ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Омскийгосударственный технический университет
НЕФТЕХИМИЧЕСКИЙИНСТИТУТ
КАФЕДРА«ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ»
Допускается к защите
Зав. кафедрой
________________Корнеев С.В.
«____»________________2009 г.
ВЫПУСКНАЯРАБОТА БАКАЛАВРА
Разработка процесса производства изопропилбензола на ОАО «Омскийкаучук»
Шифрпроекта: БР-2068998-49-19
Направление:240100.62 «Химическая технология и биотехнология»
Руководительпроекта:
ЛомоваО.С.
(подпись, дата)
Разработалстудент:
(подпись, дата)
Омск 2009 г.
Омскийгосударственный технический университет
НХИ
Кафедра: Химическаятехнология органических веществУтверждаю
Зав. кафедрой
_______КорнеевС.В.
«___» июня 2009 г.Задание
набакалаврскую работу
Студент:
Тема проекта:Разработка процессапроизводства изопропилбензола на ОАО «Омский каучук». Алкилирование
Исходные данные кпроекту:
Годоваяпроизводительность по ИПБ, тонн:124000
Время непрерывнойработы в году, час: 8520
Содержаниерасчётно-пояснительной записки:В соответствии сучебным пособием «Дипломное проектирование»
Перечень графическогоматериала:
3.1. Предлагаемаятехнологическая схема производства;
3.2. Чертёж общеговида алкилатора.
Датавыдачи задания: __________________10марта 2009г.
Срок сдачи законченного проекта на утверждение:
Руководитель__________________
(подпись) (дата)
Заданиепринял к исполнению
Студент ____________________
(подпись) (дата)
Техническое задание
1. Годоваяпроизводительность по товарному продукту, тонн 124000;
2. Число часовнепрерывной работы в году 8520;
3.Состав реакционной массы алкилирования на выходе из реактора
Таблица 1.
№
п/п />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>Наименование %, масс. 1. Пропилен 0,22 2. Гексан 1,10 3. Бензол 63,17 4. Толуол 0,06 5. Этилбензол 0,22 6. Изопропилбензол 25,76 7. н-пропилбензол 0,09 8. 2-бутилбензол 0,30 9. н-бутилбензол 0,10 10. Полиалкилбензолы 5,27 11. Смолы 2,92 12. Хлористый водород 0,08 13. Хлористый алюминий 0.71 ИТОГО 100,00
4. Удельный расход сырьяи материалов на технологию: бензол – 780 кг/т ИПБ; пропилен – 234 кг/т ИПБ.
5. Исходные данные кматериальному балансу.
Согласно даннымдействующих заводов принято:
1. Расход бензола на 1 т товарного ИПБ0,78 т.
2. Молярное соотношение поступающегона алкилирование пропилена к бензолу 0,3:1.
3. Конверсия бензола за один проход29,5 % массовых.
4. Расход пропилена:
На образование ИПБ 92,0% На образование полиалкилбензолов 0,4% На образование смол 3,8% Потери с абгазами 3,1% Другие потери 0,7% ИТОГО 100%
5. Потери ИПБ = 3% массовых от ИПБ,полученного при алкилирование.
6. Этилен и бутилены, содержащиеся висходном газе, переходят соответственно в этилбензолы и бутилбензолы полностью.
7. Расход катализатора (AlCl3) – 6,5 кг на 1 т товарного ИПБ.
8. Расход 10 % раствора щелочи – 5 кг на 1 т ИПБ.
РЕФЕРАТ
Выпускная работа бакалавра содержит: 43 с. пояснительной записки, 6 таблиц, библиографии 11наименований, 2 приложения, 2 рисунка, 2 листа чертежейформата А1.
Ключевые слова: ИЗОПРОПИЛБЕНЗОЛ (КУМОЛ), БЕНЗОЛ,ПРОПИЛЕН, ХЛОРИД АЛЮМИНИЯ, РЕАКЦИОННАЯ МАССА АЛКИЛИРОВАНИЯ, ПОЛИАЛКИЛБЕНЗОЛЫ, АЛКИЛИРОВАНИЕ.
