ВУЗ: Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Химия
Добавлен: 14.02.2019
Просмотров: 2446
Скачиваний: 11
Р
ис.7.2.
Колонна синтеза метанола:
1 –теплообменник, 2 –холодный байпас, 3 –электроподогреватель, 4 –катализатор.
После каждого слоя катализатора, кроме последнего, в колонну вводят определенное количество холодного циркуляционного газа для поддержания необходимой температуры. После пятого слоя катализатора газ направляется в теплообменник, где охлаждается до 1300С и выходит из колонны.
Размещение теплообменника внутри корпуса колонны, подача смешанного газа в колонну синтеза метанола через кольцевой зазор между катализаторной коробкой и корпусом колонны, значительно снижает потери тепла в окружающую среду ( принцип наилучшего использования энергии).
Процесс производства метанола при низком давлении включает практически те же стадии, но имеет некоторые особенности.
Рис.7.3. Схема производства метанола при давлении 5 МПа:
1, 10 –турбокомпрессоры, 2 –подогреватель природного газа, 3 –реактор гидрирования сернистых соединений, 4 –адсорбер, 5 –трубчатый конвектор, 6 –котел-утилизатор, 7, 11, 12 –теплообменники, 8, 14 –холодильники-конденсаторы, 9, 15 –сепараторы, 13 –колонна синтеза, 16 –сборник.
Природный газ сжимается турбокомпрессором 1 до давления 3 МПа, подогревается в подогревателе 2 за счет сжигания в межтрубном пространстве природного газа и направляется на сероочистку в аппараты 3 и 4, где последовательно осуществляется каталитическое гидрирование органических соединений серы и поглощение образующегося сероводорода адсорбентом на основе оксида цинка. После этого газ смешивается с водяным паром и диоксидом углерода в соотношении СН4 : Н2О : СО2 = 1 : 3,3 : 0,24. Смесь направляют в трубчатый конвектор 5, где на никелевом катализаторе происходит пароуглекислотная конверсия при температуре 850-8700С. Теплоту, необходимую для конверсии, получают в результате сжигания природного газа в специальных горелках. Конвертированный газ поступает в котел-утилизатор 6, где охлаждается до 280-2900С. Затем теплоту газа используют в теплообменнике 7 для подогрева питательной воды, направляемой в котел-утилизатор. Пройдя воздушный холодильник 8 и сепаратор 9, газ охлаждается до 35-400. Охлажденный конвертированный газ сжимают до 5 МПа в компрессоре 10, смешивают с циркуляционным газом и подают в теплообменники 11, 12, где он нагревается до 220-2300С. Нагретая газовая смесь поступает в колонну синтеза 13, температурный режим в которой регулируют с помощью холодных байпасов. Далее газовая смесь охлаждается в холодильнике-конденсаторе 14, сконденсировавшийся метанол-сырец отделяется в сепараторе 15 и поступает в сборник 16. Циркуляционный газ возвращается на синтез, продувочные газы отдают на сжигание в трубчатую печь.
Вследствие снижения температуры синтеза при низком давлении процесс осуществляется в условиях, близких к равновесию, что позволяет увеличить производительность агрегата.
Новые направления в развитии производства метанола
Расширение сферы применения метанола требует энергичных мер по совершенствованию его производства. Можно выделить несколько основных направлений, по которым намечено осуществлять техническое совершенствование процесса. Это укрупнение мощности единичного оборудования, использование бесконверсионной переработки синтез-газа, комбинирование синтеза метанола с производством других продуктов азотной промышленности, применение центробежных компрессоров. Надежность работы центробежных компрессоров, как наиболее сложного и ответственного машинного оборудования технологической линии, является в то же время критерием надежности и стабильности работы агрегата синтеза в целом.
Глава 8.
Производство уксусной кислоты окислением ацетальдегида.
Области применения: для получения лекарственных и душистых веществ, в производстве ацетата целлюлозы, в пищевой промышленности и т.д. Уксусная кислота- слабая (диссоциирует в водном растворе только частично). Тем не менее, поскольку кислотная среда подавляет жизнедеятельность организмов, ее используют при консервировании пищевых продуктов.
В природе уксусная кислота распространена в свободном виде или в виде солей и сложных эфиров в растениях (в зеленых листьях), в выделениях животных (моче, желчи), образуется при гниении и брожении (в кислом молоке, сыре, вине).
Уксусная кислота обладает большой коррозийной активностью, растворяет многие металлы, что необходимо учитывать при выборе материалов для аппаратуры.
В промышленности уксусную кислоту получают окислением ацетальдегида:
СН3СНО + 0,5О2 = СН3СООН (8.1.)
Это сложная, экзотермическая, гомогенная, необратимая, каталитическая реакция, протекающая в жидкой фазе.
Наряду с основной протекают побочные реакции:
2СН3СНО + 1,5О2 = СН3СООСН3 + Н2О + СО2 (8.2.) – образование метилацетата
3СН3СНО + О2 = СН3СН(ОСОСН3)2 + Н2О (8.3.) – образование этилидендиацетата.
