Производство изопропилбензола

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Материальный  баланс

Исходные данные:

Годовая производительность – 90000 m;

Годовой фонд рабочего времени – 8360 ч;

Состав пропиленовой фракции:

CH₂CH=CH₂-99.0% ; C₃H₈-0.6%; C₂H₄-0.4%;

Селективность по ИПБ в расчете  на пропилен 0.92%;

Количество диизопропилбензола, возвращаемого со стадии ректификации 250 кг на 1  m получаемого ИПБ;

Молярное отношение бензол:пропилен на входе в реактор (без учета  циркулирующего бензола, возвращаемого со стадии улавливания) 5:1;

Расход хлорида алюминия 5.1 кг на 1 m образующегося пропилбензола;

Потери пропилбензола на стадиях  выделения 3%.

 

Часовая производительность по 100%-му пропилбензолу:

(90000*1000/8360)*((100+3)/100)=11088,52 кг/ч

Или 11088,52/120=92,4 кмоль/ч

Расход пропилена  с учетом селективности процесса:

92,4/0,92=100,435 кмоль/ч

Определяют расход пропиленовой фракции, учитывая объемную долю пропилена:

100,435/0,99=101,45 кмоль/ч

Рассчитывают  состав пропиленовой фракции:

Молярное отношение бензол:пропилен на входе в реактор равно 5:1, следовательно, расходуется бензола:

100,435*5=502,175 кмоль/ч или 39169,65 кг/ч

Массовая доля воды в бензоле после азеотропной  осушки составляет 0,009%, следовательно, с бензолом поступает воды:

39169,65*0,009/(100-0,009)=3,53 кг/ч или 0,196 кмоль/ч

     Таблица №5 - Состав пропиленовой фракции

	xi, %	nT, кмоль/ч	mT,кг/ч
C3H6	99,0	100,435	4218,48
C3H8	0,6	0,609	26,796
C2H4	0,4	0,406	11,368
	100	101,455	4256,975

Расход алюминий хлорида:

5,1*11088,52/1000=56,55 кг/ч  или 0,42 кмоль/ч

Количество дипропилбензола, возвращаемого со стадии ректификации:

250*11088,52/1000=2772,13 кг/ч или 17,11 кмоль/ч

Влага в составе  бензола взаимодействует с хлоридом алюминия по реакции:

AlCl₃⁺3H₂O Al(OH)₃+3HCl

При этом реагирует  хлорида алюминия:

0,196/3=0,065 кмоль/ч  или 8,678 кг/ч

образуется:

гидроксида алюминия: 0,065 кмоль/ч или 5,07 кг/ч

хлороводорода: 0,196 кмоль/ч или 7,154 кг/ч

В отходящие газы переходит:

0,6% подаваемого  пропана:

0,006*100,44=0,603 кмоль/ч  или 25,33 кг/ч

0,3 кг бензола  на 1 т ИПБ:

0,3*11088,52/100=3,33 кг/ч  или 0,043 кмоль/ч

                                                                      

          Таблица №6 - Состав отходящих газов

	xi, %	nT, кмоль/ч	mT, кг/ч
HCl	23,28	0,196	7,154
C6H6	5,11	0,043	3,33
C3H6	71,62	0,603	25,33
	100	0,842	35,814

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

По реакции переалкилирования

C₆H₅-(C₃H₆)₂+C₆H₆ 2C₆H₅-C₃H₇                                                            (1)

расходуется бензола:

17,112 кмоль/ч или1334,74 кг/ч

образуется пропилбензола:

17,112*2=34,224 кмоль/ч или 3627,744 кг/ч

Следовательно, алкилированием бензола получают пропилбензола:

92,404-34,224=58,18 кмоль/ч или  6167,08 кг/ч

По целевой реакции:

C₆H₆+C₃H₆ C₆H₅-C₃H₇                                                                               (2)

расходуется:

бензола: 58,18 кмоль/ч или 4538,04 кг/ч

пропилена: 58,18 кмоль/ч или 1629,04 кг/ч

По реакции:

C₆H₆+2C₃H₆ C₆H₄(C₃H₇)₂                                                   (3)

расходуется:

21% от поступающего пропилена, что составляет:

0,21*100,44=21,09 кмоль/ч или  590,52 кг/ч

бензола: 0,5*21,09=10,545 кмоль/ч  или 822,51 кг/ч

образуется дипропилбензола:

10,545 кмоль/ч или 1708,29 кг/ч

По реакции:

C₆H₆+3C₆H₃(C₃H₇)₃                                                                                        (4)

расходуется:

7% от поступающего пропилена,  что составляет:

0,07*100,44= 7,03 кмоль/ч или  295,26 кг/ч

бензола: 7,03/3=2,343 кмоль/ч  или 182,754 кг/ч

образуется трипропилбензола 2,343 кмоль/ч или 477,972 кг/ч

По реакции:

C₆H₆+4C₃H₆ C₆H₂(C₃H₇)₄                                                                   (5)

расходуется:

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

100,44-58,18-21,09-7,03=14,14 кмоль/ч или 593,88 кг/ч

бензола: 14,14/4=3,535 кмоль/ч  или 275,73 кг/ч

образуется тетрапропилбензола: 3,535 кмоль/ч или 869,61 кг/ч

По реакции:

C₆H₆+C₂H₄ (C₆H₅)-C₂H₆                                       (6)

расходуется:

