Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Алкилирование изоалканов алкенами. Учебное пособие
.pdf
61
8. Определяют мольное отношение изобутан : олефии для каждой
секции реактора.
9. Определяют объемное количество смеси на выходе из послед-
ней секции реактора и, задаваясь временем отстоя, находят объем, а затем длину отстойной зоны.
10. Определяют общую длину реактора и его объем. Если длина
аппарата получается чрезмерно большой, следует сократить длину секции или увеличить объемную скорость питания, не выходя за пределы
рекомендуемых величин.
11. Выбирают тип мешалки и определяют ее основные размеры.
Находят обычными методами мощность электроприводов смесителей
и кислотного насоса.
Пример расчета. Для получения относительно большего количества высококачественного алкилата и нормальной работы реактора требуется избыток изобутана. Мольное отношение изобутан : бутилен
необходимо поддерживать в пределах от 6:1 до 10:1. Чем выше это отношение, тем выше выход алкилата. Примем отношение изобутан : олефин, равным 9:1. Тогда количество изобутана, которое необходимо подать в реактор, следующее:
,
где G0 – количество олефина (бутилена) в исходном сырье, кг/ч;
Ми, М0 – молекулярная масса изобутана и олефина соответственно.
Получим:
.
Состав сырья, подаваемого в реактор, с учетом избыточного изобутана приведен в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Состав сырья, подаваемого в реактор, с учетом
избыточного изобутана
Показа-
тели
Компоненты
Сумма
С3Н
6
С3Н8
С4Н6
i-С4Н10
n-С4Н10
С5Н12
Количе-
ство,
кг/ч
900,165
2400,494
41958,63
3912080,5
47659,81
1950,401
48605100
62
Алкилирование осуществляется в реакторе, реакционная зона которого состоит из пяти (N = 5) последовательных и равных по размерам
секций. Реактор совмещен с отстойной зоной для кислоты (рис. 5.1).
Исходное сырье (см. табл. 5.1) подается в секции параллельно
и в равных количествах, а циркулирующие изобутан и катализатор –
последовательно. Во вторую и последующие секции вместе с катализатором и циркулирующим изобутаном подаются продукты реакции
и непрореагировавшие углеводороды.
На основе промышленных данных примем для первой секции реактора отношение объемов, подаваемых в нее кислоты, и углеводородов а = 1,2. Как будет показано в расчете, это отношение от секции
к секции будет увеличиваться.
В процессе алкилирования применяется 97 % серная кислота, которая отрабатывается до 90 % концентрации, считая на моногидрат –
H2SO4. В табл. 5.3 приведено принятое в расчете снижение концентрации кислоты по секциям реактора.
Таблица 5.3
Снижение концентрации кислоты по секциям реактора
Секции
Снижение концентрации
кислоты H2SO4, %
Средняя концентрация
H2SO4, %
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
В промышленной практике реакция алкилирования изопарафи-
нов олефинами осуществляется при температуре 275–283 К. Примем
в нашем случае 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 алкилирования,
образуя соответствующее количество алкилата.
63
5 .2. Р а с ч е т п е р в о й с е к ц и и
Материальный баланс. Согласно схеме работы реактора
(см. рис. 5.1) во все его 5 секций исходное сырье (см. табл. 5.1) посту-
пает параллельными и равными потоками. Поэтому в первую секцию
подается изобутана
где G
ис
= 5515 кг/ч – масса изобутана в исходном сырье (см. табл. 5.1).
Количество поступающего в первую секцию циркулирующего
изобутана:
или
Состав загрузки первой секции реактора дается в табл. 5.4.
Так как плотность серной кислоты зависит от концентрации, то
в дальнейшем при определении ее объема следует пользоваться графиком (рис. 5.2) и табл. 5.3.
Определим состав углеводородной массы, выходящей из первой
секции. Уравнение основной реакции алкилирования:
изо-С4Н10 + С4Н6 = С8Н
18.
В нее вступает 15 кмоль/ч олефина и такое же число кмоль/ч све-
жего изобутана (табл. 5.4).
