Практика №7 Тема: Процесс каталитического алкилирования парафиновых и ароматических углеводородов олефинами

Процесс алкилирования изобутана пропиленом и бутиленами предназначен для получения алкилатов - высокооктановых ком­понентов бензина. Алкилирование бензола пропиленом проводят с целью /получения изопропилбензола - также высокооктанового компонента бензина, либо с целью получения сырья для - произ­водства фенола и ацетона. В результате алкилирования бензола этиленом получают этилбензол, который путем дегидрирования превращают в стирол - сырье для производства каучука. Ката­лизаторами алкилирования изобутана олефинами чаще всего слу­жат серная и фтористоводородная кислоты. При алкилировании ароматических углеводородов олефинами применяют ортофосфорную кислоту на твердом носителе и хлористый алюминий.

Сернокислотное алкилировакие изобутана бутиленами осуще­ствляют при 0-10°С и 0,757- 0,858 МПа. Для подавле­ния реакции полимеризации олефинов создают в реакторе избыток (мольный) изобутана, составляющий 6-10:1 на оле-фины. Объемное соотношение между углеводородной и сернокис­лотной фазами в реакторе поддерживают от 1:1 до 1:2, В реактор подают 98%-ную свежую кислоту, а выводят от­работанную - концентрацией менее 90%. Продолжительность контакта кислоты с сырьем 20-30 мин. Расходуется кисло­ты обычно 16-18% масс., а в отдельных случаях до 20% масс, на алкилат.

Выход продуктов алкилирования (алкилата) можно принять равным 180-200% масс, от олефинов, вступивших в реакцию. Причем 90-95% всего алкилата приходится на компонент авиа­ционного бензина (авиаалкилат) и лишь 5-10% на компонент автомобильного (автоалкилат). Реакция алкилирования изобута­на бутиленом сопровождается выделением тепла: 1381 кДж/кг бутиленов или от 732,5 до 962,7 кДж/кг алкилата. Объемная скорость подачи сырья в реактор 0,39-0,40 ч^-1. Сер­нокислотное алкилирование осуществляют в реакторах двух ти­пов: турбосмесительном и каскадном.

В табл 2. приведены примеры технологического режима ра­боты и качество продуктов блока ректификации установки серно­кислотного алкилировакия изобутана бутиленами.

Таблица 7

Технологический режим работы установки и качество продуктов

Показатели	Колонна
	пропановая	изобутановая	бутановая	вторичный перегонки
Давление, МПа	1,60-1,70	0,65-0,70	0,45-0,50	не более 0,13
Температура, оС верха низа	40-45 85-100	45-55 95-120	45-50 125-135	100-115 до 220
Углеводородный состав сырья, % объемн. С3 изо-С4Н10 н-С4Н10 С5 и выше	2,0 89,0 9,0 -	1,5 66,0 15,0 17,5	- 1,5 32,0 66,5	- - - 100
Углеводородный состав ректификата, % объемн. С3 изо-С4Н10 н-С4Н10 С5 и выше	95,0 5,0 - -	2,0 89,0 9,0 -	- 2,8 71,0 26,2	- - - -

При составлении материального баланса установки алкилирования подсчитывают количество каждого компонента в исходном сырье и изобутана, вступающего в реакцию, по уравнению

т. е. на 1 моль изобутана требуется 1 моль бутилена. Отсюда на 58 кг изобутана потребуется 56 кг бутиленов. Массовое отноше­ние а изобутана к бутиленам составляет

Практически массовое соотношение реагирующих изобутана и бутиленов от 1,1: 1 до 1,2:1.

Выход алкилата определяют по количеству изобутана и бути­ленов, вступивших в реакцию. В состав отработанной бутан-бутиленовой фракции входят н-бутан, изобутан и бутилены, не во­шедшие в реакцию. Выход пропана равен его содержанию в ис­ходном сырье.

Для определения размеров и числа реакторов алскилирования изабутана бутиленами вычисляют объем углеводородной и кис­лотной фаз; реакционный объем - по продолжительности пребы­вания (сырья или по объемной скорости его подали; число стандартных реакторов либо диаметр и высоту реакционной части реактора - по реакционному объему. В случае выбора реактора турбосмесительного типа следует учесть пространство, занимае­мое теплоотводящими трубами внутренним диаметром 48 мм. В стандартном реакторе число теплоотводящих труб 324. Длина каждой трубы 5,05 м.

Фтористоводородное алкилирование изобутана бутиленами проводят при 25-40 °С и 0,8-1,16 МПа. Теплоту реакции снимают циркулирующей водой. Соотношение изобутана и бути­ленов 6-10:1. Продолжительность контакта сырья с кис­лотой 5-10 мин при объемном их соотношении 1:1. Концентра­ция фтористоводородной кислоты 80-90%. Расход катализатора не превышает 1 кг/т алкилата.

