Проектирование цеха по производству стирола

     3.2 Характеристика готовой продукции.

               

     Стирол  соответствует ГОСТ 10003-90 и должен удовлетворять следующим условиям: 

Таблица 3

     Характеристика  готовой продукции  

              

     Выбор катализатора для использования на установке каталитического дегидрирования с периодической регенерацией катализатора необходимо проводить с учетом опыта его эксплуатации.

     Для решения поставленной задачи задачи предложен способ получения катализатора для процесса дегидрирования этилбензола в стирол на основе смеси оксидов металлов, в котором смесь оксидов металлов получают осаждением неорганических компонентов из растворов кислотного травления вермикулитовой руды растворами щелочи с последующей прокалкой полученного осадка при температуре, обеспечивающей получение сложных металлоксидов типа (Fe_x1AL_1-x1)₂O₃ и Mg_1-x2Fe_x2O, где x₁=x₂=0,3-0,4, причем растворы кислотного травления вермикулитовой руды и щелочи берут в количествах, обеспечивающих содержание оксида магния, железа и алюминия в готовом катализаторе, отвечающее их массовому соотношению 12:7:8.

     Ранее были изучены процессы кислотного травления вермикулитовой руды с целью получения пористого сорбента и нанесения на него активных составляющих, в частности пентакарбонила железа для изучения взаимодействия пентакарбонила железа с активированной матрицей вермикулита.

     В результате взаимодействия оставались кислые растворы, которые никак не использовались и требовали утилизации.

     Впервые обнаружено, что выделенный из этих растворов осадок представляет собой смесь оксидов металлов, активных в реакции дегидрирования этилбензола в стирол, и как показывают данные исследования его структуры, по предлагаемому способу получаются сложные металлооксиды типа Fe_x1AL_1-x1)₂O₃ и Mg_1-x2Fe_x2O, где x₁=x₂=0,3-0,4 со структурой шпинели, для образования которых другими методами требуются более высокие затраты энергии и реактивов.

     Для кислотного травления вермикулита  используют, как правило, 10% раствор HCl, в результате чего требуются небольшие  количества щелочи для получения осадка неорганических компонентов, количество которого по массе составляет 50% от исходной вермикулитовой руды.

     Предлагаемый  катализатор готовят методом  осаждения из раствора первой стадии кислотного травления вермикулита 2N раствором NaOH.

     По  достижении значения pH 9,5 образовавшийся осадок тщательно перемешивают в  течение 30 минут и затем отделяют от маточного раствора отжатием на воронке Бюхнера и промывают  репульпацией дистиллированной воды при  комнатной температуре до отрицательной  реакции на ионы хлора в промывных водах.

     Выделенный  промытый осадок формуют в виде небольших  частиц цилиндрической формы диаметром 3 мм и длиной 2-3 мм. Сформованные гранулы  сушат на воздухе в сушильном  шкафу при температуре 120°С и далее  прокаливают в муфельной печи при температуре 650°С в течение 5 часов.

     Катализатор после сушки в сушильном шкафу дополнительно вводят церий (Ce) методом пропитки полученных по примеру 1 гранул из водного раствора хлористого церия (из расчета содержания CeO₂ - 4-5 мас.% в готовом катализаторе) и далее прокаливают в муфельной печи при температуре 750°С в течение 5 часов. Этот образец катализатора обозначен как АМ-К2.

     По  данным элементного анализа катализатор  имеет следующий количественный состав:

     содержание  оксида магния составляет 41,45 мас.%

     оксида  железа - 24,17 мас.%

     оксида  алюминия - 27,63 мас.%

     оксида  церия - 4,76 мас.%

     Таким образом, получают катализатор, в котором  массовое соотношение оксидов магния, железа и алюминия равно 12:7:8.(Fe_0,38Al_0,62)₂O₃и Mg_0,64Fe_0,36О (x₁=0,38 и x₂=0,36).

       При исследовании пористой структуры церийсодержащего образца были получены значения удельной поверхности S_уд=75 м²/г, объема пор V_п=0,37 см³/г.

     Дегидрирование  этилбензола проводят на катализаторах  АМ-К1 и АМ-К2 при температуре 570°С, соотношении H₂O/ЭБ=2, объемных скоростях 1,0; 1,5; 2,0 и атмосферном давлении.

     В качестве катализатора сравнения используется катализатор Styromax Plus фирмы Sued Chemie AG [6].

     Экспериментальные данные приведены в таблице 4. 

