Материальный, технологический и тепловой расчет алкилатора. Расчет процесса алкилирования бензола этиленом

составе отходящих газов содержится бензола: 0,099 кмоль/ч или 7,725кг/ч.

Остается в составе алкилата:

Бензола: кмоль/ч или 47948,940 кг/ч;

Хлорида алюминия: кмоль/ч или 202,520 кг/ч.

Состав алкилата:

Таблица №3.

	ni, кмоль/ч	xi, %	mi, кг/ч	wi, %
C6H6	614,730	63,85	47948,940	54,49
C6H5–C2H5	242,925	25,25	25750,050	29,28
C6H4–(C2H5)2	60,258	6,26	8074,572	9,17
C6H3–(C2H5)3	11,568	1,20	1874,016	2,12
C6H2–(C2H5)4	2,759	0,29	524,210	0,60
C6H5–C3H7	27,121	2,82	3254,520	3,70
C2H4–(C6H5)2	1,660	0,17	302,120	0,43
(C6H5)2–CHOH	0,277	Можно пренебречь	50,968	Можно пренебречь
AlCl3	1,517	0,16	202,520	0,23
Al(OH)3	0,026	Можно пренебречь	2,054	Можно пренебречь
Сумма:	962,841	100,0	87983,970	100,0

Расчет основных расходных коэффициентов

По бензолу:

По этилену:

По этиленовой фракции:

4.2. Технологический расчет алкилатора.

В качестве основного аппарата — алкилатора — принят вертикальный цилиндрический полый аппарат со сферическими днищами, выполненный из углеродистой стали. Внутренняя поверхность аппарата футерована кислотоупорной плиткой. Сферические днища крепятся к обечайке при помощи плоских приварных фланцев с уплотнительной поверхностью типа «выступ — впадина». Реактор заполнен смесью бензола с продуктами реакции и жидким алюминиевым комплексом (ЖАК). Исходное сырье (свежий и возвратный бензол, этиленовая фракция, возвратный диэтилбензол и ЖАК) подают в нижнюю часть алкилатора через распределительный коллектор D_y500, р_y1,6. Жидкие продукты (алкилат) отводят через один из боковых штуцеров D_y 150, р_у 1,6. Парогазовая смесь выводится через штуцер D_y400, р_у 1,6 в верхнем днище аппарата.

Избыточное тепло отводится за счет испарения части бензола при температуре 90°С, т. е. процесс ведут при кипении реакционной массы.

Техническая характеристика алкилатора:

Диаметр стальной обечайки внутренний, мм	2400	Вместимость аппарата, м3:
Толщина  стенки    обечайки, мм	14	полная	50
Толщина футеровки, мм	80	полезная	38+–2
Высота  цилиндрической части, мм	11800	Производительность по этнлбензолу в расчете на 1 м5 алкилатора, кг/ч	180-200
Высота общая, мм	15000

Число аппаратов для обеспечения заданной производительности (при минимальной вместимости алкилатора):

Таким образом, необходимо установить 4 аппарата, соединенных параллельно.

4.3. Тепловой расчет алкилатора

Исходные данные:

Материальные потоки, кмоль/с: этиленовая фракция

Технический бензол

Диэтилбензол

Отходящие газы

Жидкий алкилат ;

Температура на входе в алкилатор t₁=20^oC, температура на выходе из алкилатора t₂=90^oC.

Цель теплового расчета — определение количества испарившегося бензола в алкилаторе.

Уравнение теплового баланса аппарата в общем виде:

Ф₁+Ф₂+Ф₃+Ф₄=Ф₅+Ф₆+Ф₇+Ф₈+Ф_пот, где Ф₁ Ф₂, Фз, Ф₅, Ф₆, Ф₇ — тепловые потоки этиленовой фракции, жидкого бензола, диэтилбензола, отходящих газов, алкилата и паров бензола соответственно, кВт; Ф₄ — теплота экзотермических реакций, кВт; Ф₈ —расход теплоты на испарение бензола, кВт; Фпот — теплопотери в окружающую среду, кВт.

Для определения значений Ф₁ и Ф₅ рассчитывают средние молярные теплоемкости этиленовой фракции при температуре 20 + 273 = 293 К и отходящих газов при 90+273 = 363 К.