Процесс проводят в интервале температур 50-800С. При температурах выше 800С равновесие смещается в сторону исходных веществ, так как развивается высокая летучесть ацетальдегида.
Так как помимо основной реакции (1) протекают побочные (2,3), то необходимо создать условия для взаимодействия исходных компонентов по пути образования уксусной кислоты. Поскольку в рабочем интервале температур все реакции необратимы, то оптимальные условия проведения процесса должны обеспечить высокую скорость основной реакции по отношению к скоростям побочных реакций. Процесс необходимо проводить в присутствии селективного катализатора.
В производстве уксусной кислоты используют в качестве катализатора ацетат марганца Mn(CH3COO)2 , в качестве растворителя водный раствор уксусной кислоты (циркулирующую уксусную кислоту), а в качестве окислительного газа – кислород воздуха.
Технологическая схема производства уксусной кислоты.
Производство уксусной кислоты окислением ацетальдегида состоит из следующих последовательных стадий:
- окисление ацетальдегида,
- выделение непрореагировавшего ацетальдегида из паро-газа,
- выделение уксусной кислоты из реакционной смеси и ее очистка.
Растворы катализатора и ацетальдегида в циркуляционной уксусной кислоте подаются из смесителей 1 и 2 в нижнюю часть окислительной колонны- реактора барботажного типа 3. Температурный режим в колонне поддерживается с помощью размещенных в ней охлаждающих змеевиков, по которым циркулирует вода. По всей высоте в колонну через несколько труб подается под давлением кислород, который барботирует через жидкость, заполняющую колонну. Парогазовая смесь, содержащая продукты окисления, выводится из колонны 3 через брызгоуловитель 4 и поступает в конденсатор 5, охлаждаемый рассолом, и из него в сепаратор 6. Из сепаратора конденсат, состоящий из уксусной кислоты и ацетальдегида, возвращается в окислительную колонну, а несконденсировавшиеся газы промываются водой. Их выпускают в атмосферу. Для предотвращения возможности взрыва парогазовая смесь, выходящая из колонны, разбавляется азотом, который подается в брызгоуловитель 4. Жидкая уксусная кислота, выходящая из брызгоуловителя колонны 3, делится на два потока. Один поток (циркуляционная кислота) направляется в смесители 1 и 2 для приготовления растворов катализатора и ацетальдегида. Второй поток поступает на ректификацию в колонну 7 для получения товарного продукта. Из нижней части колонны 7 выводится в виде кубового остатка раствор катализатора, поступающий на регенерацию.
Товарный продукт – 97,5-98,5% уксусная кислота.
Рис.8.1. Технологическая схема производства уксусной кислоты.
1- смеситель катализаторного раствора, 2- смеситель раствора ацетальдегида, 3- окислительная колонна (реактор), 4- брызгоуловитель, 4- рассольный конденсатор, 6- сепаратор, 7- ректификационная колонна.
Аппаратурное оформление процесса.
Основной аппарат технологической схемы – окислительная колонна. Она представляет собой цилиндр с расширенной верхней частью, играющей роль брызгоуловителя, высотой 12 метров и диаметром 1 метр. Колонна изготовлена из алюминия или хромоникелевой стали, мало подверженных коррозии в уксуснокислой среде. Внутри колонна имеет полки, между которыми расположены змеевековые холодильники для отвода реакционного тепла и несколько труб для подачи кислорода.
Глава 9.
Производство этилбензола.
Области применения этилбензола: используется в производстве стирола, важного сырья для получения ряда полимеров, полистерола, применяемого в автомобилестроении, электро-радиотехнической промышленности, при изготовлении бытовых товаров и упаковок, при производстве ионообменных смол- катализаторов процесса получения кислородсодержащих добавок при производстве реформулированных бензинов и т.д.
В промышленности этилбензол получают взаимодействием бензола с этиленом:
C6H6 + C2H4 = C6H5C2H5 (9.1.)
Одновременно с основной протекает ряд побочных реакций. Наибольшее значение имеют реакции последовательного алкилирования:
C6H5C2H5 + C2H4 = C6H4(C2H5)2 (9.2.)
C6H4(C2H5)2 + C2H4 = C6H3(C2H5)3 (9.3.)
C6H3(C2H5)3 + C2H4 = C6H2(C2H5)4 (9.4.)
Для подавления побочных реакций (2-4) процесс проводят в избытке бензола (мольное отношение этилен:бензол = 0,4:1), при температуре около 1000С и давлении – 0,15 МПа.
Для ускорения основной реакции (1) процесс проводят в присутствии селективного катализатора. В качестве катализатора используют комплексное соединение AlCl3 и HCl с ароматическими углеводородами, который находится в жидкой фазе.
Процесс гетерогенно-каталитический, лимитирующая стадия:
диффузия этилена через пограничную пленку каталитического комплекса хлорида алюминия. Реакция алкилирования идет очень быстро.
При выбранных условиях конверсия этилена составляет 98-100%, основная реакция (1) –необратима, экзотермична.
Для увеличения степени использования сырья организован рецикл по бензолу.
