Практическое занятие № 3 Процесс алкилирования

Синтез технического изооктана (авиаалкилата) осуществляется в контакторе (реакторе) путем алкилирования изобутана бутиленами и амиленами в присутствии крепкой серной кислоты. В реактор непрерывно вводится смесь бутан-бутиленовой фракции и циркулирующего изобутана с серной кислотой; из реактора отводятся продукты алкилирования, непрореагировавшие углеводороды и отработанная серная кислота.

Указанная углеводородная смесь до ввода в реактор перемешивается в специальном смесителе. Бутан-бутиленовая фракция (сырье) представляет собой смесь пропана, н-бутана, изобутана, н-бутилена, изобутилена, амилена и изопентана

Алкилирование ведется при температуре +10˚C. При указанных условиях бутилены полностью и около 95% амиленов вступают в реакцию алкилирования с изобутаном, образуя технический изооктан (авиаалкилат) и полимеры (мотоалкилат). Выход технического изооктана составляет 93 — 94%, а полимеров 6 — 7% вес. на продукты алкилирования. Схема потоков в реакционном узле приведена на рис. 55.

Выход широкой фракции продуктов алкилирования (смесь технического изооктана и полимеров) G_ш.ф. без учета потерь определяется формулой:

(1)

где G₁ — количество бутиленов, поступающих в реактор, в кг/ч;

G₂ — количество амилена, поступающего в реактор, в кг/ч;

М₁-молекулярный вес бутилена (56);

М₂ — молекулярный вес изобутана (58);

М₃ — молекулярный вес амилена (70);

η₁ — доля амилена, вступающего в реакцию алкилирования (0,95).

Рисунок 55 - Схема потоков в узле реактора при производстве технического изооктана.

Количество технического изооктана:

(2)

η₂— выход технического изооктана на продукты алкилирования(0,93-0,94)

Количество мотоалкилата:

(3)

η₃ - выход мотоалкилата на продукты алкилирования (0,06—0,07)

Количество амилена, переходящего в кислый гудрон:

(4)

Количество олефинов, вступающих в реакцию алкилирования:

(5)

Количество изобутана, поступающего в алкилирования:

(6)

Количество непрореагировавшего изобутана:

(7)

Количество изобутана, поступающего в реактор:

(8)

где п₁ — мольное соотношение изобутан: бутилены;

п₂ — мольное соотношение изобутан: амилены.

Количество изобутана, циркулирующего в системе:

(9)

Количество изобутана, выходящего из реакторов:

(10)

Расход свежей серной кислоты:

(11)

где g₁— удельный расход свежей серной кислоты в кг на 1 кг широкой фракции продуктов алкилирования (0,21 кг/кг).

Количество отработанной серной кислоты:

(12)

Количество серной кислоты, подаваемой в реактор:

(13)

G₀ — количество пропана, поступающего в реактор, в кг/ч;

ρ₀, ρ_1, ρ₂,ρ₁₀,ρ₁₅, ρ₁₆— плотности соответственно пропана, бутилена, амилена, изобутана, пентанов и н-бутана при температуре t = 10˚ С в кг/м³;

G₁₅ - количество пентанов, поступающих в реактор, в кг/ч;

G₁₆-количество н-бутана, поступающих в реактор, в кг/ч;

1,86 - соотношение объемов кислоты углеводородной смеси.

Количество циркулирующей серной кислоты:

(14)

где ρ_с.к.- плотность свежей серной кислоты в кг/м^3.

Количество полуотработанной серной кислоты:

(15)

Средний объем продуктов, проходящих через реакторы:

(16)

Объем реакционной зоны:

(17)

где τ — время контакта (τ = 20 ÷ 30 мин).

Количество реакторов:

(18)

где V_p — объем реакционной зоны одного реактора (V_p= 18,5 м³).

