Совершенствование технологии гидрирования бензола в производстве капролактама в ОАО "Гродно Азот"

97

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Повышения квалификации и переподготовки

Специальность «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ:

Совершенствование технологии гидрирования бензола в производстве капролактама в ОАО «Гродно Азот»

Дипломник Савосько А.И.

Руководитель проекта Е.И. Грушова

д.т.н., проф. зав. кафедрой

Минск 2015



Реферат

БЕНЗОЛ, ГИДРИРОВАНИЕ, ЦИКЛОГЕКСАН, КАТАЛИЗАТОР, РЕАКТОР, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА, РЕШЕТКА

Цель проекта ? совершенствование технологии гидрирования бензола в производстве капролактама на ОАО «Гродно Азот».

Указанная цель может быть достигнута заменой существующей распределительной решётки реактора на новую.

Пояснительная записка включает аналитический обзор литературных и патентных данных о способах производства, выбор технологической схемы, характеристику сырья и готовой продукции, физико-химические основы производства и оптимизацию технологического режима, описание технологической схемы, расчет материального и теплового балансов, расчет расходных коэффициентов, нормы технологического режима, автоматизации производства, охрану труда, охрану окружающей среды; провели экономическую оценку целесообразности разработанного мероприятия.

The abstract

BENZENE, HYDROGENATION, CYCLOHEXANE, CATALYST, REACTOR,

TECHNOLOGICAL SCHEME, GRID

The purpose of the project ? improving the technology of hydrogenation of benzene in caprolactam production at JSC «Grodno Azot».

This goal can be achieved through replacement of the reactor existing distribution grate. Economic grounds for such a decision are given.

Functional scheme of benzol hydrogenation process into cyclohexane is provided. All required technological and strength calculations are made. Drawings of benzol hydrogenation reactor, distribution grate and its parts are designed; action plan of device operation, maintenance, safety and production automation is drawn up. All necessary economic calculations are made.



Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Физико-химические основы производства

1.1.1 Гидрирование бензола на вольфрам-никель-сульфидном катализаторе

1.1.2 Гидрирование бензола на платиновом катализаторе

1.2 Типы реакторов гидрирования бензола

1.3 Анализ технологических схем

1.3.1 Технологическая схема гидрирования бензола на вольфрам-никель-сульфидном катализаторе

1.3.2 Технологическая схема гидрирования бензола на никель-хромовом катализаторе

1.3.3 Технологическая схема гидрирование бензола на платиновом катализаторе

1.3.4 Технологическая схема гидрирование бензола в жидкой фазе

1.4 Обоснование выбора технологической схемы гидрирования бензола

1.5 Обоснование выбора проектного решения

2. Характеристика сырья и готовой продукции

3. Описание технологической схемы

4. Расчет технологических балансов и расходных норм

4.1 Расчет материального баланса до реконструкции

4.2 Тепловой баланс трубчатого до реконструкции реактора

4.3 Материальный баланс после реконструкции

4.4 Тепловой баланс проектируемого аппарата после реконструкции

4.5 Расчет расходных коэффициентов

5. Расчет основного и подбор вспомогательного оборудования

5.1 Технологический расчёт реактора

5.2 Механический расчет

5.2.1 Выбор и расчет обечайки (корпуса) реактора

5.2.2 Расчет днища эллиптического

5.2.3 Выбор и расчёт штуцеров

5.2.4 Выбор штуцера для выгрузки носителя катализатора

5.2.5 Выбор конструкционного материала реактора

5.3 Расчёт и подбор вспомогательного оборудования

6. Контроль производства и управления

7. Мероприятия по охране окружающей среды

8. Мероприятия по охране труда и безопасности жизнедеятельности

8.1 Требования к обозначению опасных мест и оборудования

8.2 Мероприятия по снижению уровня шума

8.3 Мероприятия по снижению уровня вибрации

8.4 Мероприятия по обеспечению нормальных микроклиматических условий

8.5 Уменьшение вероятности поражения персонала установки электрическим током

8.6 Требования к освещению рабочих мест, аварийному освещению, переносным светильникам

8.7 Правила безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением

8.8 Меры безопасности при эксплуатации электрооборудования и оборудования с вращающимися деталями

