Получение этилбензола в присутствии хлорида алюминия. Материальный расчет и технологический расчет алкилатора

Министерства  и Образования Республики Казахстан

Казахский Университет Технологии и Бизнеса

 

 

 

«Основы проектирования и оборудование предприятий»

 

 

 

Тема:

Получение этилбензола в присутствии хлорида  алюминия. Материальный расчет и технологический  расчет алкилатора

 

 

Выполнил: Кабиденов.Н  ХТОВ ДОТ 2курс

Проверила: Ыбырай Айжан

Сынақ кітапшаның номері №1810, ведомость №9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Астана-2012г

Содержание

 

Введение......................................................................................................................2

 

1. Аналитический обзор.............................................................................................3

2. Технологическая часть...........................................................................................6

2.1 Физико-химические основы процесса  получения этилбензола в присутствии  хлорида .......................................................................................................................6

2.2 Технологическая схема процесса.......................................................................10

2.3 Расчет материального баланса  процесса производства этилбензола  алкилированием в присутствии  хлорида алюминия...............................................12

2.4 Расчет основного аппарата..................................................................................18

2.5 Расчет теплового баланса  алкилатора................................................................19

 

3. Экологическая часть..............................................................................................24

 

Заключение.................................................................................................................25

 

Список использованных источников.......................................................................26

 

 

Введение

 

В промышленности для  получения различных органических и неорганических веществ используются различные процессы: гидрирование, дегидрирование, гидратации, дегидратации, алкилирование, окисление, восстановление и т.д.

В данной курсовой работе будет описан процесс алкилирования на примере получения этилбензола в присутствии катализатора хлорида алюминия, будут описаны физико-химические основы процесса и технологическая схема данного процесса. Также в ходе курсовой работы по исходным данным будут рассчитаны основные величины, необходимые для составления материального и теплового балансов процесса и произведен 
расчет основного аппарата - алкилатора.

 

 

1. Аналитический обзор

 

Алкилированием называется процесс введения алкильных групп в молекулы органических веществ и некоторых неорганических веществ. Процесс алкилирования часто является промежуточной стадией в производстве мономеров, моющих веществ и т.д.

Вещества, которые участвуют  в процессе алкилирования, называются алкилирующими агентами. Все алкилирующие агенты по типу связей, разрывающихся в них при алкилировании, делятся на следующие группы:

– ненасыщенные соединения (олефины и ацетилен);

– хлорпроизводные с  неподвижным атомом хлора;

– спирты, простые и  сложные эфиры (оксиды олефинов).

Олефины (этилен, бутилен, пропилен и т.д.) имеют первостепенное значение в качестве алкилирующих агентов. В виду дешевизны ими стараются  пользоваться во всех случаях, где это  возможно. Основное применение они  нашли для С-алкилирования парафинов ароматических соединений. Алкилирование олефинами в большинстве случаев протекает по ионному механизму через промежуточное образование ионов аргония и катализируется протонными и апротонными кислотами.

Реакционная способность  олефинов при реакции такого типа определяет их склонность к образованию ионов карбония:

 

RCH = СH2 + H+ -> R+СНСН3

 

Это означает, что удлинение  и разветвление цепи атомов углерода значительно повышает реакционную  способность олефина к алкилированию.

В ряде случаев алкилирование  олефинами протекает под влиянием инициаторов радикально-цепных реакций, освещения или высокой температуры. Здесь промежуточными активными частицами являются свободные радикалы и реакционная способность разных олефинов при таких реакциях значительно снижается.

Хлорпроизводные являются алкилирующими агентами наиболее широкого диапазона действий. Применять их рационально для тех процессов, в которых их невозможно заменить олефинами или когда хлорпроизводные  дешевле и доступнее олефинов. Алкилирующее действие хлорпроизводных проявляется в трех различных типах взаимодействия:

– электрофильного;

– нуклеофильного;

– свободно-радикального.

Механизм электрофильного  замещения характерен в основном для алкилирования по атому углерода, но в отличие от олефинов реакции  катализируются только апротонными кислотами. Процесс идет с промежуточным образованием ионов аргония, в связи с чем, реакционная способность хлористых алкилов зависит от поляризации связи С-Сl и повышается при удлинении цепи.

При нуклеофильном замещении  атомов Сl, характерном для алкилирования S и N, механизм аналогичен гидролизу хлорпроизводных, причем реакция протекает в отсутствии катализаторов:

 

RCl  + : NH3  ->  RN+ H3 + Cl-  ->  RNH2 + HCl

 

Спиртами, оксидами и  простыми эфирами алкилируют в присутствии  кислых катализаторов. Процесс идет с разрывом таких связей, как С-О, С-N, С-S. Спирты применяют для алкилирования только в тех случаях, когда они дешевле и доступнее хлорпроизводных. Нерационально использовать спирты с катализатором хлоридом алюминия, так как при алкилировании спиртами катализатор разлагается, а протонные кислоты разбавляются образовавшейся водой. В этих случаях происходит дезактивирование катализатора, что обуславливает его большой расход.

Алкилирование олефинами  применяется в промышленности в основном для получения компонентов моторного топлива с высокой антидистанционной способностью. Каталитическое алкилирование протекает при обычной температуре или даже при охлаждении до 0°С и давлении, близком к атмосферному (кроме этилена).

Влияние строения ароматических соединений при реакциях алкилирования в общем такое же, как при других процессах электрофильного замещения ароматического ядра, но имеет свои особенности. Реакция алкилирования отличается низкой чувствительностью к электронно-донорным заместителям в ядре. Правила ориентации при алкилировании, в общем, подобны другим реакциям электрофильного замещения, но строение продуктов может существенно изменяться в зависимости от катализатора и условий реакции. Так электронно-донорные заместители и атомы галогенов направляются преимущественно в пара- и орта- положения. Однако, в более жестких условиях при катализаторе хлориде алюминия происходит изомеризация гомологов бензола с внутримолекулярной миграцией алкильных групп и образование равновесных смесей, в которых преобладают термодинамически более стабильные изомеры.

Алкилирование ароматических  углеводородов это сложный многостадийный процесс, состоящий из ряда взаимосвязанных  реакций: алкилирование, изомеризация, полимеризация и др. В качестве катализаторов могут использоваться как протонные, так и кислоты Льюиса. Протонные кислоты широко применяются при алкилировании бензола олефинами и спиртами, причем их активность падает в ряду:

При алкилировании ароматических  соединений в присутствии любых  катализаторов происходит последовательное замещение атомов водорода с образованием смеси продуктов разной степени алкилирования. При умеренной температуре каждая стадия практически не обратима.

 

С6Н6 + С2Н4 -> С6Н5С2Н5 + С2Н4  ->  С6Н4(С2H5)2 + С2Н4  -> С6(С2H5)6

На хлориде алюминия и в жестких условиях происходит обратная реакция переалкилирования  с межмолекулярной миграцией  алкильных групп:

 

C6H4(C2H5)2 + C6H6 -> 2C6H5C2H5

 

Следовательно, в процессе на хлориде алюминия может установиться равновесие, что необходимо учитывать при выборе условий процесса оптимального мольного соотношения реагентов. На протонных катализаторах состав продуктов определяется кинетикой процесса, а на хлориде алюминия и в жестких условиях - равновесием.

 

 

2. Технологическая часть

 

2.1 Физико-химические основы процесса получения этилбензола в присутствии хлорида алюминия

 

Исходные продукты (бензол и олефины) для процесса алкилирования  необходимо очищать от разных примесей, в том числе и воды, так как  при наличии влаги будет гидролизоваться А1С13 с образованием НСl. Как очистка, так и осушка требуют значительных энергетических затрат. В связи с этим чаще всего осуществляют гетероазеотропную осушку исходных продуктов только до 0,002 – 0,005 %. Кроме того, необходимая активность А1Сl3 достигается только в присутствии НС1, который требуется для образования каталитического комплекса. Для образования комплекса, как правило, используют алкихлориды. Можно использовать и безводный НСl, однако его содержание в реакционной массе регулировать трудно.

Процесс алкилирования  бензола олефинами, катализируемый комплексом на основе А1Сl3, является жидкофазным  и протекает с выделением тепла. Для проведения процесса можно предложить три типа 
реактора. Наиболее простым является трубчатый аппарат (рисунок 1), в нижней части которого размещается мощная мешалка, предназначенная для эмульгирования катализаторного раствора и реагентов. Такой тип аппарата часто используется при организации периодического процесса.

