Алкилирование изопарафинов олефинами. Учебное пособие

Основные размеры

Соотношения размеров

Диаметр емкости или длина секции

Диаметр мешалки

Высота расположения мешалки над

дном

Глубина погружения мешалки

D или l

Dм = (0,5÷0,2)D

hм = (0,5÷1,0)d

м

H0 – hм = (2÷4)dм

где h = 0,11 м – высота сегментной стрелки под L-образной перегородкой.

Число лопастей мешалки n3 = 3.

Длина направляющих труб:

.

Рис. 2.3. Схема работы секции горизонтального

реактора алкилирования

Таблица 2.14 – Соотношения основных размеров пропеллерных мешалок

Количество труб конструктивно примем равным восьми.

Для отвода паров примем в верхней части смесителя 24 отверстия диаметром 0,05 м (рисунок 2.4).

71

Рис. 2.4. Схема смесителя: 1 – пропеллерный насос; 2 – трубы;

3 – трубная решетка; 4 – диффузор; 5 – отверстия для отвода пара;

6 – отверстия для отвода смеси реагирующих компонентов

Для отвода смеси реагирующих компонентов в нижней части смесителя примем девять овальных отверстий шириной 0,1 м и длиной 0,3 м (рисунок 2.4).

2.11 Мощность электроприводов смесителей и кислотного

насоса

Методы и расчетные формулы для определения мощности, потребляемой смесителями, изложены в литературе.

Необходимая мощность кислотного насоса определяется в зависимости от расхода кислоты, гидравлических сопротивлений при движении ее от насоса до первой секции и КПД насоса.

Для расчета мощности насосов рекомендуется пользоваться литературой. Подсчитав мощности приводов, следует рассчитать диаметры штуцеров для ввода и вывода продуктов и принять их окончательные размеры по существующим нормалям.

72

..

38

ср р см

t С

30

ср

вода

t С

Рис. 3.1. Принципиальная схема реактора фтористо-

водородного алкилирования

ГЛАВА 3

РАСЧЕТ РЕАКТОРА ФТОРИСТО-ВОДОРОДНОГО

АЛКИЛИРОВАНИЯ

(по данным ОАО «Нижегороднефтеоргсинтез»)

Реактор алкилирования представляет собой вертикальный кожухотрубчатый холодильник с U-образным трубным пучком, в трубное пространство которого подается охлаждающая вода, а реакция алкилирования протекает в межтрубном пространстве.

Принципиальная схема реак-

тора приведена на рисунке 3.1. Смесь олефинового сырья с циркулирующим изобутаном вводится в реактор 4-6 потоками по высоте аппарата через распылительные форсунки.

Ввод сырья несколькими по-

токами по высоте реактора обеспечивает более равномерное протекание реакции, уменьшает образование полимеров и позволяет избежать местных перегревов в реакционном объеме реактора. Циркулирующий катализатор HF вводится в нижнюю часть реактора-холодильника через распылительную форсунку. Продуктовая смесь выводится из верхней части аппарата и поступает в отстойник кислоты, откуда углеводородная часть направляется на фракционирование, а катализатор – на регенерацию.

Исходные данные для расчета берутся при средних температурах теплоносителей:

,

.

73

Расход

G

р.см.

,

кг/с

Кинематичес-

кая вязкость

м2/с

Теплоем-

кость

Дж/кг·К

Плотность

кг/ м3

Теплопро-

водность

Вт/ м·К

Темпера-

тура, °С

266,44

0,3023·10

-6

2611

698

0,2694

38

Расход

G

р.см.

,

кг/с

Кинематичес-

кая вязкость

м2/с

Теплоем-

кость

Дж/кг·К

Плотность

кг/ м3

Теплопро-

водность

Вт/ м·К

Темпера-

тура, °С

–

0,8007·10

-6

4185,2

995,8

0,6156

28

32

Таблица 3.1 – Исходные данные для реакционной смеси

Таблица 3.2 – Исходные данные для охлаждающей воды

узла

вещества – 97,11 %.

ными данными следующий, % мас. : алкилат (основной компонент 2,2,4-триметилпентан) – 97,11; изобутан – 0,06; н-бутан – 2,64; изопентан – 0,18.

сунке 3.2.

считывается по основным реакциям, протекающим в реакторе, а необходимый для этого расход охлаждающей воды находится из теплового баланса.

бутиленовой фракции (далее – ББФ) с изобутановой фракцией. Содержание воды в сырьевых потоках принимаем 10 ppm.

