МЕТОДИЧКА ЭБx - Томский политехнический университет

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Методические указания к лабораторной работе
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА ЭТИЛБЕНЗОЛА С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИРУЮЩЕЙ
СИСТЕМЫ
2012
О процессе производства этилбензола
Цеолитный катализатор
Установка этилбензола предназначена для получения этилбензола с
использованием жидкофазной технологии EBMax на предприятии ЗАО
«Сибур-Химпром» и рассчитана на использование этиленового сырья
полимерного качества.
Производство введено в эксплуатацию в 2010 году.
Установка запроектирована по непрерывной схеме и состоит из 2-х
отделений:
- алкилирования;
- дистилляции.
В жидкой фазе реактора алкилирования этилен практически полностью
вступает в реакцию с избыточным бензолом, образуя этилбензол (ЭБ):
Процесс протекает при температуре Т=220÷255°С, давлении Р=34кгс/см2
(3,4МПа). Эта реакция носит экзотермический характер, что приводит к
постепенному повышению температуры от одного слоя катализатора к
другому, тепловой эффект равен 27,6 ккал/моль (115,556кДж/моль).
Небольшое
количество
полученного
этилбензола
подвергается
дальнейшему этили-рованию с образованием совместно именуемых
полиэтилбензолов (ПЭБ):
Эти побочные процессы идут также с выделением тепла, тепловой эффект
каждой из реакций составляет 27,8ккал/моль (116,393кДж/моль).
Ди- и триэтилбензолы выделяются из ЭБ внутри секции дистилляции
установки ЭБ с последующим превращением в ЭБ за счет трансалкилирования
с бензолом.
Фракция ЭБ, проходящая дальнейшее алкилирование до ПЭБ, зависит от
свойст-венной моноалкилированной избирательности катализатора, пропорции
сырьевых компо-нентов бензола и этилена (соотношения Б/Э), содержания ЭБ в
подаваемом в реактор бензоле и от количества слоев катализатора
алкилирования. Низкая величина ПЭБ означает, что потребуется меньше
усилий на очистку от ПЭБ, небольшой реактор трансалки-лирования и
невысокий расход подаваемого туда бензола. Это важно также потому, что чем
меньше рецикл ПЭБ, тем меньше побочных продуктов образуется в реакторе
транс-алкилирования и, соответственно, повышается производительность и
качество продукта. При увеличении соотношения Б/Э падает доля
образующихся ПЭБ, но при этом необхо-димо затратить больше усилий на
извлечение бензола. Применение катализатора алки-лирования EBMax
обеспечивает низкий выход ПЭБ даже при небольшом соотношении Б/Э
(Оптимальное соотношение Б/Э составляет свыше 2,47:1 до 2,80).
Внутри ректора алкилирования образуются также некоторые побочные
продукты, которые не удается сразу же превратить в ЭБ. Главную роль здесь
играет олигомеризация этилена:
Бутен может реагировать с бензолом, образуя при этом бутилбензол:
Олигомеры могут также образовывать неароматические углеводородные
соединения (в основном, циклопарафины), которые кипят в диапазоне рабочих
температур бензола. Количество олигомеров, формирующихся над
катализатором алкилирования EBMax, чрезвычайно мало. Вследствие таких
реакций внутри реактора алкилирования образуется небольшое количество
бутилбензола и неароматических углеводородов.
Кроме того, в реакторе алкилирования EBMax формируется небольшое
количество тяжелых соединений, которые представлены в основном
диарилалканами типа дифенил-этана, а также более глубоко алкилированными
соединениями. Они удаляются в колонне ПЭБ в виде кубовых остатков.
ПЭБы, полученные на стадии алкилирования, удаляются за счет реакции с
бензолом в процессе трансалкилирования, превращаясь в дополнительный ЭБ.
Превращение ПЭБ в ЭБ происходит избирательным образом на катализаторе
трансалкилирования EBMax. Для увеличения степени превращения внутрь
реактора подается небольшой избыток бензола.
Небольшое количество бутилбензола, образовавшееся на стадии
алкилирования, эффективно превращается в соединения, которые легко
отделяются путем дистилляции. В основном они представлены бутаном,
который удаляется вместе со сбросным газом, а дифениловые соединения
(дифенилэтан и его производные) отводятся в виде кубовых остатков колонны
ПЭБ. Небольшая фракция бутилбензола превращается в пропилбензол и
этилбензол.
Сырьевой бензол, как правило, содержит порядка 0,05÷0,1% (масс.)
неароматических соединений, в основном цикло- и изопарафины. Те
соединения, чья точка кипения близка к бензолу, не удаляются напрямую
вместе с ЭБ или побочными продуктами. В первую очередь, они удаляются за
счет реакции трансалкилирования с образованием тяжелых соединений,
которые покидают установку ЭБ вместе с кубовыми остатками. Наличие
высоких концентраций неароматических соединений, например, свыше 0,1%
(масс.), может привести к существенному повышению интенсивности
образования тяжелых соединений в реакторе трансалкилирования, что, в свою
очередь, ведет к увеличению выхода кубового остатка.
Катализатор AlCl3
Установка по производству этилбензола входит в состав цеха 126/127 ОАО
"Ангарский завода полимеров". Мощность производства по выпуску
этилбензола составляет 55 тыс.тонн в год. Ввод в действие - 1977 год.
Производство предназначено для получения этилбензола-ректификата.