В бакалаврской работе исследованопроизводство изопропилбензола алкилирования бензола пропиленом в присутствиихлористого алюминия на ОАО «Омский каучук». Выявлены особенности данногопроизводства.
Особенности производства заключаются в том, что технология обладаетвысокой эффективностью и при конверсии олефина до 99% дифференциальнаяселективность по моноалкилбензолу достигает 91%. Конверсия бензола за один проходсоставляет – 30-40 %. Образующиесяв ходе процесса побочные продукты диалкилбензолы используются для полученияцелевого продукта за счет совмещения реакции алкuлированияс реакциейпереалкилирования. Для обеспечения полного использования бензола используется принципрециркуляции. Характерной особенностью данной технологии является наличиенескольких рециркуляционных циклов, охватывающих реакторную и разделительныеподсистемы. В данном случае они направлены на полное использование исходногосырья — рецикл по бензолу, на использование побочных продуктов для полученияцелевого изопропилбензола. Технология обладает невысоким энергопотреблением засчет использования тепла реакции. Существенным недостатком технологии является большоепотребление воды, которая идет для приготовления щелочных растворов и промывкив скрубберах и превращается в кислотные, щелочные или солевые стоки.
Полученные результаты могут бытьиспользованы как рекомендации предприятиям по производству изопропилбензола.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1. Теоретические основы процесса алкилирования
1.2.Характеристика промышленных способов алкилирования бензолапропиленом
1.3. Принципы алкилирования бензола олефинами в химической технологии
1.4. Проблемы проектирования технологических установок алкилированиябензола
2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Описание технологии процесса алкилирования бензола
2.2. Разработка структурной схемы процесса производства ИПБ
2.3. Технологическая схема производства алкилирования бензолапропиленом
2.4. Расчёт материального баланса процесса алкилирования бензола
2.5. Технологический расчёт узла алкилирования
3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМПРОЦЕССОМ
4. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОИЗВОДСТВА АЛКИЛИРОВАНИЯ
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
7. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ:
1. Принципиальная технологическая схема
2. Чертёж реактора
ВВЕДЕНИЕ
Проблема эффективнойхимической переработки невозобновляемого природного сырья (нефть, уголь, сланцы,торф, углеводородные газы и другие) и возобновляемого сырья растительного иживотного происхождения имеет первостепенное значение в химической технологиинашего времени. При этом химический процесс является важнейшим этапомпереработки сырья в целевые продукты.
К настоящему времени вмире синтезировано огромное количество органических соединений, отнесенных кпродуктам основного органического и нефтехимического синтеза и обладающихценными химическими и физико-химическими свойствами. Многие из них являютсяцелевыми продуктами, а других полупродуктами при производстве полимеров,лекарственных и других веществ. Потребность в каждом из них, как и в мире, таки в России исчисляется десятками и сотнями тысяч тонн в год.
Главная цель отраслиосновного органического и нефтехимического синтеза заключается в получениибольшого ассортимента мономеров, растворителей, исходных продуктов для синтезалекарственных препаратов, средств защиты растений и других продуктов наиболеепростыми, дешевыми способами их доступного сырья. Кром того, в связи смноготоннажностью производств технологии должны быть экологически безопасными.
Таким образом, отрасльосновного органического и нефтехимического синтеза является ведущей иопределяет прогресс химической промышленности.
Алкилароматическиесоединения широко используются в химии и химической технологии для полученияполимерных материалов, поверхностно-активных веществ, высокооктановых добавок ктопливу и в качестве полупродуктов. Наибольшее значение имеют этилбензол иизопропилбензол как исходные вещества при получении таких мономеров, как стироли α-метилстирол. Изопропилбензол также является полупродуктом припроизводстве фенола и ацетона «кумольным» методом. Этим методом получают более 95% всегопроизводимого в мире фенола.
Во время ВеликойОтечественной войны изопропилбензол широко применялся в качествевысокооктановой добавки к топливу. И в настоящее время он является одним изважных продуктов органического синтеза.
В России изопропилбензолполучают алкилированием бензола пропиленом в присутствии хлористого алюминия.За рубежом основное количество изопропилбензола производят этим же способом нагетерогенном фосфорнокислом катализаторе. В настоящее время только дляполучения фенола и ацетона производится свыше 7 млн. тонн в год изопропилбензола.
