MINISTERUL EDUCAIEI NAIONALEUNIVERSITATEA PETROL GAZE DIN PLOIETIFACULTATEA : TEHNOLOGIA PETROLULUI I PETROCHIMIESPECIALIZAREA: INFORMATICA INDUSTRIALACURSURI DE: ZI

ALCHILARE BENZEN CU PROPILENA LA CUMEN

Conductor :Asistent dr.ing.Elena Fendu

Student:Balan Mihai Cristian

Cuprins:

1. Introducere2. Sinteza sistemului de reacie2.1 Mecanismul de reacie2.2 Date cinetice2.3 Date despre reactorul de alchilare3. Sinteza sistemului de separare3.1 Coloana de depropanare3.2 Coloana de dezbenzenare3.3 Coloana de separare cumen/di-izopropilbenzen4. Simularea funcionrii instalaiei i influen reciclului/reciclurilor5. Alegerea variantei optime6. Concluzii7. Anexe8. Bibliografie

1.Introducere

Izopropil-benzenul (numit i cumen) este una dintre cele mai utilizate materii prime n industria chimic, n special pentru producia de fenol i aceton. Pentru a-l obine se consum 7-8 % din propena prelucrat anual n lume.Cumenul se prezint ca un lichid incolor, inflamabil, care are punctul de fierbere 152C. Este stabil dar poate forma peroxizi dac intr n contact cu aerul.

Structura moleculei de cumenSimularea prezentat n continuare arat cum ar funciona o instalaie de alchilare a benzenului cu propen la cumen de capacitate de 88000 t/an. Cumenul obinut este de puritate 99.65%. Propena cu care este alimentat instalaia conine 10% propan.Procesul prin care se obine cumenul se bazeaz pe reacia de adiie:Benzen + Propen = IPB (cumen), pe lng aceasta mai au loc i reacii secundare discutate mai jos.Procesul funcioneaz n faz lichid, pentru a folosi catalizatori zeolitici. S-a renunat la instalaiile cu faz gaz n anii 90, datorit mbuntirii tehnologiei catalizatorilor i a mbuntirii impactului pe care le aveau asupra mediului.S-a recomandat folosirea unei raii de benzen mare (7:1) fa de propen pentru a asigura o faz lichid la presiunea din reactor (aproximativ 35 bar) la temperatura de reacie (ntre 160-270C ). S-a ncercat i folosirea unei raii mai mici de benzen dar impactul asupra temperaturii reactorului a fost semnificativ, obinndu-se creteri de 15-30% a temperaturii produselor reactorului de alchilare. Aceast cretere ar duce la sporirea reaciilor secundare i o obinere a unei cantiti reduse de cumen.

2. Sinteza sistemului de reactie

2.1. Mecanismul de reacieMecanismul de reacie presupune protonarea sitelor acide de catalizator, obinndu-se izopropilbenzen, di-izopropilbenzen i tri-izopropilbenzen. Orice izomer n-propilbenzen este tratat ca o impuritate nedorit, folosindu-se n acest scop acizi mai tari i catalizatori cu selectiviti mai bune.Reaciile principale considerate pentru acest caz au fost:a. Reacia de alchilare: C3H6+C6H6=C9H12b. Reacia de polialchilare: C3H6+C9H12=C12H18Celelalte reacii (dimerizarea, izomerizarea, transalchilarea) nu se consider avnd un impact mare supra proiectrii instalaiei.Despre catalizatorii folosii n aceste instalaii se poate citi n documentul Alchilarea benzenului cu propena la cumen, capitolul 6.2.2. Pentru a proiecta reactorul s-a folosit programul SIMSCI PRO II v 8.0, i s-a definit un catalizator virtual ideal, n strat fix, cu eficien mare, structura cilindric i dimensiuni 7mm x 2mm. Se ignor uzura i dezactivarea catalizatorului, aceste probleme nefiind obiectivul prezenei lucrri.2.2 Date cinetice Condiiile de funcionare pentru alchilarea benzenului cu propilen sunt: temperaturi ntre 150 i 230 C i presiuni cuprinse ntre 25 i 35 bar. Difuzia porilor afecteaz considerabil viteza de prelucrare, n special la temperaturi mai ridicate.Transferul de mas extern joac un rol minor. Amestecul lor duce la o eficacitate global, care scade de la 75% la 35% n cazul n care temperatura variaz de la 160-220 C. n funcie de elementele de mai sus constanta de reacie aparent poate fi exprimata prin legea Arrhenius:K1=6510exp(-)K2=450exp(-)