8.9 Требования к обслуживанию средств защиты от статического электричества

8.10 Противопожарная безопасность

9. Экономическая оценка проекта

9.1 Расчёт капитальных затрат

9.1.1 Расчет расходов на демонтаж оборудования

9.1.2 Расчет стоимости новой тарелки

9.1.3 Расходы по доставке установки на место эксплуатации

9.1.4 Расчет расходов на монтаж установки

9.1.5 Сводная смета капитальных затрат на реконструкцию реактора гидрирования бензола P-107

9.2 Расчет эксплуатационных расходов

9.2.1 Расчет производственной мощности аппарата

9.2.2 Расчет энергетических затрат

9.2.3 Расчет численности производственных рабочих и фонда оплаты их труда

9.2.4 Расчет отчислений в фонд социальной защиты от средств на оплату труда

9.2.5 Расчет амортизационных отчислений

9.2.6 Расчет затрат на содержание и ремонт оборудования

9.2.7 Расчет затрат на содержание и ремонт здания

9.2.8 Расчет других общепроизводственных расходов

9.3 Расчет показателей экономической эффективности реконструкции реактора гидрирования бензола Р-107

Заключение

Список использованной литературы



Введение

В мировом производстве и потреблении конструкционных материалов доля пластмасс постоянно увеличивается. Высокая степень роста темпов потребления особенно характерна для полиамидов. По таким характеристикам, как прочность, коррозионная стойкость, легкость, они успешно конкурируют с металлами и стеклом в автомобилестроении. В отраслях, связанных с электричеством и электроникой, огнестойкий полиамид продолжает вытеснять дорогостоящий полипропиленсульфид и полибутилентерефталат. По оценке экспертов, мировой спрос на полиамиды в перспективе будет возрастать на 6-8 % в год. [1]

Важнейшей областью промышленного применения капролактама является производство полиамидных смол, в основном полиамида-6. Этот продукт поликонденсации капролактама обладает уникальными свойствами, благодаря которым находят широкое применение в производстве целого ряда материалов и изделий:

- мягкие напольные покрытия, текстильные изделия, декоративные и драпировочные ткани;

- технические текстильные изделия - шинный корд, рыболовецкие сети, канаты, синтетическая щетина, капроновые нити;

- технические пластмассы;

- предметы одежды;

- упаковочные пленки.

На сегодняшний день прогнозируемый рост мирового потребления капролактама опережает прирост производственных мощностей по выпуску данного продукта. По оценкам аналитиков темпы прироста потребления капролактама на период 2014-2017 годы составят до 3,3 % в год, в секторе полиамидов - до 6%. Темпы роста потребления капролактама в Юго-Восточной Азии, начиная с 2000 года, не опускаются ниже 9 % при среднемировых темпах роста в 4-5 %. [2]

ОАО «Гродно Азот» входит в число наиболее крупных химических предприятий Республики Беларусь и является единственным производителем капролактама в стране. Исходным сырьем для получения капролактама является бензол. Первым промежуточным продуктом окислительной схемы производства капролактама является циклогексан, который получается преимущественно гидрированием бензола. Циклогексан содержится в большинстве нефтей в количестве от 0,3 до 1%, однако препятствием для использования «нефтяного» циклогексана в промышленности органического синтеза является сложность его выделения.

Использующаяся технологическая схема на производстве капролактама на стадии гидрирования бензола имеет ряд недостатков, среди которых проблемы, связанные со снижением активности никелевых катализаторов, с потребностью повышения производительности реактора без потери качества конечного продукта. Так как объем производства постоянно увеличивается, то и увеличивается потребность в азото-водородной смеси. Также существуют проблемы с прочностными характеристиками реактора, так как процесс гидрирования ведется при высоких температурах и давлениях. Однако основным недостатком является то, что взаимодействие катализатора с реакционной смесью газов осуществляется очагово, а это ухудшает дальнейший процесс гидрирования. Также затруднено смешивание бензола с циркуляционными газами[2].

В ОАО «Гродно Азот» планируется реконструкция производства капролактама, поэтому целью данной работы является увеличение мощности установки на основе совершенствования технологии гидрирования бензола.

В связи с этим, в настоящее время стоит острая проблема по усовершенствованию существующего реактора гидрирования бензола на предприятии ОАО «Гродно Азот» с целью уменьшения затрат на производство готовой продукции.