3.1. Материальный баланс основного технологического

Производительность установки по продукту – 375000 т/год. Количество рабочих дней в году – 344. Соотношение изобутана к олефиновым углеводородам – 15:1. Соотношение кислоты к углеводородам – 1,2. Алкилат соответствует СТО 2.14, массовая доля основного

Состав товарного алкилата в соответствии с производствен-

Схемы материальных потоков процесса приведены на ри-

Количество выделяющегося в результате реакции тепла рас-

Первая стадия на секции алкилирования – это смешение бутан-

74

Рис. 3.2. Схема материальных потоков секции алкилирования из

обутана олефинами

75

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т продукта кг/ч масс. доля

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т

продукта

кг/ч масс. доля

1

Бутан-бутеновая фракция

746,09 33 888,59 1,0000 1

Смесь углеводородов

1074,08 48786,28 1,0000

1.1

Пропан 1,49 67,78 0,0020 1.1 Пропан 2,48 112,47 0,0023

1.2 Пропен 0,75 33,89 0,0010 1.2 Пропен 0,75 33,89 0,0007

1.3

н-Бутан 67,00 3 043,20 0,0898 1.3 н-Бутан 80,38 3 651,01 0,0748

1.4

изо-Бутан 192,42 8 739,87 0,2579 1.4 изо -Бутан 504,00 22 892,35 0,4692

1.5

Бутены 480,48 21 824,25 0,6440 1.5 Бутены 480,48 21 824,25 0,4473

1.6

н-Пентан 0,01 0,68 0,0000 1.6 н-Пентан 0,30 13,64 0,0003

1.7

изо-Пентан 2,15 97,60 0,0029 1.7 изо-Пентан 3,89 176,85 0,0036

1.8

н-Пентен 1,79 81,33 0,0024 1.8 н-Пентен 1,79 81,33 0,0017

1.9

Вода 0,01 0,34 1,0E-05 1.9 Вода 0,01 0,49 1,0E-05

2

Изобутановая фракция

327,98 14 897,35 1,0000

2.1

Пропан 0,98 44,69 0,0030

2.2

н-Бутан 13,38 607,81 0,0408

2.3

изо-Бутан 311,58 14 152,48 0,9500

2.4

н-Пентан 0,29 12,96 0,0009

2.5

изо-Пентан 1,74 79,25 0,0053

2.6 Вода 0,00 0,15 1,0E-05

Итого 1074,08 48786,28 Итого 1074,08 48786,28

Таблица 5.1 - Стадия смешения ББФ и изобутана перед осушкой

Статьи прихода

Статьи расхода

Материальный баланс стадии смешения бутан-бутиленовой

фракции и изобутана приведен в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Стадия смешения ББФ и изобутана перед осушкой

це 3.4. Содержание воды после адсорберов до 1ppm.

кулирующем изобутаном. Зададим соотношение изобутан:олефины – 15:1. Материальный баланс стадии смешения углеводородов с циркулирующем изобутаном представлен в таблице 3.5.

с циркулирующей фтористо-водородной кислотой. Рассмотрим более подробно потоки движения HF кислоты.

ник кислоты, где отстаивается и выводится снизу на прием циркуля-

Материальный баланс стадии осушки сырья приведен в табли-

Осушенное олефиновое сырье поступает на смешение с цир-

Углеводородное сырье поступает в реактор, где смешивается

Циркулирующая кислота после реактора поступает в отстой-

76

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т продукта кг/ч масс. доля

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т

продукта

кг/ч масс. доля

1

Смесь углеводородов

1074,08 48786,28 1,0000 1

Смесь углеводородов

1074,07 48786,28 1,0000

1.1 Пропан

2,48 112,47

0,0023 1.1 Пропан

2,48 112,47

0,0023

1.2 Пропен

0,75 33,89

0,0007 1.2 Пропен

0,75 33,89

0,0007

1.3 н-Бутан

80,38 3 651,01

0,0748 1.3 н-Бутан

80,38 3 651,01

0,0748

1.4 изо-Бутан

504,00 22 892,35

0,4692 1.4 изо-Бутан

504,00 22 892,35

0,4692

1.5 Бутены

480,48 21 824,25

0,4473 1.5 Бутены

480,48 21 824,25

0,4473

1.6 н-Пентан

0,30 13,64

0,0003 1.6 н-Пентан

0,30 13,64

0,0003

1.7 изо-Пентан

3,89 176,85

0,0036 1.7 изо-Пентан

3,89 176,85

0,0036

1.8 н-Пентен

1,79 81,33

0,0017 1.8 н-Пентен

1,79 81,33

0,0017

1.9 Вода

0,01 0,49

1,0E-05 1.9 Вода

0,00 0,05

1,0E-06

2

Вода поглащенная адсорбентом

9,7E-03 0,44 1,0000

Итого 1074,08 48786,28 Итого 1074,08 48786,28

Таблица 5.2 - Стадия осушки сырья

Статьи прихода

Статьи расхода

ционного насоса кислоты, также в этот поток подмешивается кислота, унесенная с верха отстойника, кислота с регенерации.

