Проблемы проектирования технологических установок алкилирования бензола

1.4. Проблемы проектирования технологических установок алкилирования бензола

Технология жидкофазного алкилирования бензола олефинами на катализаторах на основе хлорида алюминия характеризуется одностадийностью и непрерывностью. Бензол и олефины или олефин - парафиновая фракция являются дешевым и доступным сырьем. Технология обладает высокой эффективностью и при конверсии олефина до 99% дифференциальная селективность по моноалкилбензолу достигает 91%. Конверсия бензола за один проход – 30-40%. Образующиеся в ходе процесса побочные продукты диалкилбензолы используются для получения целевого продукта за счет совмещения реакции алкuлирования с реакцией переалкилирования. Для обеспечения полного использования бензола используется принцип рециркуляции. Характерной особенностью данной технологии является наличие нескольких рециркуляционных циклов, охватывающих реакторную и разделительные подсистемы. В данном случае они направлены на полное использование исходного сырья - рецикл по бензолу, на использование побочных продуктов для получения целевого моноалкилбензола (принцип полноты использования отходов) - рецикл по диалкилбензолу, на повышение эффективности процесса - рецикл по бензолу, ди- и полиалкилбензолам, обеспечивающий оптимальную структуру каталитического комплекса. Организация этих рециркуляционных потоков становится возможной за счет реализации принципа полноты выделения всех продуктов из реакционной смеси.

Технология обладает невысоким энергопотреблением за счет использования тепла реакции, хотя необходимо отметить, что эта энергия используется недостаточно из-за низкого ее потенциала. Существенным недостатком технологии жидкофазного алкилирования на катализаторах на основе хлорида алюминия является большое потребление воды, которая идет для приготовления щелочных растворов и промывки в скрубберах и превращается в кислотные, щелочные или солевые стоки.

Таким образом, жидкофазное алкилирование ароматических углеводородов позволило решить многие технологические задачи и получить ряд ароматических углеводородов в промышленности. Вместе с тем данная технология имеет ряд недостатков: промышленные катализаторы являются недостаточно стабильными и активными; такие промышленные катализаторы, как АlСl_з, HCl и другие_, вызывают коррозию аппаратуры и плохо регенерируются; протекание вторичных реакций снижает селективность основной реакции, а также требует затрат на очистку основных алкилбензолов и регенерацию вторичных продуктов; образуется большое количество сточных вод, в том числе и кислых, что требует затрат на их очистку.

В связи с этим необходимо искать другие технологические решения. Следует отметить, что ряд недостатков можно избежать, если использовать в качестве катализаторов цеолиты и ионообменники.

2.1. Описание технологии базового процесса алкилирования бензола

Производство изопропилбензолана ОАО «Омский каучук» включает в себя следующие стадии: алкилирование бензола пропиленом; разложение катализаторного комплекса и нейтрализация реакционной массы; нейтрализация абгазов; последовательное выделение готовых и побочных продуктов производится путем ректификации реакционной массы алкилирования (РМА).

Алкилирование бензола пропиленом производится в присутствии катализатора хлористого алюминия (AICI₃) - при мольном соотношении бензола к пропилену в пределах 1:0,3-0,33 или при весовом соотношении 6:1.

Первой стадией процесса является присоединение олефина к хлористому алюминию в присутствии хлористого водорода:

2AICI₃ + HCI + C₃H₆ → AI₂CI₆ × C₃H₇CI

Затем присоединяется бензол и образуется тройной комплекс:

AI₂Cl₆ × C₃H₇Cl + C₆H₆ → Al₂Cl₆ × C₆H₅ × C₃H₇ × HCl

После образования тройного комплекса реакция протекает по следующей схеме:

а) присоединяется олефин к комплексу:

Al₂Cl₆ × C₆H₅ × C₃H₇ × HCl + C₃H₆ → Al₂Cl₆ × C₆H₄(C₃H₇)₂ × HCl

б) реакция обмена между комплексом и исходным углеводородом (бензолом) c образованием алкилбензола:

Al₂Cl₆ × C₆H₄(C₃H₇)₂ × HCl + C₆H₆ → Al₂Cl₆ × C₆H₅ × C₃H₇ × HCl + C₆H₅C₃H₇

Все эти комплексы находятся в состоянии подвижного равновесия, т.е. алкильные радикалы непрерывно переходят из одного комплексного соединения в другое.

Хлористый алюминий может образовывать тройные комплексы не только с одним, но и с двумя, тремя и так далее алкильными радикалами:

Al₂Cl₆ × C₆H₄(C₃H₇)₂ × HCl

Al₂Cl₆ × C₆H₃(C₃H₇)₃ × HCl

В результате присоединения олефина образуются комплексы с еще большим числом алкильных радикалов, которые при обменной реакции с исходным углеводородом (бензолом) дают полиалкилбензолы:

Al₂Cl₆ × C₆H₃(C₃H₇)₃ × HCl + C₆H₆ → Al₂Cl₆ × C₆H₅C₃H₇ × HCl + C₆H₄(C₃H₇)₂

Комплексы могут вступать в обменную реакцию не только с бензолом, но и с продуктами реакции, например, с диалкилбензолами, тогда происходит процесс деалкилирования:

Al₂Cl₆ × C₆H₅C₃H₇ × HCl + C₆H₄(C₃H₇)₂ → Al₂Cl₆ × C₆H₄(C₃H₇)₂ × HCl + C₆H₅C₃H₇

Чем больше концентрация алкильных радикалов в среде, окружающей комплекс, тем больше алкильных радикалов будет содержаться в комплексных соединениях хлористого алюминия и тем больше будет образовываться полиалкилбензолов. Следовательно, с увеличением отношения поглощенного олефина к бензолу реакция идет в сторону образования полиалкилбензолов.

Таким образом, в результате протекающих реакций образуется ИПБ и вся гамма алкилбензолов и в то же время меняется углеводородная часть комплекса.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока не установится совершенно определенный состав продуктов реакции, который обуславливается только отношением алкильных радикалов к бензольным ядрам в реакционной смеси и не зависит от состава исходного сырья.

Реакция алкилирования бензола пропиленом осуществляется в алкилаторе при температуре не более 130 ⁰С и давлении не более 0,4 МПа.

Тепловой эффект реакции алкилирования равен 621 ккал/кг поглощенного пропилена.

Разложение катализаторного комплекса и нейтрализация реакционной массы. Получение алюмохлорида происходит на 1-й системе разложения по следующему уравнению:

AlCl₃ + H₂O → AlCl_3-n(OH)_n × nHCl,

где: n = 1, 2, 3

Разложение катализаторного комплекса на 2-ой системе разложения производится водой и протекает по уравнению:

Al₂Cl₆ х C₆H₅C₃H₇ х HCl + 6H₂O → C₆H₅C₃H₇ + 2Al(OH)₃ + 7HCl

Нейтрализация реакционной массы производится щелочью и протекает по уравнению:

HCl + NаOH → NаCl + H₂O

Отмывка реакционной массы от фенолов производится щелочью и протекает по уравнению:

C₆H₅OH + NаOH → C₆H₅ONа + H₂O

Нейтрализация абгазов производится щелочной водой и протекает по уравнению:

HCl + NаOH → H₂O + NаCl

Последовательное выделение готовых и побочных продуктов производится путем ректификации реакционной массы алкилирования (РМА).Данная стадия происходит в цехе И – 15, где последовательно осуществляется азеотропная осушка бензола и ректификация РМА.