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
Продолжение таблицы 1. Состав этиленовой фракции.
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
Продолжение таблицы 2. Состав отходящих газов.
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

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
Продолжение таблицы 3. Состав алкилата
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;

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