Получение этилбензола в присутствии хлорида алюминия. Материальный расчет и технологический расчет алкилатора

На колонном агрегате, состоящем из ректификационной колонны 1, отгонной колонны 3 и флорентийского сосуда 2 происходит гетероазеотропная  осушка исходного бензола. Из куба колонны 1 выводится обезвоженный бензол, часть которого поступает в аппарат 4 приготовления катализаторного раствора, остальная часть - в реактор 5. В колонну 1 поступает как свежий, так и возвратный бензол. Верхние паровые потоки колонн 1 и 3 представляют собой гетероазеотропные смеси бензола и воды.

После конденсации и  расслаивания во флорентийском сосуде 2 верхний слой (обводненный бензол) поступает в ректификационную колонну 1, а нижний слой (вода), содержащий бензол, направляется в отгонную колонну 3. Каталитический комплекс готовится в аппарате 4 с мешалкой и «рубашкой», куда подается бензол, а также хлорид алюминия, этилхлорид и полиалкилбензолы. Максимальной активностью обладают комплексы, получаемые на шихте, в которой мольное соотношение бензол: алкилбензолы составляет (3-5): 1. Мольное соотношение хлорид алюминия ароматические углеводороды составляет 1: (2,5 - 3). Катализаторным раствором заполняется реактор, а затем в ходе процесса для подпитки подают катализаторный раствор, так как он частично выводится из реактора при регенерации. Реактором служит колонный аппарат, отвод теплоты в котором осуществляется за счет подачи охлажденного сырья и испаряющегося бензола. Катализаторный раствор, осушенный бензол и этан - этиленовую фракцию подают в нижнюю часть реактора 5. После барботажа из реактора выводят не прореагировавшую парогазовую смесь и направляют ее в конденсатор 6, где прежде всего конденсируется бензол, испарившийся в реакторе. Конденсат возвращается в реактор, а несконденсированные газы, содержащие значительное количество бензола, особенно при использовании разбавления олефина, и НСl поступают в нижнюю часть скруббера поглощения бензола 8, орошаемого полиалкилбензолами для улавливания бензола. Раствор полиалкилбензола направляется в реактор, а не сконденсированные газы поступают в скруббер 9, орошаемый водой для улавливания НСl. Водный раствор НС1 направляется на нейтрализацию, а газы - на утилизацию теплоты. Катализаторный раствор вместе с продуктами поступают в отстойник 7, нижний слой которого возвращается в реактор, а верхний слой с помощью насоса 10 направляется в нижнюю часть скруббера 11. Скрубберы 11 и 13 предназначены для отмывки НС1 и А1Сl3, растворенных в алкилате. Скруббер 11 орошается раствором щелочи, который перекачивается насосом 12. Для потпитки в ре-циркуляционный поток щелочи подают свежую щелочь в том количестве, которое расходуется на нейтрализацию НС1. Далее алкилат поступает в нижнюю часть скруббера 13, орошаемого водой, которая вымывает щелочь из алкилата. Водный раствор щелочи направляется на нейтрализацию, а алкилат через подогреватель 14 на ректификационную колонну 15. В колонне 15 выделяется в виде дистиллята бензол вместе с растворенной водой. Выделившийся бензол направляется в ректификационную колонну 1 для обезвоживания, а кубовый остаток - на дальнейшее разделение. Кубовый продукт из колонны 15 направляется в ректификационную колонну 16 для выделения в качестве дистиллята продуктов этилбензола. Кубовый продукт колонны 16 направляется в ректификационную колонну 17 для разделения полиалкилбензолов на две фракции. Колонна 17 работает под вакуумом 5,3 кПа. Верхний продукт направляется в аппарат 4 и реактор 5, а нижний продукт (смолы) выводится из системы. Основным недостатком этой технологии является отсутствие регенерации теплоты реакции, которая отводится с водой в конденсаторе 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Расчет материального  баланса процесса производства  этилбензола алкилированием в  присутствии хлорида алюминия

 

Производительность стадии алкилирования по 100% этилбензолу  составляет:

 

 или  

 

где 10000 - производительность в расчете на 100%-й этилбензол, т/год;

8000 - число рабочих  часов; 4 - потери этилбензола на  стадиях выделения, %; 106 - молярная  масса этилбензола, кг/кмоль.

