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

4292,4 и  – расход этилена и этиленовой фракции соответственно, кг/ч.

2.4 Расчет основного  аппарата

 

В качестве основного  аппарата - алкилатора - принят вертикальный цилиндрический полый аппарат со сферическими днищами, выполненный  из углеродистой стали. Внутренняя поверхность  аппарата футерована 
кислотоупорной плиткой. Сферические днища крепятся к обечайке при помощи плоских приварных фланцев с уплотнительной поверхностью типа «выступ - впадина». Реактор заполнен смесью бензола с продуктами реакции и жидким алюминиевым комплексом (ЖАК). Исходное сырье (свежий и возвратный бензол, этиленовая фракция, возвратный диэтилбензол и ЖАК) попадают в нижнюю часть алкилатора через распределительный коллектор. Жидкие продукты (алкилат) отводят через один из боковых штуцеров. Парогазовая смесь выводится через штуцер в верхнем днище аппарата.

Избыточное тепло отводится  за счет испарения части бензола  при температуре 90°С, то есть процесс  ведут при кипении реакционной  массы.

Техническая характеристика алкилатора:

Диаметр стальной обечайки внутренний  – 2400 мм;

Толщина стенки обечайки – 14 мм;

Толщина футеровки – 80 мм;

Высота цилиндрической части – 11800 мм;

Высота общая – 15000 мм;

Вместимость аппарата:

полная – 50 м3;

полезная–38±2м3;

 

Производительность по этилбензолу в расчете на 1 м3алкилатора – 180-200 кг/ч

Число аппаратов для обеспечения заданной производительности (при минимальной вместимости алкилатора):

 

n=

шт.

 

Таким образом, необходимо установить два аппарата, соединенные  параллельно.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5 Расчет теплового  баланса алкилатора

 

Исходные данные:

 – материальные  потоки, кмоль/с: 

этиленовая фракция 278,72/(2•3600)=0,0387;

технический бензол 459,9/(2•3600) =0,0639;

диэтилбензол 19.4/(2•3600) =0,0027;

отходящие газы 258.82/(2•3600) = 0,0359;

жидкий алкилат 489.36/(2•3600) = 0,0679;

– температура, °С:

на входе в алкилатор - 20;

на выходе из алкилатора - 90,

Цель теплового расчета  определение количества испарившегося  бензола в алкилаторе.

Уравнение теплового  баланса аппарата в общем виде:

 

Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 = Ф5 + Ф6 + Ф7 + Ф8 + Фпот,

 

где Ф1,Ф2,Ф3,Ф5,Ф6,Ф7 тепловые потоки этиленовой фракции, жидкого бензола, диэтилбензола, отходящих газов, алкилата и паров бензола соответственно, кВт;

Ф4 - теплота экзотермических  реакций, кВт;

Ф8 - расход теплоты на испарение бензола, кВт.

Для определения значений Ф1 и Ф5 рассчитывают средние молярные теплоемкости этиленовой фракции при температуре 20+273=293 К и отходящих газов при 90+273=363 К.

 

Таблица 4

Средние молярные теплоемкости

Компонент	Xi,%	С i , Дж /(моль • К)	С i • Xi /100,Дж /(моль • К)
Этиленовая фракция: Метан СН4	16.8	34.7	5.8296
Ацетилен С2Н2	1.2	43.7	0.5244
Этилен С2H4	53.0	43.82	23.2246
Этан С2Н6	15.9	52.09	8.28231
Пропилен С3Н6	6.0	63.55	3.8130
Водород H2	2.3	28.82	0.66286
Азот N2	3.3	29.13	0.96129
Кислород O2	0.9	28.06	0.25254
Оксид углерода CO	0.6	29.07	0.17442
Всего:	100.0	–	43.72502
Отходящие газы: Метан  СН4	41.64	39,12	16.3013
Этилен С2Н4	1.36	50,62	0.68843
Пропилен С3Н6	39.41	61,69	24.31203
Водород H2	5.70	28,84	1.64388
Азот N2	8.18	29,43	2.4737
Кислород О2	2.22	29,83	0,66223
Оксид углерода CO	1.41	29,55	0.41665
Всего:	100.0	–	46.49822

 

Тепловой поток этиленовой фракции:

Ф1 =

кВт

Тепловой поток отходящих  газов:

 

Ф5=

кВт

Тепловой поток технического бензола:

Ф2 = (0,0639+n6)

134,218 20 =171,53+2684,36 n6 кBт

 

где n6 – количество циркулирующего бензола в системе холодильник  – конденсатор – алкилатор, кмоль/с.

Определяем тепловой поток диэтилбензола, значение молярной теплоемкости диэтилбензола находим  по справочнику:

 

Ф3 =

кBт

Рассчитываем теплоты  реакций (1) – (7), кДж/моль, приведенные  в табл. 5.