Поэтому выход алкилата составит
.
Выход алкилата можно рассчитать следующим образом:
где 15 – количество бутилена, кмоль/ч; 114 – средняя молекулярная
масса алкилата.
64
Таблица 5.4
Состав загрузки первой секции реактора
Компоненты загрузки
Плот-
ность при
278 К,
кг/м3
М
i
Количество
кг/ч
м3/ч
кмоль/ч
С3Н
6
С3Н
8
С4Н
8
изо-С4Н
10
(свежий)
изо-С4Н
10
(рециркулят)
н-С4Н
10
С5Н
12
Сумма
Катализатор
Всего
627,3
597,9
642
575,3
575,3
595
641
–
1820
–
42
44
56
58
58
58
72
–
–
–
18
48
893
1103
33605
953
39
36605
138502
175107
0,0287
0,0803
1,3
1,92
58,4
1,61
0,061
63,4
76,1
139,5
0,43
1,09
15
19
579,4
16,5
0,54
631,96
–
–
Незначительное расхождение в расчетах выхода алкилата объяс-
няется округлением числовых значений молекулярных масс. При этом
количество свежего изобутана, не вошедшего в реакцию (отработанного), следующее:
или
.
Рис. 5.2. График для определения плотности кислоты
65
В табл. 5.5 приведен состав углеводородов, покидающих первую
секцию.
Тепловая нагрузка первой секции. Все внешние и внутренние ма-
териальные потоки реактора по ранее принятому условию имеют температуру Т = 278 К, поэтому тепловую нагрузку секции принимаем равной
теплу, которое выделяется в процессе алкилирования. Тепло основной реакции алкилирования, по литературным данным, составляет 75–85 % теп-
ловой нагрузки секции. Приняв, что тепло основной реакции алкилирования составляет 80 % тепловой нагрузки секции Q1, получим
или
где G
ал.1
= 1709 кг/ч – количество алкилата, получаемого в первой секции (табл. 5.5); qp = 1050 кДж/кг алкилата – теплота основной реакции
алкилирования.
Таблица 5.5
Состав углеводородов, покидающих первую секцию
Компоненты
Мi
Количество
Состав,
% мол.
кг/ч
м3/ч
кмоль/ч
С3Н
6
С3Н
8
изо-С4Н
10
(свежий)
изо-С4Н
10
(рециркулят)
н-С4Н
10
С5Н
12
Алкилат (С8Н18)
Сумма
42
44
58
58
58
72
114
–
18
48
233
33605
953
39
1709
36605
0,0287
0,0803
0,405
58,4
1,61
0,061
2,39*
62,98
0,43
1,09
4
579,4
16,5
0,54
15
616,96
0,07
0,18
0,65
93,95
2,64
0,09
2,42
100
Давление в первой секции. Давление при температуре реакции
Т = 278 К рассчитаем по уравнению изотермы жидкой фазы:
66
где Pi – давление насыщенных паров чистых углеводородов при
Т = 278 К, определяется по диаграмме Кокса или таблицам; x'i – мольные доли углеводородных компонентов (табл. 5.5); Рк – давление насыщенного пара серной кислоты (при Т = 278 К принимается равным
нулю, так как температура ее кипения при нормальном давлении значительно выше 573 К).
Имеем
Во всех остальных секциях принимается такое же давление.
Количество углеводородов, испаряющихся в первой секции.
Пары, уходящие из секции, находятся в равновесии с испаряющейся
жидкостью. Их состав может быть определен по каждому компоненту
из уравнения равновесия фаз:
Получим
,
,
67
Проверка:
По найденным концентрациям компонентов в парах и теплотам
испарения чистых компонентов при Т = 278 К находим по правилу аддитивности теплоту испарения r'm смеси паров. Весь расчет сведен
в табл. 5.6.