Реагент, а также катализаторный раствор подают в нижнюю часть реактора. Эмульсия поднимается вверх по трубам, охлаждаясь за счет воды, подаваемой в межтрубное пространство. Продукты синтеза, не прореагировавшие бензол и олефины, а также катализаторный раствор выводятся из верхней части реактора и поступают в сепаратор. В сепараторе происходит отделение каталитического раствора от остальных продуктов (алкилата). Катализаторный раствор возвращается в реактор, а алкилаты направляются на разделение.

Для обеспечения непрерывности  процесса может быть применен каскад из 2-4 трубчатых ректоров. На рисунке 2 представлен каскад из двух реакторов. Катализаторный раствор подают в оба реактора, реагенты – в верхнюю часть первого реактора. Оба реактора представляют пустотелые аппараты с мешалками. Тепло отводится с помощью воды, подаваемой в «рубашки». Реакционная масса из верхней части первого реактора поступает в сепаратор, из которого нижний (катализаторный) слой возвращается в реактор, а верхний - поступает в следующий реактор. Из верхней части второго реактора реакционная масса также поступает в сепаратор. Нижний (катализаторный) слой из сепаратора поступает в реактор, а верхний слой 
(алкилаты) направляется на разделение. Конверсия реагентов определяется числом реакторов. Процесс проводится при 40 - 60 °С.

Непрерывное алкилирование газообразными олефинами можно проводить в барботажных колоннах (рисунок 3). Как правило, внутреннюю поверхность колонн защищают кислотоупорными плитками. Верхняя часть колонн заполнена кольцами Рашига, которые играют роль каплеотбойника, остальная часть – катализаторным раствором. Реагенты подают в нижнюю часть колонны. Газообразный олефин, барботируя через колонну, интенсивно перемешивает реакционную массу. Конверсия реагентов зависит от высоты катализаторного слоя. Частично тепло отводится через «рубашку», разделенную на секции, а основная часть тепла - за счет нагрева реагентов и испарения избыточного количества бензола. Пары бензола вместе с другими газами, содержащимися в олефине, поступают в конденсатор, в котором конденсируется главным образом бензол. Конденсат возвращают в реактор, а несконденсированные вещества выводят из системы для утилизации. В этом случае можно установить автотермический режим, варьируя давление и количество отходящих газов. Катализаторный раствор вместе с продуктами алкилирования и не прореагировавшим бензолом выводят из верхней части колонны и направляют в сепаратор. Нижний слой возвращают в колонну, а верхний слой направляют на разделение.

Технология жидкофазного алкнлирования имеет следующие  подсистемы:

гетероазеотропная осушка бензола;

реакторный узел;

очистка газов от НС1;

очистка продуктов алкилирования  от НС1;

разделение продуктов  алкилирования.

Рециклы по бензолу и  полиалкилбензолам объединяют эти  подсистемы и систему. В систему  входят потоки: А1Сl3, этилхлорид. бензол, этан-этиленовая фракция, водный раствор щелочи. Выходят из системы следующие потоки: алкилбензолы, абгазы, водный раствор щелочи, водный раствор хлороводородной кислоты, катализаторный раствор. Следовательно, наряду с продуктами выводятся потоки, которые требуют утилизации, нейтрализации и очистки. От этих процессов в значительной степени зависит как экономическая, так и экологическая эффективность предлагаемой технологии.

 

 

Рисунок 1 – трубчатый  реактор;

 

 

рисунок 2 – каскад реакторов; рисунок 3 – реактор колонного типа.

 

 

2.2 Технологическая схема  процесса

 

Технологическая схема  рассматриваемой технологии представлена на рисунке 4.

1, 15, 16, 17 - ректификационные  колонны; 2 - флорентийский сосуд; 3 - отгонная колонна; 4 - аппарат для  приготовления катализаторного комплекса; 5 - реактор алкилирования; 6 - конденсатор; 7 - отстойник; 8 - скруббер поглощения бензола; 9 - скруббер водной промывки отходящих газов; 10, 12 - насосы; 11 - скруббер щелочной промывки; 13 – скруббер водной промывки алкилата; 14 - подогреватель; 18 - вакуум-приемник; 19 - холодильник полиалкилбензола.