Расход этилена с учетом селективности процесса составляет:

 

  или 

 

где 0,8 – селективность  по этилбензолу в расчете на этилен;

28 – молярная масса этилена,  кг/кмоль.

Определяем расход этиленовой фракции, учитывая объемную долю этилена:

 

  или 

 

где 0,55– процентное содержание этилена в этиленовой фракции.

Рассчитываем состав этиленовой фракции:

Метан: или

Ацетилен: или

Этилен : или

Этан: или

Пропилен: или

Водород: или

Азот: или

Кислород: или

Оксид углерода:

кмоль/ч или кг/ч

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

Состав этиленовой фракции

Наименование компонента	n τ, кмоль/ч	Xi,%	m τ , кг/ч
Метан  СH4	42,24	15,5	676
Ацетилен С2Н2	1,36	0,5	35
Этилен С2H4	163,52	60,0	4578
Этан С2Н6	32,43	11,9	973
Пропилен С3H6	13,63	5	572
Водород H2	6,27	2,3	13
Азот N2	8,18	3	229
Кислород О2	3,27	1,2	105
Оксид углерода CO	1,64	0,6	46
Всего:	272,54	100	7227

 

Молярное отношение  бензол-этилен на входе в реактор  равно 3:1, следовательно, расходуется  бензола:

 

 или 

Массовая доля воды в бензоле после азеотропной осушки составляет 0,002%, следовательно, с бензолом поступает воды:

 

или

 

Расход хлорида алюминия составит:

 

 или 

 

где 10 - расход хлорида  алюминия на 1 т образующегося этилбензола, кг;

133,5 - молярная масса  хлорида алюминия.

Рассчитываем массовое количество диэтилбензола, возвращаемое со стадии ректификации:

 

 кг/ч   кмоль/ч

 

где 200 - масса диэтилбензола, возвращаемого со стадии ректификации на 1 т получаемого этилбензола, кг;

134 - молярная масса  диэтилбензола.

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:

 

AlCl3+3H2O -> Al(OH)3+3HCl,

 

при этом реагирует хлорид алюминия

кмоль/ч  или 3кг/ч

 

Образуется;

- гидроксида алюминия 0,013 кмоль/ч или 2кг/ч

-хлорида водорода 0,04 кмоль/ч или 2кг/ч.

В отходящие газы переходит:

- 1% подаваемого этилена  кмоль/ ч или 42,92 кг /ч

- 90% подаваемого оксида  углерода  кмоль/ч

или кг/ч

- 0,3 кг бензола на 1 т этилбензола

кг/ч  или 0,05кмоль/ч

 

Для определения состава  алкилата рассчитывают изменение состава  исходной смеси в процессе алкилирования.

 

Таблица 2

Состав отходящих газов

Наименование компонента	n τ ,кмоль/ч	Xi,%	m τ ,кг/ч
МетанCH4	42,24	44,05	705
Этилен С2Н4	1,635	1,7	48
Этан C2H6	32,43	33,8	1014
Бензол С6H6	6,27	6,5	13
Водород H2	8,18	8,5	238
Азот N2	3,27	3,4	109
Кислород O2	1,48	1,5	42
Оксид углерода CO
Хлорид водорода HCl	0,01	*	1
Всего:	95,89	100	2174

 

В связи с малыми значениями бензола (0,044%) и хлорида водорода (0,036%) в дальнейших расчетах их не учитывают.

