Алкілування ізобутану ізобутиленом до ізооктану

Міністерство освіти і науки Російської Федерації

Казанський державний технологічний університет

Бугульминский філія

Общетехнологіческій факультет

Кафедра хімії

Курсовий проект

«Алкілування ізобутану ізобутиленом до изооктана»

Бугульма 2010

Зміст

Введення

1. Загальні відомості

1.1 Фізичні властивості

1.2 Хімічні властивості

2. Основні промислові способи виробництва

3. Застосування

4. Техніка безпеки і екологія

5. Технологічна схема і короткий опис процесу виробництва за завданням проекту

6. Вихідні проектні дані

7. Розрахунки та складання таблиці матеріального балансу

8. Технологічні показники процесу

9. Література

Введення

Изооктан, званий за систематичною номенклатурою 2,2,4-триметилпентана, СН ₃ С (СН _{3) 2} СН ₂ СН (СН ₃₎ СН _3, структурна формула:

СН ₃

СН ₃ - С - СН _2-СН - СН ₃

СН ₃ СН ₃

Изооктан - один з 9 ізомерів октану. Октан відноситься до граничних (метановим) вуглеводнів (алкани, парафіни). У перекладі з латині означає parum мало, а affinus - має спорідненість. Назва вказує на хімічну інертність метанових вуглеводнів.

Граничними насиченими вуглеводнями називають такі з'єднання вуглецю з воднем, у молекулах яких кожен атом вуглецю витрачає на з'єднання з будь-якою сусідньою вуглецевим атомом не більше однієї валентності, причому всі вільні (не витрачені на сусідні з вуглецевими атомами) його валентності насичені воднем. Всі атоми вуглецю знаходяться в sp ³ - гібридному стані.

Изооктан має форму многугольніков, ланцюги закриті і не вільні. Завдяки такій формі він мало піддається детонації. Горить повільно.

Изооктан отримують взаємодією ізобутану з ізобутиленом. Добавка до авіаційних бензинів, що підвищує їх антидетонаційні властивості; еталон при визначенні детонаційної стійкості моторних палив, розчинник.

Октанове число - умовна кількісна характеристика стійкості до детонації моторних палив, що застосовуються в карбюраторних двигунах внутрішнього згоряння. Октанове число чисельно дорівнює процентному (за об'ємом) змісту ізооктану (октанове число якого прийнято за 100) в його суміші з н-гептаном (октанове число дорівнює 0), еквівалентної за детонаційної стійкості випробуваному паливу при стандартних умовах випробування.

1. Загальні відомості

1.1 Фізичні властивості

Фізичні властивості ізооктану, як і інших органічних сполук, визначаються його складом і будовою.

Изооктан - прозора безбарвна рідина, що нагадує за запахом легкий бензин прямої гонки.

Температура кипіння 99,24 ° С. При порівнянні з температурами кипіння інших ізомерів гомологічного ряду вуглеводнів, можна помітити, що ізомери з нормальною ланцюгом вуглеводневих атомів киплять при більш високій температурі, ніж вуглеводні з розгалуженим ланцюгом. Це пояснюється меншим взаємодією між молекулами з розгалуженою ланцюгом у рідкому стані. Відгалуження від головного ланцюга створюють просторові перешкоди для зближення молекул.

Температура плавлення изооктана -107,4 ° С.

Щільність изооктана 0,692

Изооктан має незначну розчинність у воді.

Атоми в молекулах изооктана з'єднані тільки σ-зв'язками.

Відстань між вуглецевими сполуками атомів 0,154 нм.

Тиск пари изооктана про 23,4 ° С - 47,9 мм.

Теплотворна здатність 11450кмоль/кг.

Теплота випаровування 73,5 кал / г (25 ° С).

Теплота згоряння 1305,29 ккал / моль (25 ° С, р-const).

Технічний ізооктан представляє собою легкозаймисту рідину. Область займання технічного изооктана 0,95-6,0% (за об'ємом).

Изооктан має форму многугольніков, ланцюги закриті і не вільні. Завдяки такій формі він мало піддається детонації. Горить повільно.

1.2. Хімічні властивості

Хімічні перетворення ізооктану, як і всіх граничних вуглеводнів, можуть відбуватися або в результаті гомолитического розриву ланцюга вуглецевих атомів, або за рахунок відриву атомів водню з подальшим заміщенням їх іншими атомами або групами. Тому для ізооктану, як і для інших граничних вуглеводнів, характерні реакції розщеплення і заміщення.

