Технологический, материальный и тепловой расчет алкилатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра «Химии и химической технологии»

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Технологическое проектирование и типовое оборудование нефтехимических производств»

на тему: «Технологический, материальный и тепловой расчет алкилатора»

Факультет: МТ

Группа: КХ - 101

Выполнил: Брестер А.Е.

Проверил: Крутский

Юрий Леонидович

Новосибирск 2014

Содержание

1. Введение

2. Аналитический обзор

3. Материальный расчет

4. Технологический расчет

5. Тепловой расчет

6. Вывод

7. Список литературы

1. Введение

Этилбензол, C6H5CH2CH3-- бесцветная жидкость; tkип 136,2°С, tпл -- 94,97°С, плотность 0,867 г/см3 (20°С); почти нерастворим в воде, растворяется в спирте, бензоле, эфире, четыреххлористом углероде.

Получение:

Этилбензол содержится в нефти и каменноугольной смоле. В промышленности получают главным образом из бензола и этилена (по реакции Фриделя -- Крафтса ). Второй по значимости метод - выделение из С8-фракции продуктов риформинга.

Применение:

При пропускании паров этилбензола над катализаторами образуется стирол, являющийся сырьем при производстве важных промышленных продуктов -- некоторых видов пластмасс и синтетических каучуков. Этилбензол используют также в органическом синтезе, например для получения ацетофенона жидкофазным каталитическим окислением, как растворитель и компонент высокооктановых бензинов.

Токсичность:

Предельно допустимая концентрация паров этилбензола в воздухе 0,05 мг/л.

2. Аналитический обзор

Алкилирование бензола этиленом.

Широко распространенным способом получения этилбензола является процесс алкилиро-вания бензола этиленом в присутствии хлорида алюминия при 80--100°С и атмосферном или несколько повышенном давлении. Конкурирует с этим методом алкилирование на твердом фосфорнокислотном катализаторе. Однако на этом катализаторе можно получить только изопропилбензол, а алкилирование бензола этиленом на нем практически не проводят.

Технологическая схема алкилирования бензола этиленом приведена на рисунке 1.

Процесс проводят в алкилаторе 7 -- колонне, эмалированной или футерованной графитовой плиткой для защиты от коррозии. Основное количество выделяющегося тепла отводят путем испарения некоторой части исходного бензола. Алкилирование ведут в присутствии жидкого катализа-торного комплекса, содержащего 10--12% . орида 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.

Катализаторный комплекс, приготовленный в аппарате 1, подают в емкость 6, в которую поступают свежий осушенный бензол и полиалкилбензолы из абсорбционной колонны 2 и отстойника 5. 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 отделенные 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--260 °С) в аппарат 12, а продукты деалкилирования возвращают в алкилатор. Они имеют следующий состав: 62--63% бензола, 28-- 29% этил бензола 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 6,65 кПа отделяют полиалкилбензолы от смол. Широкую фракцию разгоняют в вакуумной колонне при остаточном давлении 56--60 кПа. Товарный этилбензол перегоняется в пределах 135,5--136,2 °С.

Газ в алкилаторе распределяется по сечению через множество маленьких форсунок. Свежий бензол и катализатор вводят через отдельный штуцер в середину газового потока этилена, тем самым, обеспечивая быстрое диспергирование и интенсивный контакт реагентов. Рециркулирующие бензол и катализаторный комплекс вводят по касательной вдоль корпуса, что препятствует образованию застойных зон у днища реактора.

Рис.2 Реактор алкилирования бензола этиленом (алкилатор): а-общий вид б-схема ввода рециркулирующего потока

алкилирование бензол этилен

Более чистый алкилат отбирается из верхней части реактора и отстаивается от катализаторного комплекса, который затем возвращают в реакционную зону. Время контакта в реакторе при заданной температуре определяется скоростью наиболее медленного процесса - переалкилирования.

