Практика №6 Тема: Реакторы установок полимеризации газообразных олефинов

Полимеризацию широко применяют для производства полимер-бензина, а также различных легких полимеров: три-, тетра- и пен-тамеров пропилена как исходного сырья для приготовления мою­щих средств. Полимеризацию олефинов можно проводить в при­сутствии фосфорной, серной или фтористоводородной кислоты, фтористого бора и хлористого алюминия. Наиболее распростране­на фосфорная кислота на твердом носителе (кварце, кизельгуре, - алюмосиликатах). Глубина превращения олефинов в присутствии катализаторов (в %): изобутилена 100; н-бутилена 90-100; про­пилена 70-90; этилена 20-30. При полимеризации олефинов вы­деляется тепло - около 1548 кДж/кг пропилена и около 712 кДж/кг бутиленов.

Процесс проводят в реакторах трубчатого или камерного ти­па. В реакторах трубчатого типа катализатор располагается в трубках диаметром 50-150 мм, между которыми для снятия теп­ла реакции циркулирует кипящая вода. В реакторах камерного типа катализатор располагается слоями (по 0,6-2,4 м), и темпе­ратура в них поддерживается вводом в реактор охлажденного сжиженного пропана. Разность температур продуктов на выходе и сырья на входе в реактор 8-10 °С для реакторов трубча­того типа и 50-60 °С для реакторов камерного типа.

Условия процесса зависят от природы катализатора, сырья и ассортимента получаемых продуктов. Так, полимеризацию пропан-пропиленовой фракции на ортофосфорной кислоте с целью получения тетрамеров пропилена осуществляют условиях:

Давление, МПа ..................................................................................7,0-8,0

Температура, °С

на входе сырья в реактор ...................................................................180-210

на выходе продуктов из реактора…………………………………… 225-230

Объемная скорость подачи сырья, ч^-1

по пропилену ........................................................................................0,6-0,65

по суммарному сырью ............................................................................3,3-4,5

Коэффициент рециркуляции легких полимеров, %

на исходный пропилен .....................................................................500-600

на исходное сырье ...................................................................................150-200

Глубина превращения пропилена, % масс. ………………………..80-90

Выход тетрамеров пропилена, % масс, на пропилен

пропущенный ........................................................................................65-70

прореагировавший ..................................................................................70-80

при следующих

За целевые продукты принимают фракции 175-215 °С (тетрамеры пропилена) и 215-260 °С (пентамеры пропилена). Фракция 50-175 °С (легкие полимеры) идет на рециркуляцию для увели­чения выхода целевых продуктов.

Полимеризацию пропилена на ортофосфорной кислоте с целью получения полимербензина проводят при 220-230 °С, 6,5-7 МПа, объемной скорости подачи сырья 1,7-2,9 ч^-1. Если вместо кизельгура применяют кварцевый носитель, процесс поли­меризации ведут при меньшем давлении (1,4-3,5 МПа), что до­пускается вследствие, простоты регенерации кварцевого носителя.

Полимеризацию смеси пропилена и бутиленов осуществляют на катализаторе - фосфорной кислоте на кизельгуре при 200 °С, 5 МПа, объемной скорости подачи сырья 2 ч^-1 и мольном соотно­шении пропилена и бутиленов 1-1,3:1. При этом глубина пре­вращения непредельных углеводородов 80-85%. Полимери­зацию бутиленов проводят при 170-180 °С, 4,0-6,0 МПа и объемной скорости подачи сырья 4 ч^-1. Выход полимеров 900-1200 кг/кг катализатора в трубчатых реакторах и 400-500 кг/кг в камерных.

При составлении материального баланса установки полимери­зации выход полимербензина определяется количеством прореа­гировавшего олефина, остальное составляет отработанная бутан-бутиленовая или пропан-пропиленовая фракция.

При определении размеров и числа реакторов трубчатого ти­па рассчитывают следующие показатели.

1. Объем (V_к.р, м³) катализатора, находящегося в реакторе

V_к.р= V_c/ω

(51)

(12)

где V_c - объем сырья в жидком состоянии при температуре реакции, м³/ч; ω - объемная скорость подачи сырья, ч^-1.

2. Объем одной трубки (V_тр, м³), где расположен катализатор. Внутренний диаметр трубки принимается равным 50,8-127,0 мм.

3. Общее число трубок N

(52)

4. Число реакторов, исходя из того, что в одном реакторе рас­положено около 200 трубок.

5. Число (n) трубок, расположенных по диаметру реактора

(53)

(12)

где N₁ - число трубок в одном реакторе.

6. Диаметр (D, м) реактора

(54)

где b - расстояние между центрами трубок, равное 150-170 мм.

7. Высоту реактора определяют, исходя из длины трубки и расстояний от трубных решеток до верхнего и нижнего днищ. Расстояние от трубной решетки до днища принимают равным 0,5 D).

8. Проверяют, достаточна ли поверхность теплообмена для снятия теплоты реакции кипящей воды. При температуре воды на 10-15 °С ниже температуры реакции общий коэффициент тепло­передачи в реакторе составляет 419-838 кДж/(м²∙ч∙К).

Для реакторов камерного типа определяют следующие показа­тели.

1. Объем катализатора в реакторе (V_к.р, м³).

2. Принимают диаметр реактора (D, м), высоту слоя катали­затора (h, м) и расстояние между слоями (α, м).

3. Число слоев (n')

(55)

где F - сечение реактора, м².

4. Высоту реактора (H, м)

(56)

где h_д - высота днища, м (h_д=½ D для полусферических днищ; h_д=¼ D

полуэллиптических днищ).

Пример 1. На установке полимеризации в присутствии орто-фосфорной кислоты перерабатывают 400000 м³/сут углеводород­ного газа. Составить материальный баланс установки и опреде­лить состав отработанного газа, если известно: состав сырья (в % масс.): С₃Н₆ 13,6; С₃Н₈ 33,4; С₄Н₈ 23,0; С₄Н₁₀ 30,0; глубина превращения бутиленов 100%, пропилена 90%.

Решение. Подсчитывают среднюю молекулярную массу сырья

Определяют плотность сырья при нормальных условиях

Находят массу перерабатываемого сырья

Определяют выход полимербензина

Результаты подсчетов сводят в таблицу:

Сырье	% масс.	т/сут	Продукт	% масс.	т/сут
Приход Пропан-пропиленовая фракция	100,0	848	Расход Полимербензин Отработанный газ	35,2 64,8	300 548
Итого	100,0	848	Итого	100,0	848

В состав отработанного газа входят весь бутан, пропан и часть пропилена (13,6-0,1 = 1,4% на сырье). Результаты подсчета сво­дят в таблицу:

Углеводород	% масс. на сырье	% масс.на отработанный газ
Пропилен Пропан Бутан	1,4 33,4 30,0	2,2 51,6 46,2
Итого	64,8	100,0

Пример 2. На установке полимеризации бутан-бутиленовой фракции в присутствии ортофосфорной кислоты на кизельгуре пе­рерабатывают 400 т/сут сырья. Определить диаметр и число ре­акторов трубчатого типа, если известно: массовая скорость пода­чи сырья ω=0,8 ч^-1; насыпная плотность катализатора ρ_нас=1,0 т/м³; диаметр трубок 102X8 мм, длина их 6 м; расстояние между центрами трубок b= 170 мм.

Решение. Определяют количество катализатора, находящего­ся в реакторах

Находят объем реакционного пространства

Подсчитывают объем одной трубки

Определяют необходимое число трубок по уравнению (52)

Принимают три реактора с числом трубок в каждом

Определяют число трубок по диаметру реактора по уравне­нию (53)

Подсчитывают диаметр реактора по уравнению (54)

Пример 3. На установке полимеризации в присутствии ортофосфорной кислоты перерабатывают 400 т/сут пропан-пропиленовой фракции. Определить размеры реактора камерного типа, ес­ли известно: высота одного слоя катализатора в реакторе h=1,1 м, а расстояние между соседними слоями α=0,6 м; массо­вая скорость подачи сырья ω=1,0 ч^-1; насыпная плотность ката­лизатора ρ_нас=10 т/м³.

Решение. Определяют массу катализатора, находящегося в реакторе

Находят объем катализатора в реакторе

Принимают диаметр реактора D=2 м, тогда сечение его со­ставляет

Определяют число слоев катализатора по уравнению (55)

Высота реактора составляет по уравнению (56)

где h_д - высота до верхнего и нижнего днищ в отдельности 1 м.

Задачи

№1. На установке полимеризации в присутствии ортофосфорной кислоты перерабатывают пропан-пропиленовую фракцию. Составить материальный ба­ланс установки, если известно: производительность установки G_с - 100000 т/год по сырью; содержание пропилена в сырье 29,2% масс.; глуби­на превращения пропилена Х=85%.

№2. На установке полимеризации в присутствии ортофосфорной кислоты перерабатывают 65500 м³/сут пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракций. Подсчитать материальный баланс установки, если известно: состав сырья (в % объемн.): С₃Н₆ 24,2; С₃Н₈ 36,0; С₄Ню 20,6; С₄Н₈ 19,2; глубина превращения бутиленов 95%, пропилена 80%.

№3. На установке полимеризации в присутствии ортофосфорной кислоты на 1кварце перерабатывают 300 т/сут пропан- пропиленовой и бутан-бутилено­вой фракций. Определить размеры и число реакторов трубчатого типа, если известно; плотность жидкого сырья d²⁰₄=0,585; объемная скорость подачи сырья ω=2,0 ч^-1; диаметр трубок 76X8 мм; длина трубок 5,0 м; расстояние между центрами трубок b = 150 мм.

№4. На установке полимеризации с реактором камерного типа в присут­ствии ортофосфорной кислоты на кизельгуре перерабатывают 200 т/сут про­пан-пропиленовой фракции. Определить размеры реактора, если известно: плотность жидкого сырья d²⁰₄ =0,528; объемная скорость подачи сырья ω=2,2ч^-1; высота одного слоя катализатора h=1,2 м; расстояние между со­седними слоями а=0,6 м.

№5. Определить массу водяного пара, образующегося на установке по­лимеризации пропан-пропиленовой фракции, если известно: производитель­ность установки по полимербензину 12500 кг/ч; теплота реакции q_р=1339 кДж/кг полимеров; температура в реакторе, поддерживаемая кипящей водой, 200 °С; температура питательной воды (возвращаемого конденсата) 200 °С.

№6. На установке полимеризации пропан-пропиленовой фракции для под­держания необходимой температуры в камерном реакторе вводят жидкий пропан. Определить массу циркулирующего пропана, если известно: произво­дительность установки 2000 кг/ч по тетрамеру пропилена или 8000 кг/ч по сырью; теплота реакции q_р - 963 кДж/кг тетрамера пропилена; давление в реакторе 6 МПа; температура сырья на входе и продуктов реакции на выходе из реактора 165 и 175°С соответственно; средняя удельная теплоем­кость углеводородной смеси в реакторе С=2,3 кДж/(кг∙К); температура вво­димого жидкого пропана 30 °С.