Фосфорнокислотное алкилирование бензола пропиленом осуществляют при 225-250 °С, 3,0-4,0 МПа, мольном отношении бензол : пропилен = 3,0-3,5 : 1 или массовом отноше­нии 5-6: 1, объемной скорости подачи сырья 3,0-4,0 ч^-1 и глу­бине превращения пропилена 85%. Для поддержания активно­сти катализатора в сырье вводят 2% масс, водяного пара. На 1 кг катализатора получают 0,78-0,80 м³ изопропилбензола. Ка­тализатор работает 30 сут, затем его заменяют свежим. Теплоту реакции снимают кипящей водой, циркулирующей по межтруб­ному пространству. Теплота реакции при 250 °С 98,0 кДж/моль пропилена. При проведении процесса в реакторе камерного типа, где катализатор расположен слоями, теплоту реакции сни­мают холодным пропаном, подаваемым между слоями катали­затора.

Бензол алкилируют пропиленом в присутствии хлористого алюминия в паровой фазе в реакторе типа теплообменного аппа­рата в трубках реактора находится катализатор, а по межтрубному пространству для - отвода тепла реакций циркулирует мас­ло. Циркулирующее масло отдает тепло сырью в теплообменнике, охлаждается в холодильнике и вновь возвращается в реактор. Процесс осуществляют при следующих условиях:

Температура в зоне реакции, °С ....... ………………………..250-300

Давление в реакторе, МПа ........ …………………………..1,7-2,0

Мольное соотношение бензол : пропилен ................................ 3:1

Средняя продолжительность работы катализатора, ч….. 700

Расход катализатора, кг/м³ изопропилбензола ……………… 1,2

Пример 1. Составить материальный баланс установки алкилирования бутан-бутиленовой фракции производительностью 68000 т/год по сырью, если известно: состав сырья (в % масс.): С₃Н₆ 1,2; С₃Н₈; изо-С₄Н₈ 5,5; н- С₄Н₈ 26,6; изо-С₄Н₁₀ 38,8;н-С₄Н₁₀ 26,6; массовое отношение реагирующего изобутана к олефинам 1,1:1; алкилат состоит на 90% из авиаалкилата и на 10% из ав-тоалкилата; глубина превращения пропилена и бутиленов 100%.

Решение. Подсчитывают общую массу олефинов

Определяют массу изобутана, вступившего в реакцию

Рассчитывают выход алкилата

в том числе

авиаалкилата

автоалкилата

Результаты подсчетов сводят в таблицу:

Сырье	% масс.	т/год	Продукт	% масс.	т/год
Приход			Расход
С3Н6 С3Н8 изо - С4Н8 н-С4Н8 изо -С4Н10 н-С4Н10	1,2 1,3 5,5 26,6 38,8 26,6	780 820 3760 18100 26420 18110	Авиаалкилат Автоалкилат Отработанная бутан-бутиленовая фракция Пропан	63,0 7,0 28,7 1,3	42808 4757 19615 820

Пример 2. На установке сернокислотного алкилирования бутан-бутиленовой фракции перерабатывают 70000 т/год сырья. Определить выход авиаалкилата и автоалкилата, если известно, что в исходной смеси содержится олефинов 31,4% масс.

Решение. Принимают выход всего алкилата равным 175% от олефинов, а авиаалкилата 90% от всего алкилата. Определяют выход всего алкилата

Подсчитывают выход авиаалкилата

Находят выход автоалкилата

Пример 3. Составить материальный баланс установки серно­кислотного алкилирования бензола пропиленом, если известно: состав сырья — пропан-пропиленовой фракции (в % масс.): С₃Н₆ 38,27; С₃Н₈ 55,47; С₄Н₈ 2,94; С₄Н₁₀ 3,32; производительность уста­новки 20000 т/год по пропан-пропиленовой фракции; глубина превращения пропилена 99%, бутиленов 100%; число рабочих дней в году 310; массовое соотношение изопропилбензола и поли-изопропилбензола 8:1.

Решение. Подсчитывают массу пропилена, вступившего в ре­акцию

Определяют массу бутиленов, вступивших в реакцию

Находят массу бензола, вступившего в реакцию с пропиленом

с бутиленом

т. е. всего 14920 т/год.

