РАСЧЕТ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО РЕАКТОРА СЕРНО-КИСЛОТНОГО АЛКИЛИРОВАНИЯ

Рассчитать горизонтальный реактор каскадного типа для алкилирования изобутана бутан-бутиленовой фракцией в присутствии серной кислоты.

Производительность реактора 15 000 кг/ч сырья, состав которого приводится в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Состав сырья

Показатели

Компоненты

Сум-ма

С3Н6

С3н8

С4Н6

i-C^io

п-СдНю

с5н12

Молекулярная масса

42

44

56

58

58

72

-

Количество, кг/ч

90

240

4195

5515

4765

195

15000

Количество, % мае.

0,6

1,6

28

36,8

31,8

1,2

100

Исходными данными для расчета являются производительность реактора по исходному сырью, состав сырья, а также принимаемые на основе промышленных или лабораторных данных температура реакции, мольное отношение изопарафин/олефин, объемное отношение катализатор/углеводороды в реакционной системе, число секций в реакторе и снижение концентрации катализатора в каждой секции.

Задачей расчета реактора является определение выходов алкилата и тепловых нагрузок каждой секции, давления в системе, размеров реактора и мешалки, мощности электродвигателя.

Последовательность расчета реактора

1. Определяют часовое количество изобутана, подаваемое в реактор.

  • 2. Определяют состав сырья, подаваемого в реактор, с учетом избыточного изобутана.
  • 3. При расчете секций реактора принимают следующие допущения:
    • а) пропилен, пропан, н-бутан, пентан в реакцию не вступают;
    • б) все бутены вступает в реакцию алкилирования, образуя соответствующее количество алкилата.
  • 4. Расчет первой секции.
  • а) Принимают температуру реакции, одинаковую для всех секций.
  • б) Определяют количество углеводородного сырья, подаваемого в каждую из секций, в том числе и в первую.

Исходное сырье в каждую секцию подается в равных количествах.

В первую секцию поступает весь циркулирующий изобутан и вся масса серной кислоты (рисунок 2.1).

/7г?/7/>/ изобутана

Горизонтальный реактор алкилирования

Рис. 2.1. Горизонтальный реактор алкилирования: 1 - смеситель; 2 - насос; 3 - конденсатор;

4 - отстойник кислоты; 5 - аккумулятор алкилата

По плотности компонентов загрузки при принятой температуре реакции находят часовой объем каждого из них и суммарный объем.

Принимают в рекомендуемых пределах объемное отношение катализатор/углеводороды и определяют часовой объем кислоты и ее массу.

Состав загрузки первой секции дается в таблице 2.2.

  • в) Рассчитывают количество образовавшегося в первой секции алкилата и количество изобутана, не вошедшего в реакцию.
  • г) Определяют углеводородный состав потока, покидающего первую секцию и приводят его в таблице.
  • д) Определяют тепловую нагрузку первой секции.

Для этого по экспериментальным данным принимают теплоту реакции, а также, полагая, что тепло реакции алкилирования составляет примерно 80 % от тепловой нагрузки секции, рассчитывают последнюю.

  • е) Определяют давление в секции и принимают его одинаковым для всего реактора. Давление находят по уравнению изотермы жидкой фазы, записанному для системы, находящейся в первой секции. При этом серную кислоту следует считать практически нелетучим компонентом.
  • ж) Рассчитывают количество углеводородов, испаряющихся в секции за счет тепла реакции алкилирования. Наряду с известными методами расчета однократного испарения с целью некоторого упрощения можно принять, что весь теплосъем в секции будет происходить за счет полного испарения пропан-пропиленовой фракции и частичного испарения изобутана. Из уравнения теплового баланса процесса однократного испарения определяют количество испаряющегося изобутана.
  • з) На основе промышленных данных принимают величину объемной скорости питания секции олефинами и, зная часовой объем последних, находят объем кислоты в секции. Затем определяют объем углеводородов в секции и суммарный объем смеси.
  • и) По объему смеси кислоты и углеводородов в секции и часовому объему всей ее загрузки определяют продолжительность контакта в первой секции.
  • к) Задаваясь коэффициентом заполнения, находят полный объем первой секции. Принимают длину секции и рассчитывают диаметр реактора. Если он получается нестандартным, берут ближайшее большее стандартное его значение.
  • 5. Расчет второй секции.
  • а) Определяются массовое и объемное количества компонентов загрузки для второй секции и суммарная величина загрузки с учетом изменения плотности серной кислоты от ее концентрации.

Рассчитывается отношение объемов кислоты и углеводородов в секции.

  • б) Находят тепловую нагрузку секции и количество испаряющихся в ней углеводородов. Определения ведутся так же, как для первой секции.
  • в) Находят время пребывания смеси (продолжительность контакта), объем кислоты, объем углеводородов и объемную скорость питания для второй секции.
  • 6. Расчеты третьей, четвертой и пятой секций делаются по аналогии с расчетом второй секции.
  • 7. Составляется (в виде таблицы) материальный баланс всего реактора.
  • 8. Определяется мольное отношение изобутан/олефин для каждой секции реактора.
  • 9. Определяют объемное количество смеси на выходе из последней секции реактора и, задаваясь временем отстоя, находят объем, а затем длину отстойной зоны.
  • 10. Определяют общую длину реактора и его объем. Если длина аппарата получается чрезмерно большой, следует сократить длину секции или увеличить объемную скорость питания, не выходя за пределы рекомендуемых величин.
  • 11. Выбирают тип мешалки и определяют ее основные размеры. Находят обычными методами мощность электроприводов смесителей и кислотного насоса.

Пример расчета приведен ниже.

Для получения относительно большего количества высококачественного алкилата и нормальной работы реактора требуется избыток изобутана. Поэтому мольное отношение изобутан/олефин (бутилен) необходимо поддерживать в пределах от 6:1 до 10:1. Чем выше это отношение, тем выше выход алкилата. Примем отношение изобутан/олефин равным 9:1. Тогда количество изобутана, которое необходимо подать в реактор

Gu=9-Ge-*

где Go - количество олефина (бутилена) в исходном сырье, кг/ч; Ми , Мо - молекулярная масса, соответственно, изобутана и олефина;

= 9 • 4195 ? = 39120 кг/ч .

Состав сырья, подаваемого в реактор с учетом избыточного изобутана, приведен в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Состав сырья, подаваемого в реактор с учетом избыточного изобутана_________________________________________________

Показатели

Компоненты

Сум-ма

С3Н«

с3н8

с4н6

ЬС4Ню

п-С4Ню

С5Н12

Количество: кг/ч.............

% мае.........

90 0,165

240 0,494

  • 4195
  • 8,63

39120 80,5

  • 4765
  • 9,81

195 0,401

  • 48605
  • 100

Алкилирование осуществляется в реакторе, реакционная зона которого состоит из пяти (N = 5) последовательных и равных по размерам секций. Реактор совмещен с отстойной зоной для кислоты (рисунок 2.1). Исходное сырье (таблица 2.1) подается в секции параллельно и в равных количествах, а циркулирующие изобутан и катализатор - последовательно. Во вторую и последующие секции вместе с катализатором и циркулирующим изобутаном подаются продукты реакции и непрореагировавшие углеводороды.

На основе промышленных данных примем для первой секции реактора отношение объемов подаваемых в нее кислоты и углеводородов а = 1,2. Как будет показано в расчете, это отношение от секции к секции будет увеличиваться.

В процессе алкилирования применяется 97 % серная кислота, которая отрабатывается до 90 % концентрации, считая на моногидрат - H2SO4. В таблице 2.3 приведено принятое в расчете снижение концентрации кислоты по секциям реактора.

На практике реакция алкилирования изопарафинов олефинами осуществляется при температуре 275-283 К. Примем в нашем случае температуру реакции Т = 278 К. Будем считать, что углеводороды и кислота загружаются в реактор также при температуре Т = 278 К.

Таблица 2.3 - Снижение концентрации кислоты по секциям реактора

Секции

Снижение концентрации

H2SO4, %

Средняя концентрация, % H2SO4

1

97-96=1

96,5

2

96-94,5 = 1,5

95,25

3

94,5-93 = 1,5

93,75

4

93-91,5 = 1,5

92,25

5

91,5-90=1,5

90,75

В дальнейшем при расчете всех секций реактора будем полагать:

  • 1) что пропилен, пропан, н-бутан и пентан, находящиеся в сырье, в реакцию не вступают, поэтому их количества в процессе остаются неизменными;
  • 2) что вся масса олефинов вступает в реакцию алкилирования, образуя соответствующее количество алкилата.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >