Обоснование технологии осуществления процесса сернокислотного алкилирования изобутана олефинами. Характеристика качества целевых и побочных продуктов. Алгоритм технологических расчётов реактора и сырьевого насоса, теплообменного оборудования, колонны.
При низкой оригинальности работы "Расчет реакторного блока установки сернокислотного алкилирования изобутана олефинами", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Серная кислота разбавляется водой не только содержащейся в сырье, но и образующейся в результате окисления углеводородов по реакции: CNH2n Н2SO4 > CNH2n-2 2Н2O SO2 . В свежей серной кислоте изобутан растворяется хуже, чем в кислоте, разбавленной небольшим количеством продуктов сульфирования и окисления ненасыщенных углеводородов, образующихся в результате побочных реакций и растворяющихся в кислоте. В первую зону реактора Р-1 подаются циркулирующий изобутан и серная кислота, эмульсия кислоты и изобутана последовательно проходит реакционные зоны и таким образом создается в каждой зоне большая кратность изобутан : бутилены и кислота : сырье. Отношение объемов катализатора и углеводородов в третьей секции равно: Количество алкилата, образующегося в третьей секции: Количество свежего изобутана, не вошедшего в реакцию (отработанного), равно: Тепловая нагрузка секции: Количество углеводородов, испаряющихся в третьей секции: или Время пребывания смеси углеводородов и кислоты: Время пребывания смеси (продолжительность контакта): Объемная скорость подачи олефинов: Объем углеводородов: Объемная скорость подачи олефинов: 1.2.4 Расчет четвертой секции Отношение объемов катализатора и углеводородов в четвертой секции равно: Количество алкилата, образующегося в четвертой секции: Количество свежего изобутана, не вошедшего в реакцию (отработанного), равно: Тепловая нагрузка секции: Количество углеводородов, испаряющихся в четвертой секции: или Время пребывания смеси углеводородов и кислоты: Время пребывания смеси (продолжительность контакта): Объемная скорость подачи олефинов: Объем углеводородов: Объемная скорость подачи олефинов: 1.2.5 Расчет пятой секцииВ проекте произвели расчет установки сернокислотного алкилирования изобутана олефинами мощностью 200 тыс.т/год. Произвели расчет материального баланса установки, технологический расчет, приведены характеристики качества целевых продуктов, катализаторов, побочных продуктов, механизм алкилирования изобутана, технология процесса.
Введение
алкилирование изобутан реактор колонна
В производстве автомобильных бензинов наблюдается тенденция к повышению их октанового числа, так как использование высокооктановых бензинов позволяет без увеличения габаритов повысить мощность карбюраторных двигателей с одновременным снижением удельного расхода топлива. Основные сорта бензина должны иметь октановое число порядка 93-95. Наряду с этим по соображениям охраны окружающей среды резко сокращается производство этилированных бензинов или значительно уменьшается содержание в них тетраалкилсвинца для снижения выбросов в атмосферу токсичных соединений углерода, серы и азота в составе выхлопных газов и отравляющего воздействия продуктов разложения тетраалкилсвинца на катализаторы дожигания выхлопных газов двигателя. В этой связи особенно целесообразно увеличение содержание высокооктановых изопарафиновых компонентов в автобензине, которые, имея высокое октановое число по исследовательскому методу обладает низкой чувствительностью.
В основе процессов производства высокооктановых изонарафиновов лежат реакции изомеризации н-парафинов и алкилированных парафиновых углеродов олефиновыми углеродами С2 - С5.
Алкилированием называют процессы введения алкильных групп в молекулы органических и некоторых неорганических веществ. Эти реакции имеют очень большое практическое значение для синтеза алкилированных в ядро ароматических соединений, изопарафинов, многих меркаптанов и сульфидов, аминов, веществ с простой эфирной связью, элемент- и металлорганических соединений, продуктов переработки -оксидов и ацетилена. Процессы алкилирования часто являются промежуточными стадиями в производстве мономеров, моющих веществ и т. д.
