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

при

Х і к — const, А,к = const, tK= const.

Для четырехслойного реактора за искомые переменные примем Х1в и Х2к, которые находят

из уравнений:

по соответствующей адиабате. Полученная зависимость глубины превращения от разбавления представлена на рис. 65. Количество катализатора находится графическим интегрированием.

Расчет режима двухслойного реактора проводится в таком же порядке. Диаграмма X — t для этого реактора при различных X показана на рис. 66, а.

Расчет режима трехслойного реактора. Как и ранее, принимаем, что конечная глубина превращения Хзк = 0,8ХР. Далее принимаем,

что разбавление в третьем слое Я3 = 12. При этих условиях для оптимального режима Хзк = 0,336, а (зк = 585° С. Поскольку ко­ нечное разбавление Х3, конечная глубина превращения Х3к, началь­ ная температура перед третьим слоем (за = 600° С и конечная тем­

251

пература h Kзаданы, то конечная глубина превращения во втором

слое однозначно определяется из условия теплового баланса третье­ го слоя. Разбавление перед первым слоем А^ и начальная температура

= 600° С и А3 = 12 одно­ значно определяются из уравнений общего теплово­ го баланса реактора и теп­ лового баланса перед пер­ вым слоем. Необходимо найти температуры после первого и второго слоев t\к и £>к, глубину превра­

слоя щри А^):

К — К = А*Хі„ уравнения адиабаты для второго слоя (при А,2):

^ н- 4 к = ^ (Х 2к- Х 1к),

Рис. 66. Диаграмма процесса дегидрирования бутилена в двухслойном (а) и в трехслойном (б) реакторах.

252

уравнения теплового баланса перед вторым слоем:

уравнения минимума общего количества катализатора:

dX.ч< ~

Ход расчета заключается в следующем. Из общего теплового баланса найдено, что Ях = 5,5. Далее строится диаграмма X — t, на которую наносятся рабочие линии при различных степенях пре­ вращения после первого слоя (рис. 66, б). Затем для найденных режимов совместным решением уравнений (IX,49) и (IX,53) графи­ ческим интегрированием определяют объем катализатора. Минимум общего количества находят по кривой зависимости T.W от Х \к.

Рассчитанные таким путем оптимальные режимы для трехслойного реактора приведены в табл. 79, а для четырехслойного — в табл. 80; общее количество катализатора (по расчету) — 30 кг на 1 кг-моль бутилена.

Из сравнения конечных глубин превращения в трех- и четырех­ слойном реакторе видно, что увеличение числа слоев с трех до че­ тырех дает лишь незначительное улучшение.

П р о в е р к а р а с ч е т о в . В промышленном реакторе ис­ пользуется катализатор в виде частиц, имеющих форму черенков диаметром 3—4 мм и длиной до 10 мм. С увеличением размера частиц катализатора глубина конверсии уменьшается; кроме того, в про­ мышленных условиях длительность дегидрирования составляет 5 — 6 ч *; средняя константа скорости в этом случае значительно ниже

* На свежем катализаторе длительность дегидрирования 10— 12 ч.

253

максимальной. Влияние этих факторов может быть учтено общим ко­ эффициентом перехода.

Общий коэффициент перехода для всего объема катализатора оказался равным 2,7; однако для каждого слоя необходимо опреде­ лить коэффициент. Это вызвано тем, что время достижения макси­ мальной активности составляет: в первом слое — 4, во втором — 8, а в третьем — больше 10 ч [257].

С учетом этого общее количество катализатора в трехслойном реакторе по расчету должно составить 30 • 2,7 = 81 кг/кг-моль бутилена за 1 ч; из них в первом слое — 22, во втором — 29 и в треть­ ем — 30 кг/кг-моль • ч. Расчетная конверсия бутилена в таком реак­ торе 33,6%; фактические результаты опытов в полупромышленном трехслойном реакторе производительностью по бутилену 500 кг/ч, на рассчитанном оптимальном режиме [362]; конверсия бутилена — 32,5%, избирательность — 83 мол.%.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ДЕГИДРИРОВАНИЯ БУТИЛЕНА НА КАТАЛИЗАТОРЕ К-1в С ПОМОЩЬЮ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН [257, 363]

Изложенная в предыдущем разделе методика расчета реак­ тора является приближенной, так как в математическое описание не включены уравнения скоростей побочных реакций, а их роль учиты­ валась введением соответствующих коэффициентов в уравнение скорости основной реакции. Кроме того, расчет производился для катализатора с максимальной активностью и уравнения изменения констант скоростей основной и побочных реакций во времени не использовались.

С применением вычислительных машин и использованием ука­ занных уравнений можно осуществить более строгое моделирование процесса и найти оптимальную конструкцию аппарата и оптималь­ ный режим дегидрирования.

Рассмотрим пример такого моделирования на аналоговой машине МН-14 [257, 363].

Для удобства ввода исходных данных в машину математическое описание процесса дегидрирования бутилена на катализаторе К-16 в адиабатическом реакторе на основе приведенных в предыдущем разделе уравнений дается в следующем виде:

I

п5 — С„Нт ; п0— С («уголь»); п7 — С02; п8— СО; rlf г2, г3 — скорости реакций соответственно по уравнениям (IX,36), (IX,39) и (IX,43); под С„Нт понимается сумма всех углеводородов, кроме С4Н8, обра­ зующихся при превращении бутадиена:

С4Н6 -> ѵгС4Н8 + v2C„Hm + v5C,

v0C -f- H20 —*■H2 + v7C 02 -f- v8C02,

Система дифференциальных уравнений в матричной форме запи­ сывается так:

где

пі I

Т I

Стехиометрическая матрица

2 5 5