Задачей выпускной работыявляется разработка и изучение процесса производства изопропилбензола на ОАО«Омский каучук».
1.АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1. Теоретическиеосновы процесса алкилирования
Алкилирование – этоширокий класс реакций, в результате которых в молекулу М вводят группуатомов R при условии, что при этом образуетсясвязь какого-либо из атомов М с атомом С группы R. Эти реакции подразделяются намногие частные случаи: метилирование, этилирование, арилирование,бензилирование, хлорметилирование, винилирование и др.
Алкилирующими агентамимогут выступать органические соединения различных классов: углеводороды(алкены, алкадиены и алкины), галоген-замещенные углеводороды, спирты, эфиры ит. д.
Среди многообразияреакций алкилирования наибольшие промышленные масштабы принадлежат процессамалкилирования изобутана алкенами в производстве моторных топлив и алкилированиябензола низшими алкенами.
Алкилароматическиеуглеводороды широко используются в химии и химической технологии для полученияполимеров, поверхностно-активных веществ, высокооктановых добавок к моторнымтопливам и в качестве полупродуктов в органическом синтезе.
Наибольшее значение имеютэтилбензол иизопропилбензол (кумол) как исходные веществадля получения стирола и />-метилстирола– мономеров в производстве каучуков. Изопропилбензол является также исходнымсырьем в совместном производстве фенола и ацетона «кумольным» методом.
Непрерывный ростпроизводства алкилароматических соединений обусловлен высокой потребностью впродуктах, получаемых на их основе. В качестве алкилирующих агентов могутприменяться непредельные углеводороды, а также спирты и алкилгалогениды.Ведущее место среди подобных процессов занимает каталитическое алкилированиебензола олефинами. Около 80 % всего производимого в мире бензола потребляетсядля получения алкилбензолов. В промышленно развитых странах примерно 50 %бензола идет в производство этилбензола и 20 % – в производство изопропилбензола.
Алкилированиеароматических углеводородов представляет собой сложный многостадийный процесс,включающий взаимосвязанные реакции алкилирования, изомеризации,диспропорционирования, переалкилирования, полимеризации, деалкилирования и др.
Катализаторами втехнологии алкилирования могут быть протонные и апротонные кислоты. Приалкилировании бензола олефинами и спиртами используют протонные кислоты, причемих активность падает в ряду HF > H2SO4 > H3PO4.Кислоты Льюиса как катализаторы по своей активности располагаются в следующемпорядке:
AlBr3> AlCl3> FeCl3> ZrCl4> TaCl5> BF3> UСl4> TiCl3> WCl6> CdCl5> ZnCl2> SnCl4> TiCl4> BeCl2> SbCl5> HgCl2> BiCl5> AsF3.
При этом активность,селективность и стабильность катализаторов зависят от температуры, давления,химической природы алкилирующего агента.
Катализаторыалкилирования могут применяться в твердом и жидком состоянии. Использованиетвердых гетерогенных катализаторов предпочтительнее, т. к. в этом случаеявляется более легким разделение продуктов реакции и каталитической композиции.Это позволяет существенно сократить затраты на очистку реакционной массы откатализатора, очистку и нейтрализацию сточных вод. Следует также обратитьвнимание на снижение коррозии оборудования при применении твердых катализаторов.
Особенно преимуществотвердых катализаторов наблюдается при проведении технологического процесса впаровой фазе. Для этого случая пригодны катализаторы, обладающие не тольковысокой активностью и селективностью, но и способностью осуществлять реакциипереалкилирования полиалкилбензолов в моноалкилбензолы.
В этом плане наиболееперспективными катализаторами алкилирования бензола олефинами и спиртамиследует считать синтетические цеолиты. Известны также исследования поприменению для этой цели катионнобменных смол, представляющих собойгетерополикислоты, состоящие из высокомолекулярной матрицы и катионогенныхгрупп. Из них наиболее перспективны SO3H+, COOH+, PO3H2+, AsO3H2+. Могут также применяться металлооганическиекатализаторы, которые обычно используют в комплексе с солями тяжелых металлов,например, TiCl3 илиTiCl4. Очень активнымявляется Al(C2H5)3, но егоактивность под действием воды или воздуха стремительно падает.