2.3 n prima faza vom simula reactorul ca un PFR adiabatic. Considerm un diametru de 1,3 m i o lungime total de 7 m, care asigura conversia propilenei de peste 99,9%. Alimentarea este format din 100 kmol / h propilen la un raport de benzen / propilen molar ntre 4 i 8. Temperatura de intrare variaz ntre 160 i 180 C. Amestecul de reacie poate circula n jos sau n sus. Rezultatele simulrii reactorului sunt prezentate n Tabelul 6.9 i n figura 6.6. Se poate observa cu ct este mai mare excesul de benzen cu att este mai bine selectivitatea. Un exces mai mare de benzen poate limita creterea temperaturii adiabatice de la 100 C la mai puin de 60 C. Alte opiuni sunt posibile, cum ar fi o serie de reactoare cu racitor sau schimbtoare de cldur interne. De exemplu, o serie de dou reactoare adiabatice cu racire ofera o cantitate minim de DIPB prin divizarea propilenei n raport 3:1, dar efectul este mic, cu o cretere a temperaturii excesive in reactor.Molar Flowrates, KG-MOL/HRCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE91.547091.5470

2PROPANE8.36848.3684

3BENZENE1071.20761071.2076

4CUMENE8.3932E-038.3932E-03

5MDIPBN1.9387E-121.9387E-12

Operating ConditionsReactor Flow TypeOpen Pipe

Thermal Specification Type TemperatureTemperature

Duty, M*KJ/HR6.4713

Total Heat of Reaction at 25.00 C, M*KJ/HR-9.0260

Tubes1

Diameter, MM1.32E+03

Length, M4.5000

Total Volume, M36.1582

Residence Time, sec162.62

Maximum Velocity at 4.50 M from Inlet, M/sec0.0298

Pressure Drop From Feed Stream, BAR0.0000

Component Mole Fractions vs. Distance from Inlet

DistanceM1PROPENE5MDIPBN3BENZENE4CUMENE

00.000.078169710.000000000.914677520.00000717

10.450.040822310.000031930.911252660.04045800

20.900.017759560.000083380.909169470.06537371

31.350.006287400.000118080.908142340.07774937

41.800.001768540.000133490.907739500.08262063

52.250.000384720.000138440.907616360.08411192

62.700.000062760.000139620.907587740.08445882

73.150.000007420.000139820.907582820.08451845

83.600.000000610.000139850.907582220.08452579

94.050.000000030.000139850.907582160.08452641

104.500.000000000.000139850.907582160.08452645

Molar Flowrates, KG-MOL/HRCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE2.1847E-062.1847E-06

2PROPANE8.36848.3684

3BENZENE979.8116979.8116

4CUMENE91.253491.2534

5MDIPBN0.15100.1510

3. Sinteza sistemului de separare

Sistemul de separare este alcatuit din 3 coloane si anume: Prima separare (C - 1) este coloana de depropanare. Presiunea este aleas astfel nct s asigure condensarea produsului de sus prin rcire cu aer. n continuare, urmeaz separarea amestecului ternar benzen / IPB / DIPB. Din cauza volumului mare de benzen secvena direct este cea mai buna alegere. Recuperarea benzenului are loc n coloana (C - 2). Dup aceea urmeaz separarea cumen / DIPB n coloana (C - 3), de data aceasta funcioneaz sub vid i este limitat de Temperatura n refierbtor.3.1 Coloana de depropanareO presiune de 12 bari este convenabil pentru (C - 1) deoarece d o temperatura sub 200 i o temperatur de condensor de 34 C. Proiectarea trebuie s previn pierderea de benzen n sus a produsului, care este utilizat ca carburant GPL. Temperatura de alimentare este pastrata optim, prin consumul de tranzacionare utilitarul fierbinte mpotriva recuperare. Urmtoarea configuraie asigura n mare recuperarea propanului cu mai putin de 100 ppm benzen: numar de talere teoretice =16 cu alimentarea pe 5 i o temperatur de 150 C i un reflux de 4300 kg/h.Numrul de talere= 16Coloana este echipat cu condensator i refierbtorPresiunea la care opereaz coloana este de 12 barAlimentarea coloanei se realizeaz pe talerul numrul 5Molar Flowrates, KG-MOL/HRCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE2.1747E-062.1747E-06

