2.3 Расчет материального баланса процесса производства этилбензола алкилированием в присутствии хлорида алюминия
Производительность стадии алкилирования по 100% этилбензолу составляет:
(100000*100/8050)*((100+2)/100)=2027,3 кг/ч
или
2027,3/106=19,1 кмоль/ч
где 100000 - производительность в расчете на 100%-й этилбензол, т/год; 8050 - число рабочих часов; 2 - потери этилбензола на стадиях выделения,%; 106 - молярная масса этилбензола, кг/кмоль.
Расход этилена с учетом селективности процесса составляет: 19,1/0,77=24,81 кмоль/ч Или 24,81*28=694,68 кг/ч
где 0,8 - селективность по этилбензолу в расчете на этилен; 28 - молярная масса этилена, кг/кмоль.
Определяем расход этиленовой фракции, учитывая объемную долю этилена:
24,81/0,55=45,11 кмоль/ч
где 0,552 - процентное содержание этилена в этиленовой фракции.
Рассчитываем состав этиленовой фракции:
Метан: 45,11*0,152=6,86 кмоль/ч или 6,86*16=109,76 кг/ч
Ацетилен:45,11*0,008=0,36 кмоль/ч или 0,36*26 5,77 кг/ч
Этан: 45,11*0,169=7,62 кмоль/ч или 7,62*30=228,6 кг/ч
Пропилен: 45,11*0,06=2,71 кмоль/ч или 2,71*42=113,68 кг/ч
Водород: 45,11*0,013=0,59 кмоль/ч или 0,59*2=1,18 кг/ч
Азот: 45,11*0,035=1,58 кмоль/ч или 1,58*28=44,24 кг/ч
Кислород: 45,11*0,007=0,32 кмоль/ч или 0,32*32=10,24 кг/ч
Оксид углерода: 45,11*0,006=0,27кмоль/ч или 0,27*28=7,58 кг/ч
Таблица 1
Состав этиленовой фракции
|
Наименование компонента |
n τ, кмоль/ч |
Xi,% |
m τ , кг/ч |
|
Метан СH4 |
6.86 |
16,0 |
109.76 |
|
Ацетилен С2Н2 |
0.36 |
0.2 |
5.77 |
|
Этилен С2H4 |
24.81 |
55.2 |
694.68 |
|
Этан С2Н6 |
7.62 |
17.0 |
228.6 |
|
Пропилен С3H6 |
2.71 |
5.8 |
113.68 |
|
Водород H2 |
0.59 |
1.2 |
1.18 |
|
Азот N2 |
1.58 |
3.6 |
44.24 |
|
Кислород О2 |
0.32 |
0.6 |
10.24 |
|
Оксид углерода CO |
0.27 |
0.6 |
7.58 |
|
Всего: |
45.12 |
100.0 |
1215.73 |
Молярное отношение бензол-этилен на входе в реактор равно 3:1,
следовательно, расходуется бензола:
или
Массовая доля воды в бензоле после азеотропной осушки составляет 0,002%, следовательно, с бензолом поступает воды:
или
Расход хлорида алюминия составит:
или
где 11 - расход хлорида алюминия на I т образующегося этилбензола, кг; 133,5 - молярная масса хлорида алюминия.
Рассчитываем массовое количество диэтилбензола, возвращаемое со стадии ректификации:
кг/ч
кг/ч
где 240 - масса диэтилбензола, возвращаемого со стадии ректификации на 1 т получаемого этилбензола, кг; 134 - молярная масса диэтилбензола.
Для определения состава отходящих газов рассчитывают содержание в них хлорида водорода, этилена, бензола, оксида углерода. Метан, этан, водород, азот и кислород, входящие в состав этиленовой фракции, переходят в отходящие газы полностью. Влага в составе бензола взаимодействует с хлоридом алюминия по реакции:
AlCl3+3H2O -> Al(OH)3+3HCl,
при этом реагирует хлорид алюминия
кмоль/ч
или 3кг/ч
Образуется;
-гидроксида алюминия 0,0022 кмоль/ч или 2 кг/ч
-хлорида водорода 0,0066 кмоль/ч или 2 кг/ч. В отходящие газы переходит:
- 1% подаваемого этилена 24,81*0,01=0,2481 кмоль/ ч или 6,95кг /ч
-
90% подаваемого оксида углерода
0,27*0,9=0,243 кмоль/ ч
кг/ч
- 0,3 кг бензола на 1 т этилбензола
кг/ч или 0,0078кмоль/ч
Для определения состава алкилата рассчитывают изменение состава исходной смеси в процессе алкилирования.