В промышленности вкачестве алкилирующих агентов наиболее распространены чистые олефины или ихфракции, например этан-этиленовая и пропан-пропиленовая. Если используют чистыеолефины, то катализаторами являются протонные кислоты и кислоты Льюиса.
Примесями, отрицательновлияющими на процесс алкилирования, являютсяС2Н2,бутадиен-1,3, СО, СО2, СН3СНО, эфиры и др.В их присутствии снижается выход целевого продукта. С2Н2и бутадиен-1,3 полимеризуются на кислых катализаторах с образованием смол,которые осаждаются на активных центрах, что приводит к падению активностикатализатора. Дезактивирует катализатор и СО, который трудно отделить отолефинов.
Присутствие в сырьекислорода, альдегидов и кетонов ведет к увеличению выхода полиалкилбензолов(ПАБ) и заметному изменению активности катализаторного комплекса. Это можетпроисходить за счет образования катион-радикалов, которые меняют направлениеосновного процесса. Поэтому сырье надо подвергать тщательной предварительнойочистке перед подачей в процесс.
Наличие воды в реагентахприводит к необратимой дезактивации АlCl3, который гидролизуется в гидроксид. Поэтомунеобходима глубокая осушка сырья. Кроме того, бензол необходимо очищать отсернистых соединений, которые необратимо отравляют катализатор.
Другая причина паденияселективности реакции – несоблюдение параметров процесса. Повышениетемпературы, времени контакта, концентрации катализатора, низкая эффективностьсмешения реагентов и изменение их соотношения увеличивают долю примесей впродуктах процесса.
Для образования комплексав сырье вводят инициатор НСlc концен-трацией0,5 моля/моль AlCl3. Его вводят в процесс, добавляя всырье соответствующее количество алкилхлорида, который реагирует с бензолом,образуя алкилбензол и НСl, или частичным гидролизом AlCl3 водой.
Промышленный процессалкилирования бензола олефинами проводят в жидкой и газовой фазе. Применяют катализаторыкислотного типа, такие как AlCl3,, H2SO4, безводныйHF, BF3,,H3PO4 наносителе, алюмосиликаты, цеолиты, ионообменные смолы. Наиболее перспективнымисчитаются цеолиты и ионообменные смолы как наиболее экологически безопасные.
1.2.Характеристика промышленных способовалкилирования
бензола пропиленом
Известны три основных способаполучения изопропилбензола, имеющие промышленное значение:
1. Алкилирование бензолапропиленом в присутствия безводного хлористого алюминия (алкилирование по Фриделю– Крафтсу).
2. Алкилирование бензолапропиленом в паровой фазе с применением фосфорнокислого катализатора.
3.Алкилирование бензолапропиленом на цеолитных катализаторах.
Алкилирование бензолапропиленом в присутствия безводного хлористого алюминия. Технология характеризуется одностадийностьюи непрерывностью. Бензол и олефины или олефин — парафиновая фракцияявляются дешевым и доступным сырьем. Технология обладает высокойэффективностью и при конверсии олефина до 99% дифференциальная селективность помоноалкилбензолу достигает 91%. Конверсия бензола за один проход – 30-40%. Образующиесяв ходе процесса побочные продукты диалкилбензолы используются для полученияцелевого продукта за счет совмещения реакции алкuлированияс реакциейпереалкилирования. Для обеспечения полного использования бензола используется принципрециркуляции. Характерной особенностью данной технологии являетсяналичие нескольких рециркуляционных циклов, охватывающих реакторную иразделительные подсистемы. В данном случае они направлены на полноеиспользование исходного сырья — рецикл по бензолу, на использование побочныхпродуктов для получения целевого моноалкилбензола (принцип полноты использованияотходов) — рецикл по диалкилбензолу, на повышение эффективности процесса- рецикл по бензолу, ди- и полиалкилбензолам, обеспечивающий оптимальнуюструктуру каталитического комплекса. Организация этих рециркуляционных потоковстановится возможной за счет реализации принципа полноты выделения всехпродуктов из реакционной смеси.
