Введение 13
1. Литературный обзор 15
1.1. Способы алкилирования бензола этиленом 15
1.2. Химизм процесса алкилирования и механизм реакции 16
1.3. Характеристика сырья 18
1.4. Характеристика производственного объекта 20
1.4.1. Технологическая схема отделения алкилирования 22
1.4.2. Конструкция реактора-алкилатора 23
1.5. Катализаторы 25
2. Объект и методы исследования 28
2.1. Алкилирование бензола этиленом 28
2.1.1. Алкилирование бензола и отмывка алкилата 28
2.1.2. Узел алкилирования бензола и обработка несконденсированных
газов 29
2.1.3. Отмывка и нейтрализация алкилата 32
2.2. Очистка сточных вод 35
3. Построение гидродинамической модели смесительного устройства 39
3.1. Постановка задачи исследования 39
3.2. Создание гидродинамической модели смесителя алкилирования 40
3.2.1. Генерация расчетной сетки 42
3.3. Проведение расчетов и результаты исследования 43
3.3.1. Модернизация смесительной аппаратуры 45
3.3.2. Уменьшение расхода катализатора 47
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение.. 50
4.1. Расчет капитальных затрат на новое оборудование
4.2. Расчет дополнительных затрат на новое оборудование 51
4.2.1. До модернизации: 52
4.2.2. После модернизации: 52
4.3. Чистый дисконтированный доход, сроки окупаемости 53
5. Социальная ответственность 56
5.1. Характеристика факторов рабочего места 56
5.2. Характеристика опасных факторов 60
5.3. Охрана окружающей среды 67
5.4. Правовые вопросы обеспечения безопасности 68
Заключение 69
Список литературы 70
Приложение А 74
Темой данной работы является рассмотрение процесса получения этилбензола методом алкилирования бензола этиленом, а также исследование эффективности смесительной камеры.
Наиболее распространенным процессом нефтехимического синтеза является каталитическое алкилирование бензола олефинами, что определяется высоким спросом на алкилароматические углеводороды - сырьё в производстве синтетических каучуков, пластических масс, синтетических волокон и др.
Алкилированием называют процессы введения алкильных групп в молекулы органических и некоторых неорганических веществ. Эти реакции имеют большое практическое значение для синтеза алкилароматических соединений, изо-алканов, аминов, меркаптанов и сульфидов и др. Реакция алкилирования бензола алкилхлоридами в присутствии безводного хлорида алюминия впервые была осуществлена в 1877 г. Ш. Фриделем и Дж. Крафтсом. В 1878 г. ученик Фриделя Бальсон получил этилбензол алкилированием бензола этиленом в присутствии AlCl3.
Со времени открытия реакции алкилирования было разработано множество различных методов замещения водородных атомов бензола и других ароматических углеводородов на алкильные радикалы. Для этого применяли различные агенты алкилирования и катализаторы.
Скорость алкилирования ароматических углеводородов в несколько сот раз выше, чем парафинов, поэтому алкильная группа практически всегда направляется не в боковую цепь, а в ядро. Для алкилирования ароматических углеводородов олефинами применяются многочисленные катализаторы, имеющие характер сильных кислот, в частности серная кислота (85-95%), фосфорная и пирофосфорная кислоты, безводный фтористый водород, синтетические и природные алюмосиликаты, иониты, гетерополикислоты. Кислоты в жидком виде проявляют каталитическую активность в реакциях алкилирования при невысоких температурах (5-100°С); кислоты на твердых носителях, например, фосфорная кислота на кизельгуре, действуют при 200-300°С; алюмосиликаты активны при 300-400 и 500°С и давлении 20-40 кгс/см (1,963,92 МН/м).
Актуальность данной темы выражается в необходимости извлечения из этилбензола стироа-методом дегидрирования.
В настоящее время существует ряд проблем, связанных с процессом алкилирования. Одной из проблем является наличие сопутствующих побочных реакций из-за присутствия нежелательных примесей в сырье. Данная проблема приводит к необходимости повышения селективности процесса.
Другая проблема, с которой сталкиваются в процессе производства, это применение устаревших кислотных катализаторов, которые вызывают коррозию оборудования, а высокая опасность производства требует строгого соблюдения требований производственной безопасности.
Одной из наиболее важных проблем, возникающей при эксплуатации установок алкилирования бензола этиленом, является образование большого количества загрязненных катионами алюминия сточных вод.
Таким образом, главной целью работы является гидродинамическое моделирование процесса алкилирования бензола этиленом и оценка целесообразности реконструкции реактора для увеличения выхода продукта алкилирования за счет интенсификации смешения.
Разработанная гидродинамическая модель смесителя в совокупности с математической моделью реактора алкилирования позволит в дальнейшем проводить численные исследования по влиянию различных технологических параметров на эффективность процесса, а именно выход и состав этилбензола при изменении расхода, состава сырья и др. параметров. Кроме того, такая комбинированная модель может быть использована для расчета моделирования вариантов модернизации реакторного узла в технологии алкилирования при замене смесительного оборудования с целью интенсификации процесса.
Поскольку для гетерогенной химической реакции увеличение поверхности раздела означает наилучшее протекание реакции, то наиболее оптимальным вариантом будет равномерное распределение концентрации по сечению смесительного устройства. В исследуемом смесителе на основании проведенных гидродинамических расчетов предпочтительнее будет следующий вариант ввода реагентов: в первый патрубок диаметром 80 мм по ходу этилена подается бензол, во второй патрубок диаметром 80 мм планируется ввод возвратного кат. комплекса, и в третий патрубок диаметром 50 мм - свежий кат. комплекс. Обоснованием данного выбора является равномерный профиль распределения компонентов на выходе и по сечению аппарата.
Также, уменьшая расход катализатора с 8 т/ч до 6 т/ч, уменьшится количество катионов алюминия, попадающих в сточные воды. Было установлено, что при уменьшении расхода возвратного катализатора профиль распределения компонентов по сечению аппарата не претерпевает серьезных изменений, и после прохождения второго смесительного устройства устанавливается равномерное распределение компонентов по аппарату.
