книги из ГПНТБ / Тюряев И.Я. Теоретические основы получения бутадиена и изопрена методами дегидрирования

акторами под секционирующими решетками наблюдалось образова­ ние зон с незначительной концентрацией твердых частиц (разре­ женных зон). Образование таких зон приводит к уменьшению обще­ го количества катализатора в реакторе, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации соответствующих установок (см. рис. 51).

Скорость газа ѵй, при которой под решетками появляется раз­ реженная зона, зависит от свойств частиц, но не совпадает с крити­ ческой скоростью шкр образования взвешенного слоя. Анализ полу­ ченных данных позволяет предположить, что скорость ѵ0 = шкр/Ф, где Ф — фактор формы частиц, равный для катализатора К-5 0,65, для песка — 0,92, для диатомового кирпича — 0,58. Имеются осно­ вания предполагать, что высота разреженной зоны

W

Лр.З “ / і (^P* ^ І1 ф > Рг> Ртв» ^cp» d 0 l D , g ) , .

где /гр — расстояние между решетками (высота секции), см; ци( — ли­ нейная скорость газа в аппарате, см/сек; рг — плотность газа, г/см3;

Анализом экспериментальных данных по изучению функцио­ нальной зависимости величины Яр.3/Яр показано 1361], что она за­ висит от следующих безразмерных величин: •

Найдено, что х = 0,5; у = —0,5; z = Ѵ3. Полученные данные в координатах

шкр

___-___ ( Рг у/.

ЛР V & i p f \ Ртв /

представлены на рис. 59. Все опытные точки хорошо укладываются на прямую, выражаемую уравнением

Данное уравнение справедливо для всех секций, кроме нижней, для которой величина h p J h p во всех случаях составляет 0,7 вели­ чины, рассчитанной по уравнению (IX,27). Это объясняется разли­ чием гидродинамических условий (отсутствие циркуляции катали­ затора через нижнюю распределительную решетку).

236

Прочие гидродинамические характеристики. При проекти­ ровании реактора со взвешенным слоем кроме указанных величин нужно знать следующие: сопротивление слоя катализатора и сек­ ционирующих решеток, расширение взвешенного слоя (т. е. увели­ чение его высоты при переходе от неподвижного во взвешенное со­ стояние) и скорость уноса катализатора. Установлено, что сопро-

Рис. 59. Высота разреженной зоны под ситчатой ре­

тивление провальных решеток ничтожно и в расчетах его можно не учитывать. Остальные величины рассчитывают по известным урав­ нениям, приведенным, например, в работах [214, 215, 349].

Расчет реактора со взвешенным слоем. Для расчета этого типа реактора можно использовать описанный выше графоаналитический метод.

И с х о д н ы е д а н н ы е . Примем, что оптимальные выходы

вреакторе со взвешенным слоем должны приближаться к выходам

вреакторе с движущимся слоем шарикового катализатора. Темпера­ тура катализатора (с учетом требования его термической устойчивос­ ти) не должна превышать 640° С. Остальные величины можно рас­

Р а с ч е т о д н о с л о й н о г о р е а к т о р а с о в з в е ­ ш е н н ы м с л о е м . Упрощенно расчет заключается в следую­ щем. На основании заданного размера частиц катализатора и вы­ бранной линейной скорости газа в реакторе по уравнению (IX ,10) находится величина ср и далее по уравнению (IX,9) строятся изотер­ мы, как указано выше. Поскольку за счет перемешивания темпера­ тура в одном слое является практически постоянной, искомый объем

237

катализатора (величина W/F) находят графически по площади, огра­ ниченной соответствующей изотермой.

Если принять dcp = 70—80 мкм, линейную скорость до,- = = 0,25 м/сек, то ф = 0,28. Графическим интегрированием для этого случая получены следующие значения W/F (для катализатора мак­ симальной активности, т. е. свежего и полностью подготовленного):

более сложна по сравнению с предыдущей. Прежде всего нужно най­ ти оптимальное распределение катализатора по слоям (или опти­ мальное соотношение конверсий по слоям).

Анализом решения системы уравнений найдено, что при неболь­ шом числе слоев (до четырех) общий объем катализатора минимален при равенстве конверсий по слоям и при постоянно увеличивающемся количестве катализатора в каждом из слоев, начиная с нижнего.

отношениях конверсий по слоям получены результаты, представ­ ленные в табл. 77.

Т а б л и ц а 77 Распределение катализатора по слоям для трехслойного реактора

Однако по мере увеличения количества слоев различие в суммар­

со случаем, когда (W/FД = (W/F)2 — •• •= (W/F)n. Поскольку по­ следний случай более удобен в конструктивном отношении, ему следует отдать предпочтение.