Расчет средних молярных теплоемкостей:

Таблица №4.

	xi, %	ci, Дж/(моль*К)	C=cixi/100, Дж/(моль*К)
Этиленовая фракция
CH4	15,1	34,70	5,2397
C2H2	0,3	43,70	0,1311
C2H4	57	43,82	24,9774
C2H6	17	52,09	8,8553
C3H6	4,9	63,55	3,1140
H2	1,4	28,82	0,4035
N2	3,3	29,13	0,9613
O2	0,5	28,06	0,1403
CO	0,5	29,07	0,1454
Сумма:	100,00	–	43,9680
Отходящие газы
CH4	39,41	39,12	15,4172
C2H4	1,49	50,62	0,7542
C2H6	44,38	61,69	27,3280
H2	3,65	28,84	1,0527
N2	8,60	29,43	2,5310
O2	1,30	29,83	0,3878
CO	1,17	29,55	0,3457
Сумма:	100,00	–	47,8666

Тепловой поток этиленовой фракции:

 кВт.

Тепловой поток отходящих газов:

 кВт.

Тепловой поток технического бензола:

 кВт,

Где n_б - количество циркулирующего бензола в системе холодильник-конденсатор-алкилатор, кмоль/с.

Определяют тепловой поток диэтилбензола; значение молярной теплоемкости диэтилбензола находят по справочнику:

 кВт.

Рассчитывают теплоты реакций (в кДж/моль):

Таблица №5.

Реакция
C6H6 + C2H4 = C6H5–C2H5	-12,48–49,03–52,30= –113,81
C6H4–(C2H5)2 + C6H6 = 2 C6H5–C2H5	-12,48*2–49,03–(-72,35)= –1,64
C6H6 + 2 C2H4= C6H4–(C2H5)2	-72,35–49,03–2*52,30= –225,98
C6H6 + 3C2H4= C6H3–(C2H5)3	-122,63–49,03–3*52,3= –328,56
C6H6 + 4C2H4= C6H2–(C2H5)4	-174,54–49,03–4*52,3= –432,77
C6H6 + C3H6= C6H5–C3H7	-41,24–49,03–20,41= –110,68
2C6H6 + C2H2= (C6H5)2C2H4	297,31–2*49,03–226,75= –27,5
2C6H6 + CO= (C6H5)2–CHOH	-46,17–2*49,03–(-110,53)= –33,7

Рассчитывают теплоту экзотермических реакций (кВт):

Общий приход теплоты:

Для определения теплового потока алкилата рассчитывают его среднюю молярную теплоемкость при температуре 363 К:

где

Для органических и неорганических в-в соответственно.

- молярная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(моль*К);

a,b,c,c’ – коэффициенты уравнения (табл.), Т – температура, К.

Тепловой поток жидкого алкилата:

 кВт.

Тепловой поток паров бензола:

 кВт.

Расход теплоты на испарение бензола:

кВт, где 391,3 – удельная теплота испарения бензола при температуре 363 К, кДж/кг.

Принимают, что теплопотери в окружающую среду составляют 3% от общего прихода теплоты:

кВт.

Общий расход теплоты:

Количество циркулирующего бензола находят из условия равенства прихода и расхода теплоты:

Количество бензола, испаряющегося на стадии алкилирования:

кмоль/ч или 49485,930 кг/ч,

Что составляет Q_цб/Q_t=49485,930/25750=1,92 т на 1т получаемого этилбензола и соответствует оптимальному технологическому режиму.

Всего в алкилатор подают бензола (с учетом циркулирующего):

кмоль/ч или 120848,830 кг/ч.

Общее количество отходящих газов (с учетом испаряющегося бензола):

кмоль/ч или кг/ч.

По рассчитанному количеству испаряющегося бензола уточняют тепловые потоки:

кВт;

кВт;

кВт.

Тепловой поток отходящих газов составляет:

кВт.

Таблица №6. Материальный баланс:

Входит	кмоль/ч	кг/ч	Выходит	кмоль/ч	кг/ч
Бензол техн:			Отходящие газы	880,407	54430,069
C6H6	1583,071	120848,830	Алкилат	962,87	87983,927
H2O	0,079	1,427	Невязка		– 0,580
Этиленовая фракция	553,485	14868,780
Диэтилбензол	48,425	6489,000
Алюминий хлорид	1,543	206,000
Всего	2186,603	142414,037		1843,277	142414,037

Таблица №7. Тепловой баланс:

Приход	кВт	%	Расход	кВт	%
Тепловой поток этиленовой фракции	33,767	1,12	Тепловой поток отходящих газов	466,887	15,50
Тепловой поток технического бензола	288,730	9,58	Тепловой поток алкилата	1110,417	36,86
Тепловой поток диэтилбензола	25,096	0,84	Расход теплоты на испарение бензола	1344,773	44,64
Тепловой поток процесса	2664,781	88,46	Теплопотери в окружающую среду	90,297	3,00
Всего	3012,374	100,00	Всего	3012,374	100,00

5.  Выводы

В результате расчета процесса алкилирования бензола этиленом были