Размещено на http://www.allbest.ru/

Системний аналіз процесу алкілування бензолу

ВСТУП

• Мета курсової роботи полягає в моделюванні схеми процесу алкілування бензолу.
• Актуальність теми полягає в отриманні етилбензолу, що є важливим прекурсором у нафтохімічному синтезі. 99% етилбензолу, що виробляється у світі, використовується для синтезу стирену (фенілетилену), котрий, у свою чергу, є сировиною для полістирену. Невелика кількість етилбензолу використовується як розчинник та антидетонатор.
• Етилбензол -- органічна сполука, ароматичний вуглеводень із лінійною формулою C6H5C2H5. За звичайних умов є безбарвною, легкозаймистою леткою рідиною з характерним запахом, що нагадує гас.
• Майже увесь промислово отримуваний етилбензол синтезується шляхом алкілування бензолу етиленом. Протягом кількох десятиліть як каталізатор реакції застосовували кислоти Льюїса, наприклад, розчинений хлорид алюмінію:
• Попри те, що використання AlCl3 є доцільним з боку загальної вартості виробництва, нині стрімко зростають витрати на утилізацію утворюваних відходів. На додачу до цього, синтез за цим метод призводить до незначного пошкодження реакторів і трубопроводів через корозію. У 1980-х роках замість хлориду алюмінію почали використовувати каталізатори на основі цеолітів.

1. АНАЛІЗ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ ПРОЦЕСУ АЛКІЛУВАННЯ БЕНЗОЛУ

1.1 Загальні відомості

кількість етилбензолу С8Н10 синтезується з бензолу С6Н6 і етилену С2Н4. Невелика його кількість виходить ректифікацією суміші ароматичних вуглеводнів (етилбензолу і ксилолів), виділеної з риформаційних установок каталітичного риформінгу. Етилбензол широко використовується для виробництва стиролу. Процес алкілування бензолу етиленом проводять головним чином на каталізаторі А12С13. Наприклад, для рідкофазного процесу синтезу етилбензолу використовують бензол чистотою не нижче 99%. Твердий хлорид алюмінію і хлористий водень НС1 додають до реакційної суміші з бензолу і етилену, що спрямовується в реактор-алкілатор. Рідкі продукти температурою 80-100°С з алкілатора охолоджуються і в відстійнику відокремлюються від каталітичного комплексу. Чіткою ректифікацією виділяється рідкий етилбензол, бензол, що не прореагував повертається в реактор. Експлуатуються різноманітні установки із застосуванням та інших каталізаторів, наприклад оксиду алюмінію А1203, модифікованого фтористим бором BF3.[1]

Фізичні властивості.

Етилбензол C6H5CH2CH3 - безбарвна, прозора, горюча рідина з запахом, що нагадує запах бензолу. Змішується з бензолом, толуолом, гексаном, петролейним ефіром, хлороформом, чотирьоххлористим вуглецем і багатьма іншими органічними розчинниками. Практично не розчинний у воді (0.014% по масі при 15 ° C).

Хімічні властивості.

Найбільше значення з усіх властивостей етилбензолу має дегідрогенізація, котра веде до утворення промислово важливого стиролу:



Реакцію проводять за температури 600--660 °C у присутності каталізатору -- оксиду заліза(III), промотованого калієм. До побічних реакцій відноситься деалкілювання з утворенням бензену або толуену.

У рідкій фазі етилбензол може окиснюватися повітрям із утворенням гідропероксиду. Однак він є нестійким і при незначному підвищенні температури розкладається. Даний гідропероксид також сировиною для отримання стирену (за участі пропілену):

Наявна у бензеловому кільці етильна група є орієнтантом першого роду, тому приєднання до кільця інших функціональних груп здійснюються у пара- та орто-положення, із переважанням першого:



Окисненням етилбензолу у присутності каталізатору ацетату марганцю отримують ацетофенон:

Отримання етилбензолу.