Материальный баланс смешения кислоты представлен в таб-

лице 3.6.

Таблица 3.4 – Стадия осушки сырья

Углеводородное сырье поступает в реактор, где смешивается

с циркулирующей фтористо-водородной кислотой. Рассмотрим более подробно потоки движения HF кислоты.

Циркулирующая кислота после реактора поступает в отстойник кислоты, где отстаивается и выводится снизу на прием циркуляционного насоса кислоты, также в этот поток подмешивается кислота, унесенная с верха отстойника, кислота с регенерации.

Материальный баланс смешения кислоты представлен в таблице 3.6.

Часть кислоты для отделения полимера и воды направляется на регенерацию. Материальный баланс стадии распределения кислоты приведен в таблице 3.7.

77

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т продукта кг/ч масс. доля

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т

продукта

кг/ч м асс. доля

1

ББФ 746,09 33 888,59 1,0000 1

Смесь углеводородов

8731,78 396610,86 1,0000

1.1

Пропан 1,49 67,78 0,0020

1.1

Пропан 308,91 14 031,12

0,0354

1.2

Пропен

0,75 33,89 0,0010

1.2

Пропен

0,75 33,89

0,0001

1.3

н-Бутан 67,00 3 043,20 0,0898

1.3

н-Бутан 460,83 20 931,48

0,0528

1.4

изо-Бутан 192,42 8 739,87 0,2579

1.4

изо-Бутан 7 386,98 335 527,62

0,8460

1.5 Бутены

480,48 21 824,25 0,6440

1.5 Бутены

480,48 21 824,25

0,0550

1.6 н-Пентан

0,01 0,68 0,0000

1.6 н-Пентан

0,32 14,75

0,0000

1.7 изо-Пентан

2,15 97,60 0,0029

1.7 изо -Пентан

22,93 1 041,55

0,0026

1.8 н-Пентен

1,79 81,33 0,0024

1.8 н-Пентен

1,79 81,33

0,0002

1.9 Вода

0,00 0,03 0,0000

1.9 А лкилат

68,79 3 124,48

0,0079

2

Изобутановая фракция

327,98 14 897,35 1,0000 1.10

Вода 0,01 0,40 1,0E-06

2.1

Пропан 0,98 44,69 0,0030

2.2

н-Бутан 13,38 607,81 0,0408

2.3

изо-Бутан 311,58 14 152,48 0,9500

2.4

н-Пентан 0,29 12,96 0,0009

2.5

изо-Пентан 1,74 79,25 0,0053

2.6

Вода 0,00 0,01 0,0000

3

Циркулирующий изобутан

7657,71 347 824,68 1,0000

3.1

Пропан 306,43 13 918,65 0,0400

3.2

н-Бутан 380,45 17 280,47 0,0497

3.3

изо-Бутан 6 882,98 312 635,27 0,8988

3.4 н-Пентан

0,02 1,11 0,0000

3.5 изо-Пентан

19,04 864,69 0,0025

3.6 Алкилат

68,79 3 124,48 0,0090

3.7 Вода

0,01 0,35

1,0E-06

Итого 8731,78 396610,62 Итого 8731,78 396610,62

Таблица 5.3 - Материальный баланс стадии смешения углеводородов

Статьи прихода

Статьи расхода

Таблица 3.5 – Стадия смешения углеводородов с циркулирующим изобутаном

Фтористо-водородная кислота в процессе работы установки уносится с потоками реакции, расходуется на образование фторпроизводных углеводородов. Для поддержания общего количества кислоты необходимо подпитывать. Норму расхода кислоты берем из опытных данных в количестве 0,4 кг на тонну товарного алкилата. Материальный баланс подпитки кислотной смеси свежей HF приведен в таблице 3.8.

