1 Расчет процесса алкилирования изобутана олефинами

Назначением процесса каталитического алкилирования изобутана олефинами является производство высокооктанового компонента бензинов. Целевой продукт (алкилат), состоящий практически из изопарафинов, имеет высокое октановое число (90-95 по моторному методу). Октановое число основного компонента алкилата - изооктана (2,2,4-триметилпентана) принято за 100.

На современных установках алкилирования применяют горизонтальные каскадные реакторы, в которых охлаждение реакционной смеси осуществляется за счет частичного испарения изобутана, что облегчает регулирование температуры. Реактор представляет собой (рисунок 1.1) полый горизонтальный цилиндр, разделенный перегородками обычно на 5 секций (каскадов) с мешалками, обеспечивающими интенсивный контакт кислоты с сырьем. Бутилен подводится отдельно в каждую секцию, вследствие чего концентрация олефина в секциях очень мала, это позволяет подавить побочные реакции. Серная кислота и изобутан поступают в первую секцию, и эмульсия протекает через вертикальные перегородки из одной секции в другую. Предпоследняя секция служит сепаратором, в котором кислота отделяется от углеводородов. Через последнюю перегородку перетекает продукт алкилирования, поступающий на фракционирование. Тепло реакции снимается частичным испарением циркулирующего изобутана и полным испарением пропана, содержащегося в сырье [1].

1-5 – секции реактора; 6, 7 – отстойные зоны; 8 – мешалки; 9 - сепаратор

Рисунок 1.1 – Схема горизонтального каскадного реактора

1.1 Исходные данные

Исходными данными для расчета являются производительность реактора по исходному сырью, состав сырья, а также принимаемые на основе промышленных и лабораторных данных: температура реакции, мольное отношение изопарафин:олефин, объемное отно­шение катализатор: углеводороды в реакционной системе, число секций в реакторе и снижение концентрации катализатора в каж­дой секции.

Задачей расчета реактора является определение выходов алкилата и тепловых нагрузок каждой секции, давления в системе, раз­меров реактора и мешалки, мощности электродвигателя. В таблице 1.1 представлены варианты исходных данных для расчета реактора алкилирования.

Таблица 1.1 – Варианты заданий для расчета реактора алкилирования

Вариант	Производительность, тыс.т/год	Число рабочих дней	Соотношение изобутан:олефины	Объемное соотношение кислоты и углеводородов
1	300	340	6:1	1,1:1
2	270	330	8:1	1,5:1
3	60	335	7:1	2:1
4	100	350	9:1	1,8:1
5	150	340	8:1	1,7:1
6	80	330	7:1	1,2:1
7	110	335	9:1	1,3:1
8	120	342	6:1	1,6:1
9	250	345	10:1	1,9:1
10	180	340	8:1	1,8:1
11	200	350	7:1	1:1
12	150	330	9:1	1,1:1
13	220	335	6:1	1,5:1
14	240	340	10:1	2:1
15	300	350	8:1	1,8:1
16	280	335	6:1	1,6:1
17	100	338	10:1	1,1:1
18	150	340	9:1	1,3:1
19	250	350	7:1	1,8:1
20	200	345	6:1	1:1
21	140	337	8:1	1,5:1
22	300	335	6:1	1,4:1
23	150	350	9:1	2:1
24	270	340	10:1	1,5:1
25	120	345	8:1	1,9:1
26	250	350	9:1	1,6:1
27	200	330	6:1	1,5:1
28	300	335	7:1	1,2:1
29	150	345	10:1	1,3:1
30	220	350	9:1	1,7:1

Принимаем производительность реактора П = 300000 т/г = 36764,7 кг/ч сырья, состав кото­рого приводится в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Состав сырья

Показатели	Компоненты							Сумма
	С3Н6	С3Н8	С4Н8	i-С4Н10	н-С4Н10	С5Н12
Молекулярная масса Количество: кг/ч масс. доля	42 220,59 0,6	44 588,24 1,6	56 10294,12 28	58 13529,41 36,8	58 11691,17 31,8	72 441,18 1,2	- 36764,7 100

Для подавления реакций полимеризации олефинов создают в реакторе избыток (мольный) изобутана, составляющий 6-10:1 на олефины [2]. Чрезмерное повышение этого соотношения увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты, поэтому поддерживать его выше 10:1 нерентабельно.

Примем отношение изобутан:олефин равным 9:1. То­гда количество изобутана, которое необходимо подать в реактор

, (1.1)

где G_o — количество олефина (бутилена) в исходном сырье, кг/ч; М_и, М_о — молекулярная масса соответственно изобутана и оле­фина.

Получим

.

Состав сырья, подаваемого в реактор, с учетом избыточного изобутана приведен в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Состав сырья с учетом избыточного изобутана

Показатели	Компоненты							Сумма
	С3Н6	С3Н8	С4Н8	i-С4Н10	н-С4Н10	С5Н12
Количество: кг/ч масс. доля	220,59 0,185	588,24 0,494	10294,12 8,637	95955,90 80,51	11691,17 9,81	441,18 0,37	119191,2 100

Оптимальное объемное соотношение кислоты и углеводородов в реакционной зоне составляет от 1:1 до 2:1. Произведение соотношения кислота:углеводороды на время пребывания углеводородов в реакторе определяет истинную продолжительность реакции [4].

На основе промышленных данных [5] примем для пер­вой секции реактора отношение объемов подаваемых в нее кисло­ты и углеводородов α= 1,2. Как будет показано в расчете, это отношение от секции к секции будет увеличиваться.

В процессе алкилирования применяется 97%-ная серная кис­лота, которая отрабатывается до 90%-ной концентрации, считая на моногидрат — H₂SО₄. В таблице 1.4 приведено принятое в рас­чете снижение концентрации кислоты по секциям реактора.

Таблица 1.4 – Снижение концентрации кислоты по секциям реактора

Секции	Снижение концентрации кислоты, % H2SО4	Средняя концентрация, % H2SО4
1 2 3 4 5	97 – 96 = 1 96 – 94,5 = 1,5 94,5 – 93 = 1,5 93 – 91,5 = 1,5 91,5 – 90 = 1,5	96,5 95,25 93,75 92,25 90,75

Алкилирование осуществляется при низкой температуре. Пределы температуры сернокислотного алкилирования от 273 до 283 К [6]. Примем температуру реакции Т = 278 К. Будем считать, что углеводороды и кислота загружаются в реак­тор также при температуре Т = 278 К.

В дальнейшем при расчете всех секций реактора будем полагать, что:

- пропилен, пропан, н-бутан и пентан, находящиеся в сырье, в реакцию не вступают, поэтому их количества в процессе остаются неизменными;

- вся масса олефинов вступает в реакцию алкилиропания, образуя со­ответствующее количество алкилата.