Технология обладаетневысоким энергопотреблением за счет использования тепла реакции, хотянеобходимо отметить, что эта энергия используется недостаточно из-за низкого еепотенциала. Существенным недостатком технологии жидкофазного алкилирования накатализаторах на основе хлорида алюминия является большое потребление воды,которая идет для приготовления щелочных растворов и промывки в скрубберах ипревращается в кислотные, щелочные или солевые стоки В данной технологии необходимапредварительная очистка сырья от примесей и его гетероазеотропная осушка досодержания воды 0,002–0,005 %. Наличие такого количества остаточной влаги всырье позволяет протекать частичному гидролизу хлорида алюминия с цельюобразования небольшого количества хлористого водорода, необходимого для достижениятребуемой активности катализатора и образования активированного комплекса. Этотпроцесс является жидкофазным и протекает с выделением значительного количестваэнергии.
С целью улучшенияэкологической чистоты рассматриваемого производства целесообразно организоватьвзаимную нейтрализацию кислых и щелочных вод. Для этого необходимо создатьтакие условия, чтобы соблюдалось определенное соотношение кислоты и щелочи. Вэтом случае рассмотренная технология будет более приемлемой. Следует отметить,что раствор хлорида алюминия (отработанный катализатор) может быть использованкак коагулянт для очистки сточных вод в нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажнойпромышленности. Смола, получаемая в процессе, в настоящее время используетсякак топливо. Однако это не лучший способ ее применения, она может бытьиспользована более эффективно в строительстве. Основным недостатком этойтехнологии является отсутствие регенерации теплоты реакции, которая отводитсяводой в конденсаторе.
Технология жидкофазногоалкилирования, разработанная фирмой «Monsanto» (США), позволяет ликвидировать недостаткирассмотренного выше процесса. Предложено использовать небольшое количество АlСlз(около 2 г на 1 кг алкилата) без его регенерации. Давление при жидкофазномалкилировании зависит от температуры процесса, так как реакционная смесь должнанаходиться в жидком состоянии. Несмотря на повышенные температуры (160-2000Спри соответствующем давлении), вследствие небольшого количества катализаторастепень смолообразования низкая, что очень важно для создания малоотходныхпроизводств. Однако в этом случае при условиях процесса алкилирования непротекает переалкилирование полиалкилбензолов, поэтому в технологиипредусмотрен дополнительный реактор. Если полиалкилбензолы используются какцелевые продукты, то необходимость в этой стадии отпадает.
Необходимо отметить, чтотехнология алкилирования бензола пропиленом в присутствии хлорида алюминияаналогична технологии получения этилбензола. В качестве алкилирующего агента,кроме пропилена, может использоваться пропан-пропиленовая фракция, котораяпредварительно тщательно очищается от влаги, диоксида углерода и других примесей.
Алкилирование бензолапропиленом в паровой фазе с применением фосфорнокислого катализатора. В настоящее время известныследующие гетерогенные катализаторы алкилирования бензола пропиленом:фосфорнокислотный, катализаторы на основе оксидов и солей металлов, оксиды,модифицированные BP3, аморфные алюмосиликаты, цеолиты и катиониты.Применение твердых катализаторов намного упрощает технологическую схему,позволяет автоматизировать процесс, исключает проблему коррозии аппаратуры,облегчает отделение продуктов реакции, не требующих дополнительной очистки,которая в гомогенном катализе приводит к образованию стойких эмульсий и большихобъемов сточных вод. Эти катализаторы можно регенерировать и использоватьмногократно.
Ионообменники в качествекатализаторов алкилирования в промышленности пока не используются. Однако этотвариант может быть как экономически, так и экологически наиболее выгодным,поскольку он может быть реализован как совмещенный реакционно-ректификационныйпроцесс, повышающий селективность и снижающий затраты на разделение, так как вреакторе может быть достигнута конверсия бензола до 100 %.