Далее следует обосновать выбор числа слоев и величину эффек­ тивности (т. е. конструкцию) решетки. Результаты некоторых рас­ четов (для конечной конверсии Х к = 0,5) представлены на рис. 60. Из этих расчетов вытекает, что секционирование приводит к умень­ шению требуемого количества катализатора (при постоянной кон-

238

версии бутана за проход); увеличение эффективности решеток и цир­ куляции катализатора тоже приводит к уменьшению его общего ко­ личества; использование решеток с г) <С 0,2 малоэффективно. Анало­ гичными расчетами можно показать, что для достижения Х„ = 0,5 оптимальная циркуляция катализатора находится в интервале 12— 18 кгікг бутана. Точная величина для каждого случая определяется экономическими расчетами. Важно подчеокнуть, что в отношении

самого процесса большая циркуляция катализатора менее желатель­ на, так как в реактор вносится большее количество кислорода. Это снижает общую активность катализатора (за счет отравления его об­ разующейся водой).

Расчет реактора для случая, когда конверсии по слоям равны, возможен и без применения вычислительных машин. Нужно предва­ рительно задаться температурами катализатора и бутана на входе в реактор, конечной величиной конверсии бутана,эффективностью решеток и циркуляцией катализатора; выбор трех последних вели­ чин подтверждается последующими технико-экономическими рас­ четами. Принимая, что оптимальное число слоев равно десяти (см. главу IV), составляют уравнения тепловых балансов. Решением системы уравнений (IX,11) находят температуры в каждом из слоев

чиной G задаемся, то число уравнений сокращается до п — 1.

Для упрощения решения полученной системы уравнений введем

239

С учетом этого система уравнений запишется так:

ЩУі — № + а (1 — 1і)] У2 = с >

аул — [b + a{ 1 — п)] Уз = с .

Эту систему уравнений можно решить с помощью определителей. Далее графическим интегрированием уравнения (IX,9) определя­ ется объем каждого слоя, а суммированием полученных объемов — общий объем катализатора в реакторе.

Для расчета реактора с одинаковыми объемами катализатора в каждом из слоев можно в первом приближении принять, что (как это было показано выше) найденный общий объем катализатора при равенстве конверсий по слоям будет таким же, как и при равенстве слоев. Тогда

(W/F), = (W/F)2 = ... = (W/F)n = * £

где величина W/F (общее количество катализатора) определяется способом, изложенным выше. Расчет реактора можно выполнить ме­ тодом последовательных приближений. Задаваясь температурой по слоям, по известной величине (WIF) определяют ДХ(-, сумма кото­ рых должна равняться заданной конверсии. Этот метод весьма тру­ доемкий. Задача быстрее и точнее решается с помощью электронных цифровых вычислительных машин.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА РЕГЕНЕРАТОРА СО ВЗВЕШЕННЫМ СЛОЕМ КАТАЛИЗАТОРА [280]

Характеристика аппарата. Регенератор для регенерации ка­ тализатора дегидрирования бутана по своей характеристике прин­ ципиально не отличается от реактора со взвешенным слоем. Промыш­ ленные регенераторы разделены на две зоны; каждая из них секцио­ нирована решетками провального типа. Верхняя часть регенератора служит для выжигания углистых отложений и нагревания катализа­ тора, нижняя часть — для окисления катализатора и десорбции воды (прокалка катализатора) [287].

Математическое описание процесса. Процесс регенерации ката­ лизатора описывается также четырьмя группами уравнений [280].

240

С т е х и о м е т р и ч е с к и е у р а в н е н и я р е а к ц и й . В регенераторе протекают следующие реакции: горение топлива (стехиометрия этого процесса определяется составом топлива) и

где т — время выгорания «угля», сек\ Сн, Ск — начальная и конеч­ ная концентрация «угля» на катализаторе, вес.%; РогН,Р — на­ чальное парциальное давление кислорода и общее давление в реге­ нераторе, шпм\ Gц — циркуляция катализатора, кг!сек\ F — пода­ ча газа, м3/сек (при нормальных условиях).

2. Уравнение скорости окисления одного из образцов алюмохромового катализатора:

где С — количество Сг03 (вес.%), образующегося за время т (мин) пребывания катализатора в регенераторе (идеального вытеснения);

Скорость десорбции воды (прокалки катализатора) для аппарата идеального вытеснения рассчитывается по уравнению

(іqlq0 — количество десорбированной воды в долях от начального со­ держания (/ц)..

