Дипломная (вкр): Алкилирование фенола тримерами пропилена (производительность 125000 т. в год алкил фенола)

Рассчитываем количество поданного сырья (кг/час)

Тримеры пропилена

Фенол

Составляем таблицу материального баланса

Таблица 5. Сводная таблица материального баланса

2.2 Расчет основного аппарата

.2.1 Технологический расчет основного аппарата

Назначение: Алкилирование фенола тримерами пропилена производится в жидкой фазе в присутствии катализатора.

Количество сырья, поступающего в реактор

Gр=26784,11 кмоль (см. материальный баланс)

Режим работы:

t= 85-140 0С

P = 0,4 МПа (4кмоль/см2)

Объёмная скорость подачи реакционной смеси 7,2 час-1

Катализатор

Срок службы катализатора - 12-13 месяцев

Площадь сечения аппарата:

,

где: Vτ − объемный расход реакционной смеси, м3/с;

W - линейная скорость потока в аппарате, м/с.

Диаметр аппарата:

D = 1,13 ∙ √S

D = 1,13 ∙ √1 = 1,13 м

Принимаем реактор диаметром 1200 мм.

Необходимый объём катализатора:

Vк = ,

Vк =

где:

Vоб - объемная скорость подачи сырья, час-1;

Vоб = 7,2 час-1 = 0,002 с-1

Объем катализатора необходимого для проведения процесса равен 5 м3, следовательно, высота слоя катализатора соответствующая данному объему определяется по формуле:

Нкат =

Нкат = м

Расчет высоты реактора. Высота реактора определяется следующими характеристиками:

Hреак.зоны = 7 м - высота реакционной зоны;

Нкат. реш. = 0,035 м - высота катализаторной решетки;

Нштуц. = 0,55 м - высота устанавливаемых штуцеров;

Ндн. = 1 м - высота днища;

Нкр = 1 м - высота крышки.

Нреакт = 7 + 0,035 + 0,55 + 1 + 1 = 9,5 м.

Принимаем реактор высотой 9550 мм.

Следовательно, к установке принимается два реактора для обеспечения максимальной конверсии со следующими основными характеристиками:

·   диаметр - 1200 мм;

·   высота - 9550 мм;

·   высота слоя катализатора - 5,35 м;

·   объем катализатора 5 м3.

Расчёт реактора Р-1в проводиться аналогично, данные расчёта сводим

в таблицу 6

Таблица 6. Характеристика реакторного оборудования

.2.2 Тепловой расчет аппарата

Исходные данные:

В реактор поступает реакционная смесь с температурой 70 0С.

Потери теплоты в окружающую среду 1,1% от прихода тепла.

Остальные данные из материального баланса.

Расчет:

На основании схемы тепловых потоков составляем уравнение теплового баланса.

Q1 + Q2 = Q3 + Q4 - уравнение для первого реактора,

Q5 + Q6 = Q7 + Q8 - уравнение для второго реактора.

Определим количество теплоты, поступающей с реакционной смесью

Q1 = G1 ∙ Ср1 ∙ t1

где:

G1 - количество поступающего сырья, кмоль;

Ср1 - удельная теплоемкость реакционной смеси, кДж/кг·К;

t - температура реакционной смеси, 0С.

G1 = 26784,11 кг/ч =7,44 кмоль

Определим удельную теплоемкость реакционной смеси

Ср (фенола) = 2344,98

Ср (тримера пропилена) = 2027,3

Состав реакционной смеси:

Фенол - 60 %,

Тримеры пропилена - 40 %.

Ср = Σ сpi·wi

Cр = 2344,98 ∙ 0,60 + 2027,3 ∙ 0,40 = 2217,90

Cр = 2217,9 = 2,218

Количество теплоты, поступающей с реакционной смесью

Q1 = 7,44 · 2,218 ∙ 70 = 1155,13 кВт

Определим количество теплоты, выделившейся в результате экзотермических реакций

С6Н6О + С9Н18 = С15Н24О - целевая реакция образования алкилфенола; (1)

С6Н6О + 2 С9Н18 = С24Н42О - побочная реакция образования диалкилфенола. (2)

Q2 = Q1цел + Q2поб,

где:

Q1цел - количество теплоты, выделившаяся в результате экзотермической реакции (1),

Q2поб - количество теплоты, выделившаяся в результате экзотермической реакции (2).

Q1цел = G1 ∙ ∆Нр

Q2поб = G2 ∙ ∆Нр,

где:

∆Нр1, ∆Нр2 - изменения энтальпий в результате реакций (1) и (2), кДж/кг;

G1, G2 - количество образовавшегося алкилфенола и диалкилфенола после первого реактора (30 % алкилфенола и 1 % диалкилфенола от образовавшегося алкилата 26784,11 кг/ч), кмоль.

∆Нр1 = 281,56 кДж/кг

∆Нр2 = 106,52 кДж/кг

G1 = 8035,23 кг/час = 2,23 кмоль

G2 = 267,84 кг/час = 0,07 кмоль

Q1цел = 2,23 ∙ 281,56 = 627,87 кВт

Q2поб = 0,07 ∙ 106,52 = 7,46 кВт

Q2 = 627,87 + 19,70 = 635,33 кВт

Определяем количество теплоты, уходящей с алкилатом из уравнения теплового баланса для первого реактора

Q1 + Q2 = Q3 + Q4

Q3 = Q1 + Q2 - Q4,

но для этого необходимо найти Q4 - потери в окружающую среду.

Q4 = (Q1 + Q2) ∙ 1,1%

Q4 = (1155,13 + 635,33) ∙ 0,011 = 19,70 кВт

Отсюда находим Q3

Q3 = 1155,13 + 635,33 - 19,70 = 1770,76 кВт

Определяем температуру реакционной смеси на выходе из первого реактора

,

где:

G3 - количество образовавшегося алкилата, кмоль

Ср3 - удельная теплоемкость алкилата, кДж/кг·К.

G3 = 26784,11 кг/час = 7,44 кмоль

Определим удельную теплоемкость алкилата

Ср (фенола) = 2344,98

Ср (тримера пропилена) = 2027,3

Ср (алкилфенола) = 2450,63

Ср (диалкилфенола) = 2373,48

Состав алкилата:

фенол - 49 %,

тримеры пропилена - 20 %,

алкилфенол - 30 %,

диалкилфенол - 1%.

Ср = Σ сpi·wi

Ср = 2344,98 ∙ 0,49 + 2027,3 ∙ 0,20 + 2450,63 ∙ 0,30 + 2373,48 ∙ 0,01 =

= 2313,42  = 2,313

Составляем таблицу теплового баланса для первого реактора

Таблица 7. Тепловой баланс для первого реактора

Определим количество теплоты, уходящей с хладагентом из теплообменника

Qводы = Gводы ∙ Срводы ∙ (t2к - t2н)

где:

Gводы - расход охлаждающей воды, кмоль;

Срводы - удельная теплоемкость воды, ;

t2к , t2н - конечная и начальная температура воды, 0С.

Определим расход охлаждающей воды из следующего уравнения

Gводы =

где:

Gалкилат - количество образовавшегося алкилата, кмоль;

Сралкилат - удельная теплоемкость алкилата, кДж/кг·К;

t1н, t1к - температура на входе и выходе из реактора, 0С.

Gводы =

Qводы = 6,67 ∙ 4,190 ∙ (38 - 18) =558,94 кВт

Определим количество теплоты, поступающей с алкилатом

Q5 = G5 ∙ Ср5 ∙ t5

где:

G5 - количество поступающего алкилата, кмоль;

Ср5 - удельная теплоемкость алкилата, кДж/кг·К;

t - температура алкилата, 0С. Q5 = 7,44 ∙ 70 ∙ 2,313 = 1204,61 кВт

С6Н6О + С9Н18 = С15Н24О - целевая реакция образования алкилфенола; (1)

С6Н6О + 2 С9Н18 = С24Н42О - побочная реакция образования диалкилфенола. (2)

Q6 = Q1цел + Q2поб,

где:

Q1цел - количество теплоты, выделившаяся в результате экзотермической реакции (1),

Q2поб - количество теплоты, выделившаяся в результате экзотермической реакции (2).

Q1цел = G1 ∙ ∆Нр

Q2поб = G2 ∙ ∆Нр,

где:

∆Нр1, ∆Нр2 - изменения энтальпий в результате реакций (1) и (2), кДж/кг;

G1, G2 - количество образовавшегося алкилфенола и диалкилфенола после второго реактора (разность общего количества образовавшихся алкилфенола и диалкилфенола после двух реакторов и количества образовавшихся алкилфенола и диалкилфенола после первого реактора), кмоль.

