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

ние бутилена водяным паром (отношение Н20 : С4Н8, моль/моль). Уравнение адиабаты (снижение температуры в слое) запишется

в виде

где At — максимальное уменьшение температуры парогазовой сме­ си при данной величине І, соответствующее изменению степени пре­ вращения от X = 0 до X —■1 в адиабатических условиях. Для мно­ гослойных реакторов с позонным подводом пара аналогичные урав­ нения составляются для каждого слоя.

Оптимальные условия; За оптимальный режим можно принять такой, при котором достигается максимальная конверсия при изби­ рательности не ниже 85 об.% с минимальным количеством катали­ затора и разбавлением не более 12. Для реакторов с неподвижным катализатором оптимальными являются многослойные реакторы с возрастающим по ходу реакции разбавлением бутилена водяным паром. В этом случае в дополнение к вышеперечисленным уравне­ ниям вводятся еще два: уравнение зависимости оптимального раз­ бавления от глубины дегидрирования X

слоя катализатора в реакторе. Независимой переменной, т. е. ве­ личиной, определяющей технологические.параметры и объем ката­ лизатора в каждом из слоев, является глубина превращения в пер­

третьем слоях; Х х — глубина превращения бутилена в первом слое; Хк> Як, tK — конечные (после третьего слоя) глубина превращения, разбавление и температура соответственно.

Расчет реактора. Совокупность уравнений, описывающих про­ цесс дегидрирования бутилена, нельзя решить без применения элект­ ронных цифровых машин.

Упрощенный графоаналитический расчет заключается в следую­ щем [362]. В качестве основного кинетического уравнения исполь­ зуется уравнение (IX,36); протекание побочных реакций учитыва­ ется введением в это уравнение коэффициентов увеличения объема газа а, избытка водорода ß = Р н ^ с ,^ и избирательности у.

Выразив парциальные давления реагентов через глубину пре­ вращения бутилена X и коэффициенты, учитывающие протекание побочных реакций, и подставив их в уравнение (IX,36), получим

246

Это уравнение выражает наблюдаемую скорость образования бу­ тадиена, а потому константы скорости дегидрирования бутилена, определяемые по уравнению (IX,37), здесь использовать нельзя.

По экспериментальным данным, полученным на промышленном катализаторе (см. главу IV), графическим интегрированием уравне­ ния (IX,36а) найдены значения констант скорости образования бутадиена, приведенные в табл. 78. Эти значения констант получены для катализатора с размером частиц 1 мм при максимальной его активности в цикле. В дальнейших расчетах будем пользоваться величинами констант, приведенными в табл. 78.

Следует отметить, что, согласно [255], скорость дегидрирования бутилена в промышленном реакторе на рассматриваемом катализа­ торе не тормозится внешней диффузией. Степень использования внутренней поверхности катализатора для реакции дегидрирования бутилена оценивается величиной 0,85; для крекинга бутадиена и ре­ акции водяного пара она практически равна единице.

К о л и ч е с т в о к а т а л и з а т о р а . Для расчета количе­ ства катализатора в любом из слоев реактора необходимы кроме уравнений зависимости констант скоростей и констант равновесия от температуры, а также уравнений для определения равновесной сте­ пени превращения Хр и величин а, ß и у следующие уравнения.

1.Уравнение изотермы

2.Уравнения теплового баланса (для расчета начальных темпе­ ратур). Обозначим: Х ъ Х г, ..., Х п — глубина превращения (кон­

версия) в соответствующем слое, мольные доли; ttH, UK— начальные

и конечные температуры паро-газовой смеси в г-м слое, °С; ср — соответствующие средние молярные теплоемкости; \ — разбавле­ ние бутилена водяным паром в і-м слое (молъ!моль); А/ — перепад температуры в слое, соответствующий полному превращению 1 моль бутилена в адиабатических условиях при разбавлении к\ F — подача бутилена, кг-моль/ч; W —количество катализатора, кг.

Примем, что Хін = 0. Тогда уравнения теплового баланса на

входе в слой катализатора можно записать в виде: для первого слоя —

для второго —

для последнего —

Т а б л и ц а 78

Константы скорости образования бутадиена при дегидрировании бутилена на катализаторе К-16 по уравнению (IX, 36а) [354)

3. Уравнение изменения температуры в слое, ет.. уравнение адиабаты, имеет вид

4. Четвертое уравнение определяется условием минимума об­ щего количества катализатора:

На основании лабораторных и заводских данных примем, что глубина конверсии должна быть больше 0,8 равновесного превра­ щения в данных условиях. С учетом протекания побочных реакций равновесная глубина дегидрирования

Определим число независимых переменных для /г-слойного реак­ тора:

а величина tu задается исходя из максимально допустимой темпера­ туры перегрева, значение Хп определяется технико-экономическими расчетами и начальные температуры fHcM задаются исходя из мак­

симально допустимых, а температура на выходе из последнего слоя выражается через уравнения адиабат, то число независимых пере­ менных

(6л + 1) — (2л + 3) = 4л — 2.

Поскольку для каждого слоя можно составить три уравнения, то общее число уравнений равно 3л. Тогда для двухслойного реак­ тора (л = 2) число степеней свободы г = 4 • 2 — 2 — 3 - 2 = 0; для трехслойного — 2 = 1 , для л-слойного 2 = 2. Примем за иско­ мую переменную для трехслойного реактора величину конверсии после первого слоя Х к и определим ее из условия минимума общего объема катализатора:

dX,

2 4 9