Таблица 2
Состав отходящих газов
|
Наименование компонента |
n τ ,кмол/ч |
Xi,% |
mτ ,кг/ч |
|
МетанCH4 |
6.86 |
39.25 |
109.76 |
|
Этилен С2Н4 |
0.2481 |
1.42 |
6.95 |
|
Этан C2H6 |
7.62 |
43.6 |
228.6 |
|
Бензол С6H6 |
0.0078 |
0.045 |
0.61 |
|
Водород H2 |
0.59 |
3.38 |
1.18 |
|
Азот N2 |
1.58 |
9.04 |
44.24 |
|
Кислород O2 |
0.32 |
1.83 |
10.24 |
|
Оксид углерода CO |
0.243 |
1.39 |
6.804 |
|
Хлорид водорода HCl |
0.0066 |
0.038 |
0.24 |
|
Всего: |
17.4755 |
100 |
408.64 |
В связи с малыми значениями бензола (0,045%) и хлорида водорода (0,038%) в дальнейших расчетах их не учитывают. По реакции (1) переалкилирования:
C6H4-(C2H5) + C6H6 -> 2C6H5-C2H5 (1)
расходуется
бензола
или
;
образуется
этилбензола
Следовательно, алкилированием бензола получают этилбензол:
или
По основной реакции (2):
C6H6+C2H4 -> C6H5-C2H (2)
расходуется
бензола
кмоль/ч
или
кг/ч;
расходуется
этилена
кмоль/ч
или
кг/ч.
По реакции (3):
C6H6+C2H4 -> C6H4-(C2H) 2 (3) расходуется 38,2% от поступившего этилена, что составляет:
кмоль/ч
или
кг/ч
бензола
кмоль/ч
или
кг/ч;
образуется
диэтилбензола
кмоль/ч
или
кмоль/ч.
По реакции (4):
С6H6+3С2H4 -> С6H3-(C2H5)3 (4)
расходуется
11% от поступившего этилена, что
составляет:
кмоль/ч
или
кг/ч
бензола
кмоль/ч
или
кг/ч;
образуется
триэтилбензола
кмоль/ч
или
кг/ч.
По реакции (5):
С6H6 +4 С2H4 -> С6H2-(С2H5)4 (5)
расходуется этилена с учетом его расхода по реакциям (2) - (4) и содержания в отходящих газах:
кмоль/ч
или
кг/ч
бензола
кмоль/ч
или
кг/ч;
образуется
тетраэтилбензола
кмоль/ч
или
кг/ч.
По реакции (6):
С6H6+С3H6->C6H5-С3H7 (6)
расходуется
пропилена
кмоль/ч
или
кг/ч;
бензола
кмоль/ч
или
кг/ч;
образуется
изопропилбензола
кмоль/ч
или
кг/ч.
По реакции (7):
2С6H6+С2H2->(С6H5)2-С2H4 (7)
расходуется
ацетилена
кмоль/ч
или
кг/ч;
бензола
кмоль/ч
или
кг/ч;
образуется
дифенилэтана
кмоль/ч
или
кг/ч.
По реакции (8):
2C6H6 + CO -> (C6H5)2 - CHOH (8)
расходуется
оксида углерода
кмоль/ч
или
кг/ч;
бензола
кмоль/ч или
кг/ч;
образуется
дифенилкабинола
кмоль/ч
или
кг/ч.
Общий расход бензола по реакциям (1) - (8) составляет:
кмоль/ч
или
кг/ч.
В
составе отходящих газов содержится
бензола 0,0078 кмоль/ч или 0,61кг/ч;
остается в составе алкилата бензола
74,43 – 29,97 – 0,0078 = 44,45кмоль/ч или
кг/ч.
Таблица 3
Состав алкилата
|
Компонент |
Nτ,кмоль/ч |
Xi,% |
mτ,г/с |
ωi,% |
|
C6H6 |
44,45 |
59,7 |
3467,1 |
57,97 |
|
C6H5-C2H5 |
19,1 |
25,67 |
1255,04 |
20,98 |
|
C6H4(C2H5)2 |
4,75 |
6,3 |
641,25 |
10,72 |
|
C6H3-(C2H5)3 |
2,73 |
3,67 |
147,42 |
2,46 |
|
C6H2-(C2H5)4 |
0,123 |
0,17 |
23,37 |
0,39 |
|
C6H5-C3H7 |
2,71 |
3,64 |
352,2 |
5,89 |
|
(C6H5)2-CHCH3 |
0,36 |
0,48 |
65,52 |
1,1 |
|
(C6H5)2-CHOH |
0,027 |
0,04 |
4,97 |
0,08 |
|
AlCl3 |
0,17 |
0,23 |
22,3 |
0,37 |
|
Al(OH)3 |
0,0022 |
0,003 |
2 |
0,03 |
|
Всего: |
74,42 |
100,0 |
5981,17 |
100,0 |
В связи с малыми значениями дифенилкабинола (0,04%) и гидроксида алюминия (0,003%) в дальнейших расчетах их не учитываем.
Состав алкилатора соответствует оптимальному технологическому режиму.
Рассчитываем основные расходные коэффициенты (кг/кг):
-
по бензолу
-
по этилбензолу
-
по этиленовой фракции
где 2337,89- расход бензола по реакциям (1) - (8), кг/ч; 0,61 - потери бензола с отходящими газами, кг/ч;
2027,3 - производительность стадии алкилирования по 100% этилбензолу, кг/ч;
694,68 и 1215,73 - расход этилена и этиленовой фракции соответственно, кг/ч.