Алкілювання бензолу пропіленом

 Для очищення стічних  вод спочатку проводять випаровування органічних домішок. Після цього до води додають вапняне молоко і поліакріламід. Скоагулірований осад зневоднюють на фільтр-прессі і передають на утилізацію.

Найбільш перспективним  для промисловості є спосіб обробки  алкілата, що дозволяє перевести що містить в нім AlСl₃  в розчинний у воді гексагідрат. При цьому об'єм стічних вод скорочується в порівнянні із звичайним в 50-100 разів, а розчини AlСl₃, що виходять, мають самостійне застосування в промисловості.

Алкілювання бензолу пропіленом можна вести і в газовій фазі, над твердим каталізатором, але цей метод ще мало застосовується в промисловості.

 

 

 

 

 

 

 

1.3.  Рідкофазне  алкілювання

Проведені лабораторні дослідження  і зроблені на їх основі теоретичні висновки і розрахунки дозволили обгрунтовано вибрати технологічне оформлення процесу алкілювання.

З'ясування механізму утворення  алюмінієвого комплексу і встановлення рівноваги між його компонентами дозволило розробити раціональну  методику приготування каталізатора.

Вивчення кінетики алкілювання, яке показало, що швидкість реакції залежить не від інтенсивності контакту, а від концентрації комплексу в реакційній зоні, дозволило відмовитися від раніше запропонованого складного апарату з мішалкою і рекомендувати апарат колонного типу, в якому завдяки барботажу газу досягається рівномірний розподіл комплексу в реакційній зоні.

В результаті проведених термодинамічних  розрахунків встановлено, що тиск не надає впливу на рівновагу і реакція алкілювання бензолу олефінами практично йде до кінця при будь-якому тиску. Створення невеликого тиску доцільне тільки для підвищення продуктивності реактора при переробці розбавлених газів.

В технології алкілювання бензолу олефінами із застосуванням хлористого алюмінію найбільші труднощі представляє безперервна і рівномірна подача в реакційну зону хлористого алюмінію.

Умови алкілювання в рідкій фазі у присутності хлористого алюмінію для етилену і пропілену приблизно однакові. Хлористий алюмінії утворює стійкі комплексні сполуки з початковим бензолом і з продуктами алкілювання. В процесі отримання алкілбензолів безперервно відбувається розкладання одних комплексів і утворення нових.

При використанні в якості каталізатора безводного хлористого алюмінію активатором служить хлористий водень. Тому при проведенні

 

процесу алкілювання в реакційну зону вводиться або хлористий водень, або алкілхлориди (наприклад, хлористий етил), які при взаємодії з бензолом виділяють хлористий водень. В деяких випадках до каталізатора додають незначну кількість водяної пари або води, які викликають гідроліз хлористого алюмінію з виділенням хлористого водню.

Спочатку, коли надавалося велике значення інтенсивності контакту реагуючих  речовин, алкілювання проводилося в апараті з мішалкою. Проте для безперервного промислового виробництва алкілбензолів використання такого апарату пов'язане з серйозними експлуатаційними труднощами.

Надалі як основний апарат процесу алкілювання був запропонований реактор колонного типу, виключно простий по конструкції.

Як показала практика роботи, в такому апараті, завдяки порівняно  невеликій різниці питомих мас продуктів алкілювання і комплексу, необхідна концентрація комплексу в реакційній зоні і рівномірний його розподіл легко досягаються шляхом барботажу газу.

При алкілюванні бензолу пропіленом, незалежно від швидкості подачі газу і температури, практично весь пропілен встигає вступити в реакцію, але вміст ізопропілбензолу в продуктах реакції виявляється різним.

Враховуючи, що швидкість  реакції алкілювання у відомих межах зростає із збільшенням кількості алюмінієвого комплексу і значно зростає з підвищенням температури, для зменшення об'єму реакційного апарату доцільно збільшити концентрацію каталізатора 6-7% А1С1₃ або підвищити температуру.

З вище описаних методів  я вибрала алкілювання бензолу у присутності безводого хлористого алюмінію. Тому що, домінуюче положення процесів алкілювання на AlСl₃ пояснюється їх високою селективністю, порівняльною простотою технологічного оформлення по безперервній схемі, можливістю створення агрегатів великої одиничної потужності, а також можливістьAlСl₃ каталізувати і реакції

трансалкілювання. А також цей метод більш безпечний, ніж робота з концентрованими кислотами. Недолік метода - велика кількість стічних вод і корозія апаратури.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1 Умови рівноваги реакції пропілювання бензолу при 95˚С у присутності каталізатора хлориду алюмінію при різних співвідношеннях пропілену і бензолу: 1-ізопропілбензол; 2-поліпропілбензоли;3-бензол.

Приведені  на рис.1.1  умови рівноваги реакції алкілювання бензолу пропіленом при 95˚С  у присутності AlСl₃ при різних співвідношеннях пропілену і бензолу показують, в яких умовах можна отримати оптимальний вихід ізопропілбензолу.

Основні параметри процесу  алкілювання бензолу пропіленом при використанні різних каталізаторів охарактеризовані в таблиці 1.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Реакційні вузли

 

Періодичний процес проводять  в реакторі з мішалкою і сорочкою, що охолоджує, а іноді із змійовиком. У реактор завантажують бензол і  А1С1₃ або каталітичний комплекс (10-20% від об'єму реакційної маси), після чого при перемішуванні додають рідкий олефін або хлорпохідні, підтримуючи температуру на заданому рівні. Перехід до безперервного процесу у разі рідких алкілюючих агентів здійснюється двома основними способами. При першому з них використовують трубчастий реактор (рис.2.1,а), в нижній частині якого є потужна мішалка, що емульгує реакційну масу. Початкові реагенти і каталітичний комплекс, що відстоявся в сепараторі, поступають в нижню частину реактора, а емульсія, що утворюється, піднімається вгору по трубах і охолоджується водою, що проходить в міжтрубному просторі. У сепараторові вуглеводневий шар відділяється від каталітичного комплексу і направляється на переробку. Час перебування суміші в апараті повинен забезпечувати майже повне завершення реакції.

 Інший спосіб безперервного  проведення процесу для рідких  алкілюючих агентів полягає в застосуванні каскаду з двох-чотирьох реакторів з мішалками (рис.2.1,б). У перший  апарат подають початкові реагенти, а реакційна маса через бічні переливи перетікає в наступний реактор, проходячи заздалегідь сепаратор, у якому каталітичний комплекс відділяється і повертається назад в реактор. Пристрій каскаду обумовлений тим, що в одиничному реакторі змішення важко уникнути втрат алкілюючого агента з готовим продуктом. Час перебування реакційної маси в каскаді при температурі реакції 40-60°С складає близько 50хв, причому він визначається умовами відведення тепла і бажанням наблизитися до рівноваги, сприятливої

 

 

 

 

для отримання моноалкілованих сполук.

Алкілювання ароматичних вуглеводнів газоподібними олефінами проводять в барботажних колонах (рис.2.1,в), внутрішня поверхня яких захищена від корозії кислотостійкими плитками. Рідка реакційна маса, що заповнює колону до бічного переливу, складається з каталітичного комплексу А1С1₃ (20-40 об'ємн.%) і не розчинною в ньому суміші ароматичних вуглеводнів. У нижню частину колони подають сухий бензол і олефінову фракцію, яка барботує через рідину, інтенсивно її перемішуючи. Рідка реакційна маса стікає через бічний перелив в сепаратора, де відстоюється важчий каталітичний комплекс, який повертається вниз алкілатора, а алкілат поступає на подальшу переробку. Тепло реакції відводиться практично тільки за рахунок нагрівання реагентів і випаровування бензолу, пари якого разом з газами, що відходять, потрапляють в зворотний холодильник, де бензол конденсується і повертається в алкілатор, а гази, що відходять, поступають на подальшу переробку. Отже, в алкілаторі встановлюється автотермічний режим, і температура в ньому залежить від вживаного тиску і кількості газів, що відходять (або концентрації початкової олефінової фракції).

 

 

 

3.  Опис алкілатора

Алкілатор  для отримання  ізопропілбензолу в рідкій фазі є  сталевою колонкою, викладеною у середині кислотостійким футеруванням 4 або покриту кислотостійкою емаллю для захисту стінок від корозійної дії соляної кислоти. Апарат має чотири царги 1, сполучені фланцями 2. Три царги забезпечено сорочками 3 для охолоджування водою (для відведення тепла при реакції алкілювання). Реактор під час роботи заповнений реакційною рідиною, висота стовпа якої складає 10 м. Над рівнем рідини іноді розташовують два змійовики, в яких циркулює вода, для додаткового охолодження . Робота алкілатора безперервна: у нижню частину його весь час подається бензол, пропілен і каталітичний комплекс; суміш реагуючих речовин і каталізатора піднімається у верхню частину апарату і звідси перетікає у відстійник. Пари, що виходять з верхньої частини алкілатора (що складаються в основному з бензолу), конденсуються і знову повертаються в алкілатор у вигляді рідини.

