Применение комплекса программ CHEMCAD для разработки компьютерной модели технологической схемы хлорирования бензола по Беркману

Авторы: Ф.С. Советин, Т.Н. Гартман, В.Д. Сафонова, О.П. Шумакова, И.И. Тамбовцев (РХТУ им. Д.И. Менделеева).

Опубликовано в журнале Химическая техника №10/2014

Хлорирование ароматических углеводородов – один из важнейших методов синтеза их галогенопроизводных, являющихся важной группой промежуточных продуктов [1]. Хлорбензол является важным органическим растворителем. Кроме того, хлорбензол применяется в органическом синтезе (например, в производстве 1,1,1-трихлор,2,2-ди(п-хлорфенил)этана, так называемого ДДТ), а также в производстве фенола [1, 2].

Непрерывные технологические линии синтеза хлорбензола из бензола являются крупнотоннажными, а также энергои ресурсоемкими, поэтому даже незначительное снижение потребления энергии и ресурсов может обеспечить существенный экономический эффект.

Решение задачи энергои ресурсосбережения указанных технологических линий не представляется возможным без использования современных комплексов программ (так называемых симуляторов химических производств), позволяющих создавать «виртуальные» химико-технологические системы (ХТС) [3–5].

Использованию комплекса программ CHEMCAD для моделирования производств тонкого органического синтеза посвящены работы [6–8]. Математическая модель процесса непрерывного хлорирования бензола по Беркману с использованием интегрального метода расчета ХТС рассмотрена в работе [9]. Моделированию процесса хлорирования бензола до п-дихлорбензола посвящена работа [10]. Однако требуется дополнительно рассмотреть вопрос построения блочной компьютерной модели непрерывной технологической схемы хлорирования бензола по Беркману с применением комплекса программ CHEMCAD.

В данной статье предложено решение задачи разработки блочной компьютерной модели технологической линии непрерывного хлорирования бензола по Беркману с использованием декомпозиционного метода расчета ХТС и комплекса программ CHEMCAD.

Описание технологической схемы процесса непрерывного хлорирования бензола по Беркману

Описание технологической схемы заимствовано из работ [1–2]. Блоксхема блочной компьютерной модели рассматриваемой технологической схемы изображена на рис. 1.

Хлорирование бензола проводят в хлораторе (модуль 1), представляющем собой трубку, заполненную перемешанными стальными и керамическими кольцами. В верхней части аппарата имеется сепарационный объем (модуль 2). Бензол и хлор подают прямотоком снизу в реактор, где протекают следующие основные реакции:

Данные реакции являются каталитическими. Катализатор – FeCl3, который образуется при взаимодействии хлора и железа. Процесс проводится при кипении реакционной массы. Для нормального режима работы в хлораторе должен поддерживаться такой гидродинамический режим, при котором продукты реакции не могли бы возвращаться в зону реакции. В зависимости от требуемого состава реакционной массы в производственных реакторах поддерживают температуру 75…95°С.

Для уменьшения количества образования дихлорбензолов и полихлорбензолов (по отношению к хлорбензолу), хлорирование ведут при 76…83°С. Из реактора непрерывно выводится реакционная масса, содержащая бензол, хлорбензол, дихлорбензолы, полихлорбензолы и хлороводород.

Весь испарившийся и уходящий из хлоратора бензол необходимо улавливать и возвращать в процесс.

Для этого смесь паров из реактора поступает в два последовательно соединенных сепаратора (модули 4, 5).

Сконденсировавшийся бензол собирается в сборнике (модуль 6), откуда подается на хлорирование.

Реакционную массу разделяют на бензол, хлорбензол, дихлорбензолы, а также полихлорбензолы путем непрерывной двухступенчатой ректификации. В первой колонне (модуль 8) отделяют бензол от смеси хлорбензола, дихлорбензолов и полихлорбензолов. Во второй колонне (рис. 1, модуль 9) отделяют хлорбензол от дихлорбензолов и полихлорбензолов.

Описание хода моделирования технологической схемы процесса непрерывного хлорирования бензола по Беркману

Хлоратор моделируется модулем равновесного реактора (модуль 1).

На основе анализа экспериментальных данных о функционировании данной технологической линии установлено, что в реакторе протекают две основные реакции – (1) и (2).

Указаны стехиометрические данные реакций (1) и (2). Степень конверсии базового реагента (бензол) в реакции (1) – 0,31, в реакции (2) – 0,01.

Температура 80°С, давление 0,18 МПа. Сепарационное пространство хлоратора моделируется модулем сепаратора компонентов (модуль 2), при этом заданы: температура 80°С и доли компонентов в паровом потоке (бензол – 0,77, хлороводород –1) – потоке в сепараторы 4, 8.

Результаты расчета хлоратора приведены в табл. 1. В этой же таблице приведено сравнение результатов расчета реактора с экспериментальными данными, заимствованными из работ [1–2].

Сепараторы для отделения хлороводорода от бензола (модули 4, 5) моделируются модулями фазовых сепараторов [11]. Заданы давления и температуры в сепараторах. Для сепаратора 4: температура 5°С, давление 0,1 МПа. Для сепаратора 5: температура –10°С, давление 0,1 МПа.

Колонна выделения бензола из реакционной массы (модуль 8) моделируется модулем строгого расчета ректификации TOWR с использованием алгоритма Inside/Out [12–13].

Число тарелок – 20, № тарелки питания – 12, массовый расход дистиллята – 15 615 кг/ч, паровое число – 3.

Диаметр колонны – 2,9 м. Результаты расчета колонны приведены в табл. 2.

Таблица 1

Сравнение результатов расчетов хлоратора с экспериментальными данными

Колонна выделения хлорбензола от смеси (модуль 9) моделируется модулем строгого расчета ректификации TOWR с использованием алгоритма Inside/Out. Число тарелок – 20, № тарелки питания – 10, массовый расход кубового остатка – 1 842 кг/ч, флегмовое число – 3. Диаметр колонны – 3,66 м. Результаты расчета колонны приведены в табл. 3.

Таблица 2

Результаты расчета колонны выделения бензола из реакционной массы

Таблица 3

Результаты расчета колонны выделения хлорбензола

При расчете технологического узла непрерывного хлорирования бензола по Беркману в целом для обеспечения сходимости рецикла использовался метод простых итераций. Также было использовано методическое обеспечение блочного компьютерного моделирования энергои ресурсоемких ХТС [14].

Для сепараторов 4, 5 проведен анализ влияния температуры и давления на массовую долю бензола в жидких выходных потоках. Также исследовано влияние парового числа на массовую долю бензола в выходном потоке дистиллята для колонны 8. Результаты проведенных анализов приведены на рис. 2–6.

Таким образом, разработана компьютерная модель крупнотоннажной технологической схемы процесса непрерывного хлорирования бензола по Беркману. Эта модель применима, как для оптимизации работы отдельных аппаратов, так и для оптимизации работы ХТС в целом. Посредством разработанной компьютерной модели возможно проведение реконструкции данной технологической линии. Модель пригодна при решении задач ресурсосбережения промышленных производств.

Изучены влияния температуры и давления в каждом сепараторе для разделения парожидкостных смесей на массовую долю бензола в жидком выходном потоке, а также проведен анализ влияния парового числа на содержание бензола в дистилляте для колонны выделения бензола.

Список литературы:

1. Лисицын В.Н. Химия и технология промежуточных продуктов. М: Химия, 1987 г.
2. Орехов В.С., Дьячкова Т.П., Субочева М.Ю., Колмакова М.А.Технология органических полупродуктов. Тамбов: ТГТУ, 2007. Ч. 1.
3. Гартман Т.Н., Советин Ф.С., Лосев В.А. Современный подход к модернизации химических производств на основе применения пакетов моделирующих программ//Химическая техника. №12.
4. Гартман Т.Н., Клушин Д.В. Основы компьютерного моделирования химикотехнологических процессов. М: «Академкнига», 2008.
5. Гартман Т.Н., Советин Ф.С. Аналитический обзор современных пакетов моделирующих программ для компьютерного моделирования химико-технологических систем//Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26. №11 (140).
6. Советин Ф.С. Гартман Т.Н. Применение комплекса программ CHEMCAD для разработки компьютерной модели технологического узла нитрования крупнотоннажного производства нитробензола//Химическая техника. №4. 2012.
7. Щеглова А.А. Реконструкция технологического узла нитрования крупнотоннажного производства нитробензола//Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26. №11 (140). С. 127-132.
8. Мешкова А.А., Советин Ф.С., Гартман Т.Н., Проскуров Е.А., Сафонова В.Д. Разработка компьютерной модели технологического узла получения анилина из нитробензола с применением комплекса программ CHEMCAD//Химическая техника. №7. 2014.
9. Перевалов В.П., Колдобский Г.И. Основы проектирования и оборудование производств тонкого органического синтеза. М. 1997.
10. Алферова Е.А. Селективное хлорирование бензола до парадихлорбензола. Дис…. канд. хим. наук. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2011.
11. Проектирование и расчет аппаратов основного органического и нефтехимического синтеза. Под. ред. Лебедева Н.Н. М.: «Химия», 1995.
12. Голованов М.Л. Разработка энергосберегающей технологии ректификации продуктов каталитического крекинга. Дис. … канд. техн. наук. М.: МГАТХТ (МИТХТ) 2007.
13. Комиссаров Ю.А, Гордеев Л.С, Вент Д.П. Научные основы процессов ректификации. Под ред. Серафимова Л.А. В 2 томах. М.: Химия, 2004.
14. Советин Ф.С. Разработка и применение методического обеспечения блочного компьютерного моделирования энергоресурсоемких химико-технологических систем c применением инструментальных комплексов программ. Дис. … канд. техн.наук. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2011.