1 Историческая справка о методах получения и использования продукта
 Скачать 1.54 Mb.
|
|
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: ,4/0,92=100,435 кмоль/ч Определяют расход пропиленовой фракции, учитывая объемную долю пропилена: ,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: ,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: ,65*0,009/(100-0,009)=3,53 кг/ч или 0,196 кмоль/ч Таблица №5 - Состав пропиленовой фракции
Расход алюминий хлорида: ,1*11088,52/1000=56,55 кг/ч или 0,42 кмоль/ч Количество дипропилбензола, возвращаемого со стадии ректификации: *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+3HClПри этом реагирует хлорида алюминия: ,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: ,6% подаваемого пропана: ,006*100,44=0,603 кмоль/ч или 25,33 кг/ч ,3 кг бензола на 1 т ИПБ: ,3*11088,52/100=3,33 кг/ч или 0,043 кмоль/ч Таблица №6 - Состав отходящих газов
Для определения состава алкилата рассчитывают изменения состава сырьевой смеси в процессе алкилирования. По реакции переалкилирования C6H5-(C3H6)2+C6H6 2C6H5-C3H7 (1)расходуется бензола: ,112 кмоль/ч или1334,74 кг/ч образуется пропилбензола: ,112*2=34,224 кмоль/ч или 3627,744 кг/ч Следовательно, алкилированием бензола получают пропилбензола: ,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: % от поступающего пропилена, что составляет: ,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: ,545 кмоль/ч или 1708,29 кг/ч По реакции: C6H6+3C6H3(C3H7)3 (4) расходуется: % от поступающего пропилена, что составляет: ,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): ,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: ,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
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.
.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 сохранять 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. 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 Wоб =B/T, где B - годовая производительность; T - эффективное время работы реактора. Wоб = 90000/101=891,09 т/год Трежимное = Ткален - Тпраздн., вых.дни Тэф = Треж - Тппр = 365-20-2 = 343 Коэффициент использования оборудования рассчитывается по формуле: К = Тэф/Треж = 343/365 = 0,94 Тчас = Тэф*n*m = 343*3*8=8232 где n - количество смен в сутки; m - продолжительность смены в часах; Тмин = 493920 мин Объем реакционной массы определяется по формуле: Vр.м = (В/Тмин(∑mi/pi)*τмин)/φ, где mi - расходный коэффициент; φ - коэффициент, учитывающий хим.процесс, φ = 0,75 Vр.м = |
100101,4554256,975