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

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