Пример расчета материального баланса производства изопропилбензола (ипб)

Исходные данные:

1. Годовая производительность ИПБ – 115000 тонн/год

2. Содержание ИПБ в алкилате – 30%масс

Содержание ПАБ в алкилате – 5%масс

3. Массовое соотношение продуктов в ПАБ:

ДИПБ : ТИПБ : ТетраИПБ = 27,7 : 6 : 1

4. Конверсия пропилена α=88%

5. Мольное соотношение С₃Н₆:С₆Н₆=1:3

6. Состав пропан-пропиленовой фракции:

С₃Н₈ – 5,03%об.

С₂Н₄ – 1,5%об.

С₄Н₈ – 1%об.

С₃Н₆ – 92,47%об.

7. Воды в бензоле – 0,009%

ПАБ – 0,03%

8. Количество ПАБ, возвращаемых с ректификации - 190 кг на 1 т ИПБ.

Химизм процесса:

С₆Н₆ + СН₂=СН-СН₃ → С₆Н₅СН(СН₃) (1)

С₆Н₅СН(СН₃)₂ + СН₂=СН-СН₃ → С₆Н₄(С₃Н₇)₂ (2)

ДИПБ

С₆Н₄(С₃Н₇)₂ + СН₂=СН-СН₃ → С₆Н₃(С₃Н₇)₃ (3)

ТИПБ

С₆Н₃(С₃Н₇)₃ + СН₂=СН-СН₃ → С₆Н₂(С₃Н₇)₄ (4)

ТетраИПБ

С₆Н₄(С₃Н₇)₂ + С₆Н₆ → 2С₆Н₅СН(СН₃)₂ (5)

переалкилирование

C₂Н₄ + С₆Н₆ → С₆Н₅С₂Н₅ (6)

Этилбензол

C₄Н₁₀ + С₆Н₆ → С₆Н₅С₄Н₉ (7)

Бутилбензол

Расчёт:

Рис.1. Схема материальных потоков

Почасовая производительность установки по ИПБ:

П_ИПБ = G_П /N

П_ИПБ = 115000*1000/8040 = 14303,4826 кг/ч

где N - число рабочих часов в году;

N= 335*24=8040 час;

число рабочих дней в году - 335;

G_П - производительность по ИПБ в год

Количество потерь ИПБ:

G_{потери.ИПБ} = 3% * П_ИПБ

G_{потери.ИПБ} = 3*14303,4826/100 = 429,1045 кг/ч

Количество ИПБ с учётом потерь:

G_ИПБ = П_ИПБ + G_{потери.ИПБ}

G_ИПБ = 14303,4826 + 429,1045 = 14732,5871 кг/ч

или 14732,5871/120=122,7716 кмоль/ч

Количество получаемых ПАБ:

G_ИПБ – С_{ИПБ.вых}

х (G_ПАБ) – С_{ПАБ.вых}

где С_{ИПБ.вых} – концентрация ИПБ на выходе из реактора, % мас

С_{ПАБ.вых} - концентрация ПАБ на выходе из реактора, % масс

14732,5871 – 30%

х (G_ПАБ) – 5%

х (G_ПАБ) = 2455,4312 кг/ч

Количество образующегося ДИПБ :

G_ПАБ – С_{ПАБ.вых}

х (G_ДИПБ) - С_{ДИПБ.вых}

где С_{ПАБ.вых} - концентрация ПАБ на выходе из реактора, масс.ч.

С_{ДИПБ.вых} – концентрация ДИПБ на выходе из реактора, масс.ч.

27,7+6+1=34,7 мас. частей (ПАБ)

2455,4312 – 34,7

х (G_ДИПБ) – 27,7

х (G_ДИПБ) = 1960,0992 кг/ч или 1960,0992/162= 12,0994 кмоль/ч

Количество образующегося ТИБП:

G_ПАБ – С_{ПАБ вых}

х (G_ТИПБ) – С_{ТИПБ.вых}

где С_{ПАБ вых} - концентрация ПАБ на выходе из реактора, масс.ч.

С_{ТИПБ.вых} – концентрация ТИПБ на выходе из реактора, масс.ч.

2455,4312 – 34,7

х (G_ТИПБ) – 6

х (G_ТИПБ) = 424,5702 кг/ч или 424,5702/204 = 2,0812 кмоль/ч

Количество образующегося ТетраИПБ :

G_ПАБ – С_{ПАБ вых}

х (G_{ТетраИПБ}) – С_{ТетраИПБ.вых}

где С_{ПАБ.вых} - концентрация ПАБ на выходе из реактора, мас.ч.

С_{ТетраИПБ.вых} - концентрация ТетраИПБ на выходе из реактора, мас.ч.