 

Таблица5

 

Реакция	∆H0298=∑∆H0298 -∑ ∆H0298(исх)
C6H6+C2H4 -> C6H5-C2H5	-12,48-49,03-52,30=-113,81
C6H4-(C2H5)2+C6H6-2C6H5-C2H5	2 • (- 12,48 -49,03-(-72,35)) = -1,64
C6H6+2C2H4 -> C6H4-(C2H5)2	-72,35-49,03-2•52,30=-225,98
C6H6+3C2H4 -> C6H3-(C2H5)3	-122,63-49,03-3•52,30=-328,56
C6H6+4C2H4 -> C6H3-(C2H5)4	-174,54-49,03-4•52,30=-432,77
C6H6+C3H6 -> C6H5-C3H7	-41,24-49,03-20,41 =-110,68
2C6H6+C2H2 -> (C6H5)2-C2H4	-297,31-2•49,03-226,75=-27,50
2C6H6+CO -> (C6H5)2-CHOH	-46,17-2•49,03-(-110,53)=       -33,70

 

Рассчитываем теплоту  экзотермических реакций.

 

Ф4=

кBт

 

Общий приход теплоты  составляет:

Фприх=33,843+171,53+2684,36

n6+19,929+ =3968,706+2684,36 n6 кBт

 

Для определения теплового  потока алкилата рассчитываем его среднюю  молярную теплоемкость при температуре 363 К:

Сm=152,07

0,64+186,56 0,247+396,06 0,061+464,46 0,012+ 559,86 0,002+321,36 0,034+415,94 0,002+94,48 0,001=184,465 Дж/(моль×К)

 

Тепловой поток жидкого  алкилата:

Ф 6=0,0679

184,465 90 =1127,266 кВт

 

Тепловой поток паров бензола:

Ф 7=101,77

90 n6 = 9159,3 n6 кВт

 

Расход теплоты на испарение бензола:

Ф8=78

391,3 n6 = 30521,4 n6 кВт

 

Принимаем, что потери в окружающую среду составляют 3% от общего прихода теплоты:

 

Ф пот = 0,03

(3968,706+2684,36 n6) = 119,061 + 80,53 n6 кВт

Общий расход теплоты:

 

Фрасх=150,236+ 1127,266 + 9159,30

n6 +30521,4 n6 + 119,061 + 80,53 n6 =1396,563+39761,23 n6 кВт

Массовое количество циркулирующего бензола находится  из условия равенства прихода  и расхода теплоты:

 

3968,706+2684,36

n6=1396,563+39761,23 n6

37076,87×

n6=2572,143

n6 = 0,06937 кмоль/с

Масса бензола, испаряющегося на стадии алкилирования:

0,06937

2 3600=499,464 кмоль/ч или 38958 кг/ч,

 

что составляет  38958/13000=2,99 т на 1 т получаемого этилбензола  и соответствует оптимальному технологическому режиму. Всего в алкилатор подают бензол (с учетом циркулирующего бензола):

 

459,9+499,464=959,364 кмоль/ч или  74830,392 кг/ч

Общее массовое количество отходящих газов (с учетом испаряющегося  бензола):

 

112.453+499,464=611,917 кмоль/ч  или 38551 кг/ч

 

Составляем материальный баланс стадии алкилирования (табл 6)

 

Приход	кмоль/ч	кг/ч	Расход	кмоль/ч	кг/ч
Технический бензол, в  т.ч.:	959.42	74831.392	Отходящие газы	611,917	38551
Чистый бензол	959.364	74830.392	Алкилат	489.36	43970.38
примеси	0.056	1.0
Этиленовая фракция	278.72	7513.29
Диэтилбензол	19.4	2600
Хлорид алюминия	0.97	130
Всего:	1258.566	85075.682	Всего:	1101.277	82521.38

 

Невязка баланса:

 

 

По рассчитанному массовому  количеству испаряющегося бензола  уточняют тепловые потоки:

Ф2 = (0,0639+0,06937)

134,218 20=357,745 кВт

Ф7 =0,06937

101,77 90=635,381 кВт

Ф8 =0,06937

78× 391,3 =2117,270 кВт

 

Тепловой поток отходящих  газов:

150,236+635,381=785,617 кВт

Составляем тепловой баланс алкилатора (табл.7). Значение Фпот определяем по разности прихода и расхода теплоты.

 

Таблица 7

Тепловой баланс алкилатора

 

Приход	кВт	%	Расход	кВт	%
Тепловой поток этиленовой фракции	33.843	0.8	Тепловой поток отходящих  газов	785.617	18.9
Тепловой поток технического бензола	357.745	9.0	Тепловой поток алкилата	1127.266	27.1
Тепловой поток диэтилбензола	19.929	0.4	Расход теплоты на испарение бензола	2117.270	50.9
Тепловой поток процесса	3743.404	90.0	Теплопотери в окружающую среду	124.772	3.1
Всего:	4154.921	100,0	Всего:	4154.921	100,0

 

 

3. Экологическая часть

 

С точки зрения экологии рассматриваемого производства следует  организовать взаимную нейтрализацию  кислых и щелочных вод, но для этого 
необходимо, чтобы соблюдалось соотношение кислоты и щелочи. Раствор А1Сl3 может быть использован как коагулянт для очистки сточных вод, а смолы, получаемые в процессе, можно использовать как топливо и в строительстве.

В ходе производства происходит образование отходящих газов  в состав которых входят метан, водород, азот, кислород оксид углерода, хлорид водорода, этилен, этан и бензол. Одним из наиболее токсичных веществ, загрязняющих атмосферу, является оксид углерода СО, который активно взаимодействует с гемоглобином крови и уже при очень низких концентрациях снижает ее способность переносить кислород. Содержание СО в воздухе около 0,01 % (по объему) вызывает головную боль, снижение умственной деятельности и расстройство ряда физиологических функций организма.