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/м 3 . 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 м 3 /м 3 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 м 3 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/м 3 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
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 υс =100 м 3 /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 Кз— коэффициент загрузки трубчатой печи; а — массовая доля рециркулирующих промежуточных фракций на исходное сырье установки; Gс, Gпр.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
Υс – объем поступающего сырья, м 3 /ч; ω – объемная скорость подачи сырья в реактор, ч -1 ;
Подсчитывают объем одной трубки и общее число трубок
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
где b - расстояние между центрами двух соседних трубок; принимают b=2d=50∙2=100 мм.
Определяют общую высоту реактора
где hц - высота цилиндрической части реактора, м; h - высота днища, м.
Задачи
№1. Определить размеры реакторов на установке парофазной изомеризации н-пентана в присутствии хлористого алюминия, если известно: производительность установки по сырью υс - 500 м 3 /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 Gс- 800 т/сут; массовая скорость подачи сырья ω=2,5 ч -1 ; насыпная плотность катализатора ρнас=650 кг/м 3 .
№3. Определить размеры реакторов на установке изомеризации н-гексана в присутствии палладия на цеолите, если известно: производительность установки по сырью (Gс = 1600 т/сут; массовая скорость подачи сырья ω =3,5 ч -1 ; насыпная плотность катализатора ρнас=680 кг/м 3 ; общее число реакторов 2.
№4. Определить температуру выхода продуктов изомеризации н-пентана из реактора, если известно: катализатор - палладий на цеолите; производительность установки по сырью Gс- 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 (qр=92 кДж/кг изопентана).