Многие из продуктов алкилирования производятся в очень крупных масштабах. Так, в США синтезируют ежегодно около 4 млн. т этилбензола, 1,6 млн. т изопропилбензола, 0,4 млн. т высших алкилбензолов, свыше 4 млн. т гликолей и других продуктов переработки алкиленоксидов, около 30 млн. т изопарафинового алкилата, около 1 млн. т трет-бутилметилового эфира и т. д.
По механизму реакции алкилирования относятся к двум основным группам: - реакции кислотно-каталитического алкилирования;
- реакции термического алкилирования.
В настоящее время практически весь объем промышленного производства моторных алкилатов основан на методе кислотно-каталитического алкилирования.
1. Литературный обзор
1.1 Сырье, продукты, катализаторы процесса алкилирования
В промышленных условиях в качестве сырья применяют узкие фракции углеводородов.
Из парафинистых углеводородов наибольшее практическое значения для алкилирования имеет изубутан, фракцию С3-С5 попутных нефтяных газов и газов нефтепереработки используют для получения изобутана. Высокое давление паров (520 КПА при 38 ?С) ограничивает возможность применения непосредственно как комплекта моторных топлив. При дефиците изобутана иногда в промышленных процессах алкилирования к изобутану добавляют изопентан (не более 20%).
Качество получающегося при сернокислотном алкилировании изобутана снижается в зависимости от используемого олефина в следующей последовательности: Бутилен-2 - бутилен-1 - изобутилен-2 - метилбутан-1 - 2-метилбутилен-2 - пентен-2 - пропилен. Примерно в такой же последовательности увеличивается расход изобутана и серной кислоты. В связи с этим в промышленных условиях алкилируют изобутан смесью бутиленов, которая может быть получена во многих крупномонтажных вторичной переработки нефти: термическом и каталитическом крекинге, деструктивной перегонке тяжелых остатков, коксовании, гидроформинге, гидрокрекинге.
Смесь, поступающая на алкилирование, содержит избыток изобутана по сравнению с олефинами. При использовании бутан-бутиленового сырья избыток изобутана составляет 10-15%. Часто принимают смесь пропилена и бутиленов, содержащую до 30% пропилена.
Продукцией процесса алкилирования, на примере сернокислотного алкилирования, являются легкий и тяжелый алкилаты, пропан, н-бутан, изобутан (при избыточном содержании в исходном сырье). Характеристика легкого алкилата (к.к. 180 ?С) ,используемого как высокооктановый компонент бензинов: плотность 690-720 кг/м3, октановое число 91-95 (по моторному методу), иодное число менее 1%, содержание фактических смол менее 2.
Тяжелый алкилат, выкипающий в интервале температур 185-310 ?С, плотностью 790-810 кг/м3 применяется в качестве компонента дизельного топлива и растворителя для различных целей.
Промышленная реализация процессов кислотно-каталитического алкилирования основано на использовании катализаторов Н2SO4, HF и компонентов ALCL3.
Серная кислота обладает значительно большей протонодонорной активностью, чем фтороводород - для 100% кислоты на два порядка выше. Однако уровень значений диэлектрических постоянных таков, что в обеих кислотах концентрация ионных пар незначительна, полярность растворителей обеспечивает независимость противоионов друг от друга. Значительно более высокие плотности, вязкость и поверхностное натяжение серной кислоты намного усложняют создание высокой поверхности раздела между фазами кислота - углеводороды по сравнению со фтороводородом. Особенно важным отличием фтороводорода является значительно большая (примерно на порядок) растворимость в нем изобутана. Скорость растворения алкенов в кислотах гораздо больше, чем изобутана.
В результате больших скорости растворения и растворимости изобутана во фтороводороде соотношение изобутан : алкен в реакционной зоне (в пленке кислоты, в которой идет реакция) значительно выше, чем в случае серной кислоты. Поэтому роль побочных реакций при применении в качестве катализатора фтороводорода меньше, чем при катализе серной кислотой. В результате выход основных продуктов реакции при фтороводородном алкилировании значительно выше, чем при сернокислотном. Значительно меньшая роль побочных реакций при фтороводородном алкилировании позволяет проводить процесс без искусственного охлаждения.
