- •Содержание
- •Введение
- •1. Аналитический обзор
- •2 Технологическая часть
- •2.1 Физико-химические основы процесса получения этилбензола в присутствии хлорида алюминия
- •2. 2 Технологическая схема процесса
- •2.3 Расчет материального баланса процесса производства этилбензола алкилированием в присутствии хлорида алюминия
- •2.4 Расчет основного аппарата
- •2.5 Расчет теплового баланса алкилатора
- •3. Экологическая часть
- •Заключение
- •Список использованных источников
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 ± 2 м3;
Производительность по этилбензолу в расчете на 1 м3алкилатора-180-200 кг/ч
Число аппаратов для обеспечения заданной производительности (при минимальной вместимости алкилатора):
n= 15778,9/(180• (38-2))=2,45 шт.
Таким образом, необходимо установить три аппарата, соединенные параллельно.
2.5 Расчет теплового баланса алкилатора
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
Исходные данные:
- материальные потоки, кмоль/с: этиленовая фракция 364,28/(3•3600) - 0,0337; технический бензол 595,59/(3•3600) = 0,055; диэтилбензол 28,30/(3•3600) = 0,0026; отходящие газы 145,553/(3•3600) = 0,0135; жидкий алкилат 623,52/(3•3600) = 0,0577;
- 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 + Фпom,
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 = 293К и отходящих газов при 90 + 273 = 363 К.
Тепловой поток этиленовой фракции:
Ф1 = 0,0037 • 43,92586 - 20 = 29,606КВт
Тепловой поток отходящих газов:
Ф5= 0,0135•47,17284•90 = 57,315KВт
Таблица 4
Средние молярные теплоемкости
Компонент |
Xi,% |
С i , Дж /(моль • К) |
С i • Xi /100,Дж /(моль • К) |
Этиленовая фракция: Метан СН4 |
16,2 |
34,7 |
5,6214 |
Ацетилен С2Н2 |
0,3 |
43,7 |
0,1311 |
Этилен С2H4 |
55,2 |
43,82 |
23,8819 |
Этан С2Н6 |
17,0 |
52,09 |
8,7511 |
Пропилен С3Н6 |
5,8 |
63,55 |
3,6859 |
Водород H2 |
1,2 |
28,82 |
0,6052 |
Азот N2 |
3,6 |
29,13 |
1,10694 |
Кислород O2 |
0,6 |
28,06 |
0,08418 |
Оксид углерода CO |
0,6 |
29,07 |
0,05814 |
Всего: |
100,0 |
- |
43,92586 |
Отходящие газы: Метан СН4 |
40,5 |
39,12 |
15,8436 |
Этилен С2Н4 |
1,4 |
50,62 |
0,70868 |
Пропилен С3Н6 |
42,0 |
61,69 |
25,9098 |
Водород H2 |
5,3 |
28,84 |
1,52852 |
Азот N2 |
9,5 |
29,43 |
2,79585 |
Кислород О2 |
0,8 |
29,83 |
0,23864 |
Оксид углерода CO |
0,5 |
29,55 |
0,14775 |
Всего: |
100,0 |
- |
47,17284 |
Тепловой поток технического бензола:
Ф2 = (0,055 +n6)- •134,218- • 20 -147,64 + 2684,36 •n6KBт
где n6 - количество циркулирующего бензола в системе холодильник -конденсатор - алкилатор, кмоль/с.
Определяем тепловой поток диэтилбензола, значение молярной теплоемкости диэтилбензола находим по справочнику:
Ф3 = 0,0026 • 369,06 • 20 = 19,191KBт
Рассчитываем теплоты реакций (1) - (7), КДж/моль, приведенные в табл. 5.