2455,4312 – 34,7%

х (G_{ТетраИПБ}) – 1%

х (G_{ТетраИПБ}) = 70,7617 кг/ч или 70,7617/246 = 0,2876 кмоль/ч

Количество возвращаемых ПАБ с ректификации 190 кг на 1 тонну ИПБ

При получении 14732,587 кг/ч ИПБ возвращаются ПАБ:

G_ПАБ = (G_{ПАБ на 1 т} * G_ИПБ)/1000

G_ПАБ = (190 * 14732,5871)/1000 = 2799,1915 кг/ч

В пересчете на ДИПБ: G_ДИПБ = G_ПАБ / М(G_ДИПБ)

где М(G_ДИПБ) - молекулярная масса ДИПБ

G_ДИПБ = 2799,1915/162 = 17,2790 кмоль/ч

По реакции переалкилирования (5):

С₆Н₄ – (С₃Н₇)₂ + С₆Н₆ → 2С₆Н₅ – С₃Н₇

• Образуется ИПБ:

1*162 – 2*120

2799,1915 – х

х= 4146,9504 кг/ч или 34,5579 кмоль/ч

где М=162 – молярная масса ДИПБ;

М=120 – молярная масса ИПБ;

• Расход бензола:

1*162 – 1*78

2799,1915 – х

х= 1347,7589 кг/ч или 401,8943 кмоль/ч

где М= 78 – молярная масса бензола.

По реакции (4):

С₆Н₃(С₃Н₇)₃ + С₃Н₆ → С₆Н₂(С₃Н₇)₄

• Образуeтся ТетраИПБ 70,7617 кг/ч.

• Расход пропилена

1*42 – 1*246

х – 70,7617

х= 12,0813 кг/ч

где М=42 – молярная масса пропилена;

М=246 – молярная масса тетраИПБ;

• Расход ТИПБ:

1*204 -1*246

х – 70,7617

х= 58,6804 кг/ч

где М=204 – молярная масса ТИПБ;

По реакции (3):

С₆Н₄(С₃Н₇)₂ + С₃Н₆ → С₆Н₃(С₃Н₇)₃

• Образуется ДИПБ: 58,6804+424,5702= 483,2506 кг/ч

• Расход пропилена:

1*42 – 1*204

х – 483,2506

х= 99,4928 кг/ч

• Расход ДИПБ:

1*162 – 1*204

х – 483,2506

х= 383,7578 кг/ч

По реакции (2):

С₆Н₅СН(СН₃)₂ + С₃Н₆ → С₆Н₄(С₃Н₇)₂

• Образуется ДИПБ:

383,7578+1960,0992=2343,8570 кг/ч

• Расход пропилена:

1*42 – 1*162

х – 2343,8570

х= 607,6666 кг/ч

• Расход ИПБ:

1*120 – 1*162

х – 2343,8570

х= 1736,1904 кг/ч

По реакции (1):

С₆Н₆ + С₃Н₆ → С₆Н₅СН(СН₃)

• Образуется ИПБ:

(1736,1904+14732,5871)- 4146,9504= 12321,8271 кг/ч

• Расход пропилена:

1*42 – 1*120

х – 12321,8271

х= 4312,6395 кг/ч

• Расход бензола:

1*78 – 1*120

х – 12321,8271

х= 8009,1876 кг/ч

Общее количество прореагировавшего пропилена:

G_{С3Н6.прореаг} = G₍₁₎ + G₍₂₎ + G₍₃₎ + G₍₄₎

G_{С3Н6.прореаг}= 4312,6395 + 607,6666 + 99,4928 + 12,0813 = 5031,8802 кг/ч

Количество поданного пропилена:

G_{С3Н6 прореаг} – α

х (G _{С3Н6 подан )} – 100%

5031,8802 – 88%

х – 100%

х (G _{С3Н6 подан}) = 5718,0457 кг/ч или 136,1439 кмоль/ч

Количество непревращённого пропилена:

G _{С3Н6непрев} = G _{С3Н6подан} - G _{С3Н6 прореаг}

5718,0457-5031,8802=686,1637 кг/ч или 16,3372 кмоль/ч

Состав пропан-пропиленовой фракции:

Таблица 1 - Количество ППФ:

Название	Формула	Моляр-ная масса	х, %об.	n, кмоль/час	m, кг/час
Пропилен	С3Н6	42	92,47	136,1439	5718,06
Пропан	С3Н8	44	5,03	7,4057	325,851
Бутилен	С4Н8	56	1	1,4723	82,449
Этилен	С2Н4	28	1,5	2,2085	61,838
Итого			100	147,2304	6188,18

По реакции (6):

С₆Н₆ + С₂Н₄ → С₆Н₅ – С₂Н₅

• Расходуется этилена: 61,8380 кг/ч

• Образуется этилбензола:

1*28 – 1*106

61,8380 – х

х= 234,1010 кг/ч

• Расход бензола:

1*28 – 1*78

61,8380 – х

х= 172,2630 кг/ч

По реакции (7):

С₆Н₆ + С₄Н₈ → С₆Н₅ – С₄Н₉

• Расходуется бутилена: 82,4488 кг/ч

• Образуется бутилбензола:

1*56 – 1*134

82,4488 – х

х= 197,2882 кг/ч

• Расход бензола:

1*56 -1*78

82,4488 - х

х= 114,8394 кг/ч

Количество поданного бензола:

С₃Н₆:С₆Н₆=1:3 мольн.

