2.4 Расчет основного аппарата

В качестве основного аппарата - алкилатора - принят вертикальный цилиндрический полый аппарат со сферическими днищами, выполненный из углеродистой стали. Внутренняя поверхность аппарата футерована кислотоупорной плиткой. Сферические днища крепятся к обечайке при помощи плоских приварных фланцев с уплотнительной поверхностью типа «выступ - впадина». Реактор заполнен смесью бензола с продуктами реакции и жидким алюминиевым комплексом (ЖАК). Исходное сырье (свежий и возвратный бензол, этиленовая фракция, возвратный диэтилбензол и ЖАК) попадают в нижнюю часть алкилатора через распределительный коллектор.Жидкие продукты (алкилат) отводят через один из боковых штуцеров.Парогазовая смесь выводится через штуцер в верхнем днище аппарата.

Избыточное тепло отводится за счет испарения части бензола при температуре 90°С, то есть процесс ведут при кипении реакционной массы.

Техническая характеристика алкилатора:

Диаметр стальной обечайки внутренний - 2400 мм;

Толщина стенки обечайки - 14 мм;

Толщина футеровки - 80 мм;

Высота цилиндрической части - 11800 мм;

Высота общая - 15000 мм;

Вместимость аппарата:

полная - 50 м³; полезная – 38 ± 2 м³;

Производительность по этилбензолу в расчете на 1 м3алкилатора-180-200 кг/ч

Число аппаратов для обеспечения заданной производительности (при минимальной вместимости алкилатора):

n= 15778,9/(180• (38-2))=2,45 шт.

Таким образом, необходимо установить три аппарата, соединенные параллельно.

2.5 Расчет теплового баланса алкилатора

В качестве основного аппарата - алкилатора - принят вертикальный цилиндрический полый аппарат со сферическими днищами, выполненный из углеродистой стали. Внутренняя поверхность аппарата футерована кислотоупорной плиткой. Сферические днища крепятся к обечайке при помощи плоских приварных фланцев с уплотнительной поверхностью типа «выступ - впадина». Реактор заполнен смесью бензола с продуктами реакции и жидким алюминиевым комплексом (ЖАК). Исходное сырье (свежий и возвратный бензол, этиленовая фракция, возвратный диэтилбензол и ЖАК) попадают в нижнюю часть алкилатора через распределительный коллектор.Жидкие продукты (алкилат) отводят через один из боковых штуцеров.Парогазовая смесь выводится через штуцер в верхнем днище аппарата.

Избыточное тепло отводится за счет испарения части бензола при температуре 90°С, то есть процесс ведут при кипении реакционной массы

Исходные данные:

- материальные потоки, кмоль/с: этиленовая фракция 364,28/(3•3600) - 0,0337; технический бензол 595,59/(3•3600) = 0,055; диэтилбензол 28,30/(3•3600) = 0,0026; отходящие газы 145,553/(3•3600) = 0,0135; жидкий алкилат 623,52/(3•3600) = 0,0577;

- температура, °С:

на входе в алкилатор - 20; на выходе из алкилатора - 90,

Цель теплового расчета определение количества испарившегося бензола в алкилаторе.

Уравнение теплового баланса аппарата в общем виде:

Ф₁ + Ф₂ + Ф₃ + Ф₄ = Ф₅ + Ф₆ + Ф₇ + Ф₈ + Ф_пom,

где Ф₁,Ф₂,Ф₃,Ф₅,Ф₆,Ф₇ тепловые потоки этиленовой фракции, жидкого бензола, диэтилбензола, отходящих газов, алкилата и паров бензола соответственно, КВт;

Ф₄ - теплота экзотермических реакций, КВт;

Ф₈ - расход теплоты на испарение бензола, КВт.

Для определения значений Ф1 и Ф5 рассчитывают средние молярные теплоемкости этиленовой фракции при температуре 20 + 273 = 293К и отходящих газов при 90 + 273 = 363 К.

Тепловой поток этиленовой фракции:

Ф₁ = 0,0037 • 43,92586 - 20 = 29,606КВт

Тепловой поток отходящих газов:

Ф₅= 0,0135•47,17284•90 = 57,315KВт

Таблица 4

Средние молярные теплоемкости

Компонент	Xi,%	С i , Дж /(моль • К)	С i • Xi /100,Дж /(моль • К)
Этиленовая фракция: Метан СН4	16,2	34,7	5,6214
Ацетилен С2Н2	0,3	43,7	0,1311
Этилен С2H4	55,2	43,82	23,8819
Этан С2Н6	17,0	52,09	8,7511
Пропилен С3Н6	5,8	63,55	3,6859
Водород H2	1,2	28,82	0,6052
Азот N2	3,6	29,13	1,10694
Кислород O2	0,6	28,06	0,08418
Оксид углерода CO	0,6	29,07	0,05814
Всего:	100,0	-	43,92586
Отходящие газы: Метан СН4	40,5	39,12	15,8436
Этилен С2Н4	1,4	50,62	0,70868
Пропилен С3Н6	42,0	61,69	25,9098
Водород H2	5,3	28,84	1,52852
Азот N2	9,5	29,43	2,79585
Кислород О2	0,8	29,83	0,23864
Оксид углерода CO	0,5	29,55	0,14775
Всего:	100,0	-	47,17284

Тепловой поток технического бензола:

Ф₂ = (0,055 +n₆)- •134,218- • 20 -147,64 + 2684,36 •n₆KBт

где n₆ - количество циркулирующего бензола в системе холодильник -конденсатор - алкилатор, кмоль/с.

Определяем тепловой поток диэтилбензола, значение молярной теплоемкости диэтилбензола находим по справочнику:

Ф₃ = 0,0026 • 369,06 • 20 = 19,191KBт

Рассчитываем теплоты реакций (1) - (7), КДж/моль, приведенные в табл. 5.

Таблиц5

Реакция	∆H^0298=∑∆H^0298 -∑ ∆H^0298(исх)
C6H6+C2H4 -> C6H5-C2H5	- 12,48-49,03-52,30 = - 113,81
C6H4-(C2H5)2+C6H6-2C6H5-C2H5	2 • (- 12,48 -49,03-(-72,35)) = -1,64
C6H6+2C2H4 -> C6H4-(C2H5)2	-72,35-49,03-2•52,30 = -225,98
C6H6+3C2H4 -> C6H3-(C2H5)3	-122,63-49,03-3•52,30 = -328,56
C6H6+4C2H4 -> C6H3-(C2H5)4	-174,54-49,03 -4•52,30 = -432,77
C6H6+C3H6 -> C6H5-C3H7	-41,24-49,03-20,41 =-110,68
2C6H6+C2H2 -> (C6H5)2-C2H4	-297,31-2•49,03-226,75 = -27,50
2C6H6+CO -> (C6H5)2-CHOH	-46, 17-2•49,03-(- 110,53) = -33,70

Рассчитываем теплоту экзотермических реакций.

Ф₄ =[1000/(3•3600)]•( 92,3•113,81+28,30•1,64+37,9•225,98+7,267•328,56+

+1,661 • 432,77 + 21,128 • 110,68 +1,093•27,50 + 0,0729•33,70) =2277,14

Общий приход теплоты составляет:

Ф_прих =29,606+147,64+2684,36• n₆+19,191 + 2277,144 = (2473,583 +

+2684,36 • n₆ )КВт

Для определения теплового потока алкилата рассчитываем его среднюю молярную теплоемкость при температуре 363 К:

С _m= 152,07 • 0,649 +186,56 • 0,239 + 396,06 • 0,061 + 464,46 - 0,012 + 559,86 • 0,002 + 321,36 • 0,034 + 415,94 • 0,002 + 94,48 • 0,001 = =184,34Дж/моль• К

Тепловой поток жидкого алкилата:

Ф ₆= 0,0577 • 1 84,34 • 90 = 957,278 КВт

Тепловой поток паров бензола:

Ф₇ = 101,77 • 90 •n₆ = 9159,3 • n₆ КВт

Расход теплоты на испарение бензола:

Ф_{8 поm}=78 • 391,3 •n₆ = 30521,4 • n₆ КВт

Принимаем, что потери в окружающую среду составляют 3% от общего прихода теплоты:

Ф _поm = 0,03 • (2473,583 + 2684,36 • n₆) = 74,207 + 80,53• n₆ КВт

Общий расход теплоты:

Ф_расх=57,3 15 + 957,278 + 9159,30• n₆ +74,207 + 80,53 n₆ + 30521,4• n₆ = 1088,80 + 3976 1,23 • п₆ КВт

Массовое количество циркулирующего бензола находится из условия равенства прихода и расхода теплоты:

2473,583 + 2684,36• n₆ = 1 088,8 + 39761,23• n₆ 1384,783=37076,87 • n₆ n₆ = 0,03735кмолъ/с

Масса бензола, испаряющегося на стадии алкилирования:

0,03735•3•3600 = 403,38 кмоль/ч или 31463,64 кг/ч,

что составляет 31463,64/15778,9 = 1,99 т на 1 т получаемого этилбензола и соответствует оптимальному технологическому режиму.

Всего в алкилатор подают бензол (с учетом циркулирующего бензола):

595,59 4+403,38 = 998,97 кмоль/ч или 77919,66 кг/ч Общее массовое количество отходящих газов (с учетом испаряющегося бензола):

145,553 + 403,38 - 548,933 кмоль/ч или 34762,44 кг/ч Составляем материальный баланс стадии алкилирования (табл.6).

Таблица 6

Материальный баланс стадии алкилирования

Приход	кмоль/ч	кг/ч	Расход	кмоль/ч	кг/ч
Технический бензол, в т.ч.:	999,026	77920,66	Отходящие газы	548,933	34762,44
чистый бензол	998,97	77919,66	Алкилат	623,52	56822,24
примеси	0,056	1,0
Этиленовая фракция	364,28	9713,06
Диэтилбензол	37,9	2956,2
Хлорид алюминия	1,0	134,12
Всего:	1402,206	90724,04	Всего:	1172,453	91584,68

Невязка баланса:

По рассчитанному массовому количеству испаряющегося бензола уточняют тепловые потоки:

Ф₂ = (0,055 + 0,03735) • 134,218 • 20 = 247,9 КВт

Ф₇ = 0,03735•101,77•90 = 324,1 КВт Ф₈ = 0,03735•78•391,3 = 1139,97 КВт

Тепловой поток отходящих газов:

57,315 + 324,1 = 399,415 КВт

Составляем тепловой баланс алкилатора (табл.7). Значение Ф_пот определяем по разности прихода и расхода теплоты.

Таблица 7

Тепловой баланс алкилатора

Приход	кВт	%	Расход	кВт	%
Тепловой поток этиленовой фракции	2574,063	1,15	Тепловой поток отходящих газов	2574,063	15,5
Тепловой поток технического бензола	247,9	9,63	Тепловой поток алкилата	957,278	37,2
Тепловой поток диэтилбензола	19,191	0,75	Расход теплоты на испарение бензола	1139,97	44,3
Тепловой поток процесса	2277,366	88,47	Теплопотери в окружающую среду	77,4	3
Всего:	29,606	100,0	Всего:	399,415	100,0