюминия

кмоль/ч или 3кг/ч

Образуется;

- гидроксида алюминия 0,013 кмоль/ч или 2кг/ч

-хлорида водорода 0,04 кмоль/ч или 2кг/ч.

В отходящие газы переходит:

- 1% подаваемого этилена кмоль/ ч или 42,92 кг /ч

- 90% подаваемого оксида углерода кмоль/ч

или кг/ч

- 0,3 кг бензола на 1 т этилбензола

кг/ч или 0,05кмоль/ч

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

Таблица 2

Состав отходящих газов

Наименование компонента	n ф ,кмоль/ч	Xi,%	m ф ,кг/ч
МетанCH4	42,24	44,05	705
Этилен С2Н4	1,635	1,7	48
Этан C2H6	32,43	33,8	1014
Бензол С6H6	6,27	6,5	13
Водород H2	8,18	8,5	238
Азот N2	3,27	3,4	109
Кислород O2	1,48	1,5	42
Оксид углерода CO
Хлорид водорода HCl	0,01	*	1
Всего:	95,89	100	2174

В связи с малыми значениями бензола (0,044%) и хлорида водорода (0,036%) в дальнейших расчетах их не учитывают.

По реакции (1) переалкилирования:

C6H5-(C2H5)2 + C6H6 -> 2C6H5-C2H5 (1)

расходуется бензола 19.4 кмоль/ч или ;

образуется этилбензола

или

Следовательно, алкилированием бензола получают этилбензол:

или

По основной реакции (2):

C6H6+C2H4 -> C6H5-C2H5 (2)

расходуется бензола 83,84 кмоль/ч или кг/ч;

расходуется этилена 83,84 кмоль/ч или кг/ч.

По реакции (3):

C6H6+2C2H4 ->C6H4-(C2H)2 (3)

расходуется 38,2% от поступившего этилена, что составляет:

кмоль/ч или кг/ч

бензола кмоль/ч или кг/ч;

образуется диэтилбензола 29,28 кмоль/ч или кмоль/ч .

По реакции (4):

С6H6+3С2H4-> С6H3-(C2H5)3 (4)

расходуется 11% от поступившего этилена, что составляет:

кмоль/ч или кг/ч

этилбензол хлорид алкилирование алюминий

бензола кмоль/ч или кг/ч;

образуется триэтилбензола 5,62 кмоль/ч или кг/ч.

По реакции (5):

С6H6 +4 С2H4 -> С6H2-(С2H5)4 (5)

расходуется этилена с учетом его расхода по реакциям (2) - (4) и содержания в отходящих газах:

кмоль/ч

или кг/ч

бензола кмоль/ч или кг/ч;

образуется тетраэтилбензола 0,78 кмоль/ч или кг/ч.

По реакции (6):

С6H6+С3H6->C6H5-С3H7 (6)

расходуется пропилена 16,78 кмоль/ч или кг/ч;

бензола 16,78 кмоль/ч или кг/ч;

образуется изопропилбензола 16,78 кмоль/ч или кг/ч.

По реакции (7):

С6H6+С2H2->(С6H5)2-С2H4 (7)

расходуется ацетилена 3,34 кмоль/ч или кг/ч;

бензола кмоль/ч или кг/ч;

образуется дифенилэтана 3.34 кмоль/ч или кг/ч.

По реакции (8):

2C6H6 + CO -> (C6H5)2 - CHOH (8)

расходуется оксида углерода 1,76-1,58=0,18 кмоль/ч

или кг/ч;

бензола кмоль/ч или кг/ч;

образуется дифенилкабинола кмоль/ч или кг/ч.

Общий расход бензола по реакциям (1) - (8) составляет:

кмоль/ч или кг/ч.

В составе отходящих газов содержится бензола 0,05 кмоль/ч или 3,9кг/ч.

Остается в составе алкилата бензола кмоль/ч или кг/ч, хлорида алюминия кмоль/ч или кг/ч

Таблица 3 Состав алкилата

Компонент	Nф, кмоль/ч	Xi,%	mф,г/с	щi,%
C6H6	297.11	60.71		52.70
C6H5-C2H5	153.3	31.32		29.57
C6H4-(C2H5)2	29.28	5.98		8.99
C6H3-(C2H5)3	5.62	1.14		2.07
C6H2-(C2H5)4	0.78	0.15		0.34
C6H5-C3H7	16.78	3.42		4.58
(C6H5)2-CHCH3	3.34	0.68		1.38
(C6H5)2-CHOH	0.18	0.03		0.08
AlCl3	0.957	0.195		0.29
Al(OH)3	0.013	0.004		0.005
Всего:	489.36	100	43970.38	100

В связи с малыми значениями дифенилкабинола (0,03%) и гидроксида алюминия (0,004%) в дальнейших расчетах их не учитываем.