Подано С₃Н₆: 5718,0457 кг/ч или 136,1439 кмоль/ч

Подано С₆Н₆ : 3*136,1439=408,4317 кмоль/ч или 31857,6726 кг/ч

Общее количество прореагировавшего бензола:

G_{бенз. прев} = G_{бенз(1) +} G_бенз(5) + G_{бенз(6) +} G_бенз(7)

G_{бенз. прев} = 8009,1876 + 1347,7589 + 172,2630 + 114,8394 = =9644,0489 кг/ч или 123,6417 кмоль/ч

Количество непрореагировавшего бензола:

31857,6726 - 9644,0489 = 22213,6237 кг/ч

Количество воды, поступающей с бензолом

G_{воды в бенз} = (G_{бензола под} * 0,009)/100

31857,6726 * 0,009/100 = 2,8672 кг/ч

Количество воды, поступающей с ПАБ:

G_{воды в ПАБ} = (G_{ПАБ под} * 0,03)/100

2799,1915 * 0,03/100 = 0,8398 кг/ч

Общее количество воды в бензоле и ПАБ:

G_воды = G_{воды в бенз} + G_{воды в ПАБ}

2,8672+0,8398=3,7070 кг/ч

Вода, поступающая с бензолом, взаимодействует с АlCl₃ по реакции:

АlCl₃ + 3Н₂О → Аl(ОН)₃ + 3НCl

• Расход АlCl₃:

1*133,5 – 3 * 18

х – 3,7070

х = 9,1645 кг/ч

где 133,5 – молярная масса АlCl₃;

18 – молярная масса воды;

• Количество образовавшегося Аl(ОН)₃

1*78 – 3 * 18

х – 3,7070

х = 5,3546 кг/ч

где 78 – молярная масса Аl(ОН)₃;

• Количество образовавшегося НCl:

3 * 36,5 – 3 * 18

х - 3,7070

х = 7,5170 кг/ч

Расход катализатора AlCl₃ составляет 6,7 кг на 1 тонну ИПБ в час.

На 14732,5871 кг/ч ИПБ расходуется

(14732,5871 * 6,7)/1000*0,8 = 78,9666 кг/ч AlCl₃

и (14732,5871 * 6,7)/1000*0,2 = 19,74 кг/ч NiCl₂.

Количество AlCl₃, оставшегося в составе алкилата:

78,9666 - 9,1645 = 69,8021 кг/ч

В отходящие газы переходит 0,3 кг бензола на 1 т ИПБ в час:

G_{бенз.газ} = (G_{бенз. на 1 т} * G_ИПБ)/1000

G_{бенз.газ} = (0,3*14732,5871)/1000 = 4,4198 кг/ч или 0,0567 кмоль/ч

Состав отходящих газов:

Таблица 2 - Состав отходящих газов:

Формула	n, кмоль/час	m, кг/час
С3Н6	16,3372	686,1637
С3Н8	7,4057	325,8508
С6Н6	0,0567	4,4198
НСl	0,2059	7,5170
Итого	24,0055	1023,9513

Количество бензола, остающегося в составе алкилата:

G_{бенз.ост} = G_{бенз. общ} - G_{бенз. прев} - G_{бенз.газ}

G_{бенз.ост} = 31857,6726 – 9644,0489 – 4,4198 = 22209,2039 кг/ч

Таблица 3 – Сводный материальный баланс процесса получения изопропилбензола

Приход			Расход
	кг/ч	% мас.		кг/ч	% мас.
1 Бензол технический 2 Пропан – пропиленовая фракция а)пропилен; б)пропан; в)бутилен; г)этилен; 3 Полиал- килбензолы 4 Бинарный катализатор а)хлорид алюминия AlCl3; б)хлорид никеля NiCl2; 5 Циркуляционный бензол	31860,5 6188,2 5718,1 325,9 82,5 61,8 2800,0 98,7 78,9 19,7 6166,4	67,7 13,1 12,1 0,7 0,2 0,1 5,9 0,2 0,16 0,04 13,1	1 Алкилат а) ИПБ; б) ДИПБ; в) ТИПБ; г) ТетраИПБ; д) этилбензол; е) бутилбензол; ж) бензол; з) хлорид алюминия AlCl3; и) хлорид никеля NiCl2; к) Гидроксид алюминия Аl(OH)3 2 Отходящие газы а)пропилен б)пропан в)бензол г)хлористый водород д)циркуляционный бензол	39923,49 14732,58 1960,10 424,57 70,76 234,10 197,29 22209,20 69,80 19,74 5,35 7194,74 686,16 325,85 4,42 7,52 6166,37	84,7 31,4 4,2 0,9 0,2 0,5 0,4 47,1 0,15 0,05 0,01 15,3 1,5 0,7 0,01 0,02 13,1
Всего:	47113,8	100	Всего:	47113,8	100