Файл: Научнотехнический обзор 5 1 Сырьё, продукты, катализаторы процесса алкилирования 5.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 110
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Источник: Рабинович В.А., Хавин З.Я. «Краткий химический справочник». Санкт-Петербург, «Химия», 2014
ГЛАВА 3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССА
3.1 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.
Рис. 4 Схема горизонтального каскадного реактора
1-5 - секции реактора; 6, 7 - отстойные зоны; 8 - мешалки; 9 - сепаратор
Источник: Рабинович В.А., Хавин З.Я. «Краткий химический справочник». Санкт-Петербург, «Химия», 2014.
Таблица 3
Исходные данные
| Вариант | Производительность, тыс.т/год | Число рабочих дней | Соотношение изобутан:олефины | Объемное соотношение кислоты и углеводородов |
| 7 | 200 | 330 | 8:1 | 1,5:1 |
Источник: Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. - М.: Химия, 1971
Принимаем производительность реактора П = 200000 т/г = 25252,5 кг/ч сырья, состав которого приводится в таблице 3.
Таблица 4
Состав сырья
| Показатели | Компоненты | Сумма | |||||
| | С3Н6 | С3Н8 | С4Н8 | i-С4Н10 | н-С4Н10 | С5Н12 | |
| Молекулярная масса Количество: кг/ч масс. доля | 42 151,52 0,6 | 44 404,04 1,6 | 56 7070,71 28 | 58 9292,93 36,8 | 58 8030,30 31,8 | 72 303,03 1,2 | - 25252,5 100 |
Источник: Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. - М.: Химия, 1971
Отношение изобутан:олефин равно 8:1. Тогда количество изобутана, которое необходимо подать в реактор.
(1)
где Go - количество олефина (бутилена) в исходном сырье, кг/ч; Ми, Мо - молекулярная масса, соответственно, изобутана и олефина.
Получим:
.Состав сырья, подаваемого в реактор, с учетом избыточного изобутана приведен в таблице 4
Таблица 5
Состав сырья с учетом избыточного изобутана
| Показатели | Компоненты | Сумма | |||||
| | С3Н6 | С3Н8 | С4Н8 | i-С4Н10 | н-С4Н10 | С5Н12 | |
| Количество: кг/ч масс. доля | 151,52 0,185 | 404,04 0,494 | 7070,71 8,637 | 58585,86 80,51 | 8030,30 9,81 | 303,03 0,37 | 74545,45 100 |
Источник: Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. - М.: Химия, 1971
В процессе алкилирования применяется 97%-ная серная кислота, которая отрабатывается до 90%-ной концентрации, считая на моногидрат - H2SО4. В таблице 5 приведено принятое в расчете снижение концентрации кислоты по секциям реактора.
В таблице 6 приведено принятое в расчете снижение концентрации кислоты по секциям реактора.
Таблица 6
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 |
Источник: Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа - М.: Химия, 1973.
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.
3.2 Расчет первой секции
Материальный баланс. Согласно схеме работы реактора (рис. 4), во все пять секций исходное сырье поступает параллельными и равными потоками.
Поэтому в первую секцию подается всего изобутана:
(3)
где Gис=58585,86 кг/ч - масса изобутана в исходном сырье (см. табл. 4);
Количество поступающего в первую секцию циркулирующего изобутана
,(3)
или
(4)
;
Состав загрузки первой секции реактора представлен в таблице 7.
Так как плотность серной кислоты зависит от концентрации, то в дальнейшем при определении ее объема следует пользоваться графиком (рис. 5) и таблицей 4
Таблица 7
Состав загрузки первой секции
| Компонент загрузки | Плотность при 278 К, кг/м3 | Мi | Количество | ||
| С3Н6 С3Н8 С4Н8 i-С4Н10(свежий) i-С4Н10(рециркулят) н-С4Н10 С5Н12 Сумма Катализатор Всего | 627,3 597,9 642 575,3 575,3 595 641 - 1820 - | 42 44 56 58 58 58 72 - - - | 30,30 80,81 14,1414 1858,59 42292,93 1606,06 60,61 54343,43 256873,21 311216,64 | 0,04 0,13 2,20 3,23 85,68 2,69 0,09 94,09 141,13 235,23 | 0,72 1,83 25,25 32,04 849,87 27,69 0,84 938,26 - - |
Так как плотность серной кислоты зависит от концентрации, то в дальнейшем при определении ее объема следует пользоваться графиком (рис. 5) и таблицей 4
Рис. 5 График для определения плотности кислоты
Источник: Рудин М.Г., Драбкин А.Е. Краткий справочник нефтепереработчика - Л.: Химия, 2010г
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 (см. табл. 6), поэтому выход алкилата составит:
.При этом количество свежего изобутана, не вошедшего в реакцию (отработанного)
или
.В таблице 7 приведен состав углеводородов, покидающих первую секцию.
Таблица 8
Состав углеводородов, покидающих первую секцию
| Компоненты | Мi | Количество | Состав, мол. % | ||
| | | кг/ч | м3/ч | кмоль/ч | |
| С3Н6 С3Н8 i-С4Н10(отработанный) i-С4Н10(рециркулят) н-С4Н10 С5Н12 Алкилат | 42 44 58 58 58 72 114 | 30,30 80,81 393,94 42292,93 1606,06 60,61 2878,78 | 0,04 0,13 0,68 85,68 2,69 0,09 4,02 | 0,72 1,83 6,79 849,87 27,69 0,84 25,25 | 0,07 0,20 0,74 93,08 3,03 0,09 2,76 |
| Сумма | - | 54343,43 | 93,37 | 913,01 | 100 |
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 составляет 75-85% тепловой нагрузки секции. Приняв, что тепло основной реакции алкилирования составляет 80% тепловой нагрузки грузки секции
q1, получим
(5)
или
(6)
где Gал1 = 2878,78 кг/ч - количество алкилата, получаемого в первой секции (см. таблица 7);
qp = 1050 кДж/кг алкилата - теплота основной реакции алкилирования;
.Давление в первой секции. Давление при температуре реакции Т = 278 К рассчитаем по уравнению изотермы жидкой фазы:
(7)
где Pi - давление насыщенных паров чистых углеводородов при Т = 278 К, определяется по диаграмме Кокса или таблицам; х/i-мольные доли углеводородных компонентов (см. табл. 7); 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:
(8)
;
;
Проводим проверку:
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 таблицу 8.