Производство изопропилбензола

Реактор смешивания представляет собой некоторый объем, в котором происходит непрерывное  перемешивание реакционной смеси. Элемент объема потока исходных веществ, поступающих в реактор через питающий трубопровод, мгновенно перемешивается с содержанием реактора. Состав элемента, то есть концентрация веществ в этом элементе, резко изменяется от состава питания до состава смеси в реакторе. Такой реакционный аппарат называется реактором с полным перемешиванием или реактором идеального смешивания.

Реактором, близким по своим характеристикам  к реактору идеального смешивания, являются кубовый аппарат с мешалкой. Чем интенсивнее осуществляется перемешивание в кубовом реакторе, тем быстрее выравниваются концентрации компонентов, и температура реакционной смеси по объему реактора и тем ближе этот аппарат к идеальному реактору смешивания. Реактор смешивания может быть аппаратом периодического действия, в котором перерабатываются определенные порции продуктов, либо аппаратом непрерывно проточного действия. Последний отличается от реактора периодического действия расположением выходного патрубка, который позволяет непрерывно отводить продукты реакции из реактора.

Важной характеристикой  аппарата смешивания непрерывного действия является время пребывания взаимодействующих компонентов в реакционном объеме. Этот показатель характеризует продолжительность контакта взаимодействующих веществ и, следовательно, определяет степень превращения исходных веществ в продукты реакции. Время пребывания τ (с) компонентов в аппаратах смешивания рассчитывается как отношение объема реакционной смеси в реакторе V (м³) к объемному расходу реагентов Q (м³/с) через аппарат:                          τ  = V/Q

Из формулы  следует, что время пребывания τ   компонентов в реакторе тем больше, чем больше объем аппарата. При постоянном объеме V значения τ   уменьшается с увеличением расхода компонентов Q.

Реактор вытеснения характеризуется  большим отношением длины к диаметру и не имеет никаких механических приспособлений для перемешивания потока в реакционном объеме. В реакторе вытеснения любой элемент объема потока, непрерывно протекающего через аппарат, движется с постоянной скоростью, не смешиваясь с соседними элементами потока. По мере движения элемента потока вдоль реактора в нем происходит изменение концентраций взаимодействующих веществ. На входе в реактор состав элемента потока соответствует составу питания, элемент на выходе из реактора содержит только продукты химического превращения. При движении по реактору элемент объема подобно поршню вытесняет всё, что находится пред ним, поэтому такой аппарат называется часто реактором с полным вытеснением или реактором идеального вытеснения.

В реакторе с полным вытеснением  скорость химической реакции измеряется  по длине реактора, то есть меняются концентрации взаимодействующих веществ. Если расход исходных компонентов на входе не меняется, то в каждой точке реактора скорость реакции строго постоянна, так как состав реакционной смеси в данной точке реактора не изменяется во времени. Поэтому при неизменном входном потоке реактор вытеснения непрерывного действия работает в стационарном режиме.

Степень превращения  исходных веществ в продукты реакции  зависит от времени пребывания компонентов  в реакторе. Время τ(с) пребывания в реакционной смеси в реакторе вытеснения находят деление длины реактора L(м) на линейную скорость потока W(м/с):

                                                            τ =L/W

Величина τ  тем больше, чем больше длина реактора L и чем меньше скорость потока W. При проектировании и расчете реакторов скорость потока выбирают из соображений минимальных денежных затрат на сооружение реактора. При этом используют те же зависимости, что и при расчете трубопроводов для перекачивания жидкостей. Все используемые в промышленности реальные химические реакторы отличаются от идеальных, так как обеспечить режим полного вытеснения или полного смешения практически невозможно. В трубчатых реакторах, которые по своей конструкции близки к аппаратам полного вытеснения, соседние элементы потока взаимодействуют вследствие турбулентности потока. Это приводит к частичному перемешиванию соседних слоев, то есть нарушению режима идеального вытеснения. В реакторах смешения не происходит полного выравнивания технологических параметров (концентраций компонентов, температуры) по объему реактора, так как различные устройства внутри реактора (змеевики, перегородки) создают застойные зоны. Несмотря на большую частоту вращения мешалки, в застойной зоне перемешивание может полностью отсутствовать, что не позволяет считать реактор аппаратом полного смешения. Таким образом, реальные конструкции аппаратов всегда только приближаются к идеальным, вследствие чего реальные режимы потоков в аппаратах находятся в промежуточной области между идеальным вытеснением и идеальным смешением.

По тепловому  режиму реакторы делятся на изотермические и адиабатические. Изотермические реакторы работают при постоянной температуре, которая сохраняется для всех точек реакционного объема. Скорость реакции в изотермических реакторах зависит только от состава реакционной смеси. В изотермическом режиме могут работать реакторы периодического и непрерывного любого типа.

Химические реакции часто сопровождаются экзотермическим или эндотермическим тепловым эффектом. Для осуществления изотермических условий необходимо отводить определенное количество теплоты от реактора либо подводить ее к реактору. С этой целью в конструкции изотермического реактора предусмотрена специальная поверхность теплообмена – змеевик внутри реакционного объема, или рубашка.

Адиабатические реакторы работают в таких условиях, когда теплообмен с внешней средой практически  исключен. Этого достигают хорошей  теплоизоляцией внешней поверхности реактора. При протекании реакции в адиабатических условиях изменяется температура в реакторе и, следовательно, меняется скорость реакции.

Скорость экзотермических реакций  в адиабатических условиях увеличивается во много раз,  так как выделяющаяся в результате реакции теплота расходуется только на нагрев реакционной смеси. Эндотермические реакции в адиабатических условиях проводить не выгодно в виду того, что уменьшение скорости реакции приводит к значительному увеличению времени пребывания компонентов в реакторе.

Во многих случаях  при проведении реакций со сложным  механизмом для увеличения выхода целевого продукта температуру процесса необходимо изменять так, чтобы понизить скорости побочных реакций. Используемые для этого реакторы не относятся ни к изотермическим, ни к адиабатическим. Температуру в таких реакторах изменяют с помощью специальной системы управления.

В реакторе периодического действия система управления изменяет температуру во времени, причем в каждый момент времени температура реакционной смеси во всех точках реактора одна и та же. В реакторах вытеснения неизотермический режим обеспечивается изменением температуры по длине реактора. Результат получается аналогичным изменению температуры в реакторе смешения периодического действия во времени.

По фазовому состоянию реагентов  в реакторе классифицируют следующим образом. Если при проведении химической реакции в реакторе находится только одна фаза, реактор называется гомогенным. Он заполнен взаимодействующими веществами, находящимся в одном агрегатном состоянии – газообразном или жидком. Для достижения гомогенного состояния исходные вещества должны взаимно растворяться в любых соотношениях. В этом случае перемешивание применяется только для облегчения процесса молекулярной диффузии, за счет которого происходит выравнивание концентраций в объеме реактора. Если скорость реакции превышает скорость молекулярной диффузии, то хорошая гомогенизация реагентов достигается более интенсивным перемешиванием реакционной среды.

Если вещества в реакторе находятся в различных  агрегатных состояниях, такой реактор  называется гетерогенным. Конструкции гетерогенных реакторов отличаются большим разнообразием, зависят от типа гетерогенной реакции.

Гетерогенные  реакции проводятся в реакторах  периодического и непрерывного действия. В гетерогенных условиях протекает значительная часть каталитических реакций.

Производство  изопропилбензола крупнотоннажное, реактор  работает в стационарном режиме. По способу организации  технологического процесса применяют реактор непрерывного действия. По режиму потока реакционной смеси в реакторе он занимает промежуточное положение между реакторами полного смешения и вытеснения, так как у алкилатора есть гребенка, в которой происходит смешение реагентов, а также он характеризуется большим отношением высоты к диаметру. Реакция алкилирования бензола пропиленом относится к экзотермическому процессу, то есть сопровождается выделением большого количества тепла. Для создания изотермического режима в реакторе, необходимо предусмотреть непрерывный отбор тепла. Это происходит за счет испарения бензола, а также за счет подачи холодного катализаторного комплекса. По фазовому состоянию реактор относится к гетерогенному, так как в реактор поступает бензол в жидком состояние, а в газообразном пропан-пропиленовая фракция.