Таблиц5
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 =[1000/(3•3600)]•( 92,3•113,81+28,30•1,64+37,9•225,98+7,267•328,56+
+1,661 • 432,77 + 21,128 • 110,68 +1,093•27,50 + 0,0729•33,70) =2277,14
Общий приход теплоты составляет:
Фприх =29,606+147,64+2684,36• n6+19,191 + 2277,144 = (2473,583 +
+2684,36 • n6 )КВт
Для определения теплового потока алкилата рассчитываем его среднюю молярную теплоемкость при температуре 363 К:
С m= 152,07 • 0,649 +186,56 • 0,239 + 396,06 • 0,061 + 464,46 - 0,012 + 559,86 • 0,002 + 321,36 • 0,034 + 415,94 • 0,002 + 94,48 • 0,001 = =184,34Дж/моль• К
Тепловой поток жидкого алкилата:
Ф 6= 0,0577 • 1 84,34 • 90 = 957,278 КВт
Тепловой поток паров бензола:
Ф7 = 101,77 • 90 •n6 = 9159,3 • n6 КВт
Расход теплоты на испарение бензола:
Ф8 поm=78 • 391,3 •n6 = 30521,4 • n6 КВт
Принимаем, что потери в окружающую среду составляют 3% от общего прихода теплоты:
Ф поm = 0,03 • (2473,583 + 2684,36 • n6) = 74,207 + 80,53• n6 КВт
Общий расход теплоты:
Фрасх=57,3 15 + 957,278 + 9159,30• n6 +74,207 + 80,53 n6 + 30521,4• n6 = 1088,80 + 3976 1,23 • п6 КВт
Массовое количество циркулирующего бензола находится из условия равенства прихода и расхода теплоты:
2473,583 + 2684,36• n6 = 1 088,8 + 39761,23• n6 1384,783=37076,87 • n6 n6 = 0,03735кмолъ/с
Масса бензола, испаряющегося на стадии алкилирования:
0,03735•3•3600 = 403,38 кмоль/ч или 31463,64 кг/ч,
что составляет 31463,64/15778,9 = 1,99 т на 1 т получаемого этилбензола и соответствует оптимальному технологическому режиму.
Всего в алкилатор подают бензол (с учетом циркулирующего бензола):
595,59 4+403,38 = 998,97 кмоль/ч или 77919,66 кг/ч Общее массовое количество отходящих газов (с учетом испаряющегося бензола):
145,553 + 403,38 - 548,933 кмоль/ч или 34762,44 кг/ч Составляем материальный баланс стадии алкилирования (табл.6).
Таблица 6
Материальный баланс стадии алкилирования
Приход |
кмоль/ч |
кг/ч |
Расход |
кмоль/ч |
кг/ч |
Технический бензол, в т.ч.: |
999,026 |
77920,66 |
Отходящие газы |
548,933 |
34762,44 |
чистый бензол |
998,97 |
77919,66 |
Алкилат |
623,52 |
56822,24 |
примеси |
0,056 |
1,0 |
|
|
|
Этиленовая фракция |
364,28 |
9713,06 |
|
|
|
Диэтилбензол |
37,9 |
2956,2 |
|
|
|
Хлорид алюминия |
1,0 |
134,12 |
|
|
|
Всего: |
1402,206 |
90724,04 |
Всего: |
1172,453 |
91584,68 |
Невязка баланса:
По рассчитанному массовому количеству испаряющегося бензола уточняют тепловые потоки:
Ф2 = (0,055 + 0,03735) • 134,218 • 20 = 247,9 КВт
Ф7 = 0,03735•101,77•90 = 324,1 КВт Ф8 = 0,03735•78•391,3 = 1139,97 КВт
Тепловой поток отходящих газов:
57,315 + 324,1 = 399,415 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 |
2574,063
|
1,15
|
Тепловой поток отходящих газов |
2574,063 |
15,5 |
Тепловой поток технического бензола |
247,9
|
9,63
|
Тепловой поток алкилата |
957,278
|
37,2
|
Тепловой поток диэтилбензола |
19,191
|
0,75
|
Расход теплоты на испарение бензола |
1139,97
|
44,3
|
Тепловой поток процесса |
2277,366
|
88,47
|
Теплопотери в окружающую среду |
77,4
|
3
|
Всего: |
29,606 |
100,0 |
Всего: |
399,415 |
100,0 |