2PROPANE8.36848.3684

3BENZENE979.4718979.4718

4CUMENE91.253391.2533

5MDIPBN0.15100.1510

Molar Flowrates, KG-MOL/HRCompNo.ComponentTotalVapor

1PROPENE2.1682E-062.1682E-06

2PROPANE8.35008.3500

3BENZENE8.3509E-048.3509E-04

4CUMENE9.1394E-109.1394E-10

5MDIPBN8.3346E-168.3346E-16

Column SummaryNet Flow Rates

TrayTemperature CPressureBARLiquidVaporFeedProductHeater DutiesM*KJ/HR

KG-MOL/HR

1C34.412.0097.48.4V-1.3856

235.412.0088.9105.8

347.912.0053.697.3

4117.712.0041.661.9

5171.012.001322.950.01079.2L

6176.812.001362.9252.0

7182.712.001407.6292.0

8187.312.001445.0336.7

9190.112.001469.5374.1

10191.612.001483.1398.6

11192.412.001490.0412.2

12192.712.001493.3419.1

13192.912.001494.8422.4

14193.012.001495.3423.9

15193.112.001493.6424.4

16R194.112.00422.71070.9L10.1578

SpecificationsSpecificationNumberParameterTypeTrayNumberComponentNumberSpecificationTypeSpecifiedValueCalculatedValue

1 (Active)Strm S613MOL PPM1.000E+021.000E+02

2 (Active)Unit DEPR1Wt Reflux4.300E+034.300E+03

Mass CompositionsCompNo.ComponentTotalVapor

1PROPENE2.4775E-072.4775E-07

2PROPANE0.99980.9998

3BENZENE1.7713E-041.7713E-04

4CUMENE2.9829E-102.9829E-10

5MDIPBN3.6725E-163.6725E-16

3.2 Coloana de reciculare (C - 2) este caracterizat de un raport mare de distilat/ alimentare. Prin urmare, proiectarea ar trebui s minimizeze activitatea reboilerului. n plus, presiunea trebuie s fie suficient de redus pentru a evita temperature excesiv a reboilerului. Recuperarea mare de benzen n partea de sus este de dorit (peste 99,9%) dar mici cantiti de cumene sunt tolerate. La o prima incercare consideram o coloan de 25 de talere teoretice acionat la presiune atmosferic, cu alimentarea coloanei in talerul din mijloc i un raport de reflux de 0,26.Numrul de talere= 25Coloana este echipat cu condensator i refierbtorPresiunea la care opereaz coloana este de 1.01 barAlimentarea coloanei se realizeaz pe talerul numrul 13Molar Flowrates, KG-MOL/HRCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE6.5068E-096.5068E-09

2PROPANE0.01840.0184

3BENZENE979.4710979.4710

4CUMENE91.253391.2533

5MDIPBN0.15100.1510

Molar Flowrates, KG-MOL/HRCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE6.5068E-096.5068E-09

2PROPANE0.01840.0184

3BENZENE978.9813978.9813

4CUMENE8.3942E-038.3942E-03

5MDIPBN1.9401E-121.9401E-12

Column SummaryNet Flow Rates

TrayTemperature CPressureBARLiquidVaporFeedProductHeater DutiesM*KJ/HR

KG-MOL/HR

1C79.71.01254.5979.0L-37.4480

279.71.01254.51233.6

379.71.01254.51233.6

479.71.01254.51233.5

579.71.01254.41233.5

679.81.01254.21233.4

779.81.01253.81233.2

879.91.01253.21232.8

980.01.01252.11232.2

1080.21.01250.21231.1

1180.61.01247.11229.2

1281.31.01242.31226.1

1382.31.011271.71221.31070.9M

1482.31.011271.71179.8

1582.31.011271.71179.8

1682.31.011271.71179.8

1782.31.011271.71179.8

1882.31.011271.31179.8

1982.31.011268.61179.4

2082.91.011249.51176.7

2187.01.011160.61157.6

22104.91.011022.11068.7

23133.21.011029.0930.2

24147.61.011078.8937.1

25R151.31.01987.091.9L37.2689

SpecificationsSpecificationNumberParameterTypeTrayNumberComponentNumberSpecificationTypeSpecifiedValueCalculatedValue

1 (Active)Strm S1313Mol Ratio9.995E-019.995E-01

2 (Active)Unit SEPB1MOL RRatio2.600E-012.600E-01

Mass Flowrates, Kg/hrCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE2.7381E-072.7381E-07

2PROPANE0.81150.8115

3BENZENE76471.790576471.7905

4CUMENE1.00891.0089

5MDIPBN3.1483E-103.1483E-10

3.3 Coloana (C - 3) pentru distilarea cumenelui funcioneaz sub vid pentru a evita o temperatur inferioar excesiv. Un numr de 30 de talere i un raport de reflux de 1.2 sunt suficiente pentru a asigura o bun puritate cumenului cu mai putin de 99.95 ppm benzen.Numrul de talere= 30Coloana este echipat cu condensator i refierbtorPresiunea la care opereaz coloana este de 0.2 barAlimentarea coloanei se realizeaz pe talerul numrul 14Molar Flowrates, KG-MOL/HRCompNo.ComponentTotalVaporLiquid

