Меню Рубрики

Установка алкилирования бензола этиленом

Компьютерное моделирование крупнотоннажной технологической схемы процесса алкилирования бензола этиленом

Авторы: А.Ю. Медведев, Ф.С. Советин, Т.Н. Гартман, А.С. Павлов, С.А. Сеннер (РХТУ им. Д. И. Менделеева).

Опубликовано в журнале Химическая техника №7/2015

Алкилароматические соединения широко используются в технологии основного органического и нефтехимического синтеза, а также в технологии тонкого органического синтеза для получения полимерных материалов, поверхностно-активных веществ, высокооктановых добавок к топливу и в качестве промежуточных продуктов [1–3]. Наибольшее значение имеют этилбензол и изопропилбензол как исходные вещества при получении таких мономеров, как стирол и β-метилстирол.

Непрерывные технологические схемы получения алкилбензолов (в частности этилбензола) являются крупнотоннажными, а также энергои ресурсоемкими, и поэтому даже незначительное сокращение энергои ресурсопотребления может обеспечить существенный экономический эффект для производства в целом [3–4].

Большинство действующих крупнотоннажных производств алкилбензолов в России используют традиционные технологии алкилирования, где в качестве алкилирующих агентов используют олефины (этилен, пропилен и т. п.) и процесс проводится на катализаторе (хлористый алюминий или ортофосфорная кислота на носителе) [5–6]. Этилбензол в промышленности получают алкилированием бензола этиленом. Катализатором данного процесса выступают кислоты Льюиса, чаще всего AlCl3 [7]. При этом разделение смесей продуктов реакций (алкилаты) осуществляется ректификацией. Данные процессы являются одними из наиболее энергозатратных процессов в химической промышленности [8–9].

Модернизация указанных технологических схем с позиции энергои ресурсосбережения данных производств не представляется возможной без применения современных комплексов программ, позволяющих разрабатывать компьютерные модели технологических линий, создавать так называемые «виртуальные» производства. Кроме того, использование комплексов программ предоставляет возможность без значительных материальных и временных затрат проводить исследования указанных процессов на их моделях (так называемые вычислительные эксперименты) [10–11].

Работа [12] посвящена оценке эффективности нового смесительного устройства, а также оценке целесообразности реконструкции смесительного оборудования перед реакторным блоком путем установки алкилирования бензола этиленом. В указанной работе для решения поставленных задач использовали комплексы программ ABAQUS и Flow Vision, позволяющие в совокупности с высокой точностью решать задачи по моделированию гидродинамики смешения жидких и газовых потоков.

Интервальное оценивание параметров математического описания процесса жидкофазного алкилирования фенилацетонитрила в микроструктурном реакторе на основе вычислительного эксперимента произведено в работе [13]. В этой работе предлагаются методы определения интервальных оценок параметров математического описания химико-технологических процессов при моделировании, а также рассматриваются компьютерные технологии решения задач интервального анализа.

Однако необходимо дополнительно рассмотреть вопрос применения комплекса программ CHEMCAD для компьютерного моделирования технологической схемы алкилирования бензола этиленом.

В рассматриваемой работе решена задача применения комплекса программ CHEMCAD для компьютерного моделирования технологической схемы получения этилбензола методом алкилирования бензола этиленом.

Описание технологической схемы процесса непрерывного алкилирования бензола этиленом

Этилбензол и диэтилбензол получают методом алкилирования бензола этиленом. Описание технологической схемы процесса непрерывного алкилирования бензола этиленом заимствовано из работ [3–4]. Технологическая линия данного процесса, реализованная в среде комплекса программ CHEMCAD, изображена на рисунке.

Процесс алкилирования бензола этиленом проводится в полом реакторе колонного типа в режиме барботажа [3–4]. В реактор вводятся потоки бензола и газообразного этилена. Процесс проводится при 100°С на катализаторе (хлористый алюминий или ортофосфорная кислота на носителе) в соответствии с уравнениями:

C6H4(C2H5)2 + C6H6 → 2C6H5C2H5 (4)

На основе анализа экспериментальных данных, приведенных в работах [3–4], реакции образования полиалкилбензолов практически не протекают (содержание полиалкилбензолов в выходном потоке незначительно, поэтому реакциями их образования можно пренебречь).

Разделение смеси продуктов алкилирования (алкилаты) проводится на трехколонной ректификационной установке. Порядок отгонки компонентов проводится по порядку повышения их температур кипения: в первой колонне отгоняют непрореагировавший бензол, во второй – этилбензол, в третьей – диэтилбензол.