По мере использования кислот их концентрация снижается вследствие разбавления водой, содержащейся в сырье, и продуктами взаимодействия с углеводородами. Разбавление кислот водой снижает их протонодонорную активность очень сильно, разбавление углеводородными продуктами - в значительно меньшей степени. Поэтому для характеристики активности катализатора важна не столько концентрация кислоты, сколько содержание в ней воды. Серная кислота разбавляется водой не только содержащейся в сырье, но и образующейся в результате окисления углеводородов по реакции: CNH2n Н2SO4 > CNH2n-2 2Н2O SO2 .
По мере использования серной кислоты в ней накапливаются, помимо воды, продукты окисления и сульфирования ненасыщенных углеводородов. 88-90 % кислоту выводят из процесса. Этот предел разбавления используемой серной кислоты определяется следующим. Во-первых, по мере накопления в кислоте воды ухудшается растворимость в ней изобутана. Во-вторых, разбавление кислоты вызывает опасность коррозии оборудования. Наконец, снижается протонодонорная активность кислоты. Все эти причины возникают, в первую очередь, в результате разбавления кислоты водой, и если доля воды в кислотной фазе мала, то концентрация используемой кислоты может быть и несколько ниже указанной. Верхний предел содержания серной кислоты составляет 98% и определяется тем, что кислота более концентрированная имеет высокую температуру кристаллизации и повышенную активность относительно окисления и сульфирования углеводородов.
В свежей серной кислоте изобутан растворяется хуже, чем в кислоте, разбавленной небольшим количеством продуктов сульфирования и окисления ненасыщенных углеводородов, образующихся в результате побочных реакций и растворяющихся в кислоте. Поэтому результаты алкилирования в первые часы работы свежей кислоты постепенно улучшаются и достигают максимальных при 95-96% кислоте. Растворимость изобутана в кислоте повышается, и результаты алкилирования улучшаются при добавлении к свежей кислоте органических продуктов, выделенных из отработанной кислоты. Применяют также специально синтезируемые добавки к кислоте, повышающие растворимость в ней изобутана. Расход серной кислоты в зависимости от параметров процесса составляет 60 - 250 кг/м3 алкилата.
1.2 Механизм алкилирования изобутана
Процесс алкилирования изобутана алкенами применяется в нефтеперерабатывающей промышленности с целью получения высокооктанового компонента товарного бензина.
Реакция смещается вправо при понижении температуры, при температуре 300°К процесс можно считать необратимым.
Из алканов к каталитическому алкилированию способны только изоалканы, имеющие третичный атом углерода. Алкены могут быть различными, но чаще используют н-бутилены, алкилирующие изобутан с образованием С8Н18, наиболее пригодным как компонент моторного топлива: .
Целевой продукт алкилирования - изооктан - содержит смесь изомеров - 2,2,4; 2,2,4-, 2,3,4-, 2,3,3 -триметилпентан. Причина лежит в особенностях механизма реакции, осложненной процессами изомеризации. Общепринято, что каталитическое алкилирование изоалканов идет через промежуточные образования ионов карбония.
.
Вторичный ион карбония менее устойчив, чем третичный, вследствие чего происходит быстрый обмен гидрид-ионом с изопарафином: .
Образующийся третичный карбоний-катион реагирует с исходным олефином: .
Получившийся ион карбония склонен к внутримолекулярным перегруппировкам, сопровождающимся миграцией водорода и метильных групп.
Ионы карбония взаимодействуют с изобутаном, в результате чего получается С8Н18 и третичный бутил-катион:
Состав изомеров зависит как от стабильности промежуточных карбоний-ионов, так и от обменной скорости с изобутаном.
Побочные реакции: 1)
2) и т.д.
В результате побочных реакций получаются ненасыщенные полимеры, ухудшающие качество алкилата и ведущие к повышенному расходу катализатора.
