УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ БЕНЗОЛА И ПРОПИЛЕНА

Полезная модель относится к химической и нефтехимической промышленности, может быть использована для получения и подачи углеводородной смеси, состоящей из бензола и пропилена, под давлением с заданным составом на установку алкилирования бензола пропиленом для получения кумола, который в свою очередь, используют для совместного получения фенола и ацетона.
Реакция алкилирования ароматических углеводородов олефинами, в частности пропиленом, является важным процессом нефтехимической промышленности, так как позволяет получить алкилароматические углеводороды, в частности изопропилбензол (кумол). Изопропилбензол используют для совместного получения фенола и ацетона.
Фенол применяется в производстве пластических масс и синтетических волокон, неионогенных моющих средств, присадок к маслам и топливам и т.д. Ацетон и фенол служат сырьем при получении дифенилолпропана (бисфенола А), идущего на получение поликарбонатов и эпоксидных полимеров. Ацетон является широко используемым растворителем. Его используют также в производстве химических волокон, в экстракционных процессах.
В последние годы применяют технологию твердофазного алкилирования бензола, основанную на использовании цеолитов, обладающих рядом преимуществ по сравнению с традиционными минеральными и апротонными кислотами Льюиса. В частности, это цеолиты типа Y, Beta, МСМ-22 и морденит (структурные типы FAU, BEA, MWW и MOR соответственно), обладающие стабильной активностью в условиях продолжительной эксплуатации.
Процесс алкилирования бензола пропиленом можно проводить при использовании как жидкого, так и газообразного пропилена, подающегося из баллона или иной емкости дозированно на установку алкилирования.
Вопрос подачи сырья определенного состава на установку алкилирования бензола пропиленом в основном решается за счет дозированной подачи каждого компонента сырья (бензола и пропилена) в реактор. Однако при этом может не происходить полноценного смешения бензола и пропилена, что делает сырье неоднородным и может сказаться на основных показателях процесса, в частности, на селективности.
Известны различные устройства для смешения бензола и пропилена внутри реактора алкилирования.
Известно устройство для смешения бензола и пропилена в трубе, до подачи сырья в реактор (см. статью Герзелиев И.М., Остроумова В.А., Жмылев В.П., Хаджиев С.Н. «Сравнительная оценка цеолитных катализаторов алкилирования бензола» // Журнал прикладной химии. 2018. Т. 91. №6. С. 832). В таких системах не обеспечивается качественное смешение компонентов. Кроме того, мольное соотношение бензола к пропилену в сырье определяется скоростью подачи бензола и пропилена при расчете на массовую скорость подачи бензола на единицу массы катализатора в единицу времени. Причем пропилен подается в газовом состоянии с помощью регулятора расхода, а бензол - с помощью насоса.
Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для смешения бензола и полиалкилбензолов с пропиленом в вихревом смесителе перед подачей на гребенку реактора алкилирования (см., патент РФ 2477717 C1, кл. МПК С07С 15/085, С07С 2/68, опубл. 20.03.2013 г. ). Вихревой смеситель позволяет смешивать и растворять пропилен в бензоле, что позволяет снизить давление и температуру в реакторе алкилирования, что снижает скорость превращения изопропильного радикала в другие радикалы с образованием толуола, этилбензола, ксилолов, бутилбензола и других алкилбензолов, а также реагирование пропилена между собой с образованием алканов. Однако устройство является сложным, кроме того, не обеспечивает возможность регулирования соотношения бензола и пропилена в получаемой смеси в процессе смешения указанных компонентов.
Технической проблемой является отсутствие качественного смешения бензола и пропилена, сырья для процесса алкилирования бензола пропиленом, и как следствие низкий уровень контроля за мольным соотношением смеси, подаваемой на катализатор, что оказывает влияние на показатели процесса. Известные решения основаны на подаче одного компонента в линию подачи другого, что может приводит к плохому смешению и подаче неоднородной смеси на катализатор процесса алкилирования, что в свою очередь приводит к снижению показателей процесса, в частности селективности и конверсии.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение качественного смешения бензола и пропилена, реализуемое более эффективным растворением пропилена в бензоле за счет использования комплекса конструктивных особенностей устройства, включающего средства подачи бензола и пропилена в противотоке, инертную насадку и средства нагрева и охлаждения емкости для смешения, позволяющие создавать определенные условия смешения (температуры и давления). Возможность терморегуляции процесса внутри емкости способствует созданию смеси с необходимым мольным соотношением бензола к пропилену за счет растворения определенного количества пропилена в исходном бензоле. Принципиальное использование противотока способствует эффективному смешению бензола и пропилена, а также увеличивает скорость теплообмена между бензолом, пропиленом, инертной насадкой и теплоносителем, осуществляющим нагрев устройства смешения до заданной температуры.
Технический результат полезной модели достигается при использовании устройства для смешения бензола и пропилена, которое включает вертикально ориентированную металлическую емкость, образованную цилиндрическим корпусом, полусферическими днищем и крышкой. Емкость снабжена внешним кожухом, выполненным с возможностью нагрева и охлаждения емкости с помощью теплоносителя, циркулирующего между внешним кожухом и устройством для регулирования температуры теплоносителя, а также двумя входами, один из которых, предназначенный для подачи бензола, расположен в крышке, второй - для подачи пропилена, расположен в днище, и одним выходом для смеси, также размещенным в днище. Внутри емкости на основании расположена инертная насадка, размещенная в центральной части емкости. Основание представляет собой перфорированную пластину или сетку, закрепленную в корпусе перпендикулярно ее оси. Инертная насадка занимает 60-90% внутреннего объема емкости. Объем части емкости со стороны крышки до инертной насадки может составлять 5-15% внутреннего объема емкости, а со стороны днища - 5-25% внутреннего объема емкости. Емкость с днищем и крышкой выполнена герметичной в процессе смещения компонентов, и представляет собой одну деталь, которая выполнена разъемной для возможности загрузки и выгрузки инертной насадки. При этом разъемной может быть выполнена или крышка, или днище. Для равномерного распределения бензола и пропилена по соответствующим поверхностям насадки в емкости расположены два средства распределения: для бензола, расположенное в емкости со стороны крышки, для пропилена - со стороны днища. На емкости установлен сообщающейся с ней уровнемер поплавкового типа, выполненный в виде трубки, снабженный датчиком уровня. Емкость снабжена датчиком давления, расположенным в крышке, и датчиком температуры, расположенным в емкости с возможностью измерения температуры инертной насадки.
В предлагаемом устройстве в качестве инертной насадки может быть использованы материал, выбранные из следующего ряда: керамика, фарфор и тонколистовой металл, например, нержавеющая сталь [Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вызов. - 10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепеч. с изд. 1973 г. - М.: ООО ТИД «АльянС», 2004. - 753 с. - С. 447, https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/096/357.htm: https://poznayka.org/s76165t1.html].
Элементы насадки могут иметь любую форму, например, в виде шара, цилиндра, колец Рашига, колец Палля и т.д., при этом размер элементов насадки больше размера ячеек основания, на котором расположена инертная насадка. Предпочтительно выполнение средств распределения в виде гребенки, например, струйного оросителя типа «паук» с вертикальным отводом для ввода бензола и пропилена.
Конструктивные особенности распределительных приспособлений типа «паук» известны, известны (см. НДРУ витое копирующее компании ООО Техэнергохим, НРУ копирующего типа компании ООО «ЭнергоМашИнвест», www.eminvest.ru).
Каждое средство имеет четыре коллектора, которые установлены радиально к оси цилиндрического корпуса емкости и с наклоном к горизонтальной плоскости (расположенной перпендикулярно упомянутой оси). На коллекторах перпендикулярно к их оси закреплены распределительные трубки.
Получаемую смесь в емкости подогревают с помощью теплоносителя до необходимой температуры и давления, которые соответствуют заданному соотношению бензола и пропилена, подают на установку алкилирования бензола с заданной скоростью через соответствующее устройство для вывода смеси. Причем в ходе процесса алкилирования бензола заявляемое устройство позволяет точно корректировать соотношение компонентов в сырьевой смеси, не останавливая процесс, за счет регулирования температуры подаваемого теплоносителя.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает качественное смешение бензола и пропилена, и возможность точного регулирования соотношения бензола и пропилена в сырьевой смеси, поступающей на установку алкилирования бензола пропиленом. Кроме того, устройство характеризуется эффективностью и простотой при работе, и может быть интегрировано как в лабораторные, так и в промышленные установки алкилирования бензола.
Заявляемое устройство поясняется схематичным чертежом, где позициями обозначены: 1 - емкость, 2 - устройство для ввода бензола; 3 - устройство для ввода пропилена; 4 - устройство для вывода смеси; 5 - инертная насадка; 6 - основание; 7 - уровнемер поплавкового типа; 8 - поплавок; 9 - датчик уровня; 10 - внешний кожух; 11 - теплоноситель; 12 - устройство для регулирования температуры теплоносителя; 13 - датчик температуры; 14 - датчик давления; 15 - средство распределения бензола; 16 - средство распределения пропилена; 17 - установка алкилирования бензола пропиленом.
Устройство для смешения бензола и пропилена включает емкость (1), устройства для ввода бензола (2) и пропилена (3), а также устройства вывода полученной смеси (4).
Емкость (1) выполнена металлической, непрозрачной, и заполнена инертной насадкой (5). Инертная насадка (5) обеспечивает равномерное распределение бензола, подаваемого с помощью устройства для ввода бензола (2) для его эффективного перемешивания с пропиленом, подаваемым с помощью устройства для ввода пропилена (3), и выполнена из инертного материала, выбранного из следующего ряда: керамика, фарфор и тонколистовой металл, например, нержавеющая сталь.
Инертную насадку (5) засыпают ровным слоем в емкость на приспособление для удерживания инертной насадки - основание (6), которое в одном из вариантов выполнения представляет собой опорную решетку и может быть выполнено фиксированным или съемным. В качестве элементов крепления основания внутри емкости могут быть использованы кольцо, выступы, пазы и др.
Гранулы (элементы) инертной насадки (5) могут иметь различные размер и форму, например, могут быть выполнены в виде шара, цилиндра, колец Рашига, колец Палля и т.д.
Количество загружаемой инертной насадки (5) зависит от размера емкости (1) и, как правило, занимает 60-90% ее внутреннего объема. Причем объем части емкости (1) со стороны крышки емкости до инертной насадки может составлять 5-15% внутреннего объема емкости, а со стороны днища емкости - 5-25% внутреннего объема емкости (1).
Емкость (1) оснащена уровнемером поплавкового типа (7) внутри которого установлен поплавок (8), соединенный с датчиком уровня (9), позволяющим отслеживать уровень смеси бензола и пропилена в емкости (1) и при недостаточном количестве производить дополнительное заполнение емкости (1).
Емкость (1) расположена во внешнем кожухе (10), обогреваемом циркулирующим теплоносителем (11). Температура теплоносителя (11) управляется устройством для регулирования температуры теплоносителя (12). Емкость (1) оборудована датчиком температуры (13) и датчиком давления (14), используемые для уточнения создаваемых условий в емкости (1), соответствующих заданному соотношению бензола и пропилена.
Внутри емкости (1) установлены средства распределения бензола (15) и пропилена (16), соединенные с устройствами для ввода бензола (2) и пропилена (3), соответственно. Средства распределения (15, 16) обеспечивают равномерное распределение бензола и пропилена по соответствующим поверхностям инертной насадки (5). Средства распределения (15, 16) выполнены в виде гребенки и представляют собой струйный ороситель типа «паук» с вертикальным отводом для ввода бензола и пропилена и четырьмя коллекторами. Вертикальный отвод опирается на внутреннюю часть емкости (1). Коллекторы установлены радиально к оси емкости (1) и с наклоном к горизонтальной плоскости. На коллекторах перпендикулярно к их оси закреплены распределительные трубки.