∆Нр1 = 281,56 кДж/кг

∆Нр2 = 106,52 кДж/кг

G1 = 15696,55 - 8035,23 = 7661,32 кг/час = 2,12 кмоль

G2 = 2050,35 - 267,84 = 1782,51 кг/час = 0,49 кмоль

Q1цел = 2,12 ∙ 281,56 = 596,90 кВт

Q2поб = 0,49 ∙ 106,52 = 107,01 кВт

Q6 = 596,90 + 107,01 = 703,91 кВт

Определяем количество теплоты, уходящей с алкилатом из уравнения теплового баланса для второго реактора

Q5 + Q6 = Q7 + Q8

Q7 = Q5 + Q6 - Q8,

но для этого необходимо найти Q8 - потери в окружающую среду.

Q8 = (Q5 + Q6) ∙ 1,1%

Q4 = (1204,61 + 703,91) ∙ 0,011 = 20,99 кВт

Отсюда находим Q7

Q7 = 1204,61 + 703,91 - 20,99 = 1887,53 кВт

Определяем температуру реакционной смеси на выходе из второго реактора

где:

G7 - количество образовавшегося алкилата, кмоль;

Ср7 - удельная теплоемкость алкилата, кДж/кг·К.

G7 = 26784,11 кг/час = 7,44 кмоль

Определим удельную теплоемкость алкилата

Ср (фенола) = 2344,98

Ср (тримера пропилена) = 2027,3

Ср (алкилфенола) = 2450,63

Ср (диалкилфенола) = 2373,48

Состав алкилата:

фенол - 32,65 %,

тримеры пропилена - 0,60 %,

алкилфенол - 58,60 %,

диалкилфенол - 7,65 %.

Ср = Σ сpi·wi

Ср = 2344,98 ∙ 0,32 + 2027,3 ∙ 0,006 + 2450,63 ∙ 0,58 + 2373,48 ∙ 0,07 =

= 2364,3  = 2,364

Составляем таблицу теплового баланса для второго реактора

Таблица 7. Тепловой баланс для второго реактора

Литература

1. ГОСТ 2.10 5 -95.Межгосударственный стандарт. ЕСКД.Общие требования к текстовым документам. Издание официальное.

. Межгосударственныйсовет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск; 2011

. ГОСТ 2.782- 96, ГОСТ 2.783-96, ГОСТ 2.785-70, ГОСТ 2.787-71, ГОСТ 2.788-74, ГОСТ 2. 792- 74, ГОСТ 2.793-79, ГОСТ 2.794-79, ГОСТ 2.795-80, ГОСТ 2.796-95, ГОСТ 2.797-81.ЕСКД. Обозначения условные, графические в схемах. Издание официальное. Москва.; ИПК. Издательство стандартов, 2014.

. Глухов, В.Н. Внешняя торговля России каучуком и резиной Производство и использование эластомеров. - 2014. - №2. - С.7-10.

5.Лебедев, Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза: учеб. для хим.-технол. спец. вузов Н.Н.Лебедев. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 2014. - 592с.: ил.

. Большой энциклопедический словарь. Химия под ред. И.Л.Кнунянц. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2014. - 792с.: ил.

. Рейхсфельд, В.О. Реакционная аппаратура и машины заводов основного органического синтеза и СК: учеб. пособ. для хим.-технол. спец. вузов

. В.О.Рейхсфельд, В.С.Шейн, В.И.Ермаков.- Л.: Химия, 2006. - 264с.: и

. Голубятников, В.А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: учеб. пособ. для техникумов. - 2-е изд., перераб. и доп. В.А.Голубятников, В.В.Шувалов. - М.: Химия, 2007. - 352 с.

. Гутник, С.П. Расчеты по технологии органического синтеза С.П.Гутник, В.Е.Сосонко, В.Д.Гутман. - М.: Химия, 2010. - 272с.: ил.

. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособ. для вузов. - 13-е изд., стереотип. К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков. - Л.: Химия, 2009. - 552с.: ил.

. Охрана труда в химической промышленности под ред. Г.В. Маркова. - М.: Химия, 2013. - 496с.: ил.

. Барaтов, А.Н. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. В 2-х кн. Кн.1 А.Н.Барaтов, А.Я.Корольченко, Г.Н.Кравчук. - М.: Химия, 2006. - 496c.: ил.

. Справочник химика. Т.2. Основные свойства неорганических и органических соединений. - 3-е изд., испр. - М.: Химия, 2013. - 1071с.: ил.