этилена:0,406 кмоль/ч или 11,368 кг/ч

бензола:0,406*2=0,812 кмоль/ч  или 63,34 кг/ч

образуется дифенилэтан: 0,406 кмоль/ч или 74,704 кг/ч

Общий расход бензола по реакциям 1-6 составляет:

58,18+17,112+10,545+2,343+3,535+0,812=91,715 кмоль/ч  или 7153,77 кг/ч

В составе отходящих  газов содержится  бензола 0,043 кмоль/ч или 3,354 кг/ч

Остается в составе  алкилата:

бензола: 502,2-91,715-0,043=410,442 кмоль/ч  или 32014,48 кг/ч

хлорида алюминия: 0,424-0,065=0,359 кмоль/ч или 47,927 кг/ч

       Таблица №7 - Состав алкилата

	nT, кмоль/ч	xi, %	mT, кг/ч	wi,%
C6H6	410,442	78,9	31982,808	69,19
C6H5C3H7	92,404	17,78	11088,52	23,99
C6H4(C3H7)2	10,545	2,03	1708,29	3,70
C6H3(C3H7)3	2,343	0,45	477,972	1,03
C6H2(C3H7)4	3,535	0,68	869,61	1,88
C6H5C2H6	0,406	0,08	43,036	0,09
AlCl3	0,359	0,07	47,927	0,1
Al(OH)3	0,065	0,01	5,07	0,01
	520,099	100	46223,029	100

 

Определяют расходные  коэффициенты (в кг/кг)

по бензолу: (7153,77+3,354)/11088,52=0,645

по пропилену: 4218,48/11088,52=0,380

по пропиленовой фракции: 4256,644/11088,52=0,384[3]

 

           Таблица № 8 - Материальный баланс стадии алкилирования.

Входит	кмоль/ч	кг/ч	Выходит	кмоль/ч	кг/ч
Бензол технический: C6H6 H2O	653,4 0,196	50965,2 3	Отходящие газы	152,04 8	11830,88
			Алкилат	520,09 9	46223,0 29
Итого
Пропиленовая фракция	101,45	4256,975
Дипропилбензол	17,112	2772,13
Алюминий хлорид	0,424	56,604
Всего		58053,909	Всего		58053,90 9

 

 

                                                                                                                 

2.4. Выбор и технологический расчет основного и вспомогательного оборудования.

 

Основным элементом  установки для проведения химико-технологического процесса являются аппарат, в котором происходит химическая реакция. Такой аппарат называется химическим реактором.

Чаще всего реакторы классифицируются по следующим признакам: способу  организации технологического процесса, тепловому режиму процессу, режиму движения реакционной среды через  аппарат и фазовому состоянию исходных реагентов и продуктов реакции.

По способу организации технологического процесса реакторы делятся на аппараты периодического, непрерывного и полупериодического действия.

В реакторе периодического все исходные вещества загружаются одновременно в начале процесса. По мере развития химической реакции концентрации компонентов изменяются во времени в соответствии с уравнениями кинетики. Интенсивное перемешивание реакционной смеси позволяет сохранят характер изменения концентрации веществ одинаковых во всех точках реакционного объема.  Основные параметры процесса давление и температура также изменяются во времени. По истечении определенного времени в реакторе достигается заданная степень превращения, то есть необходимая концентрация целевого продукта реакции. После этого продукт реакции выгружается из аппарата.

Принципиальная конструкция реактора периодического действия сравнительно проста. Реакция проводиться в  котле с мешалкой, которая обеспечивает выравнивание концентраций взаимодействующих  компонентов во всем объеме реактора. Для отвода или подвода теплоты служит змеевиковый теплообменник внутри аппарата или рубашки. Исходные вещества загружаются в реактор через патрубок, по окончании процесса продукты сливаются через штуцер.

В реакторе непрерывного действия подвод исходных веществ и удаление продуктов реакции из аппарата осуществляется непрерывно. Реактор работает в стационарном режиме, при котором значения всех технологических параметров, в том числе концентраций компонентов, температуры и давление, в отдельных точках аппарата не изменяются во времени.

Конструктивное оформление реактора непрерывного действия зависит от режима потока реакционной смеси через  аппарат. Ниже рассматриваются два  основных типа реактора непрерывного действия – аппараты смешивания и аппараты вытеснения.

Особенность реакторов полупериодического действия заключается в том, что  один из регентов поступает в аппарат  непрерывно, а другой периодически. Возможны различные варианты подачи исходных веществ и отвода продуктов реакции. Обычно в реакторе полупериодического действия продукт реакции удаляется непрерывно или непрерывно питается одним из реагентов. Возможны, например,  непрерывное удаление продукта реакции из аппарата и периодический, с определенным интервалом, подвод исходных реагентов.   

Реакторы полупериодического действия работают в переходном режиме, когда  все параметры технологического процесса не остаются постоянными, а  изменяются во времени. Выравнивание концентраций компонентов в объеме реактора достигают  непрерывным перемешиванием.

Основной задачей проектирования технологических схем производства различных продуктов является организация  непрерывного процесса. В связи этим реакторы непрерывного действия находят  более широкое применение по сравнению  с реакторами периодического действия. Например, в современных крупнотоннажных производствах реакторные химические процессы осуществляются преимущественно в аппаратах прерывного действия, которые обладают более высокими экономическими характеристиками. Однако малотоннажных и многоассортиментных производствах по технико-экономическим соображениям часто выгодно применять реакторы периодического и полупериодического действия. По режиму потока реакционной смеси все реакторы непрерывного действия делятся на два класса – реакторы смешения и реакторы вытеснения.