1. Аналитический обзор

бензол реактор обечайка штуцер

Производство капролактама проводится в несколько стадий, одна из которых ? гидрирование бензола. В данном разделе проводим исследование данного процесса.

1.1 Физико-химические основы производства

Основными веществами, используемыми, в процессе производства капролактама являются: бензол и циклогексан.

Бензол ? бесцветная жидкость со своеобразным ароматическим запахом. На холоде бензол застывает в кристаллическую массу, плавящуюся при +6°С. Легче воды М = 78,12 кгмоль. Удельный вес 0,88 гсм³. Жидкий бензол раздражает кожу. При частом соприкосновении рук с бензолом наблюдается зуд, краснота, отечность, сыпь. Постоянное вдыхание паров бензола даже в небольших концентрациях может привести к тяжелому хроническому заболеванию[3].

Циклогексан ? легковоспламеняющаяся ядовитая жидкость с неприятным запахом. Токсичен. Обладает наркотическим воздействием. При попадании на кожу обезжиривает и раздражает ее, вызывает зуд. Циклогексан может оказать токсическое воздействие при вдыхании и попадании внутрь, а также раздражающее и обезжиривающее воздействие на незащищенные участки кожи[4].

Методы гидрирования бензола

Другой группой процессов синтеза капролактама являются процессы, в которых в качестве исходного сырья используется бензол. Первой стадией этих процессов является каталитическое гидрирование бензола до циклогексана над Pt/Al₂O₃ или никель-хромовым катализатором при 250-350 и 130-220 °C соответственно.

Смещению равновесия в сторону образования циклогексана способствует увеличение давления и отвод тепла. С понижением температуры и повышением давления реакция сдвигается в сторону образования циклогексана. В диапазоне параметров промышленного процесса равновесная концентрация циклогексана составляет 99,99%.

Равновесная степень конверсии бензола в циклогексан зависит от: давления, температуры и мольного соотношения бензола к циклогексану. Значения этой зависимости представлена на рисунке 1.1[4].

Реакция гидрирования бензола водородом до циклогексана характеризуется уравнением:

С₆Н₆ + 3Н₂ = С₆Н₁₂ + 207 кДж/моль (1.1)

Данная реакция обратима и сопровождается значительным выделением тепла. Смещению равновесия в сторону образования циклогексана способствует увеличение давления и отвод тепла.

Рисунок 1.1 ? Равновесная степень конверсии бензола в циклогексан при различных давлении, температуре и мольного соотношения бензола к циклогексану



1 ? Н₂:С₆Н₆=3, Р=0,1МПа; 2 ? Н₂:С₆Н₆=3,Р=0,1МПа;

3 ? Н₂:С₆Н₆=3, Р = 5 МПа; 4 ? Н₂: С₆Н₆=3, Р = 5 МПа.

Реакция гидрирования бензола протекает неравномерно по высоте реактора. Степень конверсии бензола в циклогексан меняется в зависимости от высоты слоя катализатора, объёмной скорости и от продолжительности гидрирования. Такая зависимость представлена на рисунке 1.2[4].

1 ? 60 ч; 2 - 136 ч; 3 - 416 ч; 4 - 747 ч.

Рисунок 1.2 ? Зависимость степени конверсии высоты слоя катализатора, объёмной скорости гидрирования

Из рисунка видно, что около 90 % бензола превращается на 30-ти % от общего объема катализатора, что объясняется кинетическими закономерностями процесса. В связи с этим, для стабилизации температурного поля по высоте трубчатого реактора катализатор разбавляется фарфоровыми стержнями. Практически весь бензол гидрируется в первом реакторе, в который загружено около 30 % от всего объема катализатора.

Процесс гидрирования бензола водородом осуществляется в парогазовой фазе при давлении от 1,57 до 1,96 МПа (от 16 до 20 кгс/см ) и температуре от 125°С до 270°С на никелевых катализаторах в двух последовательно соединенных реакторах: в трубчатом реакторе со съемом тепла реакции кипящим конденсатом и в колонном реакторе адиабатического типа. Принятые температуры обеспечивают протекание реакции практически полностью в сторону образования циклогексана. При более высоких температурах может протекать реакция изомеризации циклогексана в метилциклопентан, представленной на рисунке 1.3[4].