3. Материальный расчет

Исходные данные:

Годовая производительность G = 200 тыс. т;

Состав этиленовой фракции в объемных процентах:

CH4 = 16.2%

C2H2 = 0.3%

C2H4 = 55.3%

C2H6 = 16.7%

C3H6 = 6%

H2 = 1.4%

N2 = 3%

O2 = 0.4%

CO = 0.7%;

Селективность по этилбензолу S = 0.76;

Количество диэтилбензола, возвращаемого со стадии ректификации g(ДЭБ) = 243 кг/т;

Молярное отношение бензол/этилен Мэб = 3;

Расход хлорида алюминия g(AlCl3) = 8 кг/т

Годовой фонд рабочего времени ф = 8000 ч;

Потери на стадиях выделения = 3%.

Расчет:

Часовая производительность стадии алкилирования по 100% этилбензолу:

Для пересчета величины часовой производительности в размерность кмоль/час полученное значение необходимо разделить на молярную массу этилбензола (Мэб = 106 г/моль):

Расход этилена с учетом селективности процесса:

Для перевода в массовый расход, умножим на молярную массу этилена (МЭ = 28 г/моль):

Расход этиленовой фракции:

Расходы газов этиленовой фракции представлены в таблице 1.

Таблица 1

Расход этиленовой фракции

	C, %	М, г/моль	n, кмоль/ч	m, кг/ч
CH4	16.2	16	93.637	1498.194
C2H2	0.3	26	1.734	45.085
C2H4	55.3	28	319.638	8949.860
C2H6	16.7	30	96.527	2895.815
C3H6	6	42	34.68	1456.578
H2	1.4	2	8.092	16.184
N2	3	28	17.34	485.526
O2	0.4	32	2.312	73.985
CO	0.7	28	4.046	113.289
Сумма:	100,00	-	578.007	15534.516

Расход бензола:

Для перевода в массовый расход, умножим на молярную массу бензола (МБ = 78 г/моль):

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

Для перевода в массовый расход, умножим на молярную массу воды (МВ = 18 г/моль):

Расход хлорида алюминия:

Для перевода в массовый расход, умножим на молярную массу хлорида алюминия (МAlCl3 = 133.5 г/моль):

Количество диэтилбензола, возвращаемого со стадии ректификации:

Для перевода в массовый расход, умножим на молярную массу диэтилбензола (МДЭБ = 134 г/моль):

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 GВ по уравнению этой реакции определяются количества расходуемого хлорида алюминия и получаемых гидроксида алюминия и хлорида водорода:

В отходящие газы переходит (по экспериментальным данным) 1% подаваемого этилена:

Также в отходящие газы переходит 90% подаваемого оксида углерода:



Исходя из расхода 0,3 кг бензола на 1 т этилбензола, его количество в газовой фазе:

Количество и состав отходящих газов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Количество и состав отходящих газов

Компонент	ni, кмоль/ч	xi, %	mi, кг/ч
CH4	93.637	41.833	1498.194
C2H4	3.196	1.428	89.488
C2H6	96.527	43.124	2895.815
C6H6	0.073	0.033	5.686
H2	8.092	3.615	16.184
N2	17.34	7.747	485.526
O2	2.312	1.033	73.985
CO	2.641	1.18	101.948
HCl	0.01918	0.009	0.7
Сумма:	223.837	100.000	5167.526

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

По реакции переалкилирования расходуются одинаковые количества (в размерности кмоль/час) диэтилбензола и бензола, численно равные величине GДЭБ:

По уравнению этой реакции необходимо определить количество получаемого этилбензола в размерностях кмоль/час и кг/час. Естественно, в размерности кмоль/час это численно равно удвоенной величине GДЭБ.

Проверка: 7910.154 + 4604.418 = 12514.572

Следовательно, алкилированием бензола получают этилбензола:

По уравнению целевой реакции (алкилирования бензола):

с учетом того что количество продукта реакции - этилбензола - уже известно (GЭБ), определяются количества исходных реагентов - бензола и этилена (сначала в размерности кмоль/час, а потом в размерности кг/час). Очевидно, что количества бензола и этилена в размерности кмоль/час равны величине GЭБ/

Проверка: 9739.314+3496.164 = 13235.478

По уравнению реакции:

расходуется 38,2% от поступающего этилена, что составляет 0,382GS кмоль/час. Очевидно, что численные значения (в этой размерности) для бензола и диэтилбензола вдвое меньше. Далее все три эти величины преобразуются в размерности кг/час:

Проверка: 3418.856 + 4761.978 = 8180.834

По уравнению реакции:

Расходуется 11% от поступающего этилена, что составляет 0,11GS кмоль/час. Очевидно, что численные значения (в этой размерности) для бензола и триэтилбензола втрое меньше. Далее все эти три величины определяются в размерности кг/час:

Проверка: 984.48 + 914.16 = 1898.64

На реакцию:

расходуется оставшийся этилен. Очевидно, что численные значения (в этой размерности) для бензола и тетраэтилбензола вчетверо меньше. Далее все три эти величины определяются в размерности кг/час:

Проверка: 960.876 + 669.162 = 1630.038

На реакцию:

расходуется весь пропилен, содержащийся в этиленовой фракции - табл. 1. Обозначим его количество GC3H6. Очевидно, что применительно к этой реакции численные значения в размерности кмоль/час для бензола, пропилена и изопропилбензола должны совпадать. Далее все эти три величины определяются в размерности кг/час:

Проверка: 1456.56 + 2705.04 = 4161.6

На реакцию:

расходуется весь ацетилен, содержащийся в этиленовой фракции - табл.1. Обозначим его количество GC2H2. Очевидно, что применительно к этой реакции численные значения в размерности кмоль/час для ацетилена и дифенилэтана должны совпадать; для бензола это значение вдвое больше. Далее все эти три величины определяются в размерности кг/час:

Проверка: 45.084 + 270.504 = 315.588

На реакцию:

расходуется 10% оксида углерода, содержащегося в этиленовой фракции. Обозначим его количество GCO. Очевидно, что применительно к этой реакции численные значения в размерности кмоль/час для оксида углерода и дифенилкарбинола должны совпадать; для бензола это значение вдвое выше. Далее все эти три величины определяются в размерности кг/час:

Проверка: 11.329 + 63.118 = 74.447

На следующем этапе определяется общий расход бензола GБобщ по всем восьми реакциям в размерностях кмоль/час (кг/час). Помимо этого, часть бензола GБ уходит с отходящими газами. Оставшийся бензол (количество его определяется в размерностях кмоль/час и кг/час) переходит в алкилат:

В алкилат поступают также оставшийся после гидролиза хлорид алюминия и продукт его гидролиза - гидроксид алюминия. Количество и состав алкилата приводится в таблице 3.

Таблица 3

Количество и состав алкилата

Компонент	ni, кмоль/ч	xi, %	mi, кг/ч	wi, %
C6H6	654.640	64.323	51061.912	54.710
C6H5-C2H5	242.925	23.869	27750.000	27.590
C6H4-(C2H5)2	61.106	6.004	8180.854	8.765
C6H3-(C2H5)3	11.720	1.152	1898.640	2.034
C6H2-(C2H5)4	8.579	0.843	1630.038	1.746
C6H5-C3H7	34.680	3.408	4161.600	4.456
C2H4-(C6H5)2	1.734	0.170	315.588	0.338
(C6H5)2-CHOH	0.405	0.040	74.447	0.080
AlCl3	1.937	0.190	258.590	0.277
Al(OH)3	0.006	0.001	0.498	0.001
Сумма:	1017.731	100.000	93332.167	100.000

После этого составляется упрощенный материальный баланс процесса (без учета циркулирующего бензола).

Таблица 4

Упрощенный материальный баланс процесса

Приход	Расход
Компонент	Количество, кг/час	Содержание, % масс.	Компонент	Количество, кг/час	Содержание, % масс.
Бензол (Gб)	74795.292	75.935	Отходящие газы (?`ОГ)	5167.526	5.246
Этиленовая фракция (?ЭФ)	15534.516	15.771	Алкилат (?`ЖА)	93332.167	94.754
Диэтилбензол (GДЭБ)	7910.154	8.031	Невязка	-0.287	0.0003
Хлорид алюминия (GAlCl3)	259.444	0.263
Итого	98499.406	100.000	Итого	98499.406	100,000

Расчет основных коэффициентов:

4. Технологический расчет

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) подают в нижнюю часть алкилатора через распределительный коллектор Dy 500, py 1,6. Жидкие продукты (алкилат) отводят через один из боковых штуцеров Dy 150, py 1,6. Парогазовая смесь выводится через штуцер Dy 400, py 1,6 в верхнем днище аппарата.