Состав алкилатора соответствует оптимальному технологическому режиму.

Рассчитываем основные расходные коэффициенты (кг/кг):

- по бензолу

- по этилбензолу

- по этиленовой фракции

где 12693,72 - расход бензола по реакциям (1) - (8), кг/ч; 3,9 - потери бензола с отходящими газами, кг/ч; 13000 - производительность стадии алкилирования по 100% этилбензолу, кг/ч;

4292,4 и - расход этилена и этиленовой фракции соответственно, кг/ч.

2.4 Расчет основного аппарата

В качестве основного аппарата - алкилатора - принят вертикальный цилиндрический полый аппарат со сферическими днищами, выполненный из углеродистой стали. Внутренняя поверхность аппарата футерована
кислотоупорной плиткой. Сферические днища крепятся к обечайке при помощи плоских приварных фланцев с уплотнительной поверхностью типа «выступ - впадина». Реактор заполнен смесью бензола с продуктами реакции и жидким алюминиевым комплексом (ЖАК). Исходное сырье (свежий и возвратный бензол, этиленовая фракция, возвратный диэтилбензол и ЖАК) попадают в нижнюю часть алкилатора через распределительный коллектор. Жидкие продукты (алкилат) отводят через один из боковых штуцеров. Парогазовая смесь выводится через штуцер в верхнем днище аппарата.

Избыточное тепло отводится за счет испарения части бензола при температуре 90°С, то есть процесс ведут при кипении реакционной массы.

Техническая характеристика алкилатора:

Диаметр стальной обечайки внутренний - 2400 мм;

Толщина стенки обечайки - 14 мм;

Толщина футеровки - 80 мм;

Высота цилиндрической части - 11800 мм;

Высота общая - 15000 мм;

Вместимость аппарата:

полная - 50 м3;

полезная-38±2м3;

Производительность по этилбензолу в расчете на 1 м3алкилатора - 180-200 кг/ч

Число аппаратов для обеспечения заданной производительности (при минимальной вместимости алкилатора):

n= шт.

Таким образом, необходимо установить два аппарата, соединенные параллельно.

2.5 Расчет теплового баланса алкилатора

Исходные данные:

- материальные потоки, кмоль/с:

этиленовая фракция 278,72/(2*3600)=0,0387;

технический бензол 459,9/(2*3600) =0,0639;

диэтилбензол 19.4/(2*3600) =0,0027;

отходящие газы 258.82/(2*3600) = 0,0359;

жидкий алкилат 489.36/(2*3600) = 0,0679;

- температура, °С:

на входе в алкилатор - 20;

на выходе из алкилатора - 90,

Цель теплового расчета определение количества испарившегося бензола в алкилаторе.

Уравнение теплового баланса аппарата в общем виде:

Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 = Ф5 + Ф6 + Ф7 + Ф8 + Фпот,

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.

Для определения значений Ф1 и Ф5 рассчитывают средние молярные теплоемкости этиленовой фракции при температуре 20+273=293 К

и отходящих газов при 90+273=363 К.

Таблица 4

Средние молярные теплоемкости

Компонент	Xi,%	С i , Дж /(моль * К)	С i * Xi /100,Дж /(моль * К)
Этиленовая фракция: Метан СН4	16.8	34.7	5.8296
Ацетилен С2Н2	1.2	43.7	0.5244
Этилен С2H4	53.0	43.82	23.2246
Этан С2Н6	15.9	52.09	8.28231
Пропилен С3Н6	6.0	63.55	3.8130
Водород H2	2.3	28.82	0.66286
Азот N2	3.3	29.13	0.96129
Кислород O2	0.9	28.06	0.25254
Оксид углерода CO	0.6	29.07	0.17442
Всего:	100.0	-	43.72502
Отходящие газы: Метан СН4	41.64	39,12	16.3013
Этилен С2Н4	1.36	50,62	0.68843
Пропилен С3Н6	39.41	61,69	24.31203
Водород H2	5.70	28,84	1.64388
Азот N2	8.18	29,43	2.4737
Кислород О2	2.22	29,83	0,66223
Оксид углерода CO	1.41	29,55	0.41665
Всего:	100.0	-	46.49822

Тепловой поток этиленовой фракции:

Ф1 = кВт

Тепловой поток отходящих газов:

Ф5= кВт

Тепловой поток технического бензола:

Ф2 = (0,0639+n6)134,21820 =171,53+2684,36n6 кBт

где n6 - количество циркулирующего бензола в системе холодильник - конденсатор - алкилатор, кмоль/с.