Алкилирование бензолапропиленом на цеолитных катализаторах. В последние годы за рубежом получил распространение процессфирмы «Моbil — Вadgеr»(США), в котором используетсякатализатор на основе цеолитов. Эта технология применена на несколькихдействующих крупных установках получения этилбензола с единичной мощностью335-465 тыс. т этилбензола в год. Процесс производится при температуре 370-5000Си давлении 1,4-2,8 МПа. По этой технологии образующиеся в процессеполиалкилбензолы возвращаются в узел алкилирования. Конверсия этиленасоставляет 100%, а выход этилбензола в расчете на этилен достигает ≈ 98%.
Технология алкилированиябензола на цеолитном катализаторе имеет ряд преимуществ в сравнении с известнойсхемой с использованием AlCl3. Главноедостоинство касается экологических аспектов. Отсутствие в схеме кислотногофактора резко снижает образование кислых сточных вод. Другие достоинства – этоменьшие расход катализатора (на два порядка), металлоемкость, площадьустановки, количество персонала.
1.3. Принципыалкилирования бензола олефинами в химической
технологии
Для оценки различныхкатализаторов в процессе алкилирования рассмотрим некоторые показателипроизводства изопропилбензола (ИПБ), представленные в таблице 2
Таблица 2
Показатели процессаалкилирования бензола пропиленом на различных катализаторахКатализатор Расход катализатора, % от изопропилбензола Обще число аппаратов, шт. Капитальные вложения, усл.ед. Численность обслуживающего персонала Эксплуатационные расходы, усл.ед. на т Себестоимость изопропилбензола усл.ед на т Основные мероприятия по охране природы /> /> Хлорид алюминия 0,700 54 2,926 68 15,22 146,12 Очистка сточных вод
Фосфорная кислота на кизельгуре 0,400 40 2,877 52 14,15 143,58 -
Трифторид бора на Al2O3 0,003 45 2,915 52 14,45 145,80 Очистка отходящих газов алкилирования
Цеолитсодержащие катализаторы 0,030 45 2,952 52 14,52 145,20 -
Из таблицы 2видно, чтосамая низкая себестоимость изопропилбензола соответствует процессу, в котором вкачестве катализатора используется фосфорная кислота на кизельгуре, чуть болеевысокая — процессу с цеолитсодержащими катализаторами. Однако в первом случаенаблюдается значительный унос фосфорной кислоты и требуется очистка от неепродуктов, а во втором — нет необходимости в очистке, кроме того, не образуютсясточные воды.
Несмотря на то, что вмировой практике известны технологии алкилирования с применением гетерогенныхкатализаторов, в России единственным катализатором алкилирования до сих порявляется хлорид алюминия, в т. ч. и на установке алкилирования бензолапропиленом на ОАО «Омский каучук». Именно рассмотрению этой установки ипосвящен данный проект.
1.4. Проблемыпроектирования технологических установок алкилирования бензола
Технология жидкофазногоалкилирования бензола олефинами на катализаторах на основе хлорида алюминияхарактеризуется одностадийностью и непрерывностью. Бензол и олефины илиолефин — парафиновая фракция являются дешевым и доступным сырьем. Технологияобладает высокой эффективностью и при конверсии олефина до 99% дифференциальнаяселективность по моноалкилбензолу достигает 91%. Конверсия бензола за один проход– 30-40%. Образующиеся в ходе процесса побочные продукты диалкилбензолыиспользуются для получения целевого продукта за счет совмещения реакцииалкuлированияс реакцией переалкилирования. Для обеспечения полногоиспользования бензола используется принцип рециркуляции. Характернойособенностью данной технологии является наличие нескольких рециркуляционныхциклов, охватывающих реакторную и разделительные подсистемы. В данном случаеони направлены на полное использование исходного сырья — рецикл по бензолу, наиспользование побочных продуктов для получения целевого моноалкилбензола (принципполноты использования отходов) — рецикл по диалкилбензолу, на повышениеэффективности процесса — рецикл по бензолу, ди- и полиалкилбензолам,обеспечивающий оптимальную структуру каталитического комплекса. Организацияэтих рециркуляционных потоков становится возможной за счет реализации принципаполноты выделения всех продуктов из реакционной смеси.