Таблица 5.6
Расчет теплоты испарения смеси паров
Компоненты
, мол. доли
, кДж/кмоль
,
кДж/кмоль
С3Н
6
С3Н
8
изо-С4Н10
н-С4Н
10
С5Н
12
Алкилат (С8Н18)
Сумма
0,0026
0,0055
0,970
0,0182
0,000153
0,000075
15600
16200
20400
22000
27400
42300
–
40,5
89
19700
400
4,2
3,2
r'm = 20237
Зная теплоту испарения смеси г'm и тепловую нагрузку секции Q1,
определим количество паров углеводородов, образующихся в первой
секции:
.
Количество каждого компонента в парах найдем по формуле
.
Получим
,
68
,
,
,
.
Проверка:
.
Анализируя сделанные расчеты, видим, что практически весь
теплосъем в первой секции осуществляется за счет испарения изобутана. Поэтому количество испаряющегося изобутана можно определить из приближенного уравнения теплового баланса испарения, в котором количества паров пропилена и пропана считают равными количествам этих углеводородов в сырье:
.
Таким образом,
.
Этот результат очень близок к полученному ранее.
Можно также определить количества испаренных в секции углеводородов методом Трегубова. При этом за исходный должен быть принят мольный состав углеводородов, выходящих из секции
(см. табл. 5.5). Результаты такого расчета будут очень близки к полученным ранее.
Объем кислоты и углеводородов в первой секции. Следует разли-
чать время пребывания ингредиентов в секции реактора
69
и продолжительность реакции. Последняя в проточных аппаратах определяется объемной скоростью питания реактора сырьем и находится
опытным путем. При алкилировании изоалканов алкенами под объемной скоростью понимают объемное количество олефинов, подаваемое
в 1 ч за единицу объема катализатора, находящегося в секции (истинная
реакционная зона).
Известно, что с уменьшением объемной скорости понижается
сортность алкилата. Из практики эксплуатации алкилирующих установок известно, что объемная скорость находится в пределах 0,1–0,6 ч−1.
Примем для нашего случая объемную скорость w = 0,2 ч−1. Тогда объем
кислоты в секции:
,
где V
ол.1
= 1,3 м3/ч – количество олефина, подаваемого в секцию
(см. табл. 5.4).
Получим
.
Зная, что отношение объема кислоты к объему углеводородов
в первой секции α1 = 1,2, найдем объем углеводородов в секции:
.
Суммарный объем кислоты и углеводородов в секции:
.
Найдем продолжительность пребывания смеси углеводородов
и кислоты (время контакта) в первой секции:
где R1 = 139,5 м3/ч – объем смеси, поступающей в первую секцию
(см. табл. 5.4).
Размеры первой секции. В реакционных аппаратах емкостного
типа, если жидкая смесь реагирующих веществ не вспенивается, степень заполнения равна φ = 0,7 ÷ 0,85. Примем φ = 0,7. Тогда полный
объем первой секции:
70
.
Принимая длину секции l = 2 м, найдем диаметр аппарата:
.
Принимаем D = 3,4 м.
Как было указано в начале расчета, все 5 реакционных секций аппарата будут иметь одинаковые размеры: D = 3,4 м, l = 2 м.
5 .3. Р а с ч е т в т о р о й с е к ц и и
Материальный баланс. При определении загрузки второй секции
(и всех остальных) будем полагать, что вся пропан-пропиленовая фракция в любой секции испаряется полностью, а н-бутан, пентан и алкилат
не испаряются совсем. С учетом сказанного и в соответствии со схемой
работы реактора количество сырья, подаваемого во вторую секцию, будет включать:
– пятую часть исходного (олефинового) сырья (см. табл. 5.1);
– не вошедший в реакцию (отработанный) изобутан свежего сырья первой секции (табл. 5.5);
– рециркулирующий изобутан с учетом его частичного испарения в первой секции;
– н-бутан и пентан из первой секции (см. табл. 5.5);
– алкилат, полученный в первой секции (см. табл. 5.5);
– серную кислоту из первой секции (см. табл. 5.4).
Количество рециркулирующего изобутана, поступающего во
вторую секцию (см. табл. 5.5):
или
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]