Алкилатор (реактор) предназначен для получения реакционной массы. Основным продуктом, которой являются изопропилбензол. Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат колонного типа с гребенкой для перемешивания, имеющий штуцера для подвода сырья и отвода продуктов. Внутренняя поверхность аппарата футерована графитовой плиткой.[4]

 

Технологический расчёт основного и вспомогательного оборудования

W_об =B/T,

где B-годовая производительность;

      T- эффективное время работы реактора.

W_об = 90000/101=891,09 т/год

Т_{режимное} = Т_кален - Т_{праздн., вых.дни}

Т_эф = Т_реж - Т_ппр = 365-20-2 = 343

Коэффициент использования  оборудования рассчитывается по формуле:

К = Т_эф/Т_реж = 343/365 = 0,94

Т_час = Т_эф*n*m = 343*3*8=8232

где n – количество смен в сутки;

       m – продолжительность смены в часах;

       Т_мин = 493920 мин

Объем реакционной  массы определяется по формуле:

V_р.м = (В/Т_мин(∑m_i/p_i)*τ_мин)/φ,

где m_i – расходный коэффициент;

        φ - коэффициент, учитывающий хим.процесс, φ = 0,75

V_р.м =

(∑( + + )·0,33)/0,75=111,54 м³

V_р.м (по заводу) =105,38 м³

Необходимое количество аппаратов  определяем по формуле:

N=

=1,07

Следовательно, берём 1 аппарат.

Выбор и расчёт основного и вспомогательного оборудования.

Часовая производительность:

П =

= ·1,03(потери)=11088,52 кг

где n - число рабочих дней в году;

       В – производительность

11088,52*22,4/120=2069,856 м³/ч

 

Объем емкости  определяется по формуле:

V =

,

 

где П – часовая производительность, кг/ч;

       Τ –  время заполнения ёмкости;

      - коэффициент заполнения;

      - плотность реакционной смеси, кг/м³.

V_{алкилатора} =

= 13,441м³ ( =1час)

V_{сборника} =

= 1,13м³( =5мин)

V_{отстойника} =

= 26,88м³( =2часа)

 

 

       

 

 

 

               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5 Тепловой  расчёт алкилатора.

 

Исходные данные:

Материальные потоки, кмоль/с:

пропиленовая фракция – 101,455/(3*3600)=0,00939;

технический бензол – 502,2/(3*3600)=0,0465;

дипропилбензол – 17,112/(3*3600)=0,0016;

отходящие газы – 0,842/(3*3600)=0,000078;

жидкий алкилат – 520,099/(3*3600)=0,0482.

Температура: на входе в алкилатор-40ºС; на выходе из алкилатора-100ºС.

Цель теплового расчёта –  определение количества испарившегося  бензола в алкилаторе.

Уравнение теплового баланса аппарата в общем виде:

Q₁+Q₂+Q₃+Q₄=Q₅+Q₆+Q₇+Q₈+Q₉

Для определения значений Q₁ и Q₅ рассчитывают средние молярные теплоёмкости пропиленовой фракции при температуре 40+273=313К и отходящих газов при температуре 100+273=373К.

 

               Таблица №9 - Расчёт средних молярных теплоёмкостей

	xi ,%	ci ,%	ci * xi /100,Дж/моль*К
Пропиленовая фракция:
C3H6	99,0	66,703	66,036
C3H8	0,6	77,2	0,4632
C2H4	0,4	45,80	0,183
	100	-	66,6822
Отходящие газы:
C3H8	71,62	89,57	64,15
C6H6	5,11	154,62	7,90
HCl	23,28	28,246	6,576
	100	-	78,626