По реакции (1) переалкилирования:

 

C6H5-(C2H5)2 + C6H6 -> 2C6H5-C2H5    (1)

 

расходуется бензола 19.4 кмоль/ч  или ;

образуется этилбензола

или

 

Следовательно, алкилированием бензола получают этилбензол:

 

или

 По основной реакции  (2):

 

C6H6+C2H4 -> C6H5-C2H5    (2)

 

расходуется бензола 83,84 кмоль/ч или  кг/ч;

расходуется этилена 83,84 кмоль/ч или кг/ч.

По реакции (3):

 

C6H6+2C2H4 ->C6H4-(C2H)2     (3)

 

расходуется 38,2% от поступившего этилена, что составляет:

 

кмоль/ч или  кг/ч

бензола

кмоль/ч или кг/ч;

 

образуется диэтилбензола 29,28 кмоль/ч или кмоль/ч .

По реакции (4):

 

С6H6+3С2H4-> С6H3-(C2H5)3     (4)

 

расходуется 11% от поступившего этилена, что составляет:

 

кмоль/ч или  кг/ч

этилбензол хлорид алкилирование алюминий

бензола кмоль/ч или кг/ч;

образуется триэтилбензола 5,62 кмоль/ч или  кг/ч.

По реакции (5):

 

С6H6 +4 С2H4 -> С6H2-(С2H5)4 (5)

 

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

кмоль/ч  или кг/ч

бензола кмоль/ч или кг/ч;

образуется тетраэтилбензола 0,78 кмоль/ч или кг/ч.

 

По реакции (6):

 

С6H6+С3H6->C6H5-С3H7 (6)

 

расходуется пропилена 16,78 кмоль/ч или  кг/ч;

бензола 16,78 кмоль/ч или  кг/ч;

образуется изопропилбензола 16,78  кмоль/ч или  кг/ч.

 

По реакции (7):

 

С6H6+С2H2->(С6H5)2-С2H4   (7)

 

расходуется ацетилена 3,34 кмоль/ч или кг/ч;

бензола кмоль/ч или кг/ч;

образуется дифенилэтана 3.34 кмоль/ч или кг/ч.

По реакции (8):

 

2C6H6 + CO ->  (C6H5)2 - CHOH   (8)

 

расходуется оксида углерода 1,76–1,58=0,18 кмоль/ч 

или кг/ч;

бензола кмоль/ч или кг/ч;

образуется дифенилкабинола  кмоль/ч или кг/ч.

Общий расход бензола  по реакциям (1) - (8) составляет:

 

 кмоль/ч или  кг/ч.

 

В составе отходящих  газов содержится бензола 0,05 кмоль/ч  или 3,9кг/ч.

 

Остается  в составе  алкилата бензола

кмоль/ч или кг/ч, хлорида алюминия кмоль/ч или кг/ч

 

Таблица 3 Состав алкилата

 

Компонент	Nτ, кмоль/ч	Xi,%	mτ,г/с	ωi,%
C6H6	297.11	60.71		52.70
C6H5-C2H5	153.3	31.32		29.57
C6H4-(C2H5)2	29.28	5.98		8.99
C6H3-(C2H5)3	5.62	1.14		2.07
C6H2-(C2H5)4	0.78	0.15		0.34
C6H5-C3H7	16.78	3.42		4.58
(C6H5)2-CHCH3	3.34	0.68		1.38
(C6H5)2-CHOH	0.18	0.03		0.08
AlCl3	0.957	0.195		0.29
Al(OH)3	0.013	0.004		0.005
Всего:	489.36	100	43970.38	100

 

В связи с малыми значениями дифенилкабинола (0,03%) и гидроксида алюминия (0,004%) в дальнейших расчетах их не учитываем.

Состав алкилатора соответствует  оптимальному технологическому режиму.

Рассчитываем основные расходные коэффициенты (кг/кг):

– по бензолу   

– по этилбензолу

– по этиленовой фракции 

 

где 12693,72 – расход бензола  по реакциям (1) - (8), кг/ч; 3,9 – потери бензола с отходящими газами, кг/ч; 13000 – производительность стадии алкилирования  по 100% этилбензолу, кг/ч;