Определяем тепловой поток диэтилбензола, значение молярной теплоемкости диэтилбензола находим по справочнику:

Ф3 = кBт

Рассчитываем теплоты реакций (1) - (7), кДж/моль, приведенные в табл. 5.

Таблица5

Реакция	?H0298=??H0298 -? ?H0298(исх)
C6H6+C2H4 -> C6H5-C2H5	-12,48-49,03-52,30=-113,81
C6H4-(C2H5)2+C6H6-2C6H5-C2H5	2 * (- 12,48 -49,03-(-72,35)) = -1,64
C6H6+2C2H4 -> C6H4-(C2H5)2	-72,35-49,03-2*52,30=-225,98
C6H6+3C2H4 -> C6H3-(C2H5)3	-122,63-49,03-3*52,30=-328,56
C6H6+4C2H4 -> C6H3-(C2H5)4	-174,54-49,03-4*52,30=-432,77
C6H6+C3H6 -> C6H5-C3H7	-41,24-49,03-20,41 =-110,68
2C6H6+C2H2 -> (C6H5)2-C2H4	-297,31-2*49,03-226,75=-27,50
2C6H6+CO -> (C6H5)2-CHOH	-46,17-2*49,03-(-110,53)= -33,70

Рассчитываем теплоту экзотермических реакций.

Ф4=кBт

Общий приход теплоты составляет:

Фприх=33,843+171,53+2684,36n6+19,929+=3968,706+2684,36n6 кBт

Для определения теплового потока алкилата рассчитываем его среднюю молярную теплоемкость при температуре 363 К:

Сm=152,070,64+186,560,247+396,060,061+464,460,012+ 559,860,002+321,360,034+415,940,002+94,480,001=184,465 Дж/(мольЧК)

Тепловой поток жидкого алкилата:

Ф 6=0,0679184,46590 =1127,266 кВт

Тепловой поток паров бензола:

Ф 7=101,7790 n6 = 9159,3n6 кВт

Расход теплоты на испарение бензола:

Ф8=78391,3n6 = 30521,4n6 кВт

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

Ф пот = 0,03(3968,706+2684,36n6) = 119,061 + 80,53n6 кВт

Общий расход теплоты:

Фрасх=150,236+ 1127,266 + 9159,30n6 +30521,4n6 + 119,061 + 80,53n6 =1396,563+39761,23n6 кВт

Массовое количество циркулирующего бензола находится из условия равенства прихода и расхода теплоты:

3968,706+2684,36n6=1396,563+39761,23n6

37076,87Чn6=2572,143

n6 = 0,06937 кмоль/с

Масса бензола, испаряющегося на стадии алкилирования:

0,0693723600=499,464 кмоль/ч или 38958 кг/ч,

что составляет 38958/13000=2,99 т на 1 т получаемого этилбензола и соответствует оптимальному технологическому режиму.

Всего в алкилатор подают бензол (с учетом циркулирующего бензола):

459,9+499,464=959,364 кмоль/ч или 74830,392 кг/ч

Общее массовое количество отходящих газов (с учетом испаряющегося бензола):

112.453+499,464=611,917 кмоль/ч или 38551 кг/ч

Составляем материальный баланс стадии алкилирования (табл 6)

Приход	кмоль/ч	кг/ч	Расход	кмоль/ч	кг/ч
Технический бензол, в т.ч.:	959.42	74831.392	Отходящие газы	611,917	38551
Чистый бензол	959.364	74830.392	Алкилат	489.36	43970.38
примеси	0.056	1.0
Этиленовая фракция	278.72	7513.29
Диэтилбензол	19.4	2600
Хлорид алюминия	0.97	130
Всего:	1258.566	85075.682	Всего:	1101.277	82521.38

Невязка баланса:

По рассчитанному массовому количеству испаряющегося бензола уточняют тепловые потоки:

Ф2 = (0,0639+0,06937)134,21820=357,745 кВт

Ф7 =0,06937101,7790=635,381 кВт

Ф8 =0,0693778Ч391,3 =2117,270 кВт

Тепловой поток отходящих газов:

150,236+635,381=785,617 кВт

Составляем тепловой баланс алкилатора (табл.7). Значение Фпот определяем по разности прихода и расхода теплоты.

Таблица 7

Тепловой баланс алкилатора

Приход	кВт	%	Расход	кВт	%
Тепловой поток этиленовой фракции	33.843	0.8	Тепловой поток отходящих газов	785.617	18.9
Тепловой поток технического бензола	357.745	9.0	Тепловой поток алкилата	1127.266	27.1
Тепловой поток диэтилбензола	19.929	0.4	Расход теплоты на испарение бензола	2117.270	50.9
Тепловой поток процесса	3743.404	90.0	Теплопотери в окружающую среду	124.772	3.1
Всего:	4154.921	100,0	Всего:	4154.921	100,0

3. Экологическая часть

С точки зрения экологии рассматриваемого производства следует организовать взаимную нейтрализацию кислых и щелочных вод, но для этого
необходимо, чтобы соблюдалось соотношение кислоты и щелочи. Раствор А1Сl3 может быть использован как коагулянт для очистки сточных вод, а смолы, получаемые в процессе, можно использовать как топливо и в строительстве.

В ходе производства происходит образование отходящих газов в состав которых входят метан, водород, азот, кислород оксид углерода, хлорид водорода, этилен, этан и бензол. Одним из наиболее токсичных веществ, загрязняющих атмосферу, является оксид углерода СО, который активно взаимодействует с гемоглобином крови и уже при очень низких концентрациях снижает ее способность переносить кислород. Содержание СО в воздухе около 0,01 % (по объему) вызывает головную боль, снижение умственной деятельности и расстройство ряда физиологических функций организма.

Оксид углерода (II) - химически довольно инертный газ: в тропосфере он очень медленно окисляется кислородом и озоном воздуха. Может продуцировать в почвах, причем и небиологическим путем. Его ПДКр.з - 20 мг/мЗ, ПДКм.р. - 3 мг/мЗ.

Одним из наиболее распространенных методов улавливания оксида углерода является поглощение водой способ, не требующий сложной, дорогостоящей аппаратуры, расхода теплоты и основан на использовании дешевого растворителя. Однако он не достаточно эффективен. Для очистки газовых выбросов от СО используют реакцию его доокисления до СО2

СО + Н2О = СО2+ Н2 - 3,75 кДж/моль

проводимую с использованием оксидных железных катализаторов.

К числу глобальных загрязнений биосферы следует отнести ее загрязнение углеводородами. Почти не представляя опасности как самостоятельные загрязняющие вещества воздушной среды, углеводороды обусловливают мощность и плотность фотохимического смога. При этом в результате фотохимических реакций углеводороды образуют весьма токсичные продукты: альдегиды, кетоны. Метан и другие низшие алканы, такие, как этан, пропан, накапливаясь в атмосфере, влекут за собой постепенное повышение среднегодовой температуры, что является следствием «парникового» эффекта. Метан устойчив в восстановительной среде, но при доступе кислорода и повышении окислительных потенциалов он уже в почве может окисляться метанотрофами с образованием углекислого газа и воды.

Таким образом, необходимо проводить доочистку отходящих газов во избежание попадания вредных токсичных веществ в атмосферный воздух.

Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрен процесс получения этилбензола в присутствии хлорида алюминия, описана и изучена технологическая схема данного процесса, были выявлены недостатки и достоинства данного процесса, составлены материальный и тепловой балансы. Также были описаны вредные вещества, которые выделяются в ходе данного процесса и способы их очистки или дальнейшего использования.

Список использованных источников

1. Филимонова О.Н. Технологические расчеты производственных процессов [текст]: учеб. Пособие / О.Н. Филимонова, М.В. Енютина. - Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад., 2005. - 120 с.

2. Родионов А.И. Техника защиты окружающей среды [текст]: учебник для вузов /А.И. Родионов, В.Н. Клушин, Н.С. Торочешников. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1989. - 512 с.

3. Орлов Д.С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении [текст] / Д. С. Орлов, Л.К. Садовников, И.Н. Лозановская - М.: Высшая школа, 2002. - 325 с.

4. Тимофеев В.С. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза [Текст]: учебное пособие для вузов / В.С. Тимофеев, А.А. Серафимов. - М.: Химия, 1992.- 432с.

5. Лазарев И.В. Вредные вещества в промышленности [Текст]: справочник для химиков, инженеров и врачей / И.В. Лазарев; под ред. проф. И.В. Лазарева и докт. биол. наук И.Д. Гадаскиной. - 7-е изд., том 3.- Л.: Химия, 1979. - 810 с.

6. Расчеты химико-технологических процессов / Под общей редакцией проф. И.П. Мухленова. - Л.: Химия, 1976. - 304 с.

7. Гутник С.П. Расчеты по технологии органического синтеза./С.П. Гутник, В.Е., В.Е. Сосонко, В.Д. Гутман/ - М.: Химия,1988 - 272 с.

8. Мухленов И.П. Расчеты химико-технологических процессов/ И.П. Мухленов/ - Л.: Химия,1976. - 304 с.

9. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России /В.Ф. Протасов/ - М. Финансы и статистика 1999 - 672 с.

10. Курляндский Б.А. Общая токсикология. /Б.А. Курляндский, В.А. Филатова/ - М.: Медицина, 2002-422 с.

Размещено на Allbest.ru