Тема: Реакторы установок каталитической изомеризации

Изомеризации подвергают н-бутан, н-пентан и н-гексан в присутствии катализатора. Изобутан, получаемый в процессе изомеризации, можно использовать в реакции алкилирования бутиленами для производства изооктана, а изомеры пентана и гексана - как добавки к автомобильным бензинам. Изомеризация нормальных парафинов - процесс низкотемпературный. Понижение температуры способствует образованию изомеров, но при этом снижается скорость реакции. Снижение давления при низких темпе­ратурах также вызывает увеличение выхода изомеров. С целью повышения продолжительности работы катализатора процесс ве­дут под давлением водорода.

Катализаторами изомеризации служат хлористый алюминий, платина, палладий, сульфид вольфрама, никель и оксид молиб­дена. Все катализаторы, кроме хлористого алюминия, наносят на оксид алюминия или алюмосиликат. В (последнее время в качест­ве катализатора были предложены палладий и платина на цеолите.

Изомеризацию в присутствии хлористого алюминия осу­ществляют в жидкой и паровой фазах. На установках жидкофазной изомеризации н-бутана в качестве катализатора применяют раствор хлористого алюминия в треххлористой сурьме, активиро­ванный безводным хлористым водородом. Сырье с катализатором перемешивают при помощи мешалки, поскольку плотность раство­ра 2,5 т/м³. Жидкофазную изомеризацию можно осуществ­лять на хлористом алюминии без треххлористой сурьмы. В этом случае сырье осушают и отдувают в абсорбере от С₁-С₃ хлористым водородом. Вытекающая с низа абсорбера смесь сырья с хлористым водородом проходит подогреватель, смешивается с циркулирующим водородом из расчета 0,7-1,4 м³/м³ жидкости и под давлением 0,5-0,55 МПа поступает в реактор. В реакторе эта смесь барботирует через слой жидкого катализатора высотой 6-7,5 м. Расход хлористого алюминия около 1 кг на 0,5-0,6 м³ конечного продукта.

Условия жидкофазной изомеризации н-гексана на хлористом алюминии следующие:

Температура, °С ........ 115-120

Давление, МПа ........ 5-6

Объемная скорость подачи сырья, ч^-1 …….. 1-2

Подача водорода в реактор, % масс, на сырье .......... 4-8

Глубина превращения за однократный про­пуск сырья, % масс. ...... 60

Конверсия при полной рециркуляции непрореагировавшего сырья для С₆ - 80% масс., для С₅ - 95% масс.

Парофазную изомеризацию н-бутана в присутствии хлористого алюминия осуществляют в трубчатом реакторе. В трубках реактора находится катализатор, а между трубками для снятия теплоты реакции циркулирует масло, которое выходит с низа ре­актора, проходит холодильник и подается наверх. Подогретое сырье и хлористый водород поступают с верха реактора. Усло­вия процесса следующие:

Температура, °С …… 100-125

Давление, МПа ........ 1,2-1,8

Объемная скорость подачи сырья, ч^-1 ……. 0,8-1,1

Расход хлористого алюминия, кг/м³ изобутана ........... 24-25

Глубина превращения н-бутана, %,……. 98

Изомеризацию на металлических катализаторах осуществляют в реакторах со стационарным слоем катализатора. Ниже приведе­ны условия изомеризации н-пентана на различных катализаторах:

Платина на Палладий на

алюмосиликате цеолите

Температура, °С …… 370-480 350-370

Давление, МПа ........ 2,0-5,0 3,1

Объемная скорость подачи сырья, ч^-1 ……1,0-6,0 2,0

Кратность циркуляции водородсодержащего

газа, моль/моль сырья …… 2,0-6,0 3,0

Продолжительность контакта, с…….. - 15-37

Отечественный катализатор ИП-62 промотируется фтором. Температура процесса на этом катализаторе 350-450 °С. Ката­лизатор ГК-15 (платина и палладий на цеолите) позволяет сни­зить температуру процесса до 315-340 °С.

Изомеризация протекает с выделением тепла (71-113 кДж/кг превращенного сырья для С₄-С₉).

Пример. Определить размеры и число трубчатых реакторов на установке парофазной изомеризации н-бутана в присутствии хлористого алюминия, если известно: производительность уста­новки по жидкому сырью υ_с =100 м³/сут; объемная скорость по­дачи сырья ω=0,8 ч^-1; глубина превращения за однократный пропуск сырья Х'=45% масс; трубка реактора имеет внутренний диаметр 50 мм, длину 6 м.

Решение. Находят коэффициент загрузки реактора по форму­ле

где К_з— коэффициент загрузки трубчатой печи; а — массовая доля рециркулирующих промежуточных фракций на исходное сырье установки; G_с, G_пр.п - массы соответственно исходного сырья установки и рециркулирующих промежу­точных продуктов, кг/ч.

где 0,55 — доля непрореагировавшего сырья (1—0,45),

Определяют объем реакционного пространства по формуле

Υ_р.п.= υ_с./ω (46)

Υ_с – объем поступающего сырья, м³/ч; ω – объемная скорость подачи сырья в реактор, ч^-1;

Подсчитывают объем одной трубки и общее число трубок

(47)

Принимают три реактора с числом трубок в каждом N₁=328. Находят число трубок, расположенных по диаметру реактора, по формуле

где n – число труб; N- общее число труб.

Определяют диаметр реактора

D=(n+1)b (49)

где b - расстояние между центрами двух соседних трубок; принимают b=2d=50∙2=100 мм.

D=(21 + 1)∙0,1 = 2,2 м

Определяют общую высоту реактора

Н=h_ц+2h (50)

где h_ц - высота цилиндрической части реактора, м; h - высота днища, м.

Н=6+2∙0,54=7,08 м.

Задачи

№1. Определить размеры реакторов на установке парофазной изомери­зации н-пентана в присутствии хлористого алюминия, если известно: произво­дительность установки по сырью υ_с - 500 м³/сут; объемная скорость подачи сырья (ω=2,5 ч^-1; глубина превращения сырья за однократный пропуск Х=60%; трубки имеют внутренний диаметр 50 мм, длину 5 м; общее число реакторов 5.

№2. Определить размеры реактора на установке изомеризации н-пентана на платиновом катализаторе, если известно: производительность установки по сырью G_с- 800 т/сут; массовая скорость подачи сырья ω=2,5 ч^-1; насыпная плотность катализатора ρ_нас=650 кг/м³.

№3. Определить размеры реакторов на установке изомеризации н-гексана в присутствии палладия на цеолите, если известно: производительность установки по сырью (G_с = 1600 т/сут; массовая скорость подачи сырья ω =3,5 ч^-1; насыпная плотность катализатора ρ_нас=680 кг/м³; общее число реакторов 2.

№4. Определить температуру выхода продуктов изомеризации н-пентана из реактора, если известно: катализатор - палладий на цеолите; производи­тельность установки по сырью G_с- 1000 т/сут; состав изомеризата (в % масс.): 1,2 С₁-С₃, 1,0 С₄, 76,8 изо-С₅; 21,0 н-С₅; сырье поступает в реактор с температурой 330 °С; давление в реакторе 3,13 МПа; кратность циркуляции водорода к сырью 3 моль/моль; процесс протекает с выделением тепла (q_р=92 кДж/кг изопентана).