Майже увесь промислово отримуваний етилбензол синтезується шляхом алкілування бензолу етиленом. Протягом кількох десятиліть як каталізатор реакції застосовували кислоти Льюїса, наприклад, розчинений хлорид алюмінію:

Попри те, що використання AlCl3 є доцільним з боку загальної вартості виробництва, нині стрімко зростають витрати на утилізацію утворюваних відходів. На додачу цього, синтез за цим метод призводить до незначного пошкодження реакторів і трубопроводів через корозію. У 1980-х роках замість хлориду алюмінію почали використовувати каталізатори на основі цеолітів.

Алкілування кислотами Льюїса

Рідкофазний синтез етилбензолу за участі хлориду алюмінію був запроваджений у 1930-х роках. Варіації цього методу запровадили на підприємствах BASF, Monsanto, Dow Chemical та інших.

Алкілювання бензолу етиленом є вкрай екзотермічним процесом (ДH=-114 кДж/моль), у присутності AlCl3 реакція відбувається дуже швидко, із майже стехіометричним виходом етилбензолу. Окрім хлориду алюмінію, також застосовувалися й інші кислоти Льюїса: AlBr3, FeCl3, ZrCl4, BF3. У випадку хлориду алюмінію, як промотори використовують хлороетан або хлороводень -- ці галогеніди зменшують кількість AlCl3, необхідну для перебігу процесу.

У процесі виробництва суміш рідкого бензолу та розчиненого каталізатору безперервно подають у реактор і перемішують для досягнення рівномірного розподілу. Згодом до суміші впорскуються етилен і промотуючі добавки. Ступінь перетворення етилену сягає 100%. Поширеним молярним співвідношенням етилен:бензол є 0,3--0,35. Якщо співвідношення зрушиться у напрямку збільшення, зросте ймовірність перебігу побічних реакцій -- трансалкілювання та ізомерного перегрупування. Подальше алкілювання бензолу веде до зворотнього утворення поліалкілбензолів, які, для мінімізації втрат у виробництві, повертають у реактор.

Типовою температурою для проведення синтезу є 130 °C. Її підвищення призводить до зменшення активності каталізатору та утворення поліалкілбензентів і неароматичних сполук. Значення тиску у реакційній системі підбираються для витримування реагентів у рідкій фазі. Іншим важливим моментом є наявність води у реакторі: окрім спричинення корозійних процесів, вона також суттєво знижує активність каталізатору, тому перед введенням бензолу в реакцію проводиться його зневоднення.

Після завершення взаємодії суміш продуктів і каталізатору, виводиться з реактору та охолоджується, а каталізатор відділяється з органічної фази декантацією й направляється на повторний цикл. Органічна фаза промивається водою та лугами для очищення її від залишків розчиненого хлориду алюмінію (утворена водна фаза, що містить розчинений AlCl3 та малорозчинний Al(OH)3, далі направляється на відновлення).

Очищення етилбензолу зазвичай здійснюється у трьох дистиляційних колонах:

· у першій колоні відділяється легкокиплячий бензол, що не прореагував;

· у другій етилбензол відділяється від важчих поліалкілбензенів;

· у третій колоні із залишкових поліалкілбензенів з другої стадії відділяються сполуки, що піддаються переробці, від важких, переважно поліциклічних, які спалюються у вигляді палива.

Компанією Monsanto була запропонована модифікація методу, котра полягала у зменшенні кількості хлориду алюмінію до мінімально необхідного значення (що позитивно вплинуло на кількість утворюваних відходів) та підвищення температури в реакторі (до 160--180 °C). Ріст температури надає ще одну перевагу -- можливість проведення синтезу за низького тиску етилену.

У 1960-х роках був запропонований метод із використанням флуориду бору, однак він не мав значного поширення через значний перебіг корозійних процесів. Попри це метод має суттєві переваги: продуктом виробництва є етилбензол високої чистоти, а як вихідну сировину можна використовувати неконцентрований етилен. Алкілування проводиться за високого тиску (2,3--2,5 МПа) і низької температури (100--150 °C). Зневоднений бензол, етилен і BF3 подаються у реактор, із типовим молярним співвідношенням етилен:бензол близько 0,15--0,2. На відміну від першого процесу, тут трансалкілювання за участі сухого бензолу, поліалкілбензенів та каталізатору проводиться в окремому реакторі, за вищої температури (180--230 °C).