Технология обладаетневысоким энергопотреблением за счет использования тепла реакции, хотя необходимоотметить, что эта энергия используется недостаточно из-за низкого еепотенциала. Существенным недостатком технологии жидкофазного алкилирования накатализаторах на основе хлорида алюминия является большое потребление воды,которая идет для приготовления щелочных растворов и промывки в скрубберах ипревращается в кислотные, щелочные или солевые стоки.
Таким образом,жидкофазное алкилирование ароматических углеводородов позволило решить многиетехнологические задачи и получить ряд ароматических углеводородов впромышленности. Вместе с тем данная технология имеет ряд недостатков:промышленные катализаторы являются недостаточно стабильными и активными; такиепромышленные катализаторы, как АlСlз, HCl и другие,вызывают коррозию аппаратуры и плохо регенерируются; протекание вторичныхреакций снижает селективность основной реакции, а также требует затрат наочистку основных алкилбензолов и регенерацию вторичных продуктов; образуетсябольшое количество сточных вод, в том числе и кислых, что требует затрат на ихочистку.
В связи с этим необходимоискать другие технологические решения. Следует отметить, что ряд недостатковможно избежать, если использовать в качестве катализаторов цеолиты иионообменники.
2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
2.1. Описаниетехнологии базового процесса алкилирования бензола
Производствоизопропилбензолана ОАО «Омский каучук» включает в себя следующие стадии: алкилирование бензола пропиленом; разложениекатализаторного комплекса и нейтрализация реакционной массы; нейтрализацияабгазов; последовательное выделение готовых и побочных продуктов производитсяпутем ректификации реакционной массы алкилирования (РМА).
Алкилирование бензолапропиленомпроизводится в присутствии катализатора хлористого алюминия (AICI3) — при мольном соотношении бензола кпропилену в пределах 1:0,3-0,33 или привесовом соотношении 6:1.
Первой стадией процессаявляется присоединение олефина к хлористому алюминию в присутствии хлористоговодорода:
2AICI3 + HCI + C3H6 → AI2CI6 × C3H7CI
Затем присоединяетсябензол и образуется тройной комплекс:
AI2Cl6× C3H7Cl+ C6H6 →Al2Cl6 ×C6H5 × C3H7× HCl
После образованиятройного комплекса реакция протекает по следующей схеме:
а) присоединяется олефинк комплексу:
Al2Cl6× C6H5× C3H7 × HCl + C3H6 → Al2Cl6 × C6H4(C3H7)2× HCl
б) реакция обмена междукомплексом и исходным углеводородом (бензолом) c образованием алкилбензола:
Al2Cl6 × C6H4(C3H7)2 ×HCl + C6H6 →Al2Cl6 × C6H5 × C3H7 × HCl + C6H5C3H7
Все эти комплексынаходятся в состоянии подвижного равновесия, т.е. алкильные радикалы непрерывнопереходят из одного комплексного соединения в другое.
Хлористый алюминий можетобразовывать тройные комплексы не только с одним, но и с двумя, тремя и такдалее алкильными радикалами:
Al2Cl6× C6H4(C3H7)2× HCl
Al2Cl6× C6H3(C3H7)3× HCl
В результатеприсоединения олефина образуются комплексы с еще большим числом алкильныхрадикалов, которые при обменной реакции с исходным углеводородом (бензолом)дают полиалкилбензолы:
Al2Cl6 × C6H3(C3H7)3 ×HCl + C6H6 →Al2Cl6 × C6H5C3H7 × HCl + C6H4(C3H7)2
Комплексы могут вступатьв обменную реакцию не только с бензолом, но и с продуктами реакции, например, сдиалкилбензолами, тогда происходит процесс деалкилирования:
Al2Cl6 × C6H5C3H7 × HCl + C6H4(C3H7)2 → Al2Cl6 × C6H4(C3H7)2 ×HCl + C6H5C3H7
Чем больше концентрацияалкильных радикалов в среде, окружающей комплекс, тем больше алкильныхрадикалов будет содержаться в комплексных соединениях хлористого алюминия и тембольше будет образовываться полиалкилбензолов. Следовательно, с увеличениемотношения поглощенного олефина к бензолу реакция идет в сторону образованияполиалкилбензолов.