Применение избытка изоалканов подавляет все побочные реакции, положительно влияет на выход и качество алкилата, повышает его октановое число, снижает расход катализатора, оптимальным является отношение изоалкан:алкен равное (4:6):1. С использованием серной кислоты в качестве катализатора температура процесса равна 5-15 °С, фтороводородной кислоты - 20-30 °С. Расход серной и фтороводородной кислот составляет 250кг и 0,7кг на тонну алкилата.
Рассмотрим процессы сернокислотного алкилирования и фтористоводородного алкилирования.
Сернокислотное алкилирование. Важными характеристиками для технологического оформления процессов жидкофазного алкилирования изобутана олефинами в присутствии H2SO4 являются взаимные растворимости изобутана и H2SO4. Растворимость изобутана в H2SO4 невелика и заметно снижается с уменьшением концентрации кислоты, (таблица 1).
Таблица 1 - Растворимость изобутана в H2SO4
Концентрация H2SO4 % (масс.) 99,5 98,7 96,5
Растворимость изобутана в H2SO4 при температуре 13,3 ?С % (масс) 0,10 0,07 0,04
Растворимость серной кислоты в изобутане имеет более низкие значения, вследствие чего необходимо применять интенсивное перемешивание реакционной смеси. При этом октановые характеристики сернокислотного алкилата находятся в прямой пропорциональной зависимости от степени диспергирования. Наилучшие по качеству алкилаты образуются при использовании 98 - 99%-ной H2SO4.
Химические свойства примесей в сырье оказывают различное влияние на степень разбавления H2SO4 в ходе реакции алкилирования. Более низкие температуры проведения реакции алкилирования и высокие соотношения изобутан/олефин благоприятно сказываются на выходе и составов алкилатов и расходе H2SO4.
Увеличение времени контакта в интервале 0,6 - 6,0 мин способствует повышению выхода алкилата и содержания фракции в алкилате при одновременном росте октанового числа.
1.3 Технология процесса алкилирования парафинов
В промышленности алкилированию чаще всего подвергают изобутан и значительно реже изопентан. Из олефинов наибольшее применение как алкилирующие агенты нашли н-бутены (смесь 1- и 2-изомеров), которые с изобутаном дают алкилат, богатый углеводородами С8 и часто называемый просто изооктаном. Нередко в качестве сырья берут бутан-бутеновую фракцию крекинг-газов, содержащую все необходимые реагенты и очищенную от бутандиена-1,3.
Реакционная масса представляет собой двухфазную систему, которую эмульгируют с помощью мешалок или питающих насосов. При использовании серной кислоты существенное значение имеет ее концентрация. Лучшие результаты получаются с 98 - 100% кислотой, но она постепенно разбавляется влагой, присутствующей в исходных реагентах. Минимально допустимой считается концентрация 88 - 90%, поэтому часть кислоты приходится все время отводить из системы и добавить свежую. Расход серной кислоты составляет обычно 5 - 7 кг на 100 л алкилата. В самом реакторе объемное отношение кислоты и углеводородов составляет 1 : 1 и даже доходит до 70% (об.) кислоты. Избыточный катализатор отделяют от углеводородов в сепараторе и возвращают на реакцию.
Для процесса применяют аппараты двух типов, различающиеся способом отвода выделяющегося тепла: при помощи внутреннего охлаждения жидким аммиаком (или пропаном) или за счет испарения избыточного изобутана. В первом случае в алкилаторе, снабженном мощной мешалкой, имеются охлаждающие трубы, в которых теплоноситель испаряется (рисунок 1).
Рисунок 1 - Трубчатый реактор
Его пары направляют затем на холодильную установку, где они снова превращаются в жидкость.
Более эффективен метод теплоотвода за счет испарения избыточного изобутана, что облегчает регулирование температуры. Один из интересных типов алкилаторов, работающих по этому принципу, изображен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Реактор - алкилатор
В нем реакционное пространство разделено перегородками на несколько секций с мешалками (каскады). Бутен подводится отдельно в каждую секцию, вследствие чего концентрация олефина в секциях очень мала, и это позволяет подавать побочную реакцию полимеризации. Серная кислота и изобутан поступают в первую секцию слева, и эмульсия перетекает через вертикальные перегородки из одной секции в другую. Вторая справа секция служит сепаратором, в котором кислота отделяется от углеводородов и возвращается на алкилирование. Через последнюю перегородку перетекает смесь углеводородов, поступающая на дальнейшую переработку.
2. Выбор и обоснование технологии осуществления процесса
Как показали исследования, реакция алкилирования в присутствии концентрированной серной кислоты протекает избирательно. Легче всего подвергаются алкилированию изобутан и изопентан, то есть парафиновые углеводороды, содержащие один третичный атом углерода в молекуле. Парафиновые углеводороды с четвертичным атомом углерода в молееуле типа 2,2-диметилбутанаалкилируется значительно труднее и при более жестких условиях. Парафиновые углеводороды нормального или изостроения, содержащие одновременно с третичным четвертичным атом углерода, например 2,2,4-триметилпентан, в присутствии серной кислоты практически не аклилируются.
Большее влияние на избирательность реакции и результаты процесса оказывает структура применяемого олефина.
Этот процесс предназначен для синтеза высокооктановых компонентов авиационных и автомобильных бензинов. На рисунке 3 представлена принципиальная технологическая схема установки сернокислотного алкилирования изобутана олефинами.
Сырье (бутан-бутиленовая фракция) насосом Н-1 предварительно охлаждается в ребойлере Т-1 за счет испарения циркулирующего изобутана и параллельными потоками поступает в реакционные зоны реактора Р-1. Каскадный реактор алкилирования, имеет 3-6 реакционных зон (секции). На некоторых установках используется 2 реактора. В первую зону реактора Р-1 подаются циркулирующий изобутан и серная кислота, эмульсия кислоты и изобутана последовательно проходит реакционные зоны и таким образом создается в каждой зоне большая кратность изобутан : бутилены и кислота : сырье. Давление в реакторе Р-1 регулируется за счет испарения изобутана.
После реакционной зоны смесь поступает в отстойную зону реактора. Из отстойной зоны серная кислота отводится на циркуляцию в первую зону реактора Р-1 или сбрасывается, а углеводородная смесь проходит нейтрализацию щелочью и промывку водой в промывном аппарате Е-6. При уменьшении концентрации кислоты меньше 88% она меняется на свежую. Углеводородная смесь после промывки идет на блок фракционирования, где последовательно из смеси выделяется изобутан в колонне К-2, н-бутан в колонне К-3 и легкий и тяжелый алкилаты в колонне К-4. Изобутан из колонны К-2 возвращается в первую зону реактора Р-1. При некотором избытке изобутана в исходном сырье предусмотрено его удаление.
Газообразные продукты после реактора Р-1 поступают в каплеотбойник С-2, компримируются в компрессоре ЦК-2 и после охлаждения в конденсаторе-холодильнике Т-3 поступают в пропановую колонну К-1, где от изобутана отделяется пропан и легкие газы метан и этан, образующиеся в реакторе вследствие побочных реакций.
На многих современных установках сернокислотного алкилирования углеводородный поток, выходящий из реактора, очищают бокситом и лишь затем нейтрализуют щелочью и промывают водой. Такая очистка нужна для отделения сложных эфиров, образующихся под действием катализатора.
Установки алкилирования необходимы нефтеперерабатывающей промышленности для получения бензинов с высоким октановым числом, так как алкилат является лучшей октаноповышающей добавкой. Алкилат не содержит ароматических и кислородсодержащих соединений, количество которых в моторных топливах лимитируется.
3. Характеристика качества сырья, целевых и побочных продуктов
№ п/п Наименование сырья, материалов, реагентов, катализаторов, полуфабрикатов, готовой продукции Показатели качества, подлежащие проверке Норма по нормативному документу (заполняется при необходимости) Область применения готовой продукции
1 2 3 4 5
1 Сырье: Изобутан 1.Фракционнный состав: а) температура плавления, °С -159,6 Сырье установки для осуществления процесса б) температура кипения, °С -11,73 в) плотность, кг/м3, при 25°С 0,551
2 Серная кислота 1) температура кипения, °С 279,6 Катализатор процесса для промативирования
4 Тяжелый алкилат 1 ) температура кипения, °С 185-310 Продукт
2) плотность, кг/м3 790-810
4. Технологические расчеты процесса и основных аппаратов
4.1 Расчет реактора
4.1.1 Расчет реактора
Реактор представляет собой 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.
В процессе алкилирования применяется 97%-ная серная кислота, которая отрабатывается до 90%-ной концентрации, считая на моногидрат - H2SO4. В таблице 1.4 приведено принятое в расчете снижение концентрации кислоты по секциям реактора.
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, % H2SO4 Средняя концентрация, % H2SO4
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.
Так как плотность серной кислоты зависит от концентрации, то в дальнейшем при определении ее объема следует пользоваться графиком (рис. 1.2) [7] и таблицей 1.3.
Рисунок 1.2 - График для определения плотности кислоты
Определим состав углеводородной массы, выходящей из первой секции. Согласно уравнению основной реакции алкилирования
, в нее вступает 36,76 кмоль/ч олефина и такое же число кмоль/ч свежего изобутана (табл. 1.4), поэтому выход алкилата составит: .
При этом количество свежего изобутана, не вошедшего в реакцию (отработанного) или .
В таблице 1.5 приведен состав углеводородов, покидающих первую секцию.
Таблица 1.5 - Состав углеводородов, покидающих первую секцию
Компоненты Мі Количество Состав, мол. % кг/ч м3/ч кмоль/ч
Тепловая нагрузка первой секции. Все внешние и внутренние материальные потоки реактора, по ранее принятому условию, имеют температуру Т = 278 К, поэтому тепловую нагрузку секции, без ущерба для точности расчета, принимаем равной теплу, которое выделяется в процессе алкилирования. Тепло основной реакции алкилирования по литературным данным [3] составляет 75-85% тепловой нагрузки секции. Приняв, что тепло основной реакции алкилирования составляет 80% тепловой нагрузки грузки секции q1, получим
, (1.5) или , (1.6) где Gал1 = 2878,78 кг/ч - количество алкилата, получаемого в первой секции (таблица 1.5);
qp = 1050 КДЖ/кг алкилата - теплота основной реакции алкилирования [3];
.
Давление в первой секции. Давление при температуре реакции Т = 278 К рассчитаем по уравнению изотермы жидкой фазы [9]: , (1.7) где Pi - давление насыщенных паров чистых углеводородов при Т = 278 К, определяется по диаграмме Кокса или таблицам [8]; х/i-мольные доли углеводородных компонентов (табл. 1.5); 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).
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, в котором все величины правой части известны [3]: ; (1.8)
;
;
Проводим проверку: По найденным концентрациям компонентов в парах и теплотам испарения чистых компонентов при Т = 278 К [9] находим по правилу аддитивности теплоту испарения r/m смеси паров. Весь расчет сведен в таблицу 1.6.
Таблица 1.6 - Расчет теплоты испарения
Компоненты y/i, мольные доли r /i, КДЖ/моль r /I · y/i, КДЖ/кмоль
Зная теплоту испарения смеси r/m и тепловую нагрузку секции Q1, определим количество паров углеводородов, образующихся в первой секции: ; (1.9)
.
Количества каждого компонента в парах найдем по формуле
(1.10)
Проводим проверку:
Анализируя сделанные расчеты, нетрудно сделать вывод, что практически весь теплосъем в первой секции осуществляется за счет испарения изобутана. Поэтому без большой ошибки количество испаряющегося изобутана можно определить из приближенного уравнения теплового баланса испарения
, (1.11) в котором количества паров пропилена и пропана считают равными количествам этих углеводородов в сырье. Таким образом
(1.12) или
Этот результат очень близок к полученному выше.
Объем кислоты и углеводородов в первой секции. Из практики эксплуатации установок алкилирования известно [7], что объемная скорость находится в пределах 0,1-0,6 ч -1. Примем объемную скорость w = 0,5 ч -1. Тогда объем кислоты в секции: , (1.13) где Voл1-2,2 м3/ч - количество олефина, подаваемого в секцию (табл. 1.4).
Получим: Зная, что отношение объема кислоты к объему углеводородов в первой секции ? 1 = 1,5, найдем объем углеводородов в секции: ; (1.14)
Суммарный объем кислоты и углеводородов в секции: ; (1.15)
Найдем продолжительность пребывания смеси углеводородов и кислоты (время контакта) в первой секции: , (1.16) где R1 = 342,14 м3/ч - объем смеси, поступающей в первую секцию (табл. 1.4).
Размеры первой секции. В реакционных аппаратах емкостного типа, если жидкая смесь реагирующих веществ не вспенивается, степень заполнения равна ? = 0,7 - 0,85 [8]. Примем ? = 0,7. Тогда полный объем первой секции: ; (1.17)
Принимая длину секции L = 2 м , найдем диаметр аппарата
; (1.18)
Принимаем D = 2,6 м.
Как указано выше, все пять реакционных секций аппарата будут иметь одинаковые размеры: D = 2,6 м, L = 2 м.
1.2.2 Расчет второй секции
Материальный баланс. При определении загрузки второй и всех остальных секций, в целях некоторого упрощения расчета, будем полагать, что вся пропан-пропиленовая фракция в любой секции испаряется полностью, а н-бутан, пентан и алкилат не испаряются. В соответствии со схемой работы реактора, количество сырья, подаваемого во вторую секцию, будет включать: - пятую часть исходного (олефинового) сырья (табл. 1.1);
- не вошедший в реакцию (отработанный) изобутан свежего сырья первой секции (табл. 1.5);
- рециркулирующий изобутан с учетом его частичного испарения в первой секции ;
- н-бутан и пентан из первой секции (табл. 1.5);
- алкилат, полученный в первой секции (табл. 1.5);
- серную кислоту из первой секции (табл. 1.4).
Количество рециркулирующего изобутана, поступающего во вторую секцию (табл. 1.5):
В таблице 1.7 приведены массовые и объемные количества компонентов загрузки второй секции с учетом изменения плотности серной кислоты от ее концентрации (табл. 1.3, рис. 1.2).
Таблица 1.7 - Массовые и объемные количества компонентов загрузки второй секции
Тепловая нагрузка второй секции. Вычисляется так же, как и для первой секции:
, (1.19) где Qал.2= 2878,78 кг/ч - количество алкилата, полученного во второй секции (табл. 1.7).
.
Количество углеводородов, испаряющихся во второй секции. При допущении, которое сделано при тепловом расчете первой секции, найдем количество изобутана, испаренного во второй секции: ; (1.20) или
Время пребывания смеси углеводородов и кислоты во второй секции. Полный объем второй секции такой же, как и первой: VP2 = VP1 = 10,5 м3. При степени заполнения ? = 0,7 объем смеси углеводородов и кислоты будет равен: ;(1.21)
Время пребывания смеси (продолжительность контакта) во второй секции: , (1.22) где R2 = 327,16 м3/ч - объем смеси, поступающей во вторую секцию (табл. 1.7);
Объемная скорость подачи олефинов. Объем кислоты во второй секции:
Объем углеводородов: ; (1.23)
.
Объемная скорость подачи олефинов: ; (1.24)
1.2.3 Расчет третьей секции
Все определения ведутся по аналогии с расчетом второй секции. Массовые и объемные количества компонентов загрузки даны в таблице 1.9.
Таблица 1.9 - Массовые и объемные количества компонентов загрузки третьей секции
Отношение объемов катализатора и углеводородов в третьей секции равно: Количество алкилата, образующегося в третьей секции: Количество свежего изобутана, не вошедшего в реакцию (отработанного), равно: Тепловая нагрузка секции:
Количество углеводородов, испаряющихся в третьей секции:
или
Время пребывания смеси углеводородов и кислоты:
Время пребывания смеси (продолжительность контакта):
Объемная скорость подачи олефинов:
Объем углеводородов: Объемная скорость подачи олефинов:
1.2.4 Расчет четвертой секции
Массовые и объемные количества компонентов загрузки даны в таблице 1.10.
Таблица 1.10 - Массовые и объемные количества компонентов загрузки четвертой секции
В этой зоне происходит разделение выходящих из пятой секции реактора углеводородов и серной кислоты.
Зная массовые количества жидких компонентов, покидающих пятую секцию (табл. 1.12), и их плотности, найдем объемное количество смеси. Оно составит Rm5 = 120,02 м3/ч. Принимая время отстоя ?0 = 60 мин и степень заполнения ? = 0,7, найдем объем зоны отстоя: ; (1.25)
Тогда длина зоны будет
; (1.26)
.
1.5 Объем реактора
Найдем общую длину цилиндрической части реактора
, (1.27) где - длина реакционной зоны.
.
Объем цилиндрической части реактора (практически равный его объему) будет равен
; (1.28)
4.2 Расчет сырьевого насоса
Производительность насоса находится по формуле: , (1.29) где m - масса жидкости, кг/ч. ? - плотность нефтепродукта, кг/м3.
Число оборотов насоса - 2950 об/мин, подача 120 м3/ч, напор 50 м.
4.3 Расчет верха ректификационной колонны К-1
В верхнюю часть колонны К-1 поступают пары из реактора. В результате ректификации в верхней части колонны эта смесь делится на следующие фракции пропана.
Для расчета парциального давления углеводородов необходимо найти молярные массы дистиллята и орошения. Для этого необходимо рассчитать долю отгона в сепараторе и исходя из нее определить молярную массу сырья подаваемого в верх колонны К-1. Расчет доли отгона в сепараторе произведем по программе ОИДР на ЭВМ (здесь расчет не приводится). В сепараторе идет разделение паров пропана и фракций бутана. Доля отгона в сепараторе составляет е = 0,34.
В проекте произвели расчет установки сернокислотного алкилирования изобутана олефинами мощностью 200 тыс.т/год.
Произвели расчет материального баланса установки, технологический расчет, приведены характеристики качества целевых продуктов, катализаторов, побочных продуктов, механизм алкилирования изобутана, технология процесса.
В разделе «Безопасность жизнедеятельности и экология» представлены основные опасности производства.
Дано подробное описание технологической схемы установки сернокислотного алкилирования.
Проект содержит расчет материального баланса реактора установки сернокислотного алкилирования мощностью 200000 т/год.
Графическая часть включает технологическую схему установки сернокислотного алкилирования изобутана олефинами с автоматизацией - один лист формата А1.
2 Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа - М.: Химия, 1973г., - 272 с.
3 Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа - Уфа: Гилем, 2002г, - 672 с.
4 Танатаров М.А. Технологические расчеты установок переработки нефти: Учеб. пособие для вузов - М.: Химия, 2014. 352 с.
5 Кузнецов А.А., Кагерманов С.М. и др. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. - Л.: Химия, 2012. - 343 с.
6 Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 448 с.
7 Козлов Б.И. Процессы алкилирования, изомеризации и полимеризации в нефтепереработке. -М. Химия, 2010 - 65 с.
8 Потехин В.В., Потехин В.М. Основы теории химических процессов технологии органических веществ и нефтепереработки: Учебник для ВУЗОВ. СПБ: ХИМИЗДАТ, 2005.
9 Лебедев Н.Н., Манаков М.Н., Швец В.Ф. Теории химических процессов органического и нефтехимического синтеза, М.: Химия, 2014.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