Хімічні перетворення ізооктану, такі, як окислення, галогенування, нітрування, сульфування і т.д. не мають практичного значення.

Галогенування (заміщення водневих атомів галогенами);

Окислення (киснем повітря і звичайними окислювачами відбувається тільки при високих температурах з розривом вуглецевого ланцюга й утворенням переважно кислот і діоксиду вуглецю);

Нітрування (атоми водню заміщаються нітрогрупою), відбувається тільки розведеною азотною кислотою при нагріванні за схемою:

RH + HO-NO ₂ → R-NO ₂ + H ₂ O;

Сульфірованіе (заміщення водневих атомів на сульфохлорідную групу). Изооктан, як і інші алкани, легко реагує з «супер-кислотами», наприклад, з сумішшю SdF ₆ і FSO ₃ H, з виділенням водню і утворенням карбонових іонів.

Димляча сірчана кислота із усіма вищими парафинами дає сульфокислоти:

RH + H ₂ SO ₄ → R-SO ₃ H + H ₂ O

При фотохімічному сульфірованіі реакція відбувається при кімнатній температурі.

При нагріванні до 500 - 570 ° С ізооктан утворює головним чином метан і изобутилен з невеликою кількістю етану, етилену, пропілену та водню.

При каталітичному крекінгу ізооктану з сульфідом вольфраму при температурі 400 ° С і тиску 250 атмосфер або з AlCl ₃ та HCl при 20 - 140 ° С. Головним продуктом розпаду є ізобутан з алюмосиликатами. При температурі 500 ° С головні продукти розпаду - метан, бутан, изобутилен і бутилен, а при температурі 550 ° С так само і пропілен.

3. Основні промислові способи виробництва

У промисловості ізооктан отримують гидрогенизацией діізобутілена над нікелевим, мідно-хромовим та іншими каталізаторами. Так само широко застосовується спосіб алкілування ізобутану ізобутиленом.

Реакція протікає досить швидко в присутності каталізаторів при звичайних температурах, без каталізаторів - при високих температурах (близько 500 ^° С). В якості каталізаторів застосовують сірчану і фтористоводнева кислоти.

Алкілування парафінів олефінами є рівноважним екзотермічним процесом, зворотним крекінгу вуглеводнів.

Механізм реакції ускладнений процесами ізомеризації. Вторинний іон карбону, що утворився з н-олефина, менш стабільний, ніж третинний, внаслідок чого відбувається швидкий обмін гідрид-іона з изопарафинов

причому утворюється трет-бутілкатіон взаємодіє далі з вихідним олефінів:

Одержаний іон Карбонія схильний до внутрішньомолекулярним перегрупувань, що супроводжується міграцією водню і метильних груп:

) СН (СН _{3) 2}

-

С (СН _{3) 2} СН ₂ (СН ₃₎

Ці іони Карбонія взаємодіють з ізобутанів, в результаті чого виходять вуглеводні З ₈ Н ₁₈ і тре-бутілкатіон забезпечує протікання іонно-ланцюгового процесу. Склад ізомерів залежить як від стабільності проміжних іонів карбону, так і від швидкості їх обмінної реакції з ізобутанів.

Очевидно, що проміжно утворюються ізооктілкатіони також здатні до реакції з олефііамі:

Так відбувається послідовно-паралельні реакції алкилируют-вання.

У одержуваних алкілату виявлені нижчі і вищі парафіни з числом вуглецевих атомів, не кратним вихідним реагентів. При алкілуванні ізобутану бутиленами алкілат містить 6-10% вуглеводнів С ₅ - С ₇ і 5-10% вуглеводнів З ₉ і вищих. Очевидно, що вони можуть з'явитися тільки в результаті деструктивних процесів, яким сприяє підвищення температури.

Вихідними речовинами при сірчанокислотному алкілуванні изооктана служать ізобутан і бутилен, продуктом є суміш ізооктанов. Реакція екзотермічна, тепловий ефект її становить приблизно 22500 кал / г-мол. Вихід ізооктанов з бутиленов зростає із збільшенням надлишку ізобутану по відношенню до бутиленами в реакційній суміші; одночасно підвищується октанове число продукту і зменшується витрата каталізатора. Реакцію проводять під тиском 2 - 4 атмосфер при температурі близько 0 ° С При цих умовах необхідний час контактування становить близько півгодини.

Пізніше як каталізатора алкілування стали застосовувати безводний рідкий фтористий водень. Оптимальна температура реакції 25-40 °, тиск - до 10 атмосфер. Щоб уникнути полімеризації олефінів та освіти фтористих алкіл, беруть п'яти - семиразовий надлишок ізобутану. Продукт містить близько 65% вуглеводнів, які википають у межах температур кипіння ізооктанов; з них 50% становить 2,2,4-триметилпентана (ізооктан). З перебігом процесу активність каталізатора падає у зв'язку з утворенням фтористих алкіл. Відпрацьований каталізатор регенерують.

Алкілування за відсутності каталізаторів вимагає застосування тисків 200-300 атмосфер.

У результаті алкілування отримують технічно чистий ізооктан з октановим числом 92 - 97.

3. Застосування ізооктану

Розширення виробництва изооктана до великих промислових масштабів пов'язано з необхідністю забезпечення карбюраторних авіаційних двигунів, що працюють за циклом Отто, бензином з високими антидетонаційними властивостями.

У процесі хімічної підготовки пароповітряної суміші (палива і повітря) в двигуні внутрішнього згоряння накопичуються вибухові пероксиди, які можуть детонувати раніше, ніж настане необхідний момент для запалення суміші, тобто раніше, ніж поршень двигуна дійде до потрібного положення. Це викликає псування двигуна (двигун «стукає»). Необхідна для підвищення потужності двигуна збільшення ступеня стиснення пароповітряної суміші в циліндрі двигуна посилює детонацію. Тому від моторного палива потрібно, щоб воно було максимально стійке до детонації.

Найбільш легко детонують вуглеводні з нормальною будовою. Для того щоб порівняти здатність до детонації різних горючих матеріалів, побудували спеціальну шкалу. За нуль в цій шкалі прийнятий н-гептан, за 100 - ізооктан. Якщо досліджуваний паливо детонує так само, як суміш 76% ізооктану та 24% н-гептану, то паливу присвоюють октанове число 76. В даний час в якості палива для легкових автомобілів використовується бензин з октановими числами 72, 76, 93, 95.

4. Техніка безпеки і екологія

1. При роботі з технічним ізооктаном необхідно використовувати індивідуальні засоби захисту відповідно до типових галузевих норм.

2. Необхідна герметизація устаткування, апаратів процесів зливу і наливу з метою виключення потрапляння парів технічного ізооктану в повітряне середовище приміщення.

3. У приміщеннях для зберігання та експлуатації технічного изооктана забороняється поводження з відкритим вогнем; штучне освітлення має бути під вибухопожежобезпеки виконанні.

4. Температура самозаймання технічного изооктана становить 425 ° С, температура спалаху - мінус 9 ° С, температурні межі займання складають: нижня межа - мінус 9 ° С, верхня межа - 24 ° С.

5. Технічний ізооктан представляє собою легкозаймисту рідину. Область займання технічного изооктана 0,95-6,0% (за об'ємом). Гранично допустима концентрація парів технічного ізооктану, що визначається на приладі УГ-2, складає 300 мг/м3, вибухонебезпечна концентрація його пари у суміші з повітрям (за обсягом) становить: нижня межа - 1,0%, верхній - 6,0%.

6. При розливі необхідно зібрати технічний ізооктан в окрему тару, місце розливу протерти сухою ганчіркою, при розливі на відкритому майданчику місце розливу засипати піском з наступним його видаленням. У випадку аварійного розливу изооктана застосовують протигази марок А і БКФ.

7. При роботі з технічним ізооктаном не допускається використання інструментів, що дають при ударах іскру. При загорянні изооктана застосовувати усі засоби пожежогасіння, окрім води.

8. Технічний ізооктан дратує слизові оболонки і шкіру. Необхідними заходами є дотримання правил техніки безпеки при роботі з розчинниками. Приміщення, в якому проводяться роботи з технічним ізооктаном, повинно бути забезпечене припливно-витяжною вентиляцією.

9. При відборі проб, проведенні аналізу та обіг у процесі товаротранспортних та виробничих операцій з технічним ізооктаном необхідно дотримуватися загальних правил техніки безпеки, затверджені Міністерством нафтопереробної і нафтохімічної промисловості, Держтехнаглядом і Президією ЦК профспілки робітників нафтової, хімічної і газової промисловості.

