Алкілювання бензолу пропіленом

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ  УКРАЇНИ

Одеський національний політехнічний  університет

Хіміко - технологічний факультет

Кафедра органічних та фармацевтичних технологій

 

 

 

 

 

Курсовий  проект

за темою:

" Алкілювання бензолу пропіленом "

3437.КП10-ХО071.15.001ПЗ

 

 

 

 

 

Виконала :                                                                                          ст. гр. ХО-071

Ященко О.А.

Керівник :                                                                      ст. викладач кафедри ОФТ                                                                 Шевченко Л.С.

 

 

 

 

 

Одеса  2010

Анотація

В курсовій роботі був розглянутий технологічний процес виробництва ізопропілбензолу методом алкілювання бензолу в присутності безводного хлористого алюмінію.

Приведений аналіз всіх методів алкілювання. Розглянуті фізико-хімічні основи процесу каталітичного алкілювання, зроблено розрахунок конструктивних параметрів алкілатора. Приведено опис реакційного вузла та алкілатора.

Виконано креслення алкілатора, барботера  (а також у розрізі), фланця і штуцера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зміст

Вступ……………………………………………………………………………3

1.  Види алкілювання…………………………………………………………..4

1.1  Парофазне алкілювання……………………………………………4

1.2  Гомогенне алкілювання…………………………………………….8

1.3  Рідкофазне алкілювання…………………………………………..10

2.  Реакційні вузли…………………………………………………………….14

3.  Опис алкілатора……………………………………………………………16

4.  Розрахункова частина……………………………………………………...17

Висновки…………………………………………………………………….. ...23

Список літератури……………………………………………………………..24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        Вступ

Промисловість основного  органічного синтезу є однієї з найважливіших галузей хімічного виробництва. У промисловості й у побуті досить високе значення має процес алкілювання.

До найбільш багатотоннажних  продуктів, отриманих алкілюванням ароматичних сполук, відноситься  ізопропілбензол.

Ізопропілбензол С₆Н₅ СН(СН₃)₂, інакше названий кумолом.

В промисловості ізопропілбензол одержують каталітичним алкілюванням  бензолу  пропіленом.

Спочатку ізопропілбензол застосовували в якості високооктанової добавки до моторних палив, а в цей час основним його споживачем є хімічна промисловість.

Застосовують ізопропілбензол  для виробництва головним чином  фенолу та ацетону ( через кумилгідропероксид) і α-метилстірола, а також як добавку  до авіаційних бензинів, що підвищує октанове число.

Немаловажне значення мають  алкілароматичні пластифікатори, мастила й присадки, одержувані алкілюванням ароматичних вуглеводнів.

Вивчення процесу алкілювання  дозволяє вдосконалювати даний процес для зменшення собівартості продукту. А цей показник являється дуже важливим у нинішніх умовах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Види алкілювання

Для отримання алкілбензолів  в якості каталізаторів, окрім найбільш поширеного в промисловості безводного хлористого алюмінію, можна використовувати також сірчану і фосфорну кислоти, фтористий бор, природні і синтетичні алюмосилікати. Залежно від вживаного каталізатора процес алкілювання протікає в гомогенній або гетерогенній системі. Вибір каталізатора визначає також параметри технологічного процесса - температуру, тиск, необхідний ступінь очищення початкових реагентів. Алкілювання проводять або в паровій, або в рідкій фазі.

 

 

1.1 Парофазне алкілювання

 

Для парофазного алкілювання застосовується твердий каталізатор, який готується шляхом нанесення фосфорної кислоти на силікагель або змішення фосфорної кислоти з діатомовою землею, окислом цинку, алюмосилікатами і так далі. Бензол заздалегідь випаровують, і алкілювання протікає в газовій фазі (парофазне алкілювання). 

Процес утворення алкілбензолів  над фосфорнокислим каталізатором аналогічний процесу рідкофазного алкілювання у присутності сірчаної кислоти. Тут також передбачається приєднання протона до молекули олефіну з утворенням позитивного іона карбонію, який потім реагує з карбонієвим іоном бензолу, утворюючи алкілбензол. При дослідах, проведених у присутності дейтерофосфорної кислоти, був виявлений дейтероводородний обмін між олефінами і каталізатором.

 

 

 

 

Таким чином, можна припускати, що процес алкілювання протікає по наступній схемі:

2Н₃РО₄              Н₂РО₄^- + Н₄РО₄⁺

 С₃Н₆ + Н₄РО₄⁺           С ₃Н₇⁺ + Н₃ РО₄

С ₃Н₇⁺+ С ₆Н₅^-              С₆Н₅С₃Н₇

Активність каталізатора у великій мірі залежить від тиску  пари фосфорної кислоти над поверхнею  каталізатора. Зазвичай готують каталізатор, що містить 62-65% Р₂О₅ і 25% SіО₂. Такий зміст п'ятиокису фосфору відповідає вмісту Р₅О₃ в пірофосфорній кислоті. Ортофосфорна кислота, нанесена на твердий носій, також є вельми активним каталізатором. Метафосфорна кислота, яка може утворитися при дегідратації каталізатора, не володіє каталітичною активністю. Тому дегідратація каталізатора вкрай небажана, і, щоб її уникнути, в реакційний апарат вводять воду або спирт (спирт надає ту ж дію, що і вода, оскільки в процесі реакції він дегідратується). Подача надлишку води може викликати пониження концентрації фосфорної кислоти на поверхні каталізатора, що зменшує його активність. Можна регулювати активність каталізатора шляхом часткового введення неосушеної сировини.

Тривалість роботи каталізатора складає 600-700 годин. При цьому витрачається приблизно 5 кг каталізатора на 1 т ізопропілбензолу.

Для парофазного алкілювання можуть застосовуватися реактори  двох  типів:

1) трубчасті реактори, які складаються з пучка труб, заповнених каталізатором і поміщених в кожух (у міжтрубному просторі проходить хладоагент);

2) реактори у вигляді  полів труби з гратами, на  які завантажується каталізатор.

Трубчасті реактори з охолоджуванням застосовують на установках великої потужності, де потрібне відведення значної кількості тепла. Для

реакторів з невеликою  продуктивністю в спеціальному охолоджуванні немає особливої необхідності, оскільки теплота реакції алкілювання, обчислена на підставі теплоти освіти, складає 23,4 ккал/моль при 250°С. Крім того, процес проводиться при великому надлишку бензолу і застосуванні розбавленої  пропан-пропіленової фракції. Тому підвищення температури, за рахунок виділення тепла реакції відносно невелике і застосування реакторів у вигляді порожнистих труб цілком виправдане. Зазвичай встановлюють послідовно декілька реакторів, що дає можливість додатково подавати пропілен в кожен реактор. Завдяки цьому поліпшується співвідношення між бензолом і олефіном і, як наслідок, підвищується вихід моноалкілбензолу. Крім того, встановлюючи невеликі проміжні холодильники, легко підтримувати необхідний температурний режим алкілювання.

Конверсія пропілену при високому вмісті сірки в початковому бензолі різко знижувалася до кінця досліду. Мабуть, при алкілюванні бензолу над фосфорнокислим каталізатором слід застосовувати бензол, що містить менше 0,15% тіофену.

Наявність етилену в олефіновій фракції не робить шкідливого впливу, оскільки в умовах процесу етилен не вступає в реакцію алкілювання. Бутилен же реагує кількісно з утворенням бутилбензолів, що затрудняє надалі виділення ізопропілбензолу при ректифікації. Тому наявність бутилену в пропіленової фракції вельми небажано.

При низькій об'ємній швидкості  і великій величині відношення бензолу  до олефіну високий вихід алкілбензолів досягається вже при 180-200°С. При меншому відношенні бензолу до олефіну і підвищенії об'ємнії швидкості вихід алкілбензолів значно збільшується при підвищенні температури до 220°С.

Висновок: оптимальна температура алкілювання залежно від молекулярного відношення бензолу до пропилену і від об'ємної швидкості змінюється в межах 220-250°С.

Зміна тиску не робить впливу на ступінь конверсії пропілену. На промислових установках зазвичай підтримують тиск 20-25 ат.

Тривалість контакту, яка визначається об'ємною швидкістю (подачею сировини в л/годину на 1 л каталізатора), робить істотний вплив на результати процесу алкілювання.

При температурі 180˚С відбувається зменшення виходу алкілбензолів майже в 2 рази. При підвищенні температури до 250°С час контакту надає  менший вплив.

Дуже різко позначається на виході алкілбензолів зміна відношення бензолу до пропілену: якщо вести  алкілювання при 180°С, то для досягнення сумарного виходу алкілбензолів (тобто ступеню конверсії пропілену), рівного 86%, потрібно буде довести відношення бензолу до пропілену до 8,9 : 1. Якщо ж температуру алкілювання підвищити до 250°С, такий же вихід виходить при відношенні бензолу до пропілену 5 :1.

Слід мати на увазі, що разом з поліпшенням ступеня використання пропілену при збільшенні відношення бензолу до пропілену сильно знижується вміст ізопропілбензолу в реакційній суміші.

Також алкілювання бензолу у присутності фосфорних кислот проводиться в паровій фазі із застосуванням каталізатора у вигляді пігулок, що готуються шляхом нанесення фосфорної кислоти на силікагель. У каталізаторі міститься зазвичай 62-65% Р₂О₅, що відповідає вмісту фосфорного ангідриду в пірофосфорній кислоті. Щоб уникнути дегідратації каталізатора (і внаслідок цього - утворення неактивної метафосфорної кислоти) в реакційну зону разом з початковими реагентами вводять невеликі кількості пари води (0,06 - 0,08% від кількості сировини) або ізопропілового спирту; останній в умовах реакції дегідрується

 

 

а вода, що виділяється, сприяє підтримці в порах носія постійної  концентрації трьох- або чотирьохосновної фосфорної кислоти .

Початкова вуглеводнева сировина повинна бути очищене в першу  чергу від сірки і сірчистих  сполук - меркаптанів, тіофену. Присутність цих сполук значно скорочує тривалість роботи каталізатора, крім того, сірчисті сполуки забруднюють готовий продукт. Очищену вуглеводневу суміш (бензол, олефіни) випаровують і пропускають пари через каталізатор.

Парофазний процес не знайшов  в промисловості широкого застосування для отримання етилбензолу, проте  цей метод використовується для  виробництва ізопропілбензолу. Процес алкілювання бензолу пропіленом протікає із значною швидкістю; для алкілювання використовується зазвичай фракція вуглеводнів С₃ крекінг-процесів. Співвідношення бензол : пропілен на практиці зазвичай не перевищує 3:1. Перетворення пропілену на 90% досягається при 250°С і 17,5 ат. Для отримання таким же способом етилбензолів потрібні жорсткіші умови, наприклад тиск 60 ат. і вище.

 

 

1.2.  Гомогенне  алкілювання

Розроблений варіант гомогенного  алкілювання бензолу пропіленом, при якому каталізаторний шар в алкілаторі відсутній. Процес в цьому випадку йде за рахунок розчиненого в реакційній суміші каталізатора, використовуваного за один прохід. Така схема не пред'являє жорстких вимог до перемішування рідкої фази в реакторі; відпадає необхідність в системах відстоювання і рециркуляції комплексу, а також у виводі і нейтралізації

окремого потоку відпрацьованого  каталізатора. Крім того, при цьому  полегшується подача каталізатора в  реактор.

Оскільки при використанні «однопрохідної» схеми концентрація каталізатора в реакційній зоні лімітована, процес в цьому випадку може бути інтенсифікований за рахунок перекладу його в рідку фазу і підвищення температури. Відсутність комплексного шару дозволяє підвищити температуру процесу 160-200˚С.

Підготовку кислого алкілата до ректифікації проводять в три ступені. Спочатку алкілат обробляють водою з метою розкладання каталізатора, що міститься в ньому, потім нейтралізують розчином лугу і далі промивають від лугу водою. Подача води (розчину лугу) на кожен ступінь досягає іноді 100% (за об'ємом) на алкілат.

Відпрацьований каталізаторний комплекс, що відводиться з системи, безперервно або періодично розкладають воду. Щоб утворився при цьому вуглеводородневий шар змішують з кислим алкілатом, а водяний шар виводять з системи.