1PROPENE0.00000.00000.0000

2PROPANE4.5195E-244.4243E-249.5215E-26

3BENZENE0.48980.35810.1317

4CUMENE91.244923.830567.4144

5MDIPBN0.15100.01180.1392

Molar Flowrates, KG-MOL/HRCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE0.00000.0000

2PROPANE0.00000.0000

3BENZENE0.48980.4898

4CUMENE91.199391.1993

5MDIPBN7.0700E-077.0700E-07

Column SummaryNet Flow Rates

TrayTemperature CPressureBARLiquidVaporFeedProductHeater DutiesM*KJ/HR

KG-MOL/HR

1C97.20.20110.091.7L-8.1171

299.20.21110.2201.7

3100.20.21110.0201.9

4101.10.22109.8201.7

5102.00.23109.5201.5

6102.90.23109.3201.2

7103.80.24109.1201.0

8104.60.25108.9200.8

9105.40.26108.7200.6

10106.20.26108.4200.3

11107.00.27108.2200.1

12107.70.28108.0199.9

13108.50.28107.8199.7

14109.20.29174.9199.591.9M

15110.00.30175.1174.7

16110.70.30175.3174.9

17111.40.31175.5175.1

18112.10.32175.6175.3

19112.80.32175.8175.4

20113.40.33176.0175.6

21114.10.34176.1175.8

22114.70.34176.3175.9

23115.30.35176.4176.1

24116.00.36176.5176.2

25116.60.37176.4176.3

26117.50.37175.7176.2

27119.10.38172.7175.5

28123.30.39164.7172.5

29133.50.39154.6164.5

30R148.50.40154.40.2L6.8980

SpecificationsSpecificationNumberParameterTypeTrayNumberComponentNumberSpecificationTypeSpecifiedValueCalculatedValue

1 (Active)Strm CUME14Mol Ratio9.995E-019.995E-01

2 (Active)Unit T31MOL RRatio1.200E+001.200E+00

Mass Flowrates, Kg/hrCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE0.00000.0000

2PROPANE0.00000.0000

3BENZENE38.258038.2580

4CUMENE10961.633210961.6332

5MDIPBN1.1473E-041.1473E-04

4. Simularea functionarii instalatiei si influenta recirculului

Molar Flowrates, KG-MOL/HR:AlimentareCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE91.547091.5470

2PROPANE8.35008.3500

3BENZENE0.00000.0000

4CUMENE0.00000.0000

5MDIPBN0.00000.0000

Molar Flowrates, KG-MOL/HR:RecirculCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE6.5068E-096.5068E-09

2PROPANE0.01840.0184

3BENZENE978.9813978.9813

4CUMENE8.3942E-038.3942E-03

5MDIPBN1.9401E-121.9401E-12

Stream Physical PropertiesTotalLiquid

Rate, KG/HR10999.891410999.8914

Temperature, C97.2497.24

Pressure, BAR2.0000E-012.0000E-01

Molecular Weight119.9695119.9695

Weight Fraction1.0000

Enthalpy, KJ/KG189.1313189.1313

Cp, KJ/KG-C1.92671.9267

Mass CompositionsCompNo.ComponentTotalLiquid

1PROPENE0.00000.0000

2PROPANE0.00000.0000

3BENZENE3.4780E-033.4780E-03

4CUMENE0.99650.9965

5MDIPBN1.0430E-081.0430E-08

Influenta benzenului: ca iti permite o conversie mare ( 100) si propena este consumata in reactie. Propilena este dizolvat n exces de benzen (mai mult de 5 : 1 raport molar) la o presiune suficient de inalta (35,5 bar), care asigur numai o faz lichid la temperatura de reactie, de obicei ntre 160 i 240 C. Reactorul de alchilare este o coloan incarcata cu calatizator, conceput pentru a asigura finalizarea conversiei propilei. Reactorul efluentul este trimis la seciunea de separare, in acest caz o serie de patru coloane de distilare: recuperarea propanului (GPL), reciclarea benzenului, cumenul produs i separarea PIB. Diagrama de flux de implic dou reciculari: benzenul nereactionat in alchilare, PIB la transalchilare. Minimizarea fluxurilor de reciclare i a consumului de energie n distilare sunt obiectivele cheie de proiectare. avansat.

5. Alegerea variantei optimeMentionezi ca instalatia ta este varianta optima pt ca ai o conversie mare in reactor, puritatea cumenului este mare.

Bibliografie

1.Dimian Alexander C., Baldea Costin Sorin.,- Computer-Aided Case Studies, Chemical Process Design, 2008;2.Simulator.

9