Таким образом, врезультате протекающих реакций образуется ИПБ и вся гамма алкилбензолов и в тоже время меняется углеводородная часть комплекса.
Этот процесс продолжаетсядо тех пор, пока не установится совершенно определенный состав продуктовреакции, который обуславливается только отношением алкильных радикалов кбензольным ядрам в реакционной смеси и не зависит от состава исходного сырья.
Реакция алкилированиябензола пропиленом осуществляется в алкилаторе при температуре не более 130 0Си давлении не более 0,4 МПа.
Тепловой эффект реакцииалкилирования равен 621 ккал/кг поглощенного пропилена.
Разложениекатализаторного комплекса и нейтрализация реакционной массы. Получениеалюмохлорида происходит на 1-й системе разложения по следующему уравнению:
AlCl3 + H2O → AlCl3-n(OH)n× nHCl,
где:n = 1, 2, 3
Разложениекатализаторного комплекса на 2-ой системе разложения производится водой ипротекает по уравнению:
Al2Cl6 х C6H5C3H7х HCl + 6H2O → C6H5C3H7+ 2Al(OH)3 + 7HCl
Нейтрализацияреакционной массы производится щелочью и протекает по уравнению:
HCl + NаOH →NаCl + H2O
Отмывкареакционной массы от фенолов производится щелочью и протекает по уравнению:
C6H5OH + NаOH → C6H5ONа + H2O
Нейтрализация абгазов производится щелочной водой ипротекает по уравнению:
HCl + NаOH →H2O + NаCl
Последовательноевыделение готовых и побочных продуктов производится путем ректификации реакционной массы алкилирования(РМА).Данная стадия происходит в цехе И – 15, где последовательноосуществляется азеотропная осушка бензола и ректификация РМА.
2.2. Структурная схемапроцесса производства ИПБ
Производствоизопропилбензола на ОАО«Омский каучук» состоит из трех отделений:
ЦехИ – 14: приготовление катализаторного комплекса; алкилирование бензолапропиленом; отстой РМА; разложение катализаторного комплекса; нейтрализация РМАи отмывка её от щёлочи; отстой РМА от воды; отчистка абсорбционных газов отбензола и хлорводорода; очистка химстоков от органики;
ЦехИ – 15: азеотропная осушка бензола; ректификация РМА;
ЦехИ – 15а: промежуточный склад хранения бензола и продуктов производства.
Структурная схемапроизводства представлена на рисунке 1.1.
Описаниепроизводственного процесса. Катализаторный комплекс готовят с использованиембезводного хлорида алюминия, бензола и полиалкилбензолов. Для образованияхлористого водорода в смесь добавляют ограниченное количество воды (не более 2%от массы хлорида алюминия). Готовую суспензию перекачивают в реактор –алкилатор, в который подают предварительно осушенную (до содержания воды до0,0005%) жидкую смесь свежего и возвратного бензола, а также предварительноиспаренный и подогретый пропилен. Бензол берут в избытке (мольное соотношениепропилена и бензола равно 1:3).
Выделяющиеся в процессеалкилирования тепло используется для испарения избытка бензола, пары котороговместе с инертными газами, поступающие с пропиленом, выводят из реактора иконденсируют в водяном конденсаторе. получающийся конденсат самотекомвозвращается в реактор, а газообразные примеси отправляют в производственнуюсеть. Степень превращения бензола не превышает 50% (т.к. он находится визбытке), в то время как пропилен реагирует на 100%. Продукты реакции в жидкомвиде вместе с катализаторным комплексом непрерывно отводят в отстойную зону,где отделяют катализаторный комплекс от углеводородов и возвращают в реактор.Углеводороды откачивают на разделение через систему очистки от остатковкатализаторного комплекса и нейтрализации соляной кислоты. Н стадии разделенияпродуктов реакции, называемых реакционной массой (РМ), выделяютнепрореагировавший (возвратный) бензол и направляют его на смешение со свежимбензолом. Далее выделяют целевой продукт – изопропилбензол, полиалкилбензолы(ПАБы), возвращаемые в реактор, этилбензольную и бутилбензольную фракции, которыеотправляют на склад.