Алкилирование изобутана олефинами протекает с выделением тепла. Количество тепла, снимаемого хладагентом (жидким пропаном или аммиаком) для поддержания температуры реакционной зоны 10˚ С, определяется формулой:

(19)

где с₁ — средняя теплоемкость углеводородной смеси в ккал/кг∙ град (с₁ = 0,5);

с₂ — теплоемкость серной кислоты в ккал/кг град (с₂ = 0,3),

t₁ — температура углеводородной смеси при поступлении в реактор (t₁ = =25˚С);

t₂ — температура серной кислоты при поступлении в реактор (t₂ = 35˚С);

G_с.к. — количество серной кислоты, подаваемой в реактор, в кг/ч;

q — теплота реакции алкилирования на 1 кг олефинов, вступающих в реакцию (q =550 ккал/кг);

Q_n— потери тепла реакторами в окружающую среду, в ккал/ч.

Охлаждающая поверхность реакторов рассчитывается согласно формуле:

(20)

где k - коэффициент теплопередачи (k = 450 — 550 ккал/м²∙ ч∙ град);

ύ — разность температур хладагента и смеси, находящейся в зоне реакции:

Количество хладагента, подаваемого в охлаждающие змеевики реакторов:

(21)

где i— теплота испарения хладагента в ккал/кг.

Задача. Определить количество реакторов и количество хладагента, подаваемого в реакторы установки алкилирования изобутана бутиленами производительностью 240 т/ сутки бутан-бутиленовой фракции. Углеводородный состав бутан-бутиленовой фракции в % вес.: пропап 2,0, бутилены 19,8, изобутан 32,5, н-бутан 17, амилены 4,5, пентаны 24,2.

Порядок решения:

1. Производительность установки по сырью в кг/ч, G

2. Количество пропана, бутиленов, изобутана, н-бутана, амиленов и пентанов, поступающих на алкилирующую установку G₀, G₁, G₈, G₁₆, G₂. G₁₅.

3. Выход широкой фракции продуктов алкилирования G_ш.ф. по формуле (1)

4. Количество технического изооктана G₃ по уравнению (2)

5. Количество мотоалкилата G₄ по уравнению (3)

6. Количество амиленов, поглощаемых серной кислотой G₅, по уравнению (4)

7. Количество олефинов, вступающих в реакцию алкилирования G₆, по уравнению (5)

8. Количество изобутана, вступающего в реакцию алкилирования G₇, по уравнению (6).

9. Количество непрореагировавшего изобутана G₉ по уравнению (7)

10. Количество изобутана, поступающего в реактор G₁₀, по уравнению (8)

11. Количество изобутана, циркулирующего в системе G₁₁, по уравнению (9)

12. Циркулирующая изобутановая фракция состоит из пропана (3% вес.), изобутана (88% вес.) и н-бутана (9% вес.). Количество циркулирующей изобутановой фракции G

13. Количество пропана в циркулирующей изобутановой фракции.

14. Количество н-бутана в циркулирующей изобутановой фракции

15. Количество изобутана, выходящего из реактора, G₁₂ по уравнению (10)

16. Расход свежей серной кислоты G₁₃ по формуле (11)

17. Количество отработанной серной кислоты G₁₄ по формуле (12)

18. Объем серной кислоты, подаваемой в реактор V_с._к, по формуле (13)

или вес серной кислоты:

19. Количество циркулирующей серной кислоты V_{ц.к .}по формуле (14)

20. Количество полуотработанной серной кислоты по формуле (15)

21. Средний объем продуктов, проходящих через реакторы V, по формуле (16)

22. Объем реакционной зоны по формуле (17)

23. Количество реакторов по формуле (18)

24. Количество тепла, которое снимается хладагентом для поддержания температуры реакционной зоны 10˚ С, находим по формуле (19), приняв λ = 0,7 ккал/м∙ч∙град, = 40-10˚С, δ=0,1 м,

25. Охлаждающая поверхность трех реакторов F, по формуле (20).

26. Количество хладагента (жидкого пропана), подаваемого в охлаждающие змеевики реакторов G_x.а, по формуле (21), если принять для пропана при температуре в зоне реакции 10˚С i = 87 ккал/кг.