Технологический, материальный и тепловой расчет алкилатора

Технологический, материальный и тепловой расчет алкилатора

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

.        Аналитический обзор

.        Материальный расчет

.        Технологический расчет

.        Тепловой расчет

.        Вывод

.        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 <#"795350.files/image001.gif">

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.

.       
Материальный расчет

Исходные данные:

Годовая производительность G = 200 тыс. т;

Состав этиленовой фракции в объемных процентах:

CH4 = 16.2%H2 = 0.3%H4 = 55.3%H6 = 16.7%H6 = 6%2 = 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 τ = 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

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

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

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

Таблица 4

Упрощенный материальный баланс процесса

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

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

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)

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

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

Таблица 10

Тепловой баланс алкилатора

.       
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.

.       
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.

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