Полученная смесь бензола и пропилена с заданным соотношением с выхода емкости (1) через устройство для вывода смеси (4) подается на установку алкилирования бензола пропиленом (17).
Устройство работает следующим образом.
В емкость (1) на основание (6) засыпают инертную насадку (5) ровным слоем. Бензол и пропилен через устройства для ввода бензола (2) и пропилена (3) подают на соответствующие входы емкости (1), которые соединены со средствами распределения бензола (15) и пропилена (16). Средства распределения (15, 16) обеспечивают равномерное распределение бензола и пропилена по соответствующим поверхностям инертной насадки (5). В емкости (1) с помощью теплоносителя (И), нагреваемого устройством для регулирования температуры теплоносителя (12), во внешнем кожухе (10) создают необходимые температуру и давления, которые отслеживаются по датчику температуры (13) и датчику давления (14). Полученную смесь бензола и пропилена выводят из емкости (1) через устройство для вывода смеси (4) на установку алкилирования бензола пропиленом (17). Причем система позволяет корректировать соотношение бензола к пропилену в смеси, не останавливая процесс алкилирования бензола пропиленом. Уровень смеси бензола и пропилена в емкости (1) определяют по датчику уровня (9) и при недостаточном ее количестве производят дополнительное заполнение емкости (1) с помощью устройства для ввода бензола (2).
Пример 1.
3
В соответствии с заявленной полезной моделью было изготовлено устройство с внутренним объемом емкости 1 л, диаметр емкости составил 80 мм. В качестве основания для загрузки насадки использовали сетку из нержавеющей стали с размером отверстий (ячейки) 0,5 мм, установленную на расстоянии 40 мм от днища емкости. В качестве инертной насадки использовали металлическую проволоку, скрученную в треугольные спирали диаметром 1 мм, из нержавеющей стали. Объем, занимаемый инертной насадкой составил 75% от внутреннего объема емкости, то есть 750 см.
3
В емкости поддерживали температуру 25°С и давление 1,5 бар, при котором достигается мольное соотношение бензола и пропилена 8:1. Полученную смесь подавали на лабораторную проточную установку алкилирования бензола пропиленом со скоростью 20 см/ч. Результаты проведенного процесса алкилирования бензола пропиленом показали конверсию по пропилену - 100 мас. %, выход по кумолу - 79 мас. % и селективность по кумолу - 83 мас. %.
Пример 2.
3
В соответствии с заявленной полезной моделью было изготовлено устройство с внутренним объемом емкости 5 л, диаметр емкости составил 20 см. В качестве основания для загрузки насадки использовали перфорированный лист из нержавеющей стали с размером отверстий (ячеек) 3 мм, установленный на расстоянии 55 мм от днища емкости. В качестве инертной насадки использовали керамические шары диаметром 5 мм. Объем, занимаемый инертной насадкой составил 60% от внутреннего объема емкости, то есть 3000 см.
3
В емкости поддерживали температуру 75°С и давление 2,9 бар, при котором достигается мольное соотношение бензола и пропилена 15:1. Полученную смесь подавали на пилотную проточную установку жидкофазного алкилирования бензола пропиленом со скоростью 200 см/ч. Результаты проведенного процесса алкилирования бензола пропиленом показали конверсию по пропилену - 99 мас. %, выход по кумолу - 90 мас. % и селективность по кумолу - 91 мас. %.
Таким образом, проведенные испытания подтвердили эффективность использования разработанного устройства для смешения бензола и пропилена, взятого в газообразном состоянии, и показали, что по сравнению с прототипом заявляемое устройство повышает качество смешения бензола и пропилена в смеси, не останавливая процесс алкилирования.