Поверочный расчет печи П-101/1,2, колонны К-62 и Т-64

1.2. Химизм процесса.

1.2.1 Химизм процесса алкилирования бензола этиленом.

    В данный момент на предприятии ЗАО  «Сибур-Химпром» вводится в эксплуатацию установка по получению этилбензола  на твердофазном катализаторе.

    В жидкой фазе реактора алкилирования  этилен практически полностью вступает в реакцию с избыточным бензолом, образуя этилбензол (ЭБ):

    Процесс протекает при температуре Т=+220÷+255°С, давлении Р=34кгс/см² (3,4МПа). Эта реакция носит экзотермический характер, что приводит к постепенному повышению температуры от одного слоя катализатора к другому, тепловой эффект равен 27,6 ккал/моль (115,556кДж/моль).

    Небольшое количество полученного этилбензола  подвергается дальнейшему этилированию с образованием совместно именуемых  полиэтилбензолов (ПЭБ):

    Эти побочные процессы идут также с выделением тепла, тепловой эффект каждой из реакций составляет 27,8ккал/моль (116,393кДж/моль).

    Ди- и триэтилбензолы выделяются из ЭБ внутри секции дистилляции установки  ЭБ с последующим превращением в  ЭБ за счет трансалкилирования с бензолом.

    Фракция ЭБ, проходящая дальнейшее алкилирование  до ПЭБ, зависит от свойственной моноалкилированной избирательности катализатора, пропорции сырьевых компонентов бензола и этилена (соотношения Б/Э), содержания ЭБ в подаваемом в реактор бензоле и от количества слоев катализатора алкилирования. Низкая величина ПЭБ означает, что потребуется меньше усилий на очистку от ПЭБ, небольшой реактор трансалкилирования и невысокий расход подаваемого туда бензола. Это важно также потому, что чем меньше рецикл ПЭБ, тем меньше побочных продуктов образуется в реакторе трансалкилирования и, соответственно, повышается производительность и качество продукта. При увеличении соотношения Б/Э падает доля образующихся ПЭБ, но при этом необходимо затратить больше усилий на извлечение бензола. Применение катализатора алкилирования EBMax обеспечивает низкий выход ПЭБ даже при небольшом соотношении Б/Э (Оптимальное соотношение Б/Э составляет свыше 2,47:1).

    Внутри  ректора алкилирования образуются также некоторые побочные продукты, которые не удается сразу же превратить в ЭБ. Главную роль здесь играет олигомеризация этилена:

Бутен может  реагировать с бензолом, образуя  при этом бутилбензол:

    Олигомеры могут также образовывать неароматические  углеводородные соединения (в основном, циклопарафины), которые кипят в  диапазоне рабочих температур бензола. Количество олигомеров, формирующихся над катализатором алкилирования EBMax, чрезвычайно мало. Вследствие таких реакций внутри реактора алкилирования образуется небольшое количество бутилбензола и неароматических углеводородов.

    Кроме того, в реакторе алкилирования EBMax формируется небольшое количество тяжелых соединений, которые представлены в основном диарилалканами типа дифенилэтана, а также более глубоко алкилированными соединениями. Они удаляются в колонне ПЭБ в виде кубовых остатков[3].

1.2.2 Сущность процесса трансалкилирования

     ПЭБы, полученные на стадии алкилирования, удаляются  за счет реакции с бензолом в процессе  трансалкилирования, превращаясь в  дополнительный ЭБ. Превращение ПЭБ  в ЭБ происходит избирательным образом  на катализаторе трансалкилирования EBMax. Для увеличения степени превращения внутрь реактора подается небольшой избыток бензола.

    Небольшое количество бутилбензола, образовавшееся на стадии алкилирования, эффективно превращается в соединения, которые легко отделяются путем дистилляции. В основном они представлены бутаном, который удаляется вместе со сбросным газом, а дифениловые соединения (дифенилэтан и его производные) отводятся в виде кубовых остатков колонны ПЭБ. Небольшая фракция бутилбензола превращается в пропилбензол и этилбензол.

    Сырьевой  бензол, как правило, содержит порядка 0,05÷0,1% (масс.) неароматических соединений, в основном цикло- и изопарафины. Те соединения, чья точка кипения  близка к бензолу, не удаляются напрямую вместе с ЭБ или побочными продуктами. В первую очередь, они удаляются за счет реакции трансалкилирования с образованием тяжелых соединений, которые покидают установку ЭБ вместе с кубовыми остатками. Наличие высоких концентраций неароматических соединений, например, свыше 0,1% (масс.), может привести к существенному повышению интенсивности образования тяже-лых соединений в реакторе трансалкилирования, что, в свою очередь, ведет к увеличению выхода кубового остатка[3]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Технологическая  часть.

2.1 Описание технологической  схемы.

    Установка получения этилбензола состоит следующих систем:

    - система компримирования  и  очистки этилена;

    - система очистки бензола;

    - система алкилирования;

    - система трансалкилирования.

    - система регенерации адсорбента  и очистки реакторов;

    - система извлечения бензола;

    - система извлечения ЭБ;

    - система извлечения ПАБ;

    - система осушки бензола;

    - система котловой питательной  воды.

    2.1.1 Система извлечения этилбензола

    Для питания системы извлечения ЭБ используется кубовый продукт колонны К-52. Колонна К-62 выделяет продуктовый ЭБ из смеси алкилбензолов. Рабочие условия в К-62 подобраны таким образом, чтобы достигалась максимальная концентрация ЭБ в дистилляте и минимальная - в кубовом остатке.

    Кубовый продукт системы извлечения бензола  поступает на 26-ю тарелку К-62. Насосами Н-69/1,2 создаётся горячая струя через ребойлерную печь П-101/2 в куб колонны. Расход топливного газа в П-101/2 регулируется по температуре на 7 тарелке. 

    Пары верха конденсируются в Т-64, который представляет собой испаритель с паровым пространством, вырабатывающий пар низкого давления. Конденсат этилбензола собирается в ёмкости этилбензола Е-66. Уровень в ёмкости поддерживается выводом продуктового этилбензола за границу установки. Этилбензол подаётся насосами Н-67/1,2 – на орошение К-62 и в теплообменник продуктового этилбензола/свежего бензола Т-40. Горячий полиалкилбензол, содержащий ДЭБ, ТЭБ и более тяжёлые соединения, поступает из куба колонны К-62 в колонну К-72. Ребойлеры колонн К-52 и К-62 имеют общую конвекционную секцию и дымовую трубу[3]. 

2.2 Поверочный расчет печи П-101/1,2

    Исходные  данные

    - проектная  тепловая нагрузка печи: Q_пр = 8 Гкал/ч = 33494400 кДж;

    - топливо (природный газ) состава  (в объёмных %):

    СН₄=89,1; С₂Н₆=4,4; С₃Н₈=1,08;; i-C₄H₁₀=0,69; С₅Н₁₂=0,43; N₂=4,3; Сумма=100

     Определим поверхности нагрева труб исходя из следующих данных: количество труб в обеих радиантных камерах 144, внешний диаметр труб 0,134 м, полезная длина 12 м

     - поверхность нагрева радиантных труб: H_р = 727,07 м²;

     2.2.1Расчет  процесса горения

     Двухскатная печь шатрового типа с факельным сжиганием топлива работает на природном газе.

     Среднестатистический  природный газ имеет следующий  состав (табл.2.1):

     Таблица 2.1

     Состав  топливного газа

 

     В табл.2.2 представлены теплоты сгорания компонентов топлива,  необходимые  для расчета его низшей теплоты  сгорания:

Таблица 2.2

     Теплоты сгорания компонента топлива

 

     Низшая  теплота сгорания топлива:

где – теплота сгорания компонентов топлива, кДж/м³;

yi = объемная доля компонента.

Q^н_р = 37310 кДж/м³ = 47810 кДж/кг

     Найдем  среднюю молекулярную массу топлива:

где – молекулярная масса компонента топлива;

 – мольная (объемная) доля компонента топлива.

M_m= 16,914 г/моль

     Тогда плотность газа:

     ρ_Т= 0,752 г\л

     Рассчитываем  элементарный состав топлива:

где C, H, N – объемное (мольное) процентное содержание атомов углерода, водорода, серы и азота в топливном газе соответственно;

 – число атомов   соответственно в молекулах отдельных компонентов, входящих в состав топливного газа.

     С = 72,21%; Н = 23,95%; N = 3,84%

     С + Н + N = 100%

     Теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания 1 кг         топлива:

     L_o = 16,5669 кг/кг

     Объемный  расход воздуха, необходимый для  сжигания 1 кг топлива:

      V_o = 12,8213 м³/кг

     Действительный  расход воздуха:

где – коэффициент избытка воздуха (принимаем 1,19  согласно  данным  по технологическим показателям работы трубчатых печей)