Температурный коэффициент А ± определяется из уравнений

Начальное содержание воды, г/кг катализатора

Кроме того, сюда же относится уравнение для определения среднего времени пребывания частиц катализатора в секционированном ап­ парате, эквивалентного времени пребывания в однослойном аппара­ те идеального смешения:

слойного аппарата идеального смешения; п — число слоев в аппарате; т] — эффективность решеток по перемешиванию катализатора, опре­ деляемая по уравнениям (IX ,13) и (IX,26). ■

У р а в н е н и я т е п л о в ы х б а л а н с о в . Для регене­ ратора можно составить такую же систему уравнений, как и для реактора, с той лишь разницей, что в этих уравнениях необходимо учитывать тепловые эффекты трех реакций: горения топлива, горе­

генератора будем считать такой, при котором за минимальное время пребывания в аппарате катализатор нагревается до требуемой тем­ пературы, «уголь» выгорает до содержания менее 0,02—0,03 вес. %, количество Сг03 увеличивается до 0,7—0,75вес.%, а содержание воды не превышает 0,1 г/кг катализатора.

Расчет регенератора. Объем регенератора определяется по вре­ мени пребывания в нем катализатора, необходимого для нагревания, выгорания «угля», окисления и десорбции воды. Исходя из суммар­ ного времени пребывания и величины циркуляции катализатора, которая определяется при расчете реактора, легко находитсятребуемый объем регенератора.

242

дачи во взвешенном слое равен 5 ккалім2 ■ч • град, то расчетом можно показать, что для условий, близких к промышленным, про­ должительность нагревания мелкозернистого катализатора от 400 до 650° С во взвешенном слое не больше 0,5 мин. Следовательно, уже в первом по ходу катализатора слое нагревание его завершается, а потому можно считать, что по всей высоте верхней зоны регенера­ тора температура постоянна.

В р е м я в ы г о р а н и я « у г л я » рассчитывают по уравне­ ниям (IX,28) и (IX,33). Эффективность решеток по перемешиванию частиц катализатора находят по уравнениям (IX,13) и (IX,26), а число решеток определяют из конструктивных и экономических соображе­ ний. В верхней зоне достаточно иметь три четыре решетки. Определим время выгорания углистых отложений при регенерации катализато­ ра во взвешенном слое при следующих условиях: циркуляция

Таким образом, длительность выгорания «угля» намного боль­ ше длительности нагревания катализатора, а потому объем верхней

уравнениям (IX,29) и (IX,30). Следует отметить, что по уравнению (IX,30) определяется время окисления в аппарате идеального вы­ теснения твыт. Пересчет необходимого времени пребывания катали­ затора в секционном регенераторе производится по уравнению

Расчетами по этим уравнениям найдено, что длительность окис­ ления катализатора при температуре 600—650° С в аппарате иде­ ального вытеснения составляет 4—5 мин, а в регенераторе со взве­

(IX,32) и (IX,33). Приведем результаты одного расчета. Катализатор поступает в регенератор с температурой 400° С и нагревается до 650° С, время его пребывания в верхней зоне на основании предыду­ щего расчета составляет 10 мин\ нижняя зона имеет пять слоев (четы­ ре решетки сг) =0,4), длительность пребывания катализатора в ниж­ ней зоне для снижения содержания воды до 0,1 г!кг по расчету долж­ на составлять 34 мин. Если время пребывания в нижней зоне сокра­

тить до 20 мин, содержание воды в катализаторе повысится до 0,12 г/кг, что приведет к уменьшению выхода бутилена примерно на 5 отн. %. Таким образом, время пребывания катализатора в нижней зоне определяется временем десорбции воды.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА РЕАКТОРА ДЛЯ ДЕГИДРИРОВАНИЯ БУТИЛЕНА [354, 362]

Характеристика реактора. Реактор для дегидрирования бу­

244

а для любого времени т в цикле константа скорости определяется по формулам, приведенным в табл. 39 [354].

Температурная зависимость константы равновесия дегидриро­ вания бутилена выражается уравнением [45]

Скорость превращения бутадиена [354] описывается уравнением

Изменение константы скорости kKсо временем выражается зави­ симостью

Так же, как и в случае дегидрирования бутана, избирательность процесса дегидрирования бутилена у = - —х к , коэффициент уве­

личения объема газа а = 1 + 1,5Х, коэффициент избытка водорода можно принять приближенно постоянным, ß = 1,7.

Реакции (г) и (д) не имеют существенного значения и при расче­ те состава продуктов дегидрирования бутилена их можно не учиты­ вать.

У р а в н е н и е т е п л о в о г о б а л а н с а [3621 перед сло­ ем катализатора (т. е. теплового баланса смешения исходных реа­ гентов):

СРС4н / нС4Н„ "Ь ^ Н . с Л і - ^ О = 0 + ^ CPCJ»CM'

где ср с соответствующими индексами — теплоемкости соответст­ вующих веществ, ккал/кг-моль ■град; Срсм — теплоемкость реак­ ционной смеси; t с индексами — температура, °С; К — разбавле­

245