Теоретические основы процесса алкилирования

 

 

 

 

Рисунок 2.1. Структурная схема производства изопропилбензола

 

 

2.3. Технологическая схема производства алкилирования бензола пропиленом

 

Технологическая схема – это совокупность типовых процессов, расположенных в последовательности, определяемой целью химико-технологического процесса (ХТП). Типовые процессы протекают в соответствующем оборудовании, которое соединяется материальными потоками. Технологическая схема процесса разрабатывается для каждой стадии, которые связаны между собой материальными потоками, что обеспечивает ей непрерывность.

Приготовление катализаторного комплекса. Для приготовления катализаторного комплекса необходимо смешать все его компоненты. В качестве такого аппарата будем использовать мешалку, в которую будем последовательно подавать периодически 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).

Далее включается мешалка и производится выдержка в течение 2-4 часов. Готовый катализаторный комплекс подаётся насосом на следующую стадию – алкилирование.

Алкилирование бензола пропиленом осуществляется в специальном реакторе –алкилаторе, куда подается катализаторный комплекс 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 130 °С. Образующаяся реакционная масса стекает в отстойник, где катализаторный комплекс отделяется и возвращается в алкилатор.

Образующаяся РМА подается на следующую стадию процесса.

Разложение катализаторного комплекса и нейтрализация РМ. Так как смесь углеводородов, выводимая из алкилатора содержит посторонние вещества: остатки катализаторного комплекса, хлороводород, то перед разделение смесь необходимо предварительно очистить. Очистку проводят в отстойниках, добавляя соответствующие нейтрализующие реактивы и проводя процесс отстаивания.

На стадию подается РМА, содержащая катализаторный комплекс. Для нейтрализации последнего в трубопровод подается вода, далее смесь подается в отстойник для отделения воды. Далее производят нейтрализацию РМА щелочью (NaOH). После нейтрализации РМА подается в отмывочную колонну для удаления остатков щелочи. Далее очищенная РМА подается в ректификационный узел для разделения.

Очистка и нейтрализация химически загрязненных стоков и отходящих газов. Для очистки химически загрязненной воды будем использовать отстаивание, с последующим обезвреживанием и фильтрацией.

Пары воды и углеводородов будем конденсировать в конденсаторе, после чего направлять в отстойник, а несконденсированные газы отправим в скруббер улавливания бензола из абгазов.

Принципиальная технологическая схема представлена на рисунке 2.2,

где цифрами обозначены материальные потоки:

1. Пропилен, поступающий со склада;
2. Пропилен газ, поступающий в алкилатор;
3. Свежий бензол, поступающий в алкилатор;
4. Осушенная бензольная шихта, поступающая в алкилатор;
5. Полиалкилбензолы, поступающие в алкилатор;
6. Вода, поступающая в аппарат с мешалкой;
7. Хлористый алюминий, поступающий в аппарат с мешалкой;
8. Катализаторный комплекс, поступающий в алкилатор;
9. Бензол-газ и абгазы с верха алкилатора;
10. Бензол-газ и абгазы, поступающие в сепаратор;
11. Бензол, после конденсатора;
12. Бензол на отстой в Е-11;
13. Абгазы на утилизацию;
14. Бензол на отстой в Е-11;
15. Реакционная масса алкилирования (РМА), выходящая из алкилатора;
16. РМА, поступающая на отстой в Е-11;
17. Катализаторный комплекс после отстоя;
18. РМА, поступающая на отстой в Е-15;
19. Реакционная масса (РМ), поступающая на отстой в Е-16;
20. РМ, поступающая в смеситель;
21. Раствор щелочи;
22. Смесь РМ со щелочью, поступающая в отстойник Е-19;
23. РМ, направленная в сборник Е-20;
24. РМ, направленная в промывную колонну;
25. РМ, прошедшая очистку водой;
26. РМ на склад.

В таблице 2.1. представлены основные материальны потоки.

Таблица 2.1. Основные материальные потоки

№ потока	Материальный поток
1	Пропилен
3	Свежий бензол
4	Осушенная бензольная шихта
8	Катализаторный комплекс
9	Бензол-газ и абгазы
15	Реакционная масса алкилирования
26	РМ на склад

 

 

Рис. 2.2 Технологическая схема узла алкилирования бензола пропиленом

 

2.4. Расчёт материального баланса процесса алкилирования бензола

Процесс алкилирования бензола пропиленом осуществляют в реакторе – алкилаторе. Который представляет собой вертикальный цилиндрический полый аппарат с эллиптическими днищами, выполненный из углеродистой стали. Избыточное тепло отводится за счёт испарения части бензола при температуре 120-130°С, т.е. процесс проводят при кипении реакционной массы. Произведем расчет основных материальных потоков и составим сводный материальный баланс установки алкилирования, и рассчитаем тепловой баланс алкилатора.

Исходные данные:

1. Производительность по товарному продукту, 45 кг/с;

2. Состав РМА табл. 2.2;

3. Степень конверсии бензола, % 60;

4. Степень конверсии пропилена, % 70;

5. Температура промоборотной воды на охлаждение, 250С;

6. Перечень основных материальных потоков табл. 2.1;

7. Параметры водяного пара на входе:

• Давление, МПа 0,1;
• Температура, 0С 260;
• Давление, МПа 0,15;
• Температура, 0С 280.

Реакционная масса

1. Плотность 870 кг/м3
2. Состав, % масс.:
• Пропан     –   0,1
• Бензол     – 51,3
• Этилбензол    – 1,1
• Изопропилбензол   – 31,7
• Бутилбензолы    – 0,4
• Полиалкилбензолы    – 14,5
• Смолы     – 0,9.