5. Технологічна схема і короткий опис процесу виробництва за завданням проекту

У промисловості алкнлірованіе н-бутиленов (суміш 1 - та 2-ізомерів) з ізобутанів дають алкілат, багатий вуглеводнями З ₈ і часто називається просто ізооктаном. Нерідко в якості сировини беруть бутан-бутілеповую фракцію крекінг-газів, що містить всі необхідні реагенти і очищену від бутадієну.

Реакційна маса являє собою двофазну систему, яку емульгують за допомогою мішалок або живлять насосів. При використанні сірчаної кислоти істотне значення має її концентрація. Кращі результати виходять з 98 - 100%-ної кислотою, але вона поступово розбавляється вологою, присутньої у вихідних реагентах. Мінімально допустимою вважається концентрація 88 - 90%, тому частина кислоти доводиться весь час відводити з системи і додавати свіжу. Витрата сірчаної кислоти становить звичайно 5 - 7 кг на 100 л алкілату. У самому реакторі об'ємне відношення кислоти і вуглеводнів приблизно 1: 1 і навіть доходить до 70% (об.) кислоти. Надмірна каталізатор відокремлюють від вуглеводнів в сепараторі і повертають на реакцію.

Для процесу застосовують апарати двох типів, що розрізняються способом відведення тепла, що виділяється, - за допомогою внутрішнього охолодження рідким аміаком (або пропаном) або за рахунок випаровуванні надлишкового ізобутану. У першому випадку в алкілаторе, забезпеченому потужної мішалкою, є охолоджуючі труби, в яких теплоносій випаровується. Його пари направляють потім на холодильну установку, де вони знову перетворюються в рідину.

Малюнок 1. Технологічна схема алкілування ізобутану ізобутиленом

1 - компресор;

2 - ємність;

3 - конденсатор;

4 - реактор;

5 - дросельні вентилі;

6 - депропанізатор;

7, 9 - сепаратори;

8 - нейтралізатор;

10 - дебутанізатор;

11 - теплообмінники.

Більш ефективний метод теплоотвода за рахунок випаровування надлишкового ізобутану, що полегшує регулювання температури. Один з цікавих типів алкілаторов, що працюють за цим принципом, зображений на малюнку 1 (апарат 4). У ньому реакційний простір розділений перегородками на декілька секцій з мішалками (каскади). Бутилен підводиться окремо в кожну секцію, внаслідок чого концентрація олефина в секціях дуже мала, і це дозволяє придушити побічну реакцію полімеризації.

Сірчана кислота і ізобутан надходять в першу секцію ліворуч, і емульсія перетікає через вертикальні перегородки з однієї секції в іншу. Друга справа секція служить сепаратором, в якому кислота відокремлюється від вуглеводнів і повертається на алкілювання. Через останню перегородку перетікає суміш вуглеводнів, що надходить на подальшу переробку.

Технологічна схема алкілування ізобутану ізобутиленом представлена ​​на малюнку 1. У алкілатор 4 (у першу секцію ліворуч) надходять рідкий ізобутан, оборотна і свіжа сірчана кислота; в кожну секцію подають рідкий изобутилен. За рахунок тепла, що виділяється частину надлишкового ізобутану випаровується; його пари потрапляють в ємність 2, що служить одночасно ресівером і сепаратором. Газ з цієї ємності безупинна забирається компресором 1, стискається до 0,6 МПа і при цьому тиску конденсується у водяному холодильнику 3. У дросельному вентилі 5 знижують тиск до робочого (бл. 0,2 МПа), причому частина ізобутану при дроселюванні випаровується і розділяється в ємності 2. Звідти рідкий ізобутан знову прямує в алкілатор, завершуючи холодильний цикл. При безперервній роботі установки в ізобутанів накопичується пропан, що утворюється в результаті деструкції вуглеводнів і присутній у невеликій кількості у вихідних вуглеводневих фракціях. Тому в ізобутановий холодильний цикл включений депропанізатор - ректифікаційна колона 6. У неї відводять частина циркулюючого ізобутану після холодильника 3, а ізобутан, очищений від пропану, повертають після дроселювання в ємність 2.

Суміш, що виходить з останньої секції алкілатора 4 містить надлишковий ізобутан, октав, изобутилен та інші вуглеводні С ₅ - З ₇ і вищі. Її подають у сепаратор 7 для відділення залишків сірчаної кислоти. Кислоту повертають у алкілатор, але частина її відводять із системи і замість неї подають свіжу. Вуглеводневий шар з сепаратора 7 нейтралізують 10%-ним розчином лугу в апараті 8 і поділяють отриману емульсію в сепараторі 9. Нейтралізований суміш вуглеводнів направляється на отгонку надлишкового ізобутану в ректифікаційної колони 10. Щоб для конденсації ізобутану можна було використовувати дешевий хладоагент - воду, в колоні підтримують тиск бл. 0,6 МПа. У неї ж подають свіжу ізобутановую фракцію. Частина ізобутану повертається на зрошення колони 10, а решту після дроселювання поступає в ємність 2 і звідти знову на реакцію. Таким чином відбувається циркуляція ізобутану. З куба колони 10 відбирають товарний алкілат.

6. Вихідні проектні дані

Алкілування ізобутану ізобутиленом до 2,2,4-триметилпентана (изооктана)

У реакторі алкілування протікає реакція:

Н ₃ С-С (СН ₃₎ = СН ₂ + Н ₃ С-СН (СН _{3)-СН 3} →

→ Н ₃ С-СН (СН _{3)-СН 2-С} (СН _{3) 2} СН ₃ + Q

7. Розрахунки та складання таблиці матеріального балансу.

1) Будуємо діаграму матеріальних потоків

ізобутан ізобутан

изобутилен изобутилен

Сировина пропан пропан

н-бутан н-бутан

Бутен-1 Бутен-1

Бутен-2 Бутен-2

ізооктан

2) Молекулярні маси речовин:

М (ізобутан) = 56;

М (изобутилен) = 58;

М (ізооктан) = 114.

3) Маси речовин в сировині (кг / год)

m (ізобутан) = 100000 * 0,4 = 40000;

m (изобутилен) = 100000 * 0,4 = 40000;

m (пропан) = 100000 * 0,05 = 5000;

m (н-бутан) = 100000 * 0,08 = 8000;

m (Бутен-1) = 100000 * 0,04 = 4000;

m (Бутен-2) = 100000 * 0,03 = 3000.

4) Маса вступив в реакцію ізобутану (кг / год)

40000 * 0,85 = 34000

5) Маса непрореагировавшего ізобутану (кг / год)

40000-34000 = 6000

6) Маса прореагировавшего ізобутилену (кг / год)

34000 - Х

56 - 58

Х = 34000 * 58/56 = 35214,286;

7) Маса поданого ізобутилену (кг / год)

35214,286 * 100/90 = 39126,984

8) Маса непрореагировавшего ізобутилену (кг / год)

39126,984-35214,286 = 3912,698

9) Маса утворився ізооктану (кг / год)

34000 - Х

56 - 114

Х = 34000 * 114/56 = 69214,286

Таблиця матеріального балансу

8. Технологічні показники процесу

1. Вихід ізооктану з даного ізобутану:

β = G _факт / G _теор

G _факт = 69214,286;

G _теор =?

40000 - G _теор

56 - 114

G _теор = 40000 * 114/56 = 81428,571;

β = G _факт / G _теор = 69214,286 / 81428,571 = 0,85 = 85%;

2. Витратні коефіцієта по ізобутану:

До _теор = М (ізобутану) / М (изооктана) = 56/114 = 0,49;

До _теор = М (ізобутану) / М (изооктана) = 40000/69214, 286 = 0,58.

Література

1. Лебедєв М.М. Хімія і технологія основного органічного і нафтохімічного синтезу. Вид. 2-е, пров. М., «Хімія», 2005, 736 с.

2. Юкельсон І.І. Технологія основного органічного синтезу. М.: «Хімія», 2008, 846 с.

3. Загальна хімічна технологія / Под ред. А. Г. Амеліна. М.: «Хімія», 2007, 400 с.

4. Розрахунки хіміко-технологічних процесів / Под ред. І. П. Мухленова. Л.: Хімія, 2009, 300 с.

5. С.І. Вольфкович Загальна хімічна технологія. М.: Державне науково-технічне видавництво хімічної літератури. 2009, 633с.

6. Петров А.А., Балья Х.В., Трощенко А.Т. Органічна хімія: Підручник для вузів. / / За ред. Стадничука М.Д. - 5-е вид .. перераб. і доп. - СПб.: «Іван Федоров», 2002. - 624 с.