Расчёт тепловых эффектов химико-технологических процессов на примере окисления изопропилбензола

Полученный раствор ГПК и побочных продуктов в кумоле обычно «укрепляют» - концентрируют путем отгонки кумола. Этот процесс проводят в достаточно глубоком вакууме. Чтобы снизить время пребывания ГПК при повышенных температурах, способствующих ее разложению, рекомендуется отгонять кумол в пленочных аппаратах.Несмотря на указанные преимущества, секционная колонна является более доступным, дешевым и компактным агрегатом (а во многих случаях – и более эффективным), а вероятности сбоев не настолько высоки, чтобы обязательно перестраховываться. Поэтому остановимся на варианте аппаратурного оформления с использованием секционной колонны.На рис.1 окисление проводится в тарельчатой колонне 1, снабженной холодильниками-змеевиками на каждой ступени – с их помощью поддерживается профиль температур по высоте колонны от 1200С в кубе до 1050С в верхней части колонны. Нагретый воздух, предварительно очищенный от загрязнений и механических примесей, подают в нижнюю часть колонны под давлением около 0,4 МПа. Свежий и оборотный кумол, к которому добавлена ГПК с конца технологической «цепочки», инициирующая процесс окисления, из сборника 2 подают в теплообменник 3, а оттуда – на верхнюю тарелку реактора. Воздух в реакторе движется противотоком к жидкости, барботируясь через нее на тарелках колонны. При этом он уносит пары кумола и летучих побочных продуктов (муравьиная кислота, формальдегид), которые конденсируются в холодильнике 4. Оставшийся воздух выбрасывается в атмосферу, а конденсат отмывают от муравьиной кислоты в промывателе-сепараторе 5. В результате, из за взаимной нерастворимости воды и кумола, происходит расслаивание, после чего углеводородный слой сливают в сборник 2, а водный рециркулируют на промывку, либо просто в канализацию.Смесь продуктов окисления из нижней части колонны 1содержит до 30% ГПК. Эта смесь отдает свое тепло кумолу в теплообменнике 4, дросселируется с помощью дроссельного вентиля 6 до остаточного давления около 4 кПа и поступает на вакуум-ректификацию для очистки ГПК. Применение вакуума обусловлено термической нестабильностью перекиси. Кумол отгоняют в насадочной колонне 7, снабженной конденсатором-дефлегматором 8. Часть сконденсированного кумола возвращают из дефлегматора на орошение колонны 7, а остаток выводят в сепаратор 5, промывают щелочью и возвращают в реактор 1. Кубовый остаток колонны 7 содержит 70 – 75 % ГПК, а также побочные продукты окисления и остатки кумола. Путем дополнительной вакуум-ректификации в колонне 9 при остаточном давлении около 655 Па ГПК концентрируют до 88 – 92 % и направляют на стадию кислотного разложения ГПК.Рис.1. Технологическая схема получения гидроперекиси кумола с использованием ступенчатой колонны-реактора.1 – колонна-реактор; 2 – сборник; 3 – теплообменник; 4 – холодильник; 4А – сепаратор; 5 – промыватель-сепаратор; 6 – дроссельный вентиль; 7,9 – колонны вакуум-ректификации; 8 – дефлегматоры; 10 – насосы.Рис.2. Принципиальная схема установки каскадного типа для окисления кумола в ГПК.1 – реакторы; 2 – теплообменник; 3 – промежуточные емкости; 4 –сборник реакционной массы; 5 – насос; 6,7 – конденсаторы.2.4. Расчетное задание2.4.1. Формулировка заданияВ окислительную колонну для получения гидропероксида изопропилбензола поступает в час 6800 кг изопропилбензола. Окисление проводят до степени конверсии изопропилбензола 26%; при этом селективность по гидропероксиду изопропилбензола в расчете на изопропилбензол составляет 86,5%. В результате окисления выделяется 1000 кДж теплоты на 1 кг образующегося гидропероксида изопропилбензола. Теплоту отводят водой, циркулирующей в трубах тепловых элементов, встроенных в колонну. Определить площадь поверхности теплообмена тепловых элементов, если коэффициент теплопередачи равен 257 Вт/м2 ∙ К, а средний температурный напор 95 К2.4.2. Расчет площади поверхности теплообменаГидроперекись изопропилбензола (кумола) образуется при взаимодействии кумола с кислородом воздуха:С6Н5СН(СН3)2 + О2 = С6Н5С(СН3)2ООНМолярные массы кумола, кислорода и гидроперекиси (ГПК) соответственно равны 120,19 кг/кмоль, 32,00 кг/кмольи 152,19 кг/кмоль. Т.е. в течение 1 ч в колонну поступает количество кумола, равноеКонверсия кумола составляет 26%, т.е. в продукты реакции превращаетсяИз них в ГПК превращаетсяИсходя из уравнения реакции можно сказать, что при этом образуется такое же количество ГПК. Масса образующейся ГПК:При этом, согласно условиям задачи,в течение 1 ч выделяется количество теплоты, равноеСледовательно, в течение 1 с выделяетсяКоличество теплоты, передаваемое за единицу времени от горячего к холодному теплоносителю связано с поверхностью теплообмена соотношением:где k – коэффициент теплопередачи, F – площадь поверхности теплообмена, t – средний температурный напор. Количество передаваемой за 1 с теплоты q мы вычислили, k и t известны из условий задачи, теперь найдем площадь поверхности теплообмена:2.4.3. Составление материального балансаТеперь составим материальный баланс процесса. Предположим, кумол окисляется кислородом воздуха, содержащего 21% об. (или мол., если считать воздух идеальным газом) кислорода. Оставшиеся 79% будем считать азотом. Также будем считать, что, исходя из уравнения реакции, количество кислорода, подаваемое в колонну, равно количеству подаваемого в нее кумола, т.е. 56,58 кмоль. Следовательно, масса кислорода, подаваемого в колонну в составе воздуха:Количество воздуха, подаваемое в колоннуКоличество азота в воздухе, подаваемом в колонну:Масса азота, подаваемого в колонну:Т.к. азот считаем инертным по отношению к другим компонентам реакционной смеси, его количество и масса на выходе такие же, как и на входе.Масса воздуха, подаваемого в колонну:Количества непрореагировавших кумола и кислорода:Массы непрореагировавших кумола и кислорода соответственно:Масса непрореагировавшего воздуха:Количество образующейся ГПК, как видно из уравнения реакции, равно количеству израсходованного на ее образование кумола. Масса образующейся ГПК:Количество образующихся примесей в расчете на кумолМасса образующихся примесей в расчете на кумолРезультаты сведены в таблицу:Таблица. – Материальный баланс участка окисления кумола до ГПК.В-воМПриходРасходкг/кмолькмолькгкмолькгС6Н5СН(СН3)2120,1956,586800,0041,875032,00С6Н5С(СН3)2ООН152,190,000,0012,721936,49Воздух, в т.ч. 269,417774,18254,707303,46О232,0056,581810,4741,871339,75N228,02212,845963,71212,845963,71Примеси120,190,000,001,99238,68Всего:  22348,35 21814,08Потери:  534,272,39% Очевидно, имеется некоторое количество потерь, которое, по-видимому, обусловлено погрешностью округления.ЗАКЛЮЧЕНИЕРеакция окисления кумола в кумилгидропероксид является первой стадией промышленного процесса совместного получения фенола и ацетона кумольным методом и во многом определяет селективность процесса в целом.Повышению селективности по ГПК способствует снижение температуры и степени конверсии. Однако слишком сильное их снижение вызывает падение скорости и эффективности процесса. Поэтому их следует поддерживать на оптимальном уровне, обоснованном технико-экономическими расчетами. Для окисления кумола с образованием ГПК такая температура составляет 100 – 1200С. Весьма эффективным является снижение температуры по мере накопления ГПК, т.к. при этом замедляется скорость ее разложения. При этом степень конверсии кумола ограничивают величиной около 30%.Все промышленные процессы окисления кумола кислородом воздуха проводят гетерофазно, при разных давлениях и температурах, в рекаторахбарботажного типа, примем на практике применяются как секционированные аппараты, так и каскад пустотелых реакторов.В процессе выполнения работы познакомился с основами теории получения гидропероксида изопропилбензола, научился рассчитывать основные характеристика данного технологического процесса. Мною была произведена оценка технологической эффективности рассматриваемого реакционного узла, произведен выбор типа реактора и расчет основных технологических параметров для заданного процесса.В результате проведенного мною анализа информации по процессу окисления кумола до ГПК, было показано, что наиболее распространенной по причине дешевизны и эффективности является аппаратурное оформление процесса с использованием реактора в виде секционной колонны.Для нее мы определили поверхность теплообмена и рассчитали материальный баланс. При этом было показано, что для переработки 6800 кг кумола в час необходим реактор с поверхностью теплообмена величиной не менее 20,0 м2.В ходе работы я овладел методами расчета и анализа процессов в химических реакторах, методами определения технологических показателей процесса.ЛитератураАнаньева Е.А., Егорова Е.В., Ларин Л.В. Современное состояние и перспективы развития процессов получения фенола // Вестник МИТХТ. –2007. Т. 2. № 2Закошанский В.М. Фенол и ацетон: Анализ технологий, кинетики и механизма основных реакций. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2009. 608 с.: ил.ДахнавиЭ. М. Математическая модель кислотно-каталитического разложения гидропероксида кумола / Э. М. Дахнави, Х. Э. Харлампиди, В. Н. Кудряшов // Химическая промышленность сегодня. – 2010. – №5Основы технологии нефтехимического синтеза: учеб.-метод. комплекс для студентов специальности 1-48 01 03 «Химическая технологиятоплива и углеродных материалов» /сост. И.В. Бурая. – Новополоцк: ПГУ,2012.Тимофеев, В.С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 2003. – 536 с.ДахнавиЭ. М. Математическая модель разложения гидропероксида кумола в теплообменнике / Э. М. Дахнави // Нефтепереработка и нефтехимия. – 2010. - № 3.ДахнавиЭ. М. Влияние температуры на процесс каталитического окисления кумола / Э.М. Дахнави, И.Г. Разяпов, Х.Э. Харлампиди // Вестник Казанского государственного технологического университета. – 2009. – № 6.Леонтьев В.С. Оптимизация одноколонных ректификационных аппаратов для химических технологий и процессов нефтепереработки // Нефтегазовое дело: электрон. науч. журн. 2012. № 2. Кумол [Электронный ресурс]https://ru.wikipedia.org/wiki/КумолГидропероксид кумола [Электронный ресурс] Режим м доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидропероксид_кумолаН.Н.Лебедев, Химия и технология основного органического синтеза, М., Химия, 1988, 592 с.Башаров М.М., Лаптев А.Г. Энергосбережение в производстве фенола //Вестник КГЭУ. 2010. №3.Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Минеев Н.Г. Основы расчета и модернизация тепломассообменных установок в нефтехимии. Казань: КГЭУ. 2010. 570с.Разяпов И.Г. Окисление кумола в присутствии гомогенных каталитических систем И.Г. Разяпов, Э.М Дахнави., Х.Э. Харлампиди // Тез. докл. XII Международ. научно-техн. конф. «Наукоемкие химические технологии-2008». – Волгоград, 2008. - С.176.