Файл: Тюряев И.Я. Теоретические основы получения бутадиена и изопрена методами дегидрирования.pdf

Легкие углеводороды образуются в основном в результате ре­ акций превращения бутадиена, скорость образования углеводородов (С2 + С3) из бутадиена выражается уравнением первого порядка, а

Реакции изомеризации н-С4Н8 с перемещением двойной связи — тоже реакции первого порядка. Для реакции

1-С4Н8 2-транс-С4Нв

В работе [315] указывается, что эти кинетические зависимости достаточно хорошо описывают опытные данные, полученные на укрупненной лабораторной установке проточного типа с секционным реактором (с подводом воздуха в каждую секцию).

Скорость реакций на катализаторе КНФ при окислительном дегидрировании бутилена подробно исследована в работе [339]. Как установлено [18], при оптимальных условиях (температура

ре при окислительном дегидрировании на этом катализаторе дости­ гал 43% при избирательности 84%. Основным побочным процессом является образование С02 (горение С4Н8 и С4Н„); роль остальных побочных реакций незначительна.

Считается [339], что процесс окислительного дегидрирования бутилена на катализаторе КНФ может быть описан следующими суммарными уравнениями:

С4Н8 + 0,5О2 = С4Нв + Н20,

С4Нв + 5,502 = 4С02 + ЗН20,

С4Н„ + 3,502 = 4СО + ЗН20,

С4Нв + 4Н20 = 4СО + 7Н2

Для нахождения уравнений скоростей этих суммарных реакций использовали метод [271 ], кратко описанный в главе IV (на стр. 132). Таким путем получены следующие уравнения скоростей:

г, = M l + M + H . ) Р0,

1 + М + ,

217

Глава IX

ОСНОВЫ РАСЧЕТА РЕАКТОРОВ ДЕГИДРИРОВАНИЯ

Литература, относящаяся к расчету химических реакто­ ров *, обширна; только за 1963—1969 гг. на русском языке было опубликовано десять монографий'[341—351], посвященных этой проблеме; число оригинальных статей по этой проблеме, опублико­ ванных за последние 10 лет, исчисляется тысячами. Широкоизвестны и ранние монографии [352—353].

Такой интерес к теории химических реакторов объясняется, с одной стороны, потребностью в резком сокращении сроков разработ­ ки новых технологических процессов (путем использования лабо­ раторных данных для непосредственного промышленного проекти­ рования), а с другой — успехами в развитии вычислительной тех­ ники.

Разработка приемов математического моделирования химических реакторов (в развитии этих работ в СССР и в пропагандировании новых идей в этой области большая роль принадлежит М. Г. Слинько [345]) и широкое развитие исследований по кинетике реакций промышленно важных процессов создали предпосылки для опти­ мального проектирования химических реакторов. Проектирование реактора для проведения какого-либо химического процесса в со­ временном понимании слагается из выбора оптимальной конструк­ ции, определения оптимальных условий ведения процесса и расчета конструктивных элементов (включая и расчет реакционного объема).

Для оптимального проектирования необходимо прежде всего достаточно полное математическое описание процесса в реакторе выбранного типа, которое в общем случае должно включать следую­ щие системы уравнений: стехиометрии реакций, скоростей основных и побочных реакций, массо- и теплообмена (включая уравнения тепло­ вых и материальных балансов). Система кинетических уравнений должна включать уравнения изменения активности катализатора во времени, а система уравнений массо- и теплообмена — гидроди­ намические характеристики реактора (например, для реактора со взвешенным слоем — перемешивание газа и частиц катализатора, проскок газовых пузырей и др.).

219

Для некоторых промышленно важных крупно-тоннажных хими­ ческих (и нефтехимических) процессов получено достаточно данных для оптимального проектирования соответствующих реакторов; в частности, имеются такие данные для многих процессов дегидриро­ вания.

С другой стороны, для большинства типов реакторов к настояще­ му времени созданы общие методы расчета [341, 343, 344]. Тем не менее, оптимальное проектирование промышленного реактора для какого-либо процесса в большинстве случаев связано с большими трудностями главным образом потому, что не всегда ясно, как извест­ ный общий метод расчета конкретизировать применительно к проек­ тируемому реактору. Это приводит к тому, что для расчета однотип­ ных по конструкции реакторов в разных случаях (в зависимости от процесса) предлагаются различные способы.

Для некоторых типов реакторов (например, реакторов со взве­ шенным слоем катализатора) удовлетворительных методов расчета пока нет.

Основной источник затруднений—недостаточность для расчетов кинетических данных — для многих промышленно важных процес­ сов постепенно устраняется. Во многих исследовательских центрах в нашей стране и за рубежом в последнее десятилетие проведена боль­ шая работа по изучению скоростей реакций, протекающих при полу­ чении тех или иных продуктов крупно-тоннажного производства. В частности, для процессов получения бутадиена и изопрена метода­ ми дегидрирования в большинстве случаев (как это следует из пре­ дыдущих глав) имеется достаточно кинетических данных для мате­ матического описания соответствующего процесса.

Рассмотрим, как можно применить эти данные для расчета того или иного реактора. Остановимся сначала на примерах упрощенных расчетов, а затем на примерах моделирования с применением вычис­ лительных машин.

ОСНОВЫ РАСЧЕТА РЕАКТОРА С ДВИЖУЩИМСЯ ШАРИКОВЫМ КАТАЛИЗАТОРОМ ДЛЯ ДЕГИДРИРОВАНИЯ БУТАНА [354]

Характеристика реактора. Реактор данного типа является адиабатическим: все необходимое для процесса дегидрирования тепло подводится циркулирующим катализатором. Шариковый ка­ тализатор плотным слоем опускается сверху вниз; реагирующие газы подаются в нижнюю часть реактора (под распределительную решетку) и выводятся из его верхней части. Вследствие этого темпе­ ратура в реакторе уменьшается сверху вниз; чем больше скорость циркуляции, тем меньше перепад температуры по высоте реактора, и наоборот.

Цель расчета — определение оптимальных условий и требуемого объема реактора для достижения оптимального выхода, а также рас­ чет избирательности и зауглероженности катализатора.

220