Читайте также:  Установка злых валов приора

Для обогрева ректификационных колонн в кипятильники подаются пары высокотемпературных органических теплоносителей (ВОТ) – смесь дифенила и дифенилового эфира. Конденсаторы ректификационных колонн

Описание хода моделирования основных аппаратов и технологической схемы процесса непрерывного алкилирования бензола

Реактор алкилирования бензола моделируется комбинацией стандартных расчетных моделей комплекса программ CHEMCAD – модулем равновесного реактора и модулем сепаратора компонентов (см. рисунок, модули 1 и 3). Для модуля равновесного реактора (модуль 1) указаны следующие условия: стехиометрические данные реакций (1)–(4), конверсии базовых реагентов, изотермический тепловой режим (температура 100°С).

Значения заданных конверсий для базовых реагентов при моделировании процесса алкилирования бензола

Реагент Реакция Конверсия, %
C6H6 (1) 50
C6H6 (2) 21,5
C6H6 (3) 2
C6H4(C2H5)2 (4) 10

Указанные значения конверсий базовых реагентов, предлагаемые для моделирования процесса алкилирования бензола, определенные по экспериментальным данным, заимствованы из работ [3–4].

Для модуля сепаратора (модуль 3) заданы доли газообразных компонентов, равные 1. Подобная комбинация стандартных расчетных модулей комплекса программ CHEMCAD для моделирования сложных химических реакторов применялась в работе [9]. Результаты расчета процесса алкилирования бензола приведены в табл. 1. В этой же таблице проведено сравнение результатов рассчитанного потока алкилата с экспериментальными данными, заимствованными из работ [3–4].

Сравнение результатов расчетов процесса алкилирования бензола с экспериментальными данными

Параметр На входе – смесь этилена и бензола, подаваемая на алкилирование На выходе – алкилат
Расчетные данные Расчетные данные Экспериментальные данные
Давление, МПа 0,2 0,2
Температура, °С 25 100
Массовый расход, т/ч 106,17 105,703
Массовая доля компонента, % мас.
C6H6 73,24 19,64 19,6
C6H5C2H5 0,3 50,09 49,3
C6H4(C2H5)2 0,04 27,21 27,1
C6H3(C2H5)3 3,06 3,57
C2H4 26,42

Первая ректификационная колонна – колонна отгонки бензола (см. рисунок, модуль 4) моделируется модулем строгого расчета ректификации TOWR с использованием алгоритма Inside/Out [14]. Число тарелок – 20, № тарелки питания – 10, массовый расход дистиллята – 20 500 кг/ч, паровое число – 15. Поток теплоносителя (пары ВОТ), подаваемого в кипятильник колонны, моделируется модулем теплообменника (см. рис. 1, модуль 29).

Технологическая схема непрерывного алкилирования бензола, реализованная в среде комплекса программ CHEMCAD:
модули расчета: 1 – модуль равновесного реактора;
6, 9, 15, 17, 19, 29, 31, 33 – модули теплообменников;
14, 16, 18, 28, 30, 32 – модули статических контроллеров;
3, 11, 13 – модули сепараторов; 4, 7, 8 – модули ректификационных колонн;
5 – модуль насоса; 2, 12, 22, 26, 27, 35 – модули смесителей,
20, 21, 23, 24, 25, 34 – модули делителей потоков

Процесс теплопередачи моделируется модулем статического контроллера (модуль 28), который передает расчетную тепловую нагрузку кипятильника колонны модулю теплообменника с учетом знака. Поток воды, подаваемой для охлаждения конденсатора колонны, моделируется модулем теплообменника (модуль 15). Процесс теплопередачи также моделируется модулем статического контроллера (модуль 14), который передает расчетную тепловую нагрузку конденсатора колонны модулю теплообменника. Применена процедура комбинирования стандартных модулей комплекса программ CHEMCAD для моделирования процессов ректификации, разработанная в работах [15–16]. Результаты расчета данной колонны приведены в табл. 2.

Результаты расчета колонны отгонки бензола

Параметр На входе На выходе
Дистиллят Кубовый остаток
Давление, МПа 0,5 0,3 0,3
Температура, °С 100 121 193
Массовый расход, т/ч 105,703 20,5 85,203
Диаметр колонны, м 4 4 4
Высота колонны, м 10 10 10
Тепловая нагрузка кипятильника, МДж/ч 389 915 389 915 389 915
Тепловая нагрузка конденсатора, МДж/ч –367 182 –367 182 –367 182
Расход паров ВОТ для обогрева кипятильника, т/ч 1 000 1 000 1 000
Расход воды для охлаждения конденсатора, т/ч 2 500 2 500 2 500
Массовая доля компонента, % мас.
C6H6 19,64 98,25 0,73
C6H5C2H5 50,09 1,56 61,77
C6H4(C2H5)2 27,21 0,19 33,71
C6H3(C2H5)3 3,06 3,79
Читайте также:  Установка автостекла в нашем сервисе

Вторая ректификационная колонна – колонна отгонки этилбензола (см. рисунок, модуль 7) моделируется модулем строгого расчета ректификации TOWR с использованием алгоритма Inside/Out. Число тарелок – 20, № тарелки питания – 10, массовый расход дистиллята – 53 500 кг/ч, паровое число – 9. Поток теплоносителя, подаваемого в кипятильник колонны, моделируется модулем теплообменника (модуль 31). Процесс теплопередачи моделируется модулем статического контроллера (модуль 30), который передает расчетную тепловую нагрузку кипятильника колонны модулю теплообменника с учетом знака. Поток воды, подаваемой для охлаждения конденсатора колонны, моделируется модулем теплообменника (модуль 17). Процесс теплопередачи также моделируется модулем статического контроллера (модуль 16), который передает расчетную тепловую нагрузку конденсатора колонны модулю теплообменника. Результаты расчета данной колонны приведены в табл. 3.

Результаты расчета колонны отгонки этилбензола

Параметр На входе На выходе
Дистиллят Кубовый остаток
Давление, МПа 0,3 0,2 0,2
Температура, °С 193 162 217
Массовый расход, т/ч 85,203 53,5 31,703
Диаметр колонны, м 4 4 4
Высота колонны, м 12 12 12
Тепловая нагрузка кипятильника, МДж/ч 83 337 83 337 83 337
Тепловая нагрузка конденсатора, МДж/ч –85 498 –85 498 –85 498
Расход паров ВОТ для обогрева кипятильника, т/ч 150 150 150
Расход воды для охлаждения конденсатора, т/ч 1 000 1 000 1 000
Массовая доля компонента, % мас.
C6H6 0,73 1,15
C6H5C2H5 61,77 98,38
C6H4(C2H5)2 33,71 0,47 89,81
C6H3(C2H5)3 3,79 10,19

Третья ректификационная колонна – колонна отгонки диэтилбензола (см. рисунок, модуль 8) моделируется модулем строгого расчета ректификации TOWR с использованием алгоритма Inside/Out. Число тарелок – 20, номер тарелки питания – 10, массовый расход кубового остатка – 3 245 кг/ч, флегмовое число – 2. Поток теплоносителя, подаваемого в кипятильник колонны, моделируется модулем теплообменника (см. рис. 1, модуль 33).

Процесс теплопередачи моделируется модулем статического контроллера (модуль 32), который передает расчетную тепловую нагрузку кипятильника колонны модулю теплообменника с учетом знака. Поток воды, подаваемой для охлаждения конденсатора колонны, моделируется модулем теплообменника (модуль 19). Процесс теплопередачи также моделируется модулем статического контроллера (модуль 18), который передает расчетную тепловую нагрузку конденсатора колонны модулю теплообменника. Результаты расчета данной колонны приведены в табл. 4.

Результаты расчета колонны отгонки диэтилбензола

Параметр На входе На выходе
Дистиллят Кубовый остаток
Давление, МПа 0,2 0,15 0,15
Температура, °С 217 199 286
Массовый расход, т/ч 31,703 28,46 3,24
Диаметр колонны, м 2,6 2,6 2,6
Высота колонны, м 12 12 12
Тепловая нагрузка кипятильника, МДж/ч 24 301 24 301 24 301
Тепловая нагрузка конденсатора, МДж/ч –25 388 –25 388 –25 388
Расход паров ВОТ для обогрева кипятильника, т/ч 350 350 350
Расход воды для охлаждения конденсатора, т/ч 1 000 1 000 1 000
Массовая доля компонента, % мас.
C6H4(C2H5)2 89,81 99,99 0,45
C6H3(C2H5)3 10,19 0,01 99,56

При расчете технологической схемы непрерывного алкилирования бензола для обеспечения сходимости рецикла используется метод простых итераций. Также использовано методическое обеспечение для решения задачи компьютерного моделирования энергои ресурсоемких химических производств, разработанное в работе [16].

Таким образом, проведено компьютерное моделирование крупнотоннажной технологической схемы процесса алкилирования бензола этиленом. Посредством разработанной модели возможно выявление неоптимальных режимов работы как отдельных аппаратов, так и технологической схемы в целом.

источник

Аппаратурное оформление процесса. Процесс алкилирования бензола этиленом в присутствии катализатора на основе AlCl3 является жидкофазным и протекает с выделением теплоты

Процесс алкилирования бензола этиленом в присутствии катализатора на основе AlCl3 является жидкофазным и протекает с выделением теплоты. Для проведения процесса можно предложить три типа реактора.Наиболее простым является трубчатый аппарат (рис.9.2.), в нижней части которого размещена мощная мешалка, предназначенная для эмульгирования катализаторного раствора и реагентов. Такой тип аппарата часто используется для организации периодического процесса.

Читайте также:  Установка дверного доводчика msm

Реагенты: бензол и этилен, а также катализаторный раствор подают в нижнюю часть реактора. Эмульсия поднимается вверх по трубам, охлаждаясь за счет воды, подаваемой в межтрубное пространство. Продукты синтеза (алкилаты), непрореагировавший бензол и этилен, а также катализаторный раствор выводятся из верхней части реактора и поступают в сепаратор. В сепараторе происходит отделение катализаторного раствора от остальных продуктов (алкилата). Катализаторный раствор возвращается в реактор, а алкилаты направляются на разделение.

Для обеспечения непрерывности процесса применяют каскад из 2-4 трубчатых реакторов.

Рис. 9.3. Каскад из двух реакторов.

Катализаторный раствор подают в оба реактора, реагенты – в верхнюю часть первого реактора. Оба реактора представляют пустотелые аппараты с мешалками. Тепло отводится с помощью воды, подаваемой в “рубашки”. Реакционная масса из верхней части первого реактора поступает в сепаратор, из которого нижний (катализаторный) слой возвращается в реактор, а верхний – поступает в следующий реактор. Из верхней части второго реактора реакционная масса также поступает в сепаратор. Нижний (катализаторный) слой из сепаратора поступает в реактор, а верхний слой (алкилаты) направляются на разделение.

Непрерывное алкилирование бензола этиленом можно проводить в барботажных колоннах.

Рис.9.4. Реактор колонного типа.

Внутренняя поверхность колонн защищена кислотоупорными плитками. Верхняя часть колонн заполнена кольцами Рашига, остальная часть- катализаторным раствором. Бензол и этилен подают в нижнюю часть колонны. Газообразный этилен, барботируя через колонну, интенсивно перемешивает реакционную массу. Конверсия реагентов зависит от высоты катализаторного слоя. Частично тепло отводится через “рубашку”, разделенную на секции, а остальная часть тепла – за счет нагрева реагентов и испарения избыточного количества бензола. Пары бензола вместе с другими газами поступают в конденсатор, в котором конденсируется главным образом бензол. Конденсат возвращают в реактор, а несконденсированные вещества выводят из системы для утилизации. В этом случае можно установить автотермический режим, варьируя давление и количество отходящих газов.

Процесс целесообразно проводит при давлении 0,15-0,20 МПа и незначительном количестве отходящих газов. В этом случае температура не превышает 100 0 С и уменьшается смолообразование.

Катализаторный раствор вместе с продуктами алкилирования и непрореагировавшим бензолом выводят из верхней части колонны (перед насадкой) и направляют в сепаратор. Нижний (катализаторный) слой возвращают в колонну, а верхний (алкилатный) слой направляют на разделение.

Список литературы.

1. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. Учебник для вузов, — М.: ИКЦ “Академкнига”, 2002, 560 с.

2. Ксензенко В.И. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. Учебник для вузов. – М.: “КолосС”, 2003, 328 с.

3. Соколов Р.С. Химическая технология. В двух томах. Учебное пособие для вузов, — М.: ГИЦ “Владос” , 2000, т.1- 367 с., т.2 – 449 с.

4. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г., Общая химическая технология. Учебник для вузов, — М.: ИКЦ “Академкнига”, 2005, 524 с.

5. Баранов Д.А., Кутепов А.М. Процессы и аппараты. Учебник для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. – М.: Академа, 2005, 302 с.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 11295 — | 7586 — или читать все.

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector