Технологические и технико-экономические показатели процесса

Теоретическая часть

 

Циклогексанон получают из циклогексанола окислением кислородом воздуха (окислительное дегидрирование) или каталитическим дегидрированием. Кроме дигидрирования при этом протекают дегидратация циклогексанола в циклогексен, а также расщепление циклогексанола с выделением углерода, водорода и воды.

Технологическая схема процесса получения циклогексанона дегидрированием циклогексанола приведена па рисунке 1.

Циклогексанол-ректификат (99,9% -ный) под давлением азота 0,01-0,015 МПа нагнетается через фильтр 3 в подогреватель 4 типа "труба в трубе", где нагревается до 100-110°С. Далее в испарительно-подогревательпой системе, состоящей из трубчатых аппаратов 5, 6 и 7, происходит испарение циклогексанола и перегрев его паров до 430-450°С. Перегретые пары поступают в трубы контактного аппарата 8, заполненные цинк-железным катализатором. Содержание в катализаторе 8-11% железа позволяет достичь максимальную степень конверсии цпклогексакола, равную 82-93%. Процесс протекает при 410 - 420 °С и объемной скорости подачи спирта 0,5 ч^-1.

По выходе из контактного аппарата продукты реакции поступают в конденсатор 11 и далее в сепаратор 12, где конденсат (циклогексанон-сырец) отделяется от водорода. Примерный состав цпклогексанона-сырца (в%):

Циклогексанол 80-81

Продукты уплотнения 1 - 1,1

Циклогексанол 17--18

Циклогексен 0,5-0,6Вода 0,2-0,3

Рисунок 1. Технологическая схема процесса получения циклогексанона дегидрированием циклогексанола:

1 - ротационная газодувка;

2 - насос;

3 - фильтр;

4 - подогреватель;

5, 6 - испарители;

7 - перегреватель;

8 - контактный аппарат;

9 - тонка;

10 - воздуходувка;

11 - конденсатор;

12 - сепаратор.

 

Циклогексанол-сырец подвергают ректификации, а водород после очистки используют для гидрирования фенола в циклогексанол.

Для обогрева контактной системы в нижней части топки 9 сжигают топливный газ (метан). Для поддержания температуры топочного газа, равной 500-550 °С, его смешивают с возвратным топочным газом из борова. Газ, имеющий такую температуру, проходит в межтрубном пространстве контактного аппарата прямотоком к парам циклогексанола, движущимся по трубкам с катализатором. Топочные газы, выходящие из контактного аппарата при 430-480 °С, используются для обогрева испарительно-перегревательной системы (аппараты 5, 6 и 7). Далее часть топочных газов, имеющих температуру 340-300 °С, выпускают в атмосферу, а остальной газ с помощью ротационной газодувки 1 подают на смешение с продуктами сгорания топливного газа в верхнюю часть топки 9.

 

Задание

 

Составить и описать технологическую схему производства гексахлорбензола;

составить материальный баланс процесса;

рассчитать технологические и технико-экономические показатели.

В основу расчета принять следующие реакции:

 

C₆H₆+6Cl→C₆Cl₆+3HCl

C₆H₆+3Cl₂→C₆H₃Cl₃+3HCl

 

Исходные данные

Производительность установки по гексахлорбензолу
Состав реакционной смеси% масс гексахлорбензол трихлорбензол бензол хлор	0.5 1.5
Концентрация бензола,% масс
Концентрация хлора,% масс
Потери бензола,% масс

 

Материальный баланс:

	ПРИХОД	РАСХОД
С6Сl6 C6Н3Сl С6Н6 Cl2 HCl C6H6примесь Cl2примесь	5392.45 1997.25 110.05 105.13	69.13 28.17	31.5 4875+161.77потери 93.75 978.68 110.05 105.13	4.39 0.17 62.5+2.07потери 1.32 26.85
	Σ = 7604.88	Σ = 7605.63

 

Mr (C₆Сl₆) =12*6+35.45*6=284.7 кг/кмоль

Mr (C₆H₃Сl₃) =12*6+1*3+35.45*3=181.35 кг/кмоль

Mr (C₆H₆) =12*6_1*6с= 78 кг/кмоль

Mr ((Cl₂) = 35.45*2 = 70.9 кг/кмоль

Mr (HCl) =1+35.45 = 36.45 кг/кмоль

 

1. Производительность установки = 30 т/сут

 

m (C₆Сl₆) = 30 * 1000/24 = 1250 кг/ч

w (C₆Сl₆) = 1250|284/7 = 4.39 кмоль/ч

 

2. Состав реакционной смеси:

трихлорбензол

 

1250 - 20%

х - 0.5%

х = m (C₆H₃Сl₃) = 1250 * 0.5/20 = 31.25 кг/ч

w (C₆H₃Сl₃) = 31.25/181.35 = 0.17 кмоль/ч

 

не прореагировавший бензол

1250 - 20%

х - 78%

х = m_непр (C₆H₆) = 1250 * 78/20 = 4875 кг/ч

w_непр (C₆H₆) = 4875/78 = 62.5 кмоль/ч

 

не прореагировавший хлор

 

1250 - 20%

х - 0.5%

х = m_непр (Cl₂) = 1250 * 1.5/20 = 93.75 кг/ч

w_непр (Cl₂) = 93.75/70.9 = 1.32 кмоль/ч

 

3. Найдем массу и количество прореагировавшего бензола:

 

w_прор (C₆H₆) = w₁ (C₆H₆) + w₂ (C₆H₆),

 

где w₁ (C₆H₆) - количество бензола пошедшего на целевую реакцию;

w₂ (C₆H₆) - количество бензола пошедшего на образование трихлорбензола.

 

w₁ (C₆H₆) = w (C₆Сl₆) = 4.39 кмоь/ч

w₂ (C₆H₆) = w (C₆H₃Сl₃) = 0.17 кмоль/ч

w_прор (C₆H₆) = 4.39+0.17 = 4.56 кмоль/ч

 

4. Найдем общее количество и массу бензола, с учетом не прореагировавшего:

 

w_общ (C₆H₆) = w_прор (C₆H₆) + w_непрор (C₆H₆) = 67.06 кмоль/ч

m_общ (C₆H₆) = 67.06 * 78 = 5230.68 кг/ч

5. Найдем массу потерь, количество и массу вступившего в реакцию бензола, учитывая потери:

 

5220.68 - 97%

х - 100%

х = m_{всего (}C₆H₆) = 5230.68 * 100/97 = 5392.45 кг/ч

m_{потерь (}C₆H₆) = 5392.45 - 5230.68 = 161.77 кг/ч

w_потерь (C₆H₆) = 161.77/78 = 2.07 кмоль/ч

w_{всего чист} (C₆H₆) = 5392.45/78 = 69.13 кмоль/ч

 

6. Найдем массу примесей бензола:

 

5392.45 - 98%

х - 2%

х = m_{прим (}C₆H₆) = 5392.45 * 2/98 = 110.05 кг/ч

 

7. Найдем количество хлора, прошедшего на обе реакции:

 

w (Cl₂) = w₁ (Cl₂) + w₂ (Cl₂),

 

где w₁ (Cl₂) - количество хлора, пошедшего на образование гексахлорбензола, w₂ (Cl₂) - количество хлора на обр-е трихлорбензола.

 

w₁ (Cl₂) = 6 * w₁ (Cl₂) = 26.34 кмоль/ч,

w₂ (Cl₂) = 3 * w₂ (C₆H₆) = 0.51 кмоль/ч

w_прор (Cl₂) = 26.34 + 0.51 = 26.85 кмоль/ч

 

8. Найдем количество и массу чистого, вступившего в реакцию, учитывая не прореагировавший:

w_{всего чист} (Cl₂) = w_прор (Cl₂) + w_непр (Cl₂) = 26.85 + 1.32 = 28.17 кмоль/ч

m _{всего чист} (Cl₂) = 28.17 * 70.9 = 1997.25 кг/ч

 

9. Найдем массу примесей хлора:

 

1997.5 - 95%, х - 5%

х = m_{прим (}Cl₂) 1997.5 * 5/95 = 105.13 кг/ч

 

10. Найдем количество хлороводорода, полученного в общих реакциях:

 

w (НCl) = w₁ (НCl) + w₂ (НCl),

 

где w₁ (НCl) кол-во НCl полученного в первой реакции; w₂ (НCl) – кол-во НCl полученного во второй реакции.

 

w₁ (НCl) = 6 * w (С₆Cl₆) = 4.39 * 6 = 26.34 кмоль/ч

w₂ (НCl) = 3 * w (C₆H₃Сl₃) = 3 * 0.17 = 0.51 кмоль/ч

w (НCl) = 26.34 + 0.51 = 26.85 кмоль/ч

m (НCl) = 26.85 * 36.45 = 978.68 кг/ч

 

Технологические и технико-экономические показатели процесса

 

Пропускная способность установки: 7604,88 кг/ч

 

Конверсия или степень превращения бензола =M (C₆H₆) подано - M (C₆H₆) непрореагировало / M (C₆H₆) подано * 100%= 5392,45-5036,77 /5392,45 * 100% = 6,5%

 

Теоретические расходные коэффициенты по С₆Н₆:

s^т_С6Н6 = Mr (C₆H₆) / Mr (C₆Cl₆) = 78/284,7 = 0,274 кг/кг;

 

по Cl₂:

 

s^т _Cl2 = Mr (Cl₂) / Mr (C₆Cl₆) = 70,9/ 284,4 = 0,249 кг/кг.

 

Фактические расходные коэффициенты:

 

по С₆Н₆:

 

s^ф_С6Н6 = m (C₆H₆) / m (C₆Cl₆) = 5392,45/1250 = 4,402 т/т;

 

по Cl₂:

 

s^ф_HCl = m (Cl₂) / m (C₆Cl₆) = 1997,25/1250 = 1,682 т/т.

 

Выход на поданное сырье:

Фактический выход C₆Cl₆:

 

Q_Ф = m (C₆Cl₆) = 1250 кг;

 

Теоретический выход C₆Cl₆:

 

Mr (С₆Н₆) ¾ Mr (C₆Cl₆), 78 ¾ 284,7,m (С₆Н₆) ¾ Q_Т; 5392,45 ¾ Q_Т;

Q_Т = (5392,45 * 284,7) / 78 = 19682,44 кг;

 

Выход C₆Сl₆ по бензолу:

 

b_С6Cl6 = Q_Ф / Q_Т * 100% = 1250/19682,44 кг * 100% = 6,35%

5. Теоретический выход C₆Cl_6, рассматриваемый, исходя из кол - ва превращенного С₆Н_6:

 

78 - 284.7

m_превр (С₆Н₆) - Q_т'

Q_т' = (5392.45 - (4875 - 161.77)) * 284.7/78 = 1161.43 кг

 

Выход C₆Cl₆ на превращенный С₆Н_6:

 

β' _C6Н6 = Q_Ф / Q_Т * 100% = 1250/1161.43 *100% = 107,63%

Список литературы

 

1. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Изд.2-е, пер.М., "Химия", 2005, 736 с.

2. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. М.: "Химия", 2008, 846 с.

3. Общая химическая технология / Под ред. А.Г. Амелина. М.: "Химия", 2007, 400 с.

4. Расчеты химико-технологических процессов / Под ред. И.П. Мухленова. Л.: Химия, 2008, 300 с.