где М₁, М₂, М₃ - молекулярная масса пропилена, бутиленов и бензола. Определяют массу образующегося изопропилбензола

Подсчитывают массу полиизопропилбензола

Выход полиалкилбензола слагается из выходов полиизопропил­бензола и бутилбензола

G₇=820+588+2400=3808 т/год

Результаты подсчетов сводят в таблицу:

Сырье	% масс.	т/сут	т/год	Продукт	% масс.	т/сут	т/год
Приход				Расход
Бензол Пропан-пропиленовая фракция	42,7 57,3	48,1 64,5	14920 20000	Изопроиплбензол Полиалкилбензол Отработанная пропан-пропиленовая фракция	55,3 10,9 33,8	62,2 12,3 38,1	19300 3808 11812
Итого	100,0	112,6	34920	Итого	100,0	112,6	34920

Пример 4. Определить объем реакционного пространства ре­актора установки сернокислотного алкилирования бутан-бутиле­новой фракции, если известно: объемное соотношение углеводо­родного сырья реактора и кислоты 1:1, производительность уста­новки по сырью G_с=8000 кг/ч; плотность жидкой бутан-бутилено­вой фракции d²⁰₄=0,602; продолжительность контакта в реакторе τ=20 мин; содержание олефинов в сырье 31,4% масс.; массовое отношение циркулирующего изобутана к олефинам 6:1; темпера­тура реакции 0 °С.

Решение. Определяют объем сырья, поступившего в реактор в течение 20 мин

где 603 — плотность изобутана при 0 °С, кг/м³.

Подсчитывают объем реакционного пространства

V_р.п.=12,8∙2=25,6 м³

Задачи

№1. Составить материальный баланс установки алкилирования бутан-бу­тиленовой фракции производительностью 60000 т/год, если известно: состав сырья (в % масс.): С₃Н₈ 2,9; изо-С₄Н₁₀ 37,0; н- и изо-С₄Н₈ 24,5; н-С₄Н₁₀ 23,2; С₅Н₁₀ 5,5; С₅Н₁₂ 6,9; глубина превращения бутиленов 100 % и амиленов 95%; алкилат состоит из 95% авиаалкилата и 5% автоалкилата; общая масса изо­бутана, вступающего в реакцию, 102% от бутиленов.

№2. На установке сернокислотного алкилирования бутан-бутиленовой фракции перерабатывают 50000 т/год сырья. Определить выход алкилата если содержание олефинов в исходной смеси составляет 41,6% масс.

№3. Составить материальный баланс реактора и установки алкилирования бензола пропиленом в присутствии фосфорнокислого катализатора, если известно; производительность установки 60000 т/год по пропан-пропиленовой фракции; содержание пропилена в пропан-пропиленовой фракции 30% масс.; мольное соотношение бензола и пропилена на входе в реактор 3:1; глубина превращения пропилена Х=94%; содержание изопропилбензола в алкилате 88,3%.

№4. Определить объем реакционного пространства и массу циркулирую­щей 90%-ной кислоты на установке сернокислотного алкилирования бутан-бу­тиленовой фракции, если известно: производительность установки по сырью О_с = 12000 кг/ч; плотность жидкого сырья d²⁰₄=0,600; объемное соотношение серной кислоты и углеводородной смеси 1:1; массовое отношение циркули­рующего изобутана к бутиленам 6:1; содержание бутиленов в сырье 35,0% масс; продолжительность контакта кислоты с сырьем в реакторе τ=30 мин.

№5. Определить объем реактора каскадного типа на установке сернокис­лотного алкилирования бутан-бутиленовой фракции, если известно: произво­дительность установки по бутан-бутиленовой фракции 6000 кг/ч; при кратно­сти циркуляции изобутана к олефинам 9:1 и объемном отношении кислоты к углеводородам 1:1 объемная скорость подачи сырья в реактор ω=0,4 ч^-1; плотность жидкой бутан-бутиленовой фракции d²⁰₄ = 0,608.

№6. Определить объем реактора каскадного типа и расход кислоты на установке сернокислотного алкилирования бутан-бутиленовой фракции, если известно; производительность установки 10000 кг/ч по бутан-бутиленовой фракции; содержание бутиленов в сырье 28,6% масс.; объемная скорость по­дачи сырья в реактор ω =0,39 ч^-1 при кратности циркуляции изобутана к оле­финам 9:1 и объемном отношении кислоты к углеводородам 1:1; удельный расход кислоты 100 кг/т алкилата; плотность сырья в жидком состоянии

d²⁰₄ =0,606.

№7. Определить количество снимаемого тепла и объем реакционного про­странства на установке алкилирования бензола пропиленом в присутствии ор­тофосфорной кислоты, если известно; производительность установки 40000 кг/ч по пропан-пропиленовой фракции; содержание пропилена в про­пан-пропиленовой фракции 30% масс.; объемная скорость подачи сырья ω =3,0 ч-¹ (при мольном отношении бензол : пропилен=3: 1); плотность жид­кой пропан-пропиленовой фракции d²⁰₄=0,520; число рабочих дней в году 310; глубина превращения пропилена Х=94%; теплота реакции q_p=98 кДж/молъ изопропилбензола.