Катализатор на основе хлорида алюминия способствует протеканию реакции переалкилирования диэтилбензола:
C6H4(C2H5)2 + C6H6 = 2C6H5C2H5 (9.5.)
Поэтому небольшие количества диэтилбензола возвращают в реактор-алкилатор на переалкилирование.
Реакция переалкилирования способствует практически полному превращению этилена и бензола в этилбензол.
На процессы алкилирования и переалкилирования оказывают влияния следующие главные факторы: концентрация катализатора (хлористый алюминий), промотора (соляная кислота), температура, время контактирования, мольное соотношение этилена и бензола, давление.
Технологическая схема производства этилбензола.
Рис 9.1. Технологическая схема производства этилбензола с использованием катализатора на основе AlCl3.
1,3,15-17 - ректификационные колонны, 2- флорентийский сосуд, 4-реактор приготовления катализатора, 6- конденсатор, 7- сепаратор жидкость-жидкость, 8,9,11,13- скрубберы, 10,12- насосы, 14- подогреватель, 18- вакуум-приемник, 19- холодильник полиалкилбензолов, I – этилен, II – бензол, III- диэтилбензолы, IV- раствор щелочи, V- этилбензол, VI- полиалкилбензолы, VII- к вакуумной линии, VIII- вода, IX- газы на факел, X- этилхлорид и хлорид алюминия, XI- сточные воды.
В двухколонном агрегате гетероазеотропной ректификации, состоящем из ректификационной колонны 1, отгонной колонны 3 и флорентийского сосуда 2, происходит осушка исходного бензола. Из куба колонны 1 выводится обезвоженный бензол, часть которого поступает в аппарат 4 для приготовления катализаторного раствора, а остальная часть в качестве реагента,- в реактор 5. В колонну 1 поступает как свежий, так и рециркулирующий бензол. Верхние паровые потоки колонн 1 и 3 представляют гетероазеотропные смеси бензола и воды. После конденсации в конденсаторе и расслаивания во флорентийском сосуде 2 верхний слой – обводненный бензол, поступает в колонну 1, а нижний слой-вода, содержащяя бензол, направляется в колонну 3.
Каталитический комплекс готовится в аппарате с мешалкой 4, в который подают бензол, а также хлорид алюминия, этиленхлорид и полиалкилбензолы. Реактор заполняют катализаторным раствором, а затем в ходе процесса для подпитки подают катализаторный раствор, так как он частично выводится из реактора для регенерации, а также с реакционной водой.
Реактором алкилирования служит колонный аппарат 5, отвод тепла реакции в котором осуществляется за счет подачи охлажденного сырья и испарения бензола. Катализаторный раствор, осушенный бензол и этилен подают в нижнюю часть реактора 5. После барботажа из реактора выводят непрореагировавшую парогазовую смесь и направляют ее в конденсатор 6, где прежде всего конденсируется бензол, испарившейся в реакторе. Конденсат возвращают в реактор, а несконденсированные газы, содержащие значительные количества бензола и HCl поступают в нижнюю часть скруббера 8, орошаемого полиалкилбензолами для улавливания бензола. Раствор бензола в полиалкилбензолах направляют в реактор, а несконденсированные газы поступают в скруббер 9, орошаемый водой для улавливания соляной кислоты. Разбавленную соляную кислоту направляют на нейтрализацию, а газы – на утилизацию тепла.
Катализаторный раствор вместе с продуктами алкилирования поступает в отстойник 7, нижний слой которого (катализаторный раствор) возвращается в реактор, верхний слой (продукты алкилирования) с помощью насоса 10 направляется в нижнюю часть скруббера 11. Скрубберы 11 и 13 предназначены для отмывки хлороводорода и хлорида алюминия, растворенных в алкилате. Скруббер 11 орошается раствором щелочи, который перекачивается насосом 12. Для подпитки в рециркуляционный поток щелочи подают свежую щелочь в количестве, необходимом для нейтрализации HCl. Далее алкилат поступает в нижнюю часть скруббера 13, орошаемого водой, которая вымывает щелочь из алкилата. Водный раствор щелочи направляют на нейтрализацию, а алкилат через подогреватель 14 – на ректификацию в колонну 15. В ректификационной колонне 15 в дистиллят выделяется гетероазеотроп бензола с водой. Бензол направляется в колонну 1 для обезвоживания, а кубовый остаток – на дальнейшее разделение в ректификационную колонну 16 для выделения в качестве дистиллята этилбензола. Кубовый продукт колонны 16 направляют в ректификационную колонну 11 полиалкилбензолов на две фракции. Верхний продукт направляют в аппарат 4 и реактор 5, а нижний продукт выводят из системы в качестве целевого продукта.
Аппаратурное оформление процесса.
Процесс алкилирования бензола этиленом в присутствии катализатора на основе AlCl3 является жидкофазным и протекает с выделением теплоты. Для проведения процесса можно предложить три типа реактора.Наиболее простым является трубчатый аппарат (рис.9.2.), в нижней части которого размещена мощная мешалка, предназначенная для эмульгирования катализаторного раствора и реагентов. Такой тип аппарата часто используется для организации периодического процесса.