Таблица 2.2. Состав реакционной массы алкилирования на выходе из реактора

№ п/п	Наименование	%, масс.
1.	Пропилен	0,22
2.	Гексан	1,10
3.	Бензол	63,17
4.	Толуол	0,06
5.	Этилбензол	0,22
6.	Изопропилбензол	25,76
7.	н-пропилбензол	0,09
8.	2-бутилбензол	0,30
9.	н-бутилбензол	0,10
10.	Полиалкилбензолы	5,27
11.	Смолы	2,92
12.	Хлористый водород	0,08
13.	Хлористый алюминий	0.71
ИТОГО		100,00

 

 

Согласно данным действующих заводов принято:

1. Расход бензола на 1 т товарного ИПБ 0,78 т.

2. Молярное соотношение поступающего на алкилирование пропилена к бензолу 0,3:1.

3. Конверсия бензола за один проход 29,5 % массовых.

4. Расход пропилена:

На образование ИПБ	92,0%
На образование полиалкилбензолов	0,4%
На образование смол	3,8%
Потери с абгазами	3,1%
Другие потери	0,7%
ИТОГО	100%

 

5. Потери ИПБ = 3% массовых от ИПБ, полученного при алкилировании.

6. Этилен и бутилены, содержащиеся в исходном газе, переходят соответственно в этилбензолы и бутилбензолы полностью.

7. Расход катализатора (AlCl3) – 6,5 кг на 1 т товарного ИПБ.

8. Расход 10 % раствора щелочи – 5 кг на 1 т ИПБ.

9. Количество циркулирующей воды для разложения катализаторного комплекса, м3/м3 реакционной массы 1,0.

1. Расчет часовой производительности по готовой продукции

По заданной производительности рассчитываем часовую производительность системы по товарному продукту:

QИПБ = 45 * 60 * 60 = 162000 кг/ч.

Производительность цеха по ИПБ в пересчёте на 100-процентный:

162000/0,995 = 162814 кг/ч,

 где 99,5 % – содержание ИПБ в товарном  продукте.

Необходимая масса товарного ИПБ составляет:

162540 / 0,97 = 167567 кг/ч

Количество примесей в ИПБ составляет:

167567 – 162540 = 5027 кг/ч

2. Расчет расхода пропилена

Теоретически на образование ИПБ по реакции:

Зная молекулярную массу пропилена (42) и ИПБ (120), а также  часовую производительность ИПБ, мы можем рассчитать, сколько пропилена теоретически идет на образование ИПБ:

(162000 * 42)/120 = 56700 кг/ч.

 На образование смол:

(61630*3,8)/100  = 2342 кг/ч

На образование полиалкилбензолов:

(61630*0,4)/100  = 246,52 кг/ч

Всего связывается пропилена:

56700 + 2342 + 246,52 = 59288,52 кг/ч.

Потери пропилена составляют:

61630 – 59288,52 = 2341,48 кг/ч,

в том числе:

а) с пропановой фракцией 120 кг/ч;

б) в виде механических потерь 25,8 кг/ч.

         3. Расчет расхода свежего бензола

При принятом расходном коэффициенте на 1 т ИПБ расход свежего бензола составляет

61630 = 48071 кг/ч

Из этого количества расходуется

а) на образование ИПБ

(167567*78) / 120 = 108918 кг/ч

б) на образование этилбензола

(3685 * 78) / 28 = 10265 кг/ч

где 3685 кг/ч количество этилена в ППФ

в) на образование бутилбензолов 762,5 кг/ч

г) на образование полиалкилбензолов 84 кг/ч

д) на образование смол 590 кг/ч

Количество связанного бензола:

108918 + 10265 + 762,5 + 84 + 590 = 120619 кг/ч

При принятом соотношении пропилена к бензолу количество бензола, поступающего на алкилирование составит:

(59289 * 78) / (42 * 0,3) = 367027 кг/ч

Количество возвратного бензола: 367027 – 120619 = 246408 кг/ч

Конверсия бензола за один проход составит:

(120619 * 100) / 246408 = 37%

2.5. Технологический расчёт узла алкилирования

 

Реактор предназначен для осуществления реакции алкилирования бензола пропиленом в присутствии хлорида алюминия с целью получения ИПБ.

Алкилирование проводится под давлением 0,4 МПа.

Температура в алкилаторе принимается 122 0С.

Количество испаренного бензола определяется из теплового баланса алкилатора.

 

1.Тепловой баланс алкилатора 

Приход тепла. С бензольной шихтой при температуре 35 0С

35440 15,6 = 552864 ккал/ч ,

где: 15,6 ккал/кг – теплосодержание 1 кг бензольной шихты при температуре 35 0С.

2. Тепло реакции алкилирования

По практическим данным тепловой эффект реакции алкилирования равен 621 ккал/кг поглощенного пропилена и 811 ккал/кг поглощенного этилена

5507,4 621 + 94 811 = 3496329,4 ккал/ч

где: 5507,4; 94 кг/ч количество поглощенных соответственно пропилена и этилена.

3. С пропан пропиленовой фракции при температуре 15 0С

136410,415 = 81846 ккал/ч

где: 0,4 ккал / кг 0С – теплоемкость ППФ при 15 0С.

4. С суспензией катализатора при Т = 65 0С

1023,2 30,0 = 30696 ккал/ч

где: 30,0 ккал/кг – теплосодержание 1 кг суспензии катализатора при 65 0С.

5. С фракцией ПАБов при температуре 1 0С

4118,8 0,44 = 1810 ккал/ч,

где: 0,44 ккал/кг – теплосодержание 1 кг фракции ПАБ.

6. С бензольным конденсатом при Т = 40 0С

(x - 79) 0,43 40 = 17,2 x – 1360 ккал/кг