78

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т продукта кг/ч масс. доля

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т

продукта

кг/ч масс. доля

1

Кислота из сепаратора V3005

110,15 5 003,20 1,0000 1

Кислота после смешения

11907,27 540 846,23 1,0000

1.1

HF

104,86 4 763,05

0,9520

1.1

HF

10 486,33 476 304,92

0,8807

1.2

Пропан

0,66 30,02

0,0060

1.2

Пропан

177,62 8 067,66

0,0149

1.3

изо-Бутан

4,41 200,13

0,0400

1.3

изо-Бутан

308,77 14 024,88

0,0259

1.4

н-Бутан 0,22 10,01

0,0020

1.4

н-Бутан 344,70 15 656,62

0,0289

1.5

Вода 0,00 0,01

1,0E-06

1.5

Полимер

589,86 26 792,15

0,0495

2

Кислота из сепаратора V3003

11 797,12 535 843,03 1,0000

1.6

Вода

0,01 0,54

1,0E-06

2.1

HF

10 381,47 471 541,87

0,8800

2.2

Пропан

176,96 8 037,65

0,0150

2.3

изо-Бутан

304,37 13 824,75

0,0258

2.4

н-Бутан 344,48 15 646,62

0,0292

2.5

Полимер

589,86 26 792,15

0,0500

2.6

Вода 0,01 0,54

1,0E-06

Итого 11 907,27 540 846,23 11907,27 540 846,23

Статьи расхода

Таблица 5.4 - Материальный баланс смесителя после сепараторов V3003 и V3005

Статьи прихо да

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т продукта кг/ч масс. доля

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т

продукта

кг/ч масс. доля

1

Кислота после смешения

11 907,27 540 846,23 1,0000 1

Кислота на подпитку

11897,52 540 403,55 1,0000

1.1

HF

10 486,33 476 304,92

0,8807

1.1

HF

10 477,74 475 914,59

0,8807

1.2

Пропан

177,62 8 067,66

0,0149

1.2

Пропан

177,47 8 061,05

0,0149

1.3

изо-Бутан

308,77 14 024,88

0,0259

1.3

изо-Бутан

308,52 14 013,38

0,0259

1.4

н-Бутан 344,70 15 656,62

0,0289

1.4

н-Бутан 344,41 15 643,79

0,0289

1.5

Полимер

589,86 26 792,15

0,0495

1.5

Полимер

589,37 26 770,20

0,0495

1.6

Вода

0,01 0,54

1,0E-06

1.6

Вода

0,01 0,54

0,0000

2

Кислота на регенерацию

9,76 443,22 1,0000

1.1

HF

8,59 390,33

0,8807

1.2

Пропан

0,15 6,61

0,0149

1.3

изо-Бутан

0,25 11,49

0,0259

1.4

н-Бутан 0,28 12,83

0,0289

1.5

Полимер

0,48 21,96

0,0495

1.6

Вода

9,8E-06 4,4E-04

1,0E-06

Итого 11907,27 540 846,77 Итого 11907,28 540 846,77

Таблица 5.5 - Материальный баланс распределения кислоты

Статьи прихо да

Статьи расхода

Таблица 3.6 – Стадия смешения кислоты

Таблица 3.7 – Стадия распределения кислоты

79

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т продукта кг/ч м асс. доля

№

пото

ка

Наименование

потоков и

компонентов

кг/т

продукта

кг/ч масс. доля

1

Кислота на подпитку

11 897,52 540 403,55 1,0000 1

Кислотная смесь в реактор

11897,93 540 421,87 1,0000

1.1

HF

10 477,74 475 914,59

0,8807

1.1

HF

10 478,14 475 932,75

0,8807

1.2

Пропан

177,47 8 061,05

0,0149

1.2

Пропан

177,47 8 061,05

0,0149

1.3

изо-Бутан

308,52 14 013,38

0,0259

1.3

изо-Бутан

308,52 14 013,38

0,0259

1.4

н-Бутан 344,41 15 643,79

0,0289

1.4

н-Бутан 344,41 15 643,79

0,0289

1.5

Полимер

589,37 26 770,20

0,0495

1.5

Полимер

589,37 26 770,20

0,0495

1.6

Вода

0,01 0,54

1,0E-06

1.6

Вода

0,01 0,61

1,1E-06

2

Свежая кислота 0,40 18,32 1,0000

1.7 Прочее 0,00 0,07 0,0000

2.1

НF

0,40 18,17

0,9920

2.2

Вода

0,00 0,07

0,0040

2.3

Прочее 0,00 0,07

0,0040

Итого 11897,93 540 421,87 Итого 11897,93 540 421,87

Статьи прихода

Статьи расхода

Таблица 5.6 - Материальный баланс подпитки кислотной смеси свежей HF

(3.1)

Таблица 3.8 – Материальный баланс подпитки кислотной смеси свежей HF

Далее кислотная смесь поступает в реактор. В реакторе алкилирования проходит основная реакция взаимодействия ББФ и изобутаном под действием фтористо-водородной кислоты с образованием целевого продукта – алкилата по реакции

Наряду с основной реакцией идут побочные с образованием полимера и фторпроизводных. По производственным данным задаемся селективностью по полимеру (1 %) и селективностью по образова-

80