Синтез этилбензола производится методом алкилирования бензола
этиленом в присутствии комплексного соединения хлористого алюминия (или
цеолитов), алкилароматических углеводородов и хлористого водорода:
АlCl3
С6Н6 + С2Н4 --------- = С6Н5С2Н5
+ 935 ккал/1кг этилена
бензол этилен
этилбензол
(поглощенного)
Процесс алкилирования бензола производится при температуре 110-135оС
и при давлении 0,5-3,0 кгс/см2. Селективность процесса и качество товарной
продукции с изменением температуры в указанном интервале не меняются.
Кроме основной реакции протекает ряд побочных реакций с получением
полиалкилбензолов (ди, три, тетра-этилбензол):
АlCl3
С6Н6 + 9 С2Н4 ------ = С6Н4(С2Н5)2 + С6Н3(С2Н5)3 + С6Н2(С2Н5)4 + Q
бензол этилен
диэтилбензол триэтилбензол тетраэтилбензол
Реакция переалкилирования обратима, поэтому полиалкилбензолы после
выделения из алкилата рециркулируют с целью получения этилбензола.
В результате реакции алкилирования и трансалкилирования
устанавливается термодинамический равновесный состав продуктов реакции,
зависящий только от соотношения алкильных радикалов и бензольных ядер в
реакционной смеси. Оптимальное весовое соотношение - бензола : этилена - (8-
14) ÷1. При этом реакционная смесь будет соответствовать оптимальному
составу (массовые доли) :
бензол - 50-54 %, этилбензол - 30-34 %, полиалкилбензолы - 8-11 % объема.
В отделение алкилирования производства этилбензола входят:
- Узел приготовления катализаторного комплекса.
- Узел алкилирования бензола и обработка несконденсированных газов.
- Узел водной отмывки и нейтрализации алкилата.
Проект PAlkylation
разработан для расчета процессов алкилирования бензола этиленом на
различных катализаторах (алюмохлористый, цеолитный).
Программа предназначена для повышения ресурсоэффективности
производства этилбензола путем определения оптимального режима работы
реакторов (предварительного алкилирования, алкилирования бензола
этиленом и трансалкилирования полиэтилбензола) за счет обеспечения
максимальной селективности процессов по целевому продукту.
На данный момент программа находится на стадии доработки, но уже
обеспечивает выполнение следующих функций:
 расчет
реакторов
предварительного
алкилирования
и
алкилирования
с
учетом
изменения
расхода
циркулирующего
полиэтилбензола (цеолитная технология); реактора алкилирования (AlCl3).
 определение селективности процессов по целевому продукту;
 анализ эффективности эксплуатации катализаторов при различных
режимах работы реактора, выбор наиболее оптимального пути ведения
процесса.
Планируется дополнение программы функцией
-расчета интенсивности коксонакопления на цеолитных катализаторах
(дезактивации AlCl3)
-сравнения
эффективности
использования
различных
типов
катализаторов.
1.
Руководство пользователя
Запустите проект PAlkylation
2.
Выберите интересующее производство
Появятся окна для расчета процессов алкилирования по различным
технологиям.
Модуль расчета процесса
алкилирования (цеолит)
Модуль расчета процесса
алкилирования (AlCl3)
3. Кнопка расчет станет доступна после загрузки данных:
-Меню «Файл»-«Открыть»-MatBalans (цеолиты)
- Выделение нужной даты в списке (AlCl3)
Результат ввода данных (цеолит)
Результат
данных(AlCl3)
4. Нажмите кнопку расчет (или меню «Сервис»-«Расчет»)
Появится окно с результатами и погрешностью расчета.
ввода
Окно с результатами расчетов (цеолит)
Окно с результатами
расчетов (AlCl3)
Дополнительные функции
1. Просмотр и редактирование схемы превращения углеводородов.
Кликните правой кнопкой мыши по интересующему реактору
(всплывающая подсказка). Выберите пункт меню «Показать список
реакций».
Реакции, представленные на форме напрямую связаны с базой данных,
поэтому перезаписываются при редактировании.
Пользователь может редактировать как список реакций, так и
параметры, что удобно при решении обратной кинетической задачи.
2. Расчет массива данных.
Эта функция доступна для процесса алкилирования с катализаторам
AlCl3.
При нажатии кнопки «Расчет массива данных» происходит
последовательный расчет всех имеющихся дат (они представлены в списке
на главном окне) и вывод результатов расчета в файл ResultAngarsk.xls.
Можно дождаться окончания расчета, либо принудительно остановить
расчет массива через диспетчер задач.
Задания к лабораторной работе
1. Исследовать влияние различных параметров (температура, мольное
соотношение бензол/этилен на входе в реактор Р-3) на выход
целевого продукта и селективность по этилбензолу) при синтезе по
цеолитной технологии. Объяснить наблюдаемые закономерности.
2. Построить график зависимости выхода этилбензола из реактора
трансалкилирования
Р-2
от
расхода
циркулирующего
полиэтилбензола при синтезе по цеолитной технологии. Объяснить
наблюдаемую закономерность.
3. При синтезе по алюмохлористой технологии для определенной
даты решить обратную кинетическую задачу (см. п. 1 раздела
«Дополнительные функции»): добиться минимальной погрешности
расчета по основным параметрам (выход бензола, этилбензола,
диэтилбензола). Найденный набор кинетических параметров и
результаты расчета представить в виде таблицы.