Избыточное тепло отводится за счет испарения части бензола при температуре 90°С, то есть процесс ведут при кипени реакционной массы. Техническая характеристика алкилатора приводится в таблице 5.

Таблица 5

Техническая характеристика алкилатора

Диаметр стальной обечайки, мм	2400	Полная вместимость, м3	50
Толщина стенки обечайки, мм	14	Полезная вместимость, м3	36
Толщина футеровки, мм	80	Производительность по этилбензолу в расчете на 1м3 алкилатора, кг/ч	180
Высота цилиндрической части, мм	11800
Высота общая, мм	15000

Число аппаратов для обеспечения заданной производительности, шт:

В технологической установке алкилаторы соединяются параллельно.

5. Тепловой расчет

Исходные данные:

Температура на входе в алкилатор t1 = 20°С, температура на выходе из алкилатора t1 = 90°С. Цель теплового расчета - определение количества испарившегося бензола в алкилаторе. Уравнение теплового баланса в общем виде:

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; Фпот - теплопотери в окружающую среду, кВт.

Для определения значений Ф1 и Ф5 рассчитывают средние молярные теплоемкости этиленовой фракции при температуре 293К и отходящих газов при температуре 363К. Коэффициенты уравнения теплоемкости приводятся в справочной литературе. Результаты расчета средних молярных теплоемкостей представлены в таблице 6.

Таблица 6

Расчет средних молярных теплоемкостей

Компонент	xi, %	ci, Дж/(моль*К)	C=cixi/100, Дж/(моль*К)
Этиленовая фракция
CH4	16.2	35.79	5.798
C2H2	0.3	43.93	0.015
C2H4	55.3	43.82	24.232
C2H6	16.7	52.70	8.801
C3H6	6	63.89	3.833
H2	1.4	28.83	0.404
N2	3	29.10	0.873
O2	0.4	29.36	0.117
CO	0.7	29.15	0.204
Сумма:	100.00	-	С1 = 44.277
Отходящие газы
CH4	41.833	35.806	14,2316
C2H4	1.428	50.432	0,8311
C2H6	43.124	61.307	27,787
H2	3.615	28.84	0,9681
N2	7.747	29.42	2,9642
O2	1.033	29.83	0,5841
CO	1.180	29.549	0,4462
Сумма:	100.00	-	С2 = 46.115

Тепловой поток этиленовой фракции:

Тепловой поток отходящих газов:

Тепловой поток технического бензола:

где - удельная молярная теплоемкость жидкого бензола при t1 = 20°С.

Тепловой поток диэтилбензола:

где - удельная молярная теплоемкость диэтилбензола при t1 = 20°С.

Для определение величины Ф4 рассчитываются теплоты реакций, результат расчета приведен в таблице 7.

Таблица 7

Расчет теплоты экзотермических реакций (в размерности кДж/моль)

Реакция
C6H6 + C2H4 = C6H5-C2H5	= -12,48-49,03-52,30= -113.81
C6H4-(C2H5)2 + C6H6 = 2 C6H5-C2H5	= -2*12,48+72,35-49,03= -1.64
C6H6 + 2 C2H4= 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= C6H2-(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)2C2H4	= 297,31-2*49,03-226,75= -27.5
2C6H6 + CO= (C6H5)2-CHOH	= -46,17-2*49,03+110,53= - 33.7

Расчет количества теплоты, выделяемой в экзотермических реакциях, кВт:

Общий приход теплоты:

Для определения теплового потока алкилата рассчитывают его среднюю молярную теплоемкость при температуре 363К. Результаты расчетов приведены в таблице 8.

Таблица 8

Расчет средней молярной теплоемкости алкилата

Компонент	xi, %	Ci, Дж/(моль•К)	С = Ci•xi/100, Дж/(моль•К)
C6H6	64.323	152.07	97.816
C6H5-C2H5	23.869	186.56	44.530
C6H4-(C2H5)2	6.004	369.06	22.158
C6H3-(C2H5)3	1.152	464.46	5.351
C6H2-(C2H5)4	0.843	559.86	4.720
C6H5-C3H7	3.408	321.36	10.952
C2H4-(C6H5)2	0.170	415.94	0.707
AlCl3	0.190	94.48	0.180
Сумма	100.00	-	С3 = 187.286

Величины содержания компонентов в алкилате переносятся в таблицу 8 из таблицы 3. В связи с очень малыми значениями содержания для дифенилкарбинола и гидроксида алюминия в данном и последующих расчетах их не учитывают. Для бензола и хлорида алюминия удельные молярные теплоемкости рассчитываются по соответствующим уравнениям;

для остальных соединений из-за отсутствия данных по коэффициентам уравнений значения удельных молярных теплоемкостей берутся стандартными, то есть при температуре 298К.

Тепловой поток жидкого алкилата, кВт:

Тепловой поток паров бензола:

где - удельная молярная теплоемкость парообразного бензола при 363К, определяется по уравнению теплоемкости.

Расход теплоты на испарение бензола:

где - молярная масса бензола (78 кг/кмоль); - удельная теплота испарения бензола при температуре 363 К (равна 391.3 кДж/кг).

Принимают, что теплопотери в окружающую среду составляют 3% от общего прихода теплоты:

Общий расход теплоты:

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

Количество бензола, испаряющегося на стадии алкилирования:



Всего в алкилатор подают бензола (с учетом циркулируюещего):

Общее количество отходящих газов (с учетом испаряющегося бензола):

По рассчитанному количеству испаряющегося бензола определяются тепловые потоки:

Тепловой поток отходящих газов составляет:

Результаты расчетов сводятся в таблицы материального (табл.9) и теплового (табл.10) балансов.

Таблица 9

Материальный баланс стадии алкилирования

Приход	Расход
Компонент	Количество, кг/час	Сод-е, % масс.	Компонент	Количество, кг/час	Сод-е, % масс.
Бензол технический: С6Н6	146680.092	86.088	Отходящие газы	77052.326	45.223
			Алкилат	93332.167	54.777
Н2О	0.345	0,0002
Итого	148481,244	86.088
Этиленовая фракция	15534.516	9.117
Диэтилбензол	7910.154	4.643
Хлорид алюминия	259.444	0.152	Невязка	0.058	0.00003
Всего	170384.551	100.000	Всего	170384.551	100.000

Таблица 10

Тепловой баланс алкилатора

Приход	Расход
Статья	кВт	%	Статья	кВт	%
Тепловой поток этиленовой фракции (Ф1)	35.422	0.903	Тепловой поток отходящих газов (Ф5 + Ф7)	653.148	16.658
Тепловой поток технического бензола (Ф2)	351.656	8.969	Тепловой поток алкилата (Ф6)	1196.760	30.523
Тепловой поток диэтилбензола (Ф3)	14.925	0.381	Расход теплоты на испарение бензола(Ф8)	1951.370	49.819
Тепловой поток процесса (теплота экзотермических реакций) Ф4	3518.900	89.747	Тепловые потери в окружающую среду	117.625	3.000
Всего	3920.903	100.000	Всего	3920.903	100.000

6. Вывод

В результате расчета процесса алкилирования бензола этиленом были получены следующие величины:

Общее число устанавливаемых в серии аппаратов: 4 шт.

Часовая производительность: 25750 кг/час.

Количество подаваемого в алкилатор бензола: 146680.092 кг/ч.

Общий расход теплоты: 3920.903 кВт.

Выводы по материальному и тепловому балансу приведены в соответствующих таблицах.

7. Список использованных источников

1. Гутник С. П. Расчеты по технологии огранической химии. - М.: «Химия», 1988, 260с.

2. Капкин В. Д. и др. Технология органического синтеза. - М.: «Химия», 1981, 250с.

3. Рейхсфельд В.О., Шейн В.С., Ермаков В.И. Реакционная аппаратура и машины заводов основного органического синтеза и синтетического каучука. - Ленинград: «Химия», 1985, 400с.

Размещено на Allbest.ru