За один прохід пропілен реагує майже повністю, а бензол тільки на 50-55%; отже, вихід ізопропілбензолу за один прохід складає близько 50% від  теоретичного; решта пропілену витрачається на утворення ді- і поліпропілбензола.

Тиск в алкілаторі під час роботи складає 0,5 ат (надмірне), температура 95-100 °С.

 

 

 

 

 

 

 

3.  Розрахункова частина

Дано:

t = 100˚C ;

G = 60000 т/год;

τ = 30с = 0,00833ч;

Р = 0,05 МПа.

ρ_ж = 793 кг/м³;

µ_ж = 0,261*10^-3Па*с;

σ_ж = 18,8*10^-3Н/м;

ρ_г = 0,43кг/м³.

Розв'язок

1.Витрата барботуючого газу:

= 3012,9/0,43= 7006,7 м³/год = 1,95 м³/с

G_г – витрата пропіленової фракції (див. 3437.КР10-ХО-071.15.001ПЗ), кг/год;

ρ_г – густина газу, кг/м³.

2.Обсяг рідини:

 

де G – вихід ІПБ; τ – час контакту; ρ_ж - густина рідини.

3.Діаметр барботажної колони:

  ,

де   V_г - витрата барботуючого газу, м³/с; w_г - припустима швидкість

 

 

 

газу в колоні, w_г = 0,1м/с.

 

4.Висота рівня рідини:

 

5.Товщина стінки апарату:

 

де Р - абсолютний тиск, МПа; _{-допустимі напруження матеріалу ( для Ст}.3); _{-коефіцієнт міцності зварного шва, ;величина} с залежить від ступеня агресивності середовища(с=1…4мм).

Р_г=ρ∙g∙Н=793•9,81•33=0,3МПа

Р_абс=Р_атм+Р_г+Р_изб=0,1+0,3+0,05=0,45МПа

 

Приймаємо

6.Діаметр труби барбатера  при швидкості газу в ній  w_б=25м/с :

 

Приймаємо

7.Діаметр мішалки:

D/d_м=3-4;         d_м= D/4=5/4=1,25м

8.Середній діаметр барботера:

                                   D_ср=6 d_б=6•0,31=1,9м

 

9.Висота розташування  барботера над мішалкою:

H_б/м=0,25• d_м=0,25•1,25 =0,3м

10.Швидкість газу в  отворах барботера:

  = 81,3 м/с

11.Приймаємо діаметр отвору  у барботері d=10 мм, тоді загальна їхня кількість буде

 

12.Крок між отворами:

t₁=π D_ср/

З таким кроком отвори з d=10мм розмістити дуже важко, тому розташуємо їх у два ряди по 156 шт у кожному ряду. Перший ряд на окружності діаметра D_ср=1,86м буде мати крок t=37мм. Другий ряд розмістимо на окружність діаметра D_о:

D_о= D_ср-

t₂=33мм.

13.Частота обертання мішалки:

n_м=4

14.Критерій Рейнольдса:

Re= n_м d_м² ρ_ж/ µ_ж=(5∙1,25²∙793)/0,000261=23736830

15.Потужність, затрачувана  на перемішування рідини:

N=К _Nρ_жn_м³d_м⁵=6,7•793•5³•1,25⁵=2026787 Вт

К _N -коефіцієнт потужності( по довідникові), К _N=6,7 для турбінної мішалки.

 

 

 

16.Визначаємо газовміст суміші:

φ_г=G_г/ G_ж=3012,9/16767,7=0,18=18%.

(див. 3437.КР10-ХО-071.15.001ПЗ)

17.Потужність одиниці маси рідини:

 

18.Коефіцієнт дифузії  при t=100˚С :

D_ж= D _г/ж20˚С [1+0,02 µ_ж^0,5 (t-20)]

D_ж=7,7∙10^-6[1+0,02∙0,000261^0,5(100-20)]=8∙10^-6м²/с

19.Об'ємний коефіцієнт  масопереносу в рідкій фазі:

Β_ж=3∙10⁴Е^0,64w_г^0,6D_ж^0,5

Β_ж=3∙10⁴∙3,3^0,64∙0,1^0,6∙(8∙10^-6)^0,5=45,4 с^-1

20.Вибір конструкційних  матеріалів

Конструкційний матеріал апарата обираємо з урахуванням  агресивності середовища і її якісної  і кількісної оцінки.

Для обичайки колони, кришки, днища обираємо сталь Ст.3. Ця сталь придатна для обичайки, днища, фланців та інших деталів апарату;плоскі фланці для трубопроводів.