Поєднані з обох реакторів продукти подаються на три дистиляційні колони, де першими відділяються бензол та інші легколеткі вуглеводні, BF3. Залишок від першої колони подається у другу, де відділяється етилбензол із чистотою >99,9%. Кінцева колона слугує для виділення вуглеводнів, які піддаються переробці.

Метод може використовувати будь-яку етиленовмісну сировину, що містить принаймні 8--10% етилену (сировину від переробки нафти, коксовий газ тощо). Однак, для такої сировини пред'являються особливі вимоги чистоти: вона не повинна містити води, сірчистих газів та киснемісних сполук, які отруюють каталізатор.

Алкілування цеолітами

Перший метод алкілування бензолу в присутності цеолітів (алюмосилікатів) було розроблено 1970-х роках. Базовим каталізатором тоді був цеоліт ZSM-5.

Алкілування проводиться у двох варіаціях: газофазній та рідкофазній.

Газофазний процес

Алкілування проводиться за температури 350--450 °C і тиску 1--3 МПа. Для проведення реакції важливим є значний надлишок бензолу у системі.

Каталізатор поступово деактивується, перетворюючись на кокс, тому він потребує періодичного оновлення для регенерації. Регенерація триває близько 36 годин і є необхідною після 18--24 місяців роботи каталізатору. Він є чутливим до дії води, сірковмісних сполук та інших каталітичних отрут.

Газуваті продукти реакції аналогічно до методу з кислотами Льюїса подаються на дистиляційні колони, до спершу виділяється бензол, згодом етилбензол, а від залишку алкіл- та поліалкілбензенів відділяють вуглеводні, котрі піддаються переробці. Решту важких вуглеводнів (переважно дифенілметан, дифенілетан) спалюють як паливо.

Рідкофазний процес

Впровадження рідкофазного алкілування вперше відбулося у 1990 році на заводі однієї з дочірніх компаній Nippon Steel.

Взаємодія проводиться при температурах, що не перевищують критичне значення для бензолу (239 °C). Корекція тиску в реакторі здійснюється таким чином, щоб усі легкі гази знаходилися у розчині (близько 4 МПа).

Продукти реакції розділяють на дистиляційних колонах: легкокиплячий бензол виділяється і повторно подається в реакційну систему, у другій колоні виділяється етилбензол, а решта (алкілбензени та поліетилбензени) подається на третю колону, де проходить розділення важких вуглеводнів, які частково повертаються на трансалкілювання.

Окрім бензолу, основними домішками тут є неароматичні сполуки (нафтени), толуен, вищі алкілбензени.

Інші методи

Виділення з сумішей C8

Близько 1% отримуваного етилбензолу синтезують переробкою сировини при виробництві ксиленів. В основному виділення відбувається шляхом перегонки, котра, через складність її проведення, дістала назву суперфракціонування. Зростання вартость енергоносіїв не надало цьому методу вагомого поширениня.

Лабораторні методи

Етилбензол можна синтезувати за одним з варіантів реакції Вюрца:

Ефективним є синтез за реакцією Корі -- Хауса, котра відбувається у м'якших умовах і не супроводжується утворенням побічних продуктів:

Також застосовується глибоке відновлення оксосполук (бензальдегіду, бензойної кислоти) за реакцією Кіжнера -- Вольфа:



1.2 Застосування етилбензолу

Абсолютна більшість отримуваного етилбензену використовується у виробництві стирену -- промислово важливого мономеру для отримання полістирену. Незначна частка (менше 1%) етилбензену застосовується у лакофарбовій промисловості як розчинник. Також він є вихідної сировиною для синтезу ацетофенону, діетилбензену, етилантрахінону. Етилбензен є антидетонаційною добавкою до моторного палива для збільшення його октанового числа.[2]

1.3 Аналіз технологічної схеми. Принцип дії

Реакції алкілування проводяться в одну стадію шляхом завантаження в один реактор двох різних каталізаторів. Процес проводять при 380-450 ° С. Технологічний результат: підвищення виходу етилбензолу і селективності процесу алкілування при одночасному зниженні енерговитрат і експлуатаційних витрат процесу алкілування бензолу етиленом.

Винахід відноситься до отримання етилбензолу шляхом каталітичного алкілування бензолу етиленом.

Відомий спосіб отримання етилбензолу шляхом алкілування бензолу етиленом з використанням каталітичної композиції, що включає цеоліт, а також оксиди кремнію, алюмінію, магнію або природні глини або їх комбінації. Каталітичне алкілування проводять при 100-350 ° С, тиску 10-50 атм, об'ємної швидкості 0,1-200 ч-1 і мольному співвідношенні бензол: етилен 1-20.

Ще одним спобом алкілування бензолу етиленом є проведення реакції у присутності каталізатора, що містить цеоліт і оксид алюмінію. Каталітичне алкілування здійснюють в інтервалі температур 100-300 ° С, в інтервалі тисків 10-50 атм, при об'ємної швидкості подачі сировини в інтервалі 0,1-200 ч-1 і при мольному співвідношенні бензол:етилен 1-20.

Найбільш близьким за технічною сутністю і результатом, що досягає до пропонованого винаходу є спосіб алкілування бензолу етиленом і трансалкілування діетилбензолов.

Згідно прототипу алкілування бензолу етиленом і трансалкілування діетилбензолов здійснюють за таких реакцій.

Основною реакцією алкілування бензолу етиленом, що протікає в реакторі алкілування на цеолітні каталізаторі, є реакція між бензолом і етиленом з утворенням етилбензолу:

Крім основної реакції в реакторі алкілування протікають побічні реакції, як за участю основної сировини, так і за участю домішок, що містяться в сировині. Етилбензол алкілуючі з утворенням діетилбензолів і тріетилбензолів:

В результаті деструкції алкільних груп при алкілуванні утворюються ксилоли:



Необхідний для цього водень утворюється за рахунок реакції дегідроконденсації ароматичних сполук, в результаті яких виходять смолообразні речовини, збіднені воднем (реакції коксоутворення).[3]

Опис процесу: рідиннофазний каталітичний процес алкілування бензолу етиленом.

Тиск 2,5 МПа, температура 200 С.

Молярне співвідношенні етилен: бензол 1,0: 4,5 за брутто-реакціями:

Ступінь перетворення етилену за цільовою реакцією (1) складає 0,90; за реакцією (2) (у діетилбензол) - 0,09.

Вихідні потоки мають температуру 25С і тиск 2,5МПа.

Потік, що надходить на алкілування, містить 45 кмоль бензолу і 0,5 кмоля толуолу. Алкілуючий потік містить 10 кмоль етилену і 1 кмоль етану.

З конденсатору 4 до алкілатора повертаються непрореагувавші речовини, але їхня доля є не значною, тому при моделюванні даного процесу рецикл можна упустити.

Рисунок 1.1 - Схема процесу гомогенного алкілуванния бензолу:

1 - алкілатор; 2 - переалкілатор; 3 - сепаратор; 4 - конденсатор; 5 - холодильник

Технологічна схема заданого процесу (рис. 1.1) немає зворотних зв'язків, тому структурний аналіз не дасть додаткової інформації, щодо розрахунку схеми.

2.МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ У CHEMCAD

2.1 Про CHEMCAD

Пакет ChemCAD розроблений компанією SIMSCI ChemStations, Inc. Він складається з безпосередньо базової універсальної програми ChemCAD, призначеної для статичного моделювання основних процесів, заснованих на фазових і хімічних перетвореннях (що має засоби розрахунку геометричних розмірів і конструктивних характеристик основних апаратів, і оцінки вартості обладнання), так і додаткових модулів: СС -DYNAMICS - розрахунок динамічних режимів, СС -THERM - розрахунок теплообмінників (типу труба в трубі, пластинчастих, кожухотрубних, апаратів повітряного охолодження), CC-BATCH - моделювання процесів періодичної ректифікації і ряду інших.

Універсальна моделююча програма має графічний інтерфейс для платформ PC / Windows, базу даних - індивідуальних компонентів (більше 1900 речовин), дозволяє задавати різні багатокомпонентні потоки у вигляді псевдокомпонентів або генерувати їх на підставі даних розгону, підтримує більшість методів розрахунку термодинамічних властивостей (в тому числі містить спеціальні методи для розрахунку різних сумішей.

В ході виконання роботи було використано версію CHEMCAD 6.3.1.[5]

2.2 Налаштування середовища ChemCad

На початку роботи у моделюючій програмі ChemCad її потрібно налаштувати відповідно до своїх потреб.

1) Задаємо технічні розмірності

Для цього у рядку меню натискаємо Format - Engineering Units. У спливаючому вікні обираємо розмірності одиниць із системи СІ (рис. 2.1)



Рисунок 2.1 - Вікно вибору розмірності одиниць

2) Обираємо компоненти (речовини), що використовуються у схемі.

Усі компоненти програми містяться у банку даних, доступ до якого можливий наступним чином: у рядку меню натискаємо ThermoPhysical - Select Components, які доступні в режимі Simulation (Моделювання).

Обираємо за допомогою вбудованого пошуку потрібні речовини (рис.2.2), а саме: бензен, етилен, етилбензен, етан, метилбензен та Р-диетилбензен .

Рисунок 2.2 - Вибір компонентів

Обираємо апарати для технологічної схеми

ChemCad містить вбудовану бібліотеку апаратів (рис 2.3), яка доступна при відкритті нового документу.

Рисунок 2.3 - Бібліотека апаратів у ChemCad

Вхідні і вихідні потоки

Розміщення зображень апаратів технологічної схеми починається, як правило, з виставлення піктограми Feed (живлення) . Поруч з піктограмою автоматично виставляється її ID (ідентифікаційний) номер. Першому апарату присвоюється ID, потім номер збільшується в порядку виставлення піктограм. Завершення розміщення зображень апаратів технологічної схеми закінчується виставленням піктограм Product (Продукт) .

2.3Проектування схеми

Обрана для курсової роботи схема у ChemCad буде складатись з 3 апаратів, 1 вхідного потоку, та 1 вихідного.



Рисунок 2.4 - Моделювання в ChemCad

Таблиця відповідностей

Назва апарату	Номер апарату в технологічній схемі	Назва апарату в ChemCAD
Теплообмінник	1	1
Реактор	2	3
Сепаратор	3	2

При створенні схеми в ChemCAD було використано спрощення. Алкілатор та переалкілатор було замінено на рівноважний реактор, в якому відбувається 2 реакції:

,

попередньо нагрівши за допомогою теплообмінника до температури 200ЃЋ.

Також, замість сепратора з конденсатором було використано сепаратор, який розділяє газову фазу від рідкої.

Вхідні потоки: бензол та етилен.

Вихідні потоки: етилбензол.

Апарати що використовуються: змішувач, теплообмінник, реактор.

2.4 Налаштування потоків

Наступним етапом є завдання параметрів потоків живлення. Термодинамічний стан потоку визначається будь-якими двома параметрами з трьох наступних: температури, тиск і часткою парою; зазвичай задаються температура і тиск. Для кожного потоку потрібно задати витрату по всім речовинам, включених в список компонентів, або задатися сумарною витратою компонентів і їх концентраціями.

Налаштування апаратів та завдання потоків відбувається за допомогою введення параметрів кожного потоку. На рис. 2.5 зображена задана характеристика вхідного потоку.

Рисунок 2.5 - Налаштування вхідного потоку

2.5 Налаштування апаратів

Завдання параметрів обладнання виконується в режимі Mode:Simulation. За аналогією із завданням параметрів потоку, відкрити вікно паспорта апарату для введення параметрів обладнання можна, використовуючи подвійне клацання лівою клавішею миші на одиниці обладнання, або команду контекстного меню Edit Unit Op Data (Редагування параметрів одиниці обладнання), а також відповідні команди меню Specifications (Специфікації).

Для приклада розглянемо налаштування деяких апаратів. Налаштування змішувача (рис.2.6) включають в себе:

Рисунок 2.6 - Налаштування насоса

Налаштування реактора на рис. 2.7. Задання формули реакції показано на рис. 2.8.

Рисунок 2.7 - Налаштування реактору



Рисунок 2.8 - Задання формули реакції, за допомогою стехіометричних коефіцієнтів.

Модуль Equilibrium reactor (EREA) використовується для розрахунку рівноважних реакторів. Він може працювати з двофазними системами, але реакція буде відбуватися тільки в одній фазі, яка задається користувачем.

Вікно модуля має два розділи. Розділ General Specifications (Загальні специфікації) містить параметри загального призначення.

Область Reactor Model (Модель реактора) містить опції для визначення моделі реактора і фази реакції.

Модель реактора вибирається в списку Specify reactor type: (Типи моделей реактора):

* General equilibrium reactor (Загальний рівноважний реактор);

* Shift reactor (Конвертор СО);

* Methanation reactor (Метанатор).

 EREA може використовуватися для моделювання будь-якого набору реакцій. Для загального рівноважного реактора дані по рівноваги і стехіометрії задаються в меню даних реакцій. Для реакції конверсії СО і для реакційної системи отримання метану в ChemCad'e є необхідні рівноважні дані. Передбачається, що реакція відбувається в одній фазі, яка задається користувачем змішана фаза;

Будь-який рівноважний реактор може бути адіабатичним, адіабатичним із заданою тепловим навантаженням або ізотермічним.

Налаштування теплообміннику. (рис.2.9):

Рисунок 2.9 - Налаштування теплообмінника

2.6 Результат роботи в ChemCad

Після налаштування усіх потоків та апаратів потрібно натиснути «Run all». Інформацію по кожному з потоків можна отримати навівши стрілкою на потік після запуску (рис. 2.10).



Рисунок 2.10 - Інформація про потік 3

Для аналізу результатів розрахунку нашої схеми знадобляться наступні звіти:

· Структура схеми (Topology);

· Термодинамічні властивості (Termodynamics);

· Матеріальний баланс (Mass Balancе);

· Енергетичний баланс (Energy Balancе);

· Звіт по потокам (Flow Summaries).

Дані звіти зображені на рис. 2.11-2.15.

Рисунок 2.11 - Структура схеми



Рисунок 2.12 - Термодинамічні властивості

Рисунок 2.13 - Матеріальний баланс

Рисунок 2.14 - Енергетичний баланс

Рисунок 2.15 - Звіт по потокам

Як видно з рис. 2.13, матеріальний та енергетичний баланс схеми зійшлись. З цього виходить, що схема працює вірно.

ВИСНОВОК

В даній курсовій роботі було розглянуто процес алкілування бензолу.

В даному процесі немає рециклів та байпасів, тому структурний аналіз не мав необхідності.

Використовуючи пакет моделюючих програм ChemCad, відтворено обраний процес у програмі, та отримано матеріальний та енергетичні баланси, структура схеми, звіт за потоками та термодинамічні властивості. З того, що матеріальні та енергетичні баланси зійшлись, можна зробити висновок, що схема працює правильно.

В таблиці, що відповідає структурі схеми зазначено, всі потоки та описано, звідки кожен з них виходить, та в який апарат направлений.

В звіті за потоками можна спостерігати за параметрами речовин на тій чи іншій стадії процесу.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

алкілування бензол chemcad

1. Этилбензол [Електронний ресурс] URL: http://enciklopediya-tehniki.ru/tehnologiya-dobychi-gaza-i-nefti/etilbenzol.html

2. Етилбензол [Електронний ресурс] URL: https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D1%82%D0%B8%D0%BB%D0%B1%D0%B5%D0%BD%D0%B7%D0%B5%D0%BD

3. Способ алкилирования бензола этиленом [Електронний ресурс] URL: http://www.findpatent.ru/patent/226/2261854.html

4. Бугаєва Л. М. Системний аналіз хіміко-технологічних: навчальний посібник / Л. М. Бугаєва, Ю. О. Безносик, Г. О. Статюха - Київ : НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2013. - 197 с.

5. Використання пакету ChemCAD для моделювання хіміко-технологічнийх схем [Електронний ресурс] URL: http://www.tstu.ru/book/elib/pdf/2008/pahomov-a.pdf.

Размещено на Allbest.ru