Таблица 4

       Экспериментальные данные сравнения катализаторов (570⁰ C) 

 

      Дегидрирование  этилбензола проводят на катализаторах АМ-К1 и АМ-К2 при температуре 610°С, соотношении Н₂О/ЭБ=2, объемных скоростях 1,0; 1,5; 2,0 и атмосферном давлении.

      Экспериментальные данные приведены в таблице 5. 

Таблица 5

     Экспериментальные данные сравнения катализаторов (610⁰ C) 

 

      Как видно из данных таблиц 4 и 5, предлагаемые катализаторы достаточно эффективны в процессе дегидрирования этилбензола. Введение оксида церия в состав катализатора препятствует развитию процессов коксообразования. Количество углерода, отложившегося на катализаторе АМ-К2, на порядок ниже, чем на катализаторе АМ-К1.

      Таким образом, предлагаемый способ получения  катализатора дегидрирования этилбензола  в стирол позволяет получать катализатор  с высокой степенью активности и селективности из дешевого сырья и одновременно утилизировать большие количества жидких отходов, образующихся после кислотного травления вермикулита.

     3.3 Описание технологии производства 

     3.3.1 Описание технологической схемы 

     Этилбензол из хранилища насосом 10 подают в испаритель 2 и перегреватель 3, в которых используется тепло горячих газов, выходящих из реактора. Перед испарителем к этилбензолу добавляют водяной пар, полученный в котле-утилизаторе 1. Из перегревателя 3 смесь направляется в реактор 4 адиабатического типа. Туда же подается дополнительное количество водяного пара, перегретого в печи 9 до 700—750 °С. Температура реакционных газов перед контактированием 600—630 °С.

     Контактный аппарат 4, футерованный огнеупорным кирпичом, не имеет поверхностей теплообмена. На специальной решетке из жаростойкого сплава помещается гранулированный катализатор, через который газы проходят сверху вниз. На катализаторе происходят основная реакция (дегидрирование) и побочные процессы. После потери активности катализатор регенерируется в этом же аппарате - прекращают подачу этилбензола и вытесняют пары углеводородов водяным паром; затем подают воздух для сжигания отложений кокса, водяным паром вытесняют из реактора воздух и начинают подавать в аппарат этилбензол.

     Выходящие из реактора газы имеют температуру 565—580 °С. Во избежание термического разложения углеводородов производится быстрое охлаждение газов до 450 °С («закалка») путем впрыскивания воды на выходе их из контактного аппарата. Дальнейшее использование тепла реакционных газов существенно сказывается на повышении экономичности производства. Поэтому газы пропускают последовательно через перегреватель 3 и испаритель 2 для испарения и нагревания смеси, поступающей в реактор, и через котел-утилизатор 1 для получения водяного пара (его тоже применяют в процессе). Из котла-утилизатора газо-паровая смесь направляется в холодильник 5, охлаждаемый водой. Часть паров, конденсируется, а несконденсировавшийся газ, содержащий пары этилбензола и стирола, охлаждается дополнительно в рассольном холодильнике 6, после чего водород с примешанными к нему низшими углеводородами выводится в линию топливного газа. Конденсат из холодильников 5 и 6 поступает в сепаратор 7 непрерывного действия, где органический слой отстаивается и отделяется от воды. Он стекает в промежуточную емкость 8 и направляется на дальнейшее разделение. В нем содержится около 37% стирола,. 61% этилбензола и 2% смеси бензола, толуола и более тяжелых продуктов.

     Разделение полученной смеси и выделение чистого стирола осложняется близостью температур кипения этилбензола (136°С) и стирола (145°С), а также склонностью стирола к термической полимеризации. Перед ректификацией к смеси добавляют ингибитор полимеризации - гидрохинон, а перегонку ведут в вакууме (остаточное давление 30-50 мм рт. ст.). При этом давлении стирол кипит при 54-65 °С и его полимеризация незначительна. В первой ректификационной колонне (на схеме не показана) отгоняются бензол, толуол и большая часть этилбензола, которые подвергаются дополнительному разделению, причем этилбензол возвращают на дегидрирование. Во второй колонне отгоняют остатки этилбензола вместе с некоторой примесью стирола. Этот погон возвращается в первую колонну. Наконец, на последней стадии перегонки стирол в виде головного погона отделяется от тяжелых остатков и ингибитора (рисунок 1). Ввиду низкой температуры кипения фракций в вакууме каждая колонна имеет не только водяной, но и рассольный конденсатор-дефлегматор. Чистота получаемого стирола 99,8%.