автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация совмещенных реакционно-ректификационных процессов (на примере синтеза кумола)

РГ6 он

2 3 ИЮН '047

На правах рукописи

Фом Тхань Хай

Моделирование н опишизация совмещенных реашщонио-ректафяшищшгаых процессов (на примере синтеза кумола)

05.17.08—Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1997 г.

Работа выполнена в Российском химико—технологическом

Научный руководитель:

академик РАДСИ, доктор технических наук, профессор Комиссаров Ю. А.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Писаренко В. Н. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Островский Г. М; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Михайлов Г. В.

Ведущая организация — "Нефтехиммаш — Инжиниринг ЛТД" (г. Москва)

Защита диссертации состоится "¿б " 1997 г. В 4¿) час в

Российском химико—технологическом университете (125047, Москва, А—47, Миусская пл., 9).

С диссертацией можно ознакомиться в Научно — информационном центре университета,

университете им. Д. И, Менделеева.

диссертационного совета Д 053.34.08 в

Автореферат разослан " " 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д. А. Бобров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Растущие потребности различных отраслей промышленности в материалах и продуктах органического синтеза приводят к поиску и разработке высокоэффективных способов ведения процесса с минимальными энерго — и ресурсозатратами.

Процесс алкилирования бензола пропиленом является одним из основных в производстве фенола и ацетона кумольным методом, т.к. он во многом определяет технико—экономические показатели производства в целом.

В настоящее время на всех предприятиях России используются в качестве катализаторов комплексы на основе хлористого алюминия или фосфорной кислоты, которые имеют некоторые недостатки: коррозия материала оборудования, образование сточных вод и повышенный выход полиалкилбензолов.

В последние годы проведен большой объем исследований и осуществлена подготовка к промышленному внедрению процесса алкилирования бензола пропиленом на гетерогенном цеолит — содержащем катализаторе, лишенном вышеуказанных недостатков. В связи с этим разработка нового катализатора, установление механизма и кинетики химической реакции, математического его описания, а также совмещения процесса химической реакции и ректификации в одном аппарате, являются актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно—исследовательских работ АН РФ по направлению "Теоретические основы химической технологии", тема— "Интенсификация реакторно—ректификационных процессов". (1995-1997 г).

Цель работы. Моделирование и оптимизация процесса алкилирования бензола пропиленом на цеолитсодержащем катализаторе. Подбор промышленного катализатора с использованием активного эксперимента и установление механизма кинетики химической реакции на подобранном цеолитном катализаторе с его математическим описанием. Моделирование каталитического процесса алкилирования бензола пропиленом на зерне катализатора Ъ — 1 (60% алюмосиликата, 40%

мае. высококремнистого цеолита типа 25М) с установлением интервалов варьирования температуры, давления и мольного соотношения бензол : пропилен на селективность процесса на зерне катализатора. Моделирование промышленного гетерогенно — каталитического реактора и установление конструктивных и технологических параметров, приводящих к интенсификации каталитического процесса при совместном проведении реакционно —ректификационного процесса.

Научная новизна:

1. Предлагается механизм реакции алкилирования бензола пропиленом на цеолит—содержащем катализаторе 2,-2 и его математическая модель.

2. Оценены константы кинетической модели и адекватности ее экспериментальным данным.

3. Разработана математическая модель зерна катализатора 2—2 в статике и динамике для двух типов граничных условий— Дирихле и Неймана с определением внешнего и внутреннего факторов эффективности (степень использования внутренней поверхности катализатора).

4. Разработана математическая модель гетерогенно — каталитического реактора алкилирования бензола пропиленом и метод ее решения.

5. Разработана математическая модель совмещенных процессов многокомпонентной ректификации с учетом химической реакции алкилирования бензола пропиленом.

Практическая денность:

1. Осуществлен подбор состава промышленного катализатора методом случайного баланса. Программное обеспечение составлено на языке Паскаль.

2. Предложен новый 3-х секционированный реактор, снабженный цеолюсодержащим катализатором Ъ—1 со 100 % исчерпанием пропилена, селективностью по ИПБ—95 %, конверсией по бензолу—20 %.

3. На основании теоретических и экспериментальных исследований кинетики химической реакции и расчетов по математическим моделям выбраны оптимальные размеры зерна, высота слоя катализатора, а также параметры ведения процесса.

4. Предложенные в работе результаты анализа с практическими рекомендациями переданы на АО "Уфаоргсинтез".

5. Реализация совмещенного хеморектификационного процесса с цеолитсодержащим катализатором Ъ—1 позволит в 3 раза увеличить производительность, в сравнении с фосфорнокислотным катализатором, при снижении побочных продуктов в катализате в 15 раз (с 1,5 % до 0,005—0,1 %) и снизить энергозатраты на 32%.

Апробапия работы Результаты работы были доложены на Международной конференции "Методы математического моделирования в химии и химической технологии ММХ—9" (г. Тверь, 1995} и межотраслевой научно —технической конференции "Экологическая защита городов" (г. Москва, 1996).

По теме диссертации подготовлены а сданы в печать 2 статьи.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, общим объемом 170 страниц (в том числе 11 рисунок, 19 таблиц, списка литературы из 146 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложено ее содержание, цель и задачи.

Глава 1 Литературный обзор

Проведен обзор литературных источников по промышленному использованию различных катализаторов в процессе синтеза кумола. Указывается, что недостаточно изучены механизмы реакции, а также кинетика реакции алкилирования на цеолитах. Кроме того при алкилировании бензола пропиленом на цеолитных катализаторах протекают побочные реакции: образование полиалкилбензолов, крекинг ИПБ с образованием зтилбензола и толуола, изомеризация ИПБ в н—пропилбензол и полимеризация пропилена. Большой проблемой для внедрения в промышленность цеолитных катализаторов являются их прочностные показатели.

В разделе приводится процедура, включающая создание математических моделей каталитических реакций на зерне катализатора и реакторов со стационарным слоем катализатора и двухфазным газо —жидкостным потоком. В результате анализа

отмечается отсутствие достаточно эффективных численных методов определения факторов эффективности и анализа множественности стационарных состояний зерна катализатора в случае нелинейной кинетики. Отмечается также сложность структур для описания гетерогенно—каталитических процессов, что требует разработки новых методов, позволяющих уменьшить размерность систем уравнений моделей, а значит и значительно сократить вычислительные затраты.

Глава 2. Подбор промышленного катализатора для процесса алкилирования бензола пропиленом

Для решения проблемы создания новых эффективных катализаторов был осуществлен направленный подбор их в классе алюмосиликатов и цеолитов. Направленный подбор состава и прочностных свойств катализаторов осуществлялся методом случайного баланса. На основе предварительных экспериментов установлено оптимальное содержание композиций—60% мае. алюмосиликата и 40% мае. высококремнистого цеолита 2БМ. Приготовленные образцы испытывали на прочностные показатели: механическая нагрузка на раздавливание по торцу (Р1) и по образующей таблетки (Р2). При каждом отдельном определении показателей величин Р1 и Р2 раздавливали 5 произвольно выбранных из партии таблеток и их усредненные величины принимались как Р1 и Р2. Было выбрано 9 факторов: А— содержание цеолита 23М в каталитической пасте {% мае.); В — содержание воды в пасте (% мае.); С—длительность пептизации (мин); Б—число вальцовок пасты; Е-продолжительность сушки таблеток катализатора на воздухе (ч); Б—продолжительность сушки таблеток в сушильном шкафу (ч); С—температура в сушильном шкафу (°С); Н-скорость подъема температуры в муфельной печи до температуры прокаливания (°С/мин); К — продолжительность прокаливания в муфельной печи при заданной температуре прокаливания (ч).

Строилась матрица планирования эксперимента с учетом этих факторов для 32 опытов. Результаты экспериментов обрабатывались на ЭВМ с определением значимых эффектов факторов методом ветвей и границ. По абсолютной величине эффекта факторы ранжируются следующим образом для первого отклика (Р1) К, В, С, Н, Р, А. Линейные эффекты факторов С, Б, Е

незначимы. Среди эффектов взаимодействия являются КВ, ВС, СК. Для второго отклика (Р2) эффекты факторов ранжируются следующим образом: К, А, В, Н, КВ, ВС, СВ.

Для проверки полученных выводов была поставлена дополнительная серия контрольных опытов. В 1 — м опыте осуществляли синтез комплексного катализатора без фактора С. Оказалось, что прочность всех контрольных образцов по показателям Р1 и Р2 снизилась на 30—40%. Во 2—м опыте при уменьшении фактора Н и увеличении фактора К (до 12 — 13 ч) прочность образцов по показателям Р1 иР2 повышалась на 20—25 % . В результате этого этапа исследований были получены значения для всех 9 факторов п соответственно прочностные показатели, удовлетворяющие промышленным условиям эксплуатации катализаторов этой серии.

В этой главе был проведен также анализ влияния катионов металлов катализатора на его активность и селективность. Испытанию были подвергнуты следующие 12 катионов металлов: Са, Сй, Сг, Мп, Бе, Со, №, Мд, Си, 7л, Мо, Се.

Мерой каталитической активности являлось содержание кумола {% мае.) в каталиэате, а мерой селективности—величина суммарного содержания моноэтил —и диалкил—алкилбензолов (% мае.) при 3-х температурах (200, 220 и 240°С). Построение матрицы планирования и обработка результатов проводилась по методу случайного баланса. В соответствии с полученной матрицей планирования, интервалами варьирования факторов и координатами центральной точки всех факторов были синтезированы 32 образца катализаторов на основе у—оксида алюминия и цеолита тина 23М. б котором катион Ка+ был предварительно заменен на водород. Последний замещался на соответствующие катионы металлов,

На первом этапе исследования зависимости активности катализатора от его катионного состава были построены 6 диаграмм рассеяния (для 2х откликов и 3-х температур).

Например, значимыми линейными эффектами факторов

были

для температуры Т =200°С:

1) Кумол: Се, Хп, Мо, Си; 2) Бензол: 2п, Се, Мд, Си; ддя температуры Т =210°С:

1) Кумол: Се, 7а, N1, Мо; 2) Бензол: Се, Мо, 2п, Си;

ддя температуры Т = 220°С:

1) Кумол: Се, 7п, №, Си; 2) Бензол: Се, Мо, Та, Си

Из приведенных данных видно, что глубина протекания реакции определяется наличием на поверхности цеолитов типа ^М катионов церия, цинка, никеля, молибдена.

С целью выявления доминирующих среди 78 факторов (линейных и парных взаимодействий) строилась ранжировочная кривая абсолютных величин эффектов факторов, как только эта величина была меньше 36, то этот эффект исключался, определялись коэффициенты регрессии, остаточная дисперсия (£>2ост)г дисперсия относительно среднего (£>у2) и максимальный размах наблюдений Ду. Эта операция повторялась до тех пор, пока в ранжировочной кривой ке оставалось двух эффектов или величины Бу2, Б2^, Ду не достигали заданных значений.

Во 2 —м варианте расчетов по выделению доминирующих эффектов ветвящаяся стратегия строилась по принципу исключения сразу двух эффектов факторов из ранжировочной кривой случайным образом заданное число раз. Расчеты показали, что по обоим вариантам выделились одни и те же эффекты факторов.'

Результаты обработки опытных данных, относящихся к отклику кумол (характеризуют в основном реакцию алкилирования бензола пропиленом), показали, что увеличение содержания кумола в катализате стимулируется катионами церия, цинка, кобальта, марганца.

Синтезированы новые, образцы катализатора, содержащие эти катионы. Предварительные опыты на этих образцах показали, что при содержании кумола в катализате 25 — 28% мае. объемная скорость потока газа может быть доведена до 10 — 12 тыс ч-1 при температурах 230—240°С и давлении в реакционной зоне 1,0—2,0 МПа.

Дмпельные испытания показали, что новый образец катализатора способен работать 1000 — 1200 час без снижения активности. Установлено, что катионы никеля, кадмия, железа, церия стимулируют побочные реакции крекинга кумола. Таким образом, получен катализатор, превосходящий по своим

показателям промышле1шый катализатор "фосфорная кислота на кизельгуре или силикагеле".

Глава 3 Исследование кинетики реакдии алкилирования бензола пропиленом на пеолит — содержащем катализаторе

В последние годы цеолитные катализаторы только начинают использоваться в промышленности, и к настоящему времени имеется очень ограниченная информация об их возможностях.

Целью заданной диссертации и явилось изучение стадийного механизма реакции алкилирования бензола пропиленом на цеодит—содержащем катализаторе Х—2 и построение кинетической модели, отражающей статику и динамику процесса в зависимости от технологических параметров.

Предполагаем наличие на поверхности катализатора Ъ—1 двух типов активных центров: реакционный центр Ъ\ (на котором протекает катализ) и адсорбционный центр 72 (который служит для увеличения концентраций реактантов в приповерхностном слое катализатора).

Стадийный механизм реакции алкилирования бензола пропиленом на цеолитном катализаторе 7 — 2 выглядит следующим образом:

реакция протекает

1. С3Н6+11 С3Нб21 быстро

2. С6Нб+г2 С6Н^2 быстро

3. СзН^ + СбН^а ^ (С3Н7С5Н5)2, + г2 медленно

4. (СзНтСвВД, ^ СзН^еНй+г, быстро

5. С3Н7С6Н5+ г2 (С3Н7С6Н5)7,2 быстро

6. (СзНуС^Тз+Сде, ^ мета - (С3Н7)2СбН421 + 72 медленно

7. мета-(С3Н7)2С6Н47, ^ мета ~ (СзНуЬС^+Т;! быстро

8. (С3Н7)2СбН5)72+ С^ВД пара - (С3Н7)2С6ВД +Т,2 медленно

9. пара - (С3Н7)2СеН47! ^ пара- (С3Н?)2С6Н4 + 1} быстро

10. СзН^! -» КОКС медленно

11. КОКС г, КОКС+ 2, мед\енно

При выводе кинетических уравнений для вышеприведенного механизма реакции использовались методы стехиометрического анализа реакционных систем и теория стационарных химических реакций, в частности, метод Хориути.

Так как численные значения кинетических констант (или их комбинаций) в построенной кинетической модели реакции были неизвестны, то был реализован стартовый план эксперимента. Для сокращения общего числа оцениваемых констант в модели были вычислены константы равновесия трех реакций: алкилирования бензола пропиленом, кумола пропиленом (с получением мета — диизопропилбензола), кумола пропиленом (с получением пара — диизопропилбензола).

При построении стартового плана эксперимента в качестве управляющих переменных были: объемная скорость исходных реактантов и концентрации бензола и пропилена на входе в каталитический слой. Откликами системы служили концентрации бензола, пропилена, кумола, м—диизопропилбензола, п — диизопропилбензола. Моделью реакторной системы служила модель проточного реактора идеального вытеснения. Для оценки параметров многооткликовых реакторных моделей использовали метод максимального правдоподобия. Для рассматриваемой каталитической системы наиболее надежную работу, с позиций точности интегрирования и быстродействия, показали полунеявный метод Робинсона и явный метод Рунге—Купа.

Задача идентифицируемости констант приводит к поиску ранга информационной матрицы, который равен 7, следовательно только 7 констант из 10 допускают оценку по имеющейся совокупности экспериментальных данных.

Получены корреляционные матрицы 7 комбинации констант для температур 170, 200 и 230°С и их дисперсии. Для проверки адекватности многооткликовых моделей использовался метод Бартлета. Реализация метода показала, что построенная кинетическая модель адекватно отражает экспериментальные данные и может быть использована на этапах моделирования каталитического процесса на зерне катализатора и в каталитическом реакторе.

Глава 4 Моделирование процесса алкилирования бензола пропиленом на дерне катализатора 7,-2

По завершении исследований механизма химической реакции и построения адекватной кинетической модели переходим к изучению процесса на зерне катализатора.

Используем квазигомогенную модель при предположении, что зерно катализатора имеет сферическую форму:

А 1 1 дх г с г „ дТ , ,д2Т 2 дТ. £/1ТТ .м

Начальные условия

t = О С- С(0) при 0 < г < R t — О Т = Т(0) при 0< г < R Граничные условия Дирихле:

í>0 г = 0 = 0 ат = 0

дг д г

г R С = Спов , Т = Тпсз Неймана:

t>0 т~ О ^ = 0, ^1 = 0 с р др

r=R [Оэф]^ = [К](С-Спог) ~ ~ Твог )

v Зг

гдеС^^С;,. . -,СП)—вектор концентраций реактантов, л—общее число реактантов, Сиот = [С/07 .,С™Т | —вектор концентраций

реактантов в потоке, CnoB = (CfOB,,..,C^CB/) — вектор концентраций

реактантов на поверхности катализатора; 7{г)—температура в грануле катализатора на расстоянии г от центра катализатора; Гпот, Гпов- температура реакционной смеси в ядре потока и температура реакционной смеси на поверхности гранулы катализатора; R—радиус гранулы катализатора; г—текущая координата радиуса; s —пористость гранулы; %эф — эффективный коэффициент теплопроводности гранулы катализатора; Скудельная теплоемкость гранулы катализатора; р - плотность гранулы катализатора, j-M — скорость реакции по и—ому маршруту; р— общее, число маршрутов; ЛНЦ—тепловой эффект реакции; соответствующий и—тому маршруту; —вектор

размерности пх 1 скоростей изменения концентраций реакций: [/)] — диагональная матрица размерности пхп эффективных коэффициентов диффузии, [К\ —диагональная матрица размерности пхп, коэффициентов массоотдачи.

Для решения дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа использовалась конечно — разностная двухслойная неявная схема. Для ускорения работы использовалась схема с неравностоящими узлами, равномерно сгущающимися по пространственной координате к правой границе. Шаг по временной координате предполагался постоянным.

По стационарным профилям концентраций и температур в зерне катализатора определялись значения внутренних и внешних факторов эффективности для ключевых веществ и реакций по маршрутам.

Моделирование на ЭВМ статики и динамики процесса алкилирования бензола пропиленом на зерне катализатора позволило получить следующие основные результаты:

1. В пределах промышленных технологических режимов эксплуатации зерна в нем реализуется единственное устойчивое стационарное состояние. Время его установления 12—15 сек для зерна диаметром 1 —2мм, и до 60—80 сек при диаметре зерна 6 — 8мм.

2. Перепад температуры по радиусу зерна зависит от эффективной теплопроводности зерна ЛЭф для заданных тепловых эффектов реакции, отражающих основные маршруты химического процесса. Расчеты проводились для интервала значений ХЭф — 0.4 — 0.9 ккал/м ч К. При этом во всем диапазоне изменения /Цф перепад температуры по зерну не превышал 1 — 1.5 °С. Следовательно, температурными градиентами в зерне пренебречь нельзя,

3. В зерне существуют значительные градиенты концентраций наиболее медленно диффундирующих веществ — кумола, диизопропилбензола, триизопропилбензолов. Характер стационарных профилей концентраций реактантов в зерне сильно зависит от величины коэффициентов массоотдачи, т.е от линейной скорости потока реактантов, обтекающих зерно.

Глава.5 Моделирование______хетерогешю.-катсъ\1гт11ЧС'СК010

р,еащврА..алк!ШфС>тащм...бешода пропиленом. .па :-2

Математическая модель реактора алкилирования бензола пропиленом имеет вид:

8С( д(игС{) ] д г дС( Г1Г г г

в —-+ —->+ б к Г(с Г- ч^ с > = о

г дг д1 гаг дх ■ 11 1

0С* 0(11*0*) 10 дС\

°ж

(10*11 ——) - Э гжК {(С Т С?)

Яг 11 1

д\ гдт дт

+ К*1 в х к (С * - С 1Е) = о

5 С* 5(иж С?) 1д Ж ЗС* г , жк ж -г

сж —----:-+ ± — (тПл г2 —Ц - [К2 5ЖХ (С.? -С,) = О

А 31 31 г 3г ^ Зг 1 - 2 2

Кжк5жк(сж_ск) = ^ ¡> ( С к 3 Т к )

[К2]8жк (С2Х - ) - <С к ' Т К >

г5тг ¿(и'с* р'т1) 1 д .Г0Т' .

ег С о Р----- + и —;—) +

г р к ^ 91 г01 Зг

+ «гж Ягж (Т г -Т х) = О

жатж з(ижс*Р*т*) ,1 з^жатжг

=жСрР ------17- агж 8ГЖ (Т г -Т х)+ аях8 жк (Т ж -Т к ) = О

„ Г к дж 5Т к 1 3 , х ЗТ к ч е:ск/тж_ткч

+ ДНТ[т1]г = О Начальные условия:

1 = 0 С{ =С{ (о,1,г) , С1Ж - С? (оДг) , С*=С* (о, 1,г), Тк=Ть(о, 1, г) , Тж = Тж (о, Тг=Тг(о,1,г)

Граничные условия:

1}03 Ь = 0; с; = С* (о), С* = С? (о), С* = С* (о) Т1 = Тг (о), Тж = Тж (о), Т* = Тк (о)

«о, ,_0 : ^4-511 = 51^ = 211-0 ; = о

дт дт дт дт д

1>0 , г = И; ахст (Тст - Т')=Я' ; а* (Тст - ТЖ)=Л* ^

дт дт

—»

I лгст ть ас[ ее? л ас* «стСГ ~т ) = - . —к = —— = о ; —— = °

8т дт 8 г дт

где : г —газовая фаза ; ж—жидкая фаза ; к — катализатор ; ст —

стенка реактора ; Сг — концентрация пропилена; ->

С* —концентрация реактантов в жидкой

фазе бензола, изопропилбензола (ИПБ), мета — диизопропилбензола (м-ДИГТБ), пара—диизоцропилбензола (п-ДИПБ); Т—температура; О, Я. — соответственно коэффициент радиального перемешивания подвижной фазы и коэффициент теплопроводности подвижной фазы; К1г [К2] ={КЦ} , Кц-К;, 1= 2, ... 5— коэффициенты массопередачи; а — коэффициент теплоотдачи; и —линейная скорость потока; Б—удельная

поверхность раздела фаз; Ч1—константа Генрн; г)!, [^2] ~ {'Ли). т1и

= 111, 1=2,3,4,5. — факторы эффективности по' веществу; [>]] — {Цц}, г|д = т]|, 3 = 1,2,3.—факторы эффективности по маршруту реакции; ДН^—тепловой эффект реакции, соответствующий — ому маршруту; Ср, р —теплоемкость и плотность фазы; Йр Й^ = (И^ —скорость по первому веществу и вектор

скоростей по второму, третьему, четвертому и пятому веществам; г,- — скорость реакции по ]—ому маршруту; Я—радиус реактора; г, I. — координаты по радиусу и длине реактора.

Для решения систем дифференциальных уравнений с двумя пространственными переменными использойали метод расщепления. Составлен алгоритм и программа расчета нестационарных режимов работы каталитического реактора. Однако последняя требует достаточно больших затрат машинного времени для расчета нестационарных режимов эксплуатации промышленного оборудования. Гак, в частности, расчет одного

переходного режима реактора алкилирования бензола пропиленом на ЭВМ АТ—486 занимает около 1 часа работы. Поэтому была составлена программа, реализующая интерполяционый интегральный конечно —разностный метод, снижающий время счета до 10. . .15 минут.

Анализ процесса по модели показывает значительный разогрев реакционной смеси в слое катализатора. Причем величина разогрева в адиабатических слоях может превышать 60 — 80 °С, если мольное соотношение бензол : пропилен в смеси менее 3,5 : 1, наибольшие градиенты температур наблюдаются на первых 0,5. . .1,0 м по высоте каталитического слоя. С увеличением температуры с 433 К до 473 К селективность процесса по ИПБ резко падает. При увеличении мольного соотношения бензол : пропилен селективность процесса возрастает, что косвенно связано с уменьшением величины адиабатического разогрева в реакторе. Расчеты по модели показали, что с ростом объемной скорости конверсия монотонно падает, а селектиность при этом монотонно возрастает.

Снижение величины разогрева в слое катализатора, приводящего к увеличению селективности и некоторому снижению конверсии, достигается секционированием реактора с организацией промежуточного теплообмена между секциями. При этом наиболее благоприятным вариантом организации процесса является секционирование реактора на три секции при соотношении объемов катализатора в них 1 : 1,4 : 2,2.

Между 1 и 2, 2 и 3 секциями находятся выносные теплообменники.

Пропилен подается на вход секций 1, 2, 3 в мольном отношении бензол : пропилен соответственно 10 : 12 : 24. При такой организации процесса достигается практически полное исчерпание пропилена, конверсия по бензолу достигает—20 %, селективность по ИПБ—95%.

Глава 6. Разрабока алгоритма расчета совмещенных процессов

Основу математического описания явлений, происходящих при хеморектификации, составляют уравнения, описывающие обычную ректификацию, при допущении, что химическая реакция протекает, допустим, в жидкой фазе.

В соответствен!! со схемой материальных потоков в тарельчатой колонне покомпонентный материальный баланс определяется следующей системой уравнений: у- (Ц + Ц^ ) Xц - V] У2] = 0 дефлегматор

у-)+1 + ^гу - (Ьз + и})Ху -

- (V; + Уфу}?] + УзЕ^ (Ц) = 0 з-ая тарелка

Хтч-1,1 - + % = о -куб

Тепловой баланс: У^Нг - (Ь] + и{)Ь1 - VIН} = 0 - дефлегматор

ьмьн + У3+1Н]+1 + ^Нр; -<Ц + и3)Ь) - (Уз + ^Т3)Н3 -

- Уз У ЛНпг|(^(Ц) =0 5-ая тарелка

и=2

+ + -Г^Ья =0 - куб

Л

Уу = + ЧцУц

* *■ Р? у ^

У1,к = уля ; УД = К11 хц = -г—хч

Р Фу

где: Н], энтальпии потоков пара и жидкости отводимых с _) — п я

той (тарелки), Н} = £ Н^Ур ; ^5 Н^Ь.^—энтальпии

1=1 1=1 чистого а—го компонента соответственно в потоках пара и жидкости при температуре кипения на з —той тарелке; СН — тепловые нагрузки; АНП, (п = 1,.. р)—тепловые эффекты реакции, соответствующие р —маршрутам; гп<Р), (п = 1,. . ,,р)—скорости реакции по Р — маршрутам; Иь, (1 — 1,. . .,п) —скорости изменения концентрации реактантов; т] у—эффективность тарелок; у*] -равновесное значение концентрации 1-го компонента; Р{° — парциальное давление чистого компонента; Р—давление в колонне; у^--коэффициент активности; фу _ коэффициент фугшивности, учитывающий неидеальность паровой фазы; V,, — паровая фаза, поступающая на тарелки, и отбираемая с ] —й тарелки соответственно; Ь,-, Ц —жидкая фаза, поступающая на ] — ю тарелку, и отбираемая с тарелки соответственно; Е;—питание

^ — й тарелки; X,-;, у^—концентрации 1-го компонента в жикости и паре соответственно.

Для расчета профиля концентрации Ху и Уц по высоте колонны применялся метод простых итераций совместно с методом Ньютона—Рафсона, Метод простых итераций используется для получения хорошего начального приближения для ускорения метода Ньютона—Рафсона. В работе представлен алгоритм расчета.

Вычислительные программы показывают устойчивую работу при расчете реакционно—ректификационных аппаратов, если число секций не более 15, число компонентов не более б, число маршрутов химической реакции не более 3.

Результаты моделирования совмещенного

хеморектификационного процесса показывают, что при подаче в 3 —ю секцию 10—ти секционного аппарата 10 кмоль/ч бензола и 2 кмоль/ч пропилена в катализате (ИПБ) содержание диалкилзамещенных углеводородов менее 0,05%, при давлении 2,0 МПа и температуре реактантов 180 °С. При подаче питания в 4 секцию, при аналогичных условиях, содержание побочных продуктов в катализате ОД %. То есть совмещение процесса при синтезе кумола с использованием катализатора Ъ—1 позволит увеличить производительность единицы реакционного объема в 3 раза (в сравнении с фосфорнокислотным катализатором) и в 15 раз (с 1,5% мае. до 0,05-0,1% мае.), снизить побочные продукты в катализате. При этом энергозатраты снижаются на 32%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработан новый цеолитсодержащий катализатор 2—2, превосходящий по своим показателям промышленный катализатор "фосфорная кислота на кизельгуре или силпкагеле"

2. Установлен механизм реакции алкилирования бензола пропиленом на цеолитсодержащем катализаторе и построена его кинетическая модель. Показана адекватность многооткликовой кинетической модели эксперименту.

3. Разработана математическая модель зерна катализатора в стационарных и нестационарных условиях. Составлен алгоритм решения дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа.

4. Разработана математическая модель гетерогенно — каталитического реактора алкилирования бензола пропиленом на цеолитсодержащем катализаторе Ъ—2 и метод ее решения.

5. Разработана математическая модель совмещенных процессов ректификации с химической реакцией, составлен алгоритм расчета.

6. Хеморекгификация позволила увеличить производительность реактора в 3 раза, снизить энергозатраты на 32%, повысить качество товарного продукта—ИПБ.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ

РАБОТАХ:

1. Фам Тхань Хай, Комиссаров Ю. А., Писаренко В. Н.

Международной конференции "Методы математического моделирования в химии и химической технологии" (ММХ—9);

1995. С. 139.

2. Фам Тхань Хай, Комиссаров Ю. А, Писаренко В. Н. Энерю—и ресурсосбережение в современном процессе

хеморектификации в производстве фенола и ацетона //Всерос. научно—техн. конф. "Экологическая защита городов". Тез. докл.,

1996, С 183.

3. Фам Тхань Хай, Комиссаров Ю. А, Писаренко В. Н. Исследование механизма и кинетики реакции

алкилирования бензола пропиленом на цеолитсодержащем катализаторе (в печати)

4. Фам Тхаль Хай, Комиссаров Ю. А, Писаренко В. Н. Моделирование процесса алкилирования бензола

пропиленом на зерне цеолитсодержащего катализатора Х—2 (в печати).

Моделирование ректификационного

совмещенного процесса синтеза

реакционно — кумола. //Тр