Производство изононилфенола алкилированием фенола тримерами пропилена на сульфокатионите

     d[4-АФ]/dτ= K₃[Ф][Ол]-K-₃[4-АФ]-K₅ [4-АФ][Ол]+K_-5 [ди-АФ]

     d[ди-АФ]/dτ= K₄[2-АФ][Ол]+K₅ [4-АФ][Ол]-(K-₄+ K_-5)[ди-АФ]

 

3. Практическая  часть.

     Практическая  часть курсовой работы осуществляется при помощи компьютерной программы i_NONFEN.pas, которая моделирует процесс синтеза изо-нонилфенола из фенола и нонена (тримера пропилена). Программа создана на языке программирования TurboPascal^® на кафедре технологии химических веществ для нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Программа предусматривает в качестве катализатора моделируемого процесса катализатор Lewatit SPC-108 H.

     Базовым параметром для расчетов является концентрация i-го компонента, выраженная в моль/л, и мольное соотношение реагентов. Также задается время контакта.

     Результаты  вычислений выводятся  в виде таблицы:

• условное время контакта;
• текущая мольно-объемная концентрация каждого компонента реакционной массы.

     На  основании данных таблицы рассчитывается конверсия того компонента реакции, который присутствует в недостатке в системе, для него же рассчитывается селективность по целевому продукту, определяется выход последнего. Определяется оптимальное время протекания реакции. Далее составляется материальный и тепловой баланс процесса на выбранный момент времени.

1. Практическая  реализация процесса

     В данной работе для проведения расчетов необходимо знать начальные концентрации реагирующих веществ в моль/л, которые определяются при помощи метода мольных объемов. Для расчета мольных объемов углеводородов при давлении 0,1 МПа и 20 °C предложено линейное уравнение вида:

     V_m.иск. = V_м.б.+K(N—n), где

     V_m.иск. – мольный объем искомого соединения, см³/моль;

V_м.б – мольный объем базового соединения в гомологическом ряду, см³/моль.

K – коэффициент – доля мольного объема, соответствующая изменению числа внешних электронов на единицу, K=2,696;

N – сумма внешних электронов искомого соединения;

n – сумма чисел внешних электронов базового соединения.

Для фенола:

фенол является базовым соединением в  гомологическом ряду, V_m.иск. = V_м.б = 87 см³/моль.

Для нонена C₉H₁₈:

базовым соединением является пропилен C₂H₆, n = 2·12+6 = 30.

V_м.б = 109,5

N = 12·9+18 = 54.

V_m.иск. = 109,5 + 2,696(54—30) = 174,204 см³/моль.

     Тогда общий объем реакционной смеси  V_общ., состоящей из k моль фенола и 1 моль олефина, будет равен

V_общ. = 0,087·k + 0,1742.

     Концентрация  реагентов в смеси будет определяться как отношение их мольных концентраций к массовым.

1. Определение исходных параметров моделирования.

 

     С помощью программы i_NONFEN.pas были получены результаты моделирования (см. Придожение). Далее, результаты были обработаны в программе Excel MS Office®, где были определены:

• концентрация смеси 2- и 4-алкилфенолов.

     В качестве целевого продукта была выбрана  смесь моноалкилфенолов (2- и 4-алкилфенолов), т.к. в процессе ректификации они  не разделяются и выводятся вместе через верх колонны и в таком виде используются по назначению.

• конверсия олефина

     ·100 %, где

     C_ол^исх – исходная концентрация олефина;

     C_ол^тек – концентрация олефина в текущий момент времени.

     В начальный момент времени конверсия равна 0.

• селективность по целевому продукту

     ·100 %, где

     C_ц.п.^тек – концентрация целевого продукта в текущий момент времени.

     В начальный момент времени селективность  не определяется.

• выход целевого продукта

     .

     В начальный момент времени выход  не определяется.

     Именно  выход был выбран в качестве показателя максимальной эффективности процесса при различных соотношениях реагентов  и поиска оптимального времени протекания реакции. Объясняется это тем, что выход является результирующим параметром для конверсии и селективности, т.е. при максимальном выходе целевого продукта соотношение конверсия : селективность будет также максимальным.

     Результаты  моделирования и последующих  вычислений конверсии, селективности и выхода представлены в табл. 1—4 Приложения.

     Полученные  данные были графически интерпретированы (см. рис. 1—4 Приложения). Кроме того, на базе Excel был разработан автоматизированный алгоритм поиска и вывода на экран:

• для каждого из заданных соотношений:

• максимального выхода целевого продукта;
• времени продолжительности реакции, соответствующего этому выходу;

     Результаты  указываются после каждой таблицы.

• при сравнении четырех процессов:

• максимально возможного выхода продукта;
• соотношения реагентов, при котором достигается этот выход;
• времени продолжительности реакции, соответствующего этому выходу.

     Результаты  формируются в отдельную таблицу.

2. Результаты поиска оптимального технологического решения.

 

     На  основании данных табл. 3.1.2, делаем вывод, что из заданных соотношений фенол : олефин максимального выхода целевого продукта – 75,15 % – позволяет добиться соотношение 3 : 1 при времени протекания реакции 4000 с. (67 мин.)

     На  практике целесообразным представляется уменьшить это время, т.к. увеличение времени контакта сопровождается, как правило, увеличением объема реакционной аппаратуры. В качестве оптимального времени проведения процесса было выбрано время, равное 2000 с. (33 мин.), т.к. после этого времени прирост выхода составляет меньше 0,5 % за каждые 40 с.

4. Установка алкилирования фенола тримерами пропилена

1. Параметры работы установки:

• исходное  соотношение реагентов фенол : олефин, масс. 3,0 : 1;

      то же, мольн.        6,89 : 2,30

• время реакции, с.       2000

то  же, мин.        33

• время работы установки в году, дней    330

то  же, часов        7920

• производительность по сырью, тыс. т./год   75

     то  же, кг/ч        9469,70

2. Схема материальных потоков  производства изононилфенола алкилированием фенола тримерами пропилена  на сульфокатионите.

     

     Рис.7. Схема материальных потоков производства изононилфенола алкилированием фенола тримерами пропилена на сульфокатионите. 

     Условные  обозначения:

     А – алкилатор; П – переалкилатор; I, IV – колонна для отгонки тримера пропилена; II – колонна для отгонки фенола; III – колонна для выделения целевого продукта; И – пленочный испаритель для отгонки диалкилфенолов (в смеси с алкилфенолом) и удаления смол;

     G1 – свежие тримеры пропилена; G2 – возвратные тримеры пропилена; G3 – переалкилат после отгонки тримера пропилена; G4 – свежий и возвратные пропилен; G5 – алкилат; G6 – тримеры пропилена; G7 – алкилат после отгонки тримеров пропилена; G8 – возвратный фенол; G9 – свежий фенол; G10 – свежий и возвратный фенол; G11 – алкилат после удаления тримеров пропилена и фенола; G12 – товарный алкилфенол; G13 – алкилат после удаления тримеров пропилена, фенола и основной части алкилфенола; G14 - диалкилфенолы и алкилфенол; G15 - смолы; G16 – переалкилат; G17 – тримеры пропилена и инерты (парафины); G18 - инерты (в смеси с тримерами пропилена) с установки.

3. Материальный  баланс установки.

     1. Алкилатор. В алкилатор поступают  фенол (свежий и возвратный) и  пропилен (аналогично). Примем, что расчет  ведем для начального момента работы установки, когда рециркулят еще отсутствует в системе. Тогда материальный баланс примет следующий вид:

1. Материальный баланс алкилирования фенола тримерами пропилена.