Рисунок 1.3 - Изомеризация циклогексана в метилциклопентан

В качестве водородосодержащего газа для гидрирования бензола используется азотоводородная смесь (АВС) с объемной долей водорода не менее 90 % и реакционный водород дегидрирования. Для уменьшения потерь водорода используется проточно-циркуляционная схема, в которой непрореагировавший водород возвращается в цикл. Количество циркуляционного газа определяется необходимостью поддержания бензола в паровой фазе, для чего при давлении в системе 1,57 МПа (16 кгс/см) мольное соотношение газ : бензол должно быть 8:1.

Использование для гидрирования бензола смеси водорода с инертными газами приводит к необходимости отдувать часть газа для поддержания в цикле необходимой концентрации водорода. Количество отдуваемого газа, а следовательно, и потери водорода увеличиваются при уменьшении содержания водорода в исходной смеси. Объемная доля водорода в отдувочном газе поддерживается в пределах от 20 % до 50 %.

Качество циклогексана, образующегося при гидрировании бензола на никелевых катализаторах, в основном зависит от качества бензола, поэтому к качеству бензола предъявляются высокие требования. Прежде всего, в бензоле ограничивается содержание Н-гептана, метилциклогексана, толуола. При гидрировании бензола Н-гептан и метилциклогексан не изменяются, а толуол ся в метилциклогексан. На стадии окисления циклогексана Н-гептан, метилциклогексан, содержащиеся в циклогексане, окисляются до гептанона-2, который в процессе синтеза капролактама превращается в легкокипящие основания ? (амиды), ухудшающие качество капролактама.

Образующийся в незначительных количествах, гептанон-2 отгоняется из циклогексананона со спиртовой фракцией на стадии ректификации продуктов окисления. В соответствии с этим производство циклогексана должно обеспечиваться бензолом нефтяным ГОСТ-9572[7], качеством не ниже «высшего сорта для синтеза».

Рисунок 1.4 - Зависимость активности катализатора от количества поглощенной серы при отравлении тиофеном.

Никелевые катализаторы очень чувствительны к серосодержащим соединениям, которые являются контактными ядами. Серосодержащие соединения хемосорбируются поверхностью катализатора, необратимо отравляя его. Наиболее сильным ядом является тиофен: полное отравление наступает при адсорбции 1 граммом катализатора 8 мг тиофеновой серы. В связи с этим к исходному сырью предъявляются определенные требования по содержанию в них серы. Зависимость активности катализатора от количества поглощенной серы при отравлении тиофеном представлена на рисунке 1.4.

Для обеспечения длительной работы никелевых катализаторов предусмотрена форконтактная очистка бензола и исходной АВС от серосодержащих соединений на катализаторе низкотемпературной конверсии оксида углерода (НКТ-4).

Гидрирование бензола также проводят на катализаторах[4]:

? вольфрам-никель-сульфидном;

? платиновом.

1.1.1 Гидрирование бензола на вольфрам-никель-сульфидном катализаторе

Недостатком схемы является необходимость введения серы в бензол, а также высокое давление в системе (3 МПа), что требует применения устойчивых к сульфидной коррозии сталей. Гидрирование проводят в реакторах полочного типа при объемной скорости подачи бензола 0,2-0,4 ч^-1. Тепло реакции отводится циркуляционным газом.

«Осерненный» бензол, смешанный с циклогексаном (1 : 1), подают в колонну гидрирования, внутри которой размещены теплообменник и катализаторная коробка. В теплообменнике, куда поступает также циркуляционный водород, сырье испаряется, нагревается до 250-280°С и по центральной трубе попадает в нижнюю часть катализаторной зоны. Катализатор располагается на пяти полках, причем на каждой следующей полке по ходу газовой смеси объем его увеличивается, что обеспечивает равномерный температурный режим в колонне. Кроме того, на каждую полку подводится холодный водород.

Парогазовая смесь выходит из катализаторной зоны с температурой 350°С и охлаждается в теплообменной части, покидая колонну с температурой 120°С. Далее реакционная смесь поступает в водяной конденсатор и сепаратор, где сконденсировавшиеся углеводороды отделяются от газа. Газ возвращается в цикл, жидкость же дросселируется до 1 МПа, отделяется в сепараторе низкого давления от газов и поступает на очистку[4].

1.1.2 Гидрирование бензола на платиновом катализаторе

Проводят в трубчатом реакторе, в котором тепло реакции отводится циркулирующим органическим теплоносителем. Реакция протекает при 220-240°С, 3 МПа и объемной скорости подачи бензола 0,8-0,9 ч^-1.

Ввиду высокой чувствительности платинового катализатора к примесям воды в бензоле, последний перед подачей в реактор осушают азеотропной ректификацией. Содержание воды в бензоле, выходящем из колонны осушки, не превышает 0,01%.

Проходя систему теплообменников и испарителей, бензол испаряется и смешивается с циркуляционным газом (мольное отношение газ : бензол равно 8 : 1). Исходная смесь с температурой 120-130°С вводится в верхнюю часть трубчатого реактора. Его конструкция позволяет создать дифференцированный съем тепла реакции за счет направленного движения высокотемпературного теплоносителя в межтрубном пространстве. Из реактора теплоноситель поступает в испаритель, где отдает часть тепла исходной парогазовой смеси, и далее в котел-утилизатор, откуда, охладившись, возвращается в реактор.

Для повышения степени конверсии бензола гидрирование проводят в две стадии с промежуточным поглощением окисью цинка сероводорода, образующегося при гидрировании серосодержащих примесей. Вторая стадия гидрирования осуществляется в реакторе колонного типа со стационарным катализатором. Степень конверсии бензола после второй стадии составляет 99,9%.

Для удаления из циклогексана высококипящих примесей предусматривается ректификационная колонна с ситчатыми тарелками[4].

Циклогексан-сырец содержит около 3% непрореагировавшего бензола, до 2% метилциклопентана, 0,5-0,7% тяжелокипящих соединений, а также растворенный сероводород. Отделение только легколетучих примесей ректификации недостаточно для получения циклогексана, пригодного для окисления. Остающиеся тяжелокипящие примеси (сернистые соединения) тормозят процесс окисления и снижают выход полезных продуктов. Поэтому циклогексан-сырец подвергают двухступенчатой ректификационной очистке и от легколетучих, и от тяжелокипящих примесей.

1.2 Типы реакторов гидрирования бензола

Реакторы представляют собой массивные цилиндрические аппараты с полусферическими (вследствие сложности штамповки толстостенного металла) днищами. Диаметр их от 1,2 до 4 м, высота 8-10 м.

Данный каталитический трубчатый конвертор углеводородов (рисунок 1.5) может быть использован в химической, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности в производстве получения аммиака, метанола, высших спиртов и технического водорода [8].

Совмещенный каталитический конвертор углеводородов включает футерованный цилиндрический корпус 1, внутри которого размещены смесительное устройство для подвода и смешения кислородосодержащего газа с конвертированным газом после первичного риформинга 2, свободное пространство для реакции горения горючих компонентов конвертированного газа после первичного рифоринга с кислородом 3, катализаторный слой для проведения процесса конверсии метана с водяным паром 4, катализаторной решетки для поддержания катализатора конверсии метана 5, трубчатые модули 6, включающие реакционные трубы 7, загруженные катализатором конверсии и ограничительную обечайку 8, патрубки подвода исходной парогазовой смеси 9 и патрубки отвода конвертированного газа после процесса первичной конверсии 10, а также опорную решетку крепления модулей 11, передаточные коллекторы конвертированного газа после первичной конверсии в смеситель 12, штуцер подвода кислородосодержащего газа 13, коллектор подвода исходной парогазовой реакционной смеси 14, штуцер отвода конвертированного газа 15, полости для отводящих коллекторов 16, запорный замок 17, газоход для направления конвертированного газа после первичного риформинга в камеру горения 18.

1 ? корпус; 2,3 ? смесительные устройства; 4 ? катализаторный слой; 5 ? катализатор конверсии метана;6 ? трубчатые модули ; 7 ? реакционные трубы; 8 ? ограничительная обечайка; 9,10 ? патрубки; 11 ? опорная решётка; 12 ? смеситель; 13,15 ? штуцера; 14 ? коллектор; 16 ? полости; 17 ? запорный замок; 18 ? камера горения.

Рисунок 1.5 ? Реактор для каталитической конверсии углеводородов

Исходная технологическая смесь исходного газа и водяного пара через коллектор 14 поступает в корпус 1, далее через патрубки подвода исходной парогазовой смеси 9 подаются снизу в реакционные трубы 7, загруженные катализатором конверсии углеводородов и собранные в плотный пучок, охваченный ограничительной обечайкой 8, и образующие все вместе модуль 6, который установлен на опорной решетке крепления модулей 11. В реакционных трубах 7 происходит процесс паровой конверсии с образованием смеси водорода, окислов углерода, метана и водяного пара. Из реакционных труб 7 конвертированный газ собирается в патрубки отвода конвертированного газа 10, которые опираются на опорную решетку модулей 11 и служат как несущая конструкция трубного пучка. Патрубки 10 соединены как с каждым из модулей, число которых меняется в зависимости от габаритов корпуса 1 и модулей 6, так и с передаточным коллектором 12, размещенным в специальных полостях 16, сформированных в футеровке совмещенного конвертора 1. Конвертированный газ после модулей 6 первичной конверсии по патрубку 10 далее через передаточный коллектор 12 подается в смеситель 2, сюда же подается кислородосодержащий газ. В свободном пространстве 3 над слоем катализатора конверсии происходит взаимодействие кислорода с горючими компонентами конвертированного газа после первичного риформинга с повышением температуры. Высокотемпературная реакционная смесь поступает в слой катализатора конверсии углеводородов 4, где происходит взаимодействие метана с водяным паром с одновременным понижением температуры реакционной смеси ? вторичный риформинг. Пройдя катализаторную решетку 5, горячий конвертированный газ после доконверсии равномерно распределяется по модулям 6, при движении в ограниченном обечайкой 8 межтрубном пространстве которых отдает тепло реакционным трубам, загруженным катализатором. Модули 6 плотно установлены на опорной решетке 11 с помощью запорного устройства 17, что исключает байпасирование греющего газа мимо теплообменных поверхностей реакционных труб 6. Внутри модуля 7 в опорной решетке 11 образован свободный проход для охлажденного в трубных пучках потока конвертированного газа после слоя катализатора доконверсии, который после охлаждения через штуцер 15 выводится из корпуса 1.

Данный реактор относится к конструкциям кожухотрубчатых реакторов для проведения процессов каталитической конверсии углеводородов и может быть использовано в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности [8].

Кожухотрубчатый реактор (рисунок 1.6) состоит из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками для сырья, входным 2 и выходным 3 патрубками для сырья, входным 4 и выходным 5 патрубками для теплоносителя, крышек 6 и пучка реакционных труб 7 с катализатором, которые оканчиваются распределительными устройствами 8 с входными прямоугольными щелевыми отверстиями 9, снабженными внутренними направляющими пластинами 10, образующих отверстия, по которым сырье распределяется на катализатор.

1 ? корпус; 2, 3, 4, 5 ? патрубки ; 6 ? крышки ; 7 ? пучок реакционных труб; 8 ? распределительными устройствами; 9 ? щелевыми отверстиями; 10 ? направляющие пластинами

Рисунок 1.6 ? Кожухотрубчатый реактор

Устройство работает следующим образом. Сырье поступает в верхний патрубок ввода 2 и с помощью распределительных устройств с входными прямоугольными щелевыми отверстиями 9 равномерно распределяется по реакционным трубам 7, заполненных катализатором. Через отверстия 9 сырье поступает в трубы. Ниже рассмотрена работа устройства при различных скоростях подачи сырья в реактор.

При пониженной производительности сырье переливается через нижний край отверстия 9 и полностью попадает на катализатор через отверстия, образованные соседними направляющими пластинами 10 и стенками труб. Направляющие пластины с отгибом придают сырью направленное течение его к стенкам реакционных труб в отверстия, площади которых достаточны для распределения сырья при пониженной производительности.

При высокой производительности сырье через щелевое отверстие 9 поступает во внутреннюю часть реакционной трубы 7 и пропорционально распределяется по сечению катализатора.

Большая часть сырья за счет сил гравитации пройдет через горизонтальные отверстия, образованные направляющими пластинами 10 и стенками труб, а оставшаяся часть перетечет через вертикальные отверстия, образованные направляющими пластинами 10.

Таким образом, благодаря предлагаемому конструктивному оформлению кожухотрубчатого реактора обеспечивается более устойчивая его работа в широком диапазоне подачи сырья. Жидкая фаза сырья всегда присутствует в пристенной области каждой реакционной трубы, что обеспечивает поддержание температуры без перегрева и коксования катализатора, что в итоге позволяет увеличить конверсию сырья в цикл работы катализатор.

Реактор, представленный на рисунке 1.7 относится к химическим неизотермическим реакторам с насыпным слоем катализатора и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности [8].

1 ? корпус ; 2, 3 ? патрубки входа и выхода теплоносителя ; 4, 5 ? верхняя и нижняя крышки ; 6, 7 ? патрубками входа и выхода реакционной массы; 8 ? трубные решетки; 9 ? трубы; 10, 11 ? катализатор; 12 ? металлические трубки

Рисунок 1.7 ? Кожухотрубный каталитический реактор

Кожухотрубный каталитический реактор, состоящий из корпуса с верхней и нижней крышками и патрубками для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя, трубных решеток с пучком труб, внутрь которых помещен катализатор, содержит дополнительный катализатор, размещенный в двух зонах, одна из которых расположена в верхней крышке, куда помещен катализатор, обеспечивающий дополнительное превращение реакционной массы в продукты реакции, а вторая - в нижней крышке, где помещен отработанный катализатор с равномерно распределенными в нем металлическими трубками, обеспечивающими выравнивание концентрации реакционной массы и температуры на входе в трубный пучок.

Дополнительный катализатор позволяет увеличить время пребывания реакционной массы в реакторе и повысить степень превращения ее в продукты реакции. Размещение дополнительного катализатора в двух зонах позволяет регулировать скорость реакции и ее тепловую мощность в зависимости от активности катализатора в каждой зоне.

Реактор содержит корпус 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 теплоносителя, верхнюю 4 и нижнюю 5 крышки с патрубками входа 6 и выхода 7 реакционной массы, трубные решетки 8 с закрепленными в них трубами 9 трубного пучка. В трубах 9 трубного пучка и в верхнюю крышку 4 засыпан катализатор 10, а в нижнюю крышку 5 засыпан отработанный катализатор 11 с равномерно распределенными по его объему металлическими трубками 12.

Кожухотрубный каталитический реактор работает следующим образом. Реакционная масса поступает по патрубку 6 в нижнюю крышку 5 с отработанным катализатором 11 и металлическими трубками 12. Из-за низкой реакционной способности отработанного катализатора химическая реакция на его гранулах идет медленно, тепловыделение (теплопоглощение) незначительно и поэтому происходит незначительное нагревание (охлаждение) реакционной массы в адиабатическом режиме, не требующее теплоотвода (теплоподвода) к хладагенту или теплоносителю.

Локальному перегреву или переохлаждению способствуют металлические трубки 12, хорошая теплопроводность которых способствует выравниванию температуры в объеме гранул отработанного катализатора 11. Кроме того, попадая внутрь трубок, реакционная масса перестает участвовать в химической реакции, что подавляет возникновение локальных пиковых температур.

Частично прореагировавшая реакционная масса поступает из нижней крышки 5 в трубы 9 трубного пучка на гранулы катализатора 10, где происходит основная реакция с тепловыделением или теплопоглощением. Для отвода тепла экзотермической реакции в межтрубное пространство корпуса 1 и труб 9 по патрубку 2 подают холодный теплоноситель, а по патрубку 3 его отводят. Для подвода тепла при протекании эндотермической реакции в межтрубное пространство корпуса 1 и труб 9 по патрубку 2 подают горячий теплоноситель, а по патрубку 3 его отводят. Таким образом, зона труб 9 трубного пучка является политропной зоной реактора.

Прореагировавшая реакционная масса выходит из труб 9 трубного пучка и поступает на гранулы 10 катализатора, находящегося в верхней крышке 4, где в адиабатическом режиме происходит дополнительное превращение сырьевых компонентов реакционной массы в продукты реакции. Так как в крышке 4 нет отвода тепла к хладагенту при экзотермической реакции, то реакционная масса в верхней крышке 4 дополнительно разогревается, что увеличивает степень превращения. Отработанная реакционная масса с продуктами реакции выводится из верхней крышки 4 через патрубок 7.

Таким образом, в предлагаемой конструкции кожухотрубного каталитического реактора происходит выравнивание температуры реакционной массы за счет использования на входе в нижней крышке 5 гранул отработанного катализатора с малой каталитической активностью и равномерного распределения в нем металлических трубок 12, снижения концентрации частично прореагировавших в нижней крышке 5 сырьевых компонентов на входе в трубы 9 трубного пучка с засыпанными в них гранулами катализатора 10 и уменьшения максимальных температур, а также увеличения температуры в верхней крышке 4 за счет использования катализатора 10 в ней без отвода тепла реакции к хладагенту.

Дополнительная засыпка отработанного катализатора в нижнюю крышку 5 и катализатора 10 в верхнюю крышку 4 увеличивает время пребывания реакционной массы и степень превращения ее реакционных компонентов в продукты реакции.

Предлагаемая конструкция кожухотрубного каталитического реактора может быть изготовлена из обычных кожухотрубных каталитических реакторов. Для этого достаточно при замене катализатора 10 в трубах трубного пучка 9 засыпать его в качестве отработанного катализатора 11 в нижнюю крышку 5 и равномерно распределить в гранулах отработанного катализатора металлические трубки 12, а свежий катализатор 10 помимо труб 9 трубного пучка засыпать в верхнюю крышку 4.

Реактор на рисунке 1.8 относится к устройствам для проведения экзотермических и эндотермических жидкофазных химических реакций и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности [8].

1 ? корпус; 2 , 3 , 5 ,7 , 16, 17 ? патрубки ; 4 ? реакционная камера; 6 ? крышка ; 8 ? теплообменные трубы; 9, 10 ? трубные доски; 11 ? вал; 12 ? активатор; 13 ? гидравлическая турбина; 14 ? лопатки ; 15 ? рубашка

Рисунок 1.8 ? Трубчатый реактор

Трубчатый аппарат для проведения химических реакций, содержащий корпус с патрубками ввода и вывода теплоносителя с размещенными в нем теплообменными трубами, закрепленными в трубных досках, крышки с патрубками ввода и вывода реакционной среды, вал с активатором, отличающийся тем, что крышка ввода реакционной среды представляет собой реакционную камеру с размещенным в ней активатором, выполненным в виде пластины с винтообразной поверхностью, установленным на конце вала и образующим с гидравлической турбиной, жестко закрепленной на валу перед активатором, распределительное устройство для равномерной подачи реакционной среды в теплообменные трубы, причем патрубки ввода реакционной среды установлены по нормали к лопаткам гидравлической турбины и реакционная камера снабжена рубашкой с дополнительными патрубками ввода и вывода теплоносителя.

Трубчатый аппарат для проведения химических реакций состоит из корпуса 1 с патрубками ввода 2 и вывода 3 теплоносителя, реакционной камеры 4 с патрубками 5 для ввода реакционной среды, и крышки 6 с патрубком 7 для вывода реакционной среды, размещенного в корпусе 1 теплообменных труб 8, закрепленных в трубных досках 9 и 10.

В реакционной камере 4 с патрубками 5 для ввода реакционной среды установлен вал 11 с закрепленным на его конце активатором 12, выполненным в виде пластины с винтообразной поверхностью. Перед активатором 12 на валу 11 жестко закреплена гидравлическая турбина 13 с лопатками 14. Активатор 12 с гидравлической турбиной 13 образуют распределительное устройство для равномерной подачи реакционной среды в теплообменные трубы 8. Патрубки 5 для ввода реакционной среды установлены по нормали к лопаткам 14 гидравлической турбины 13. Крышка 4 с патрубками 5 для ввода реакционной среды снабжена рубашкой 15 с патрубками ввода 16 и вывода 17 теплоносителя.

Трубчатый аппарат для проведения химических реакций работает следующим образом.

Компоненты реакционной среды подаются по патрубкам 5 в реакционную камеру 4. Так как патрубки 5 установлены по нормали к лопаткам 14 гидравлической турбины 13, то потоки компонентов реакционной среды ударяют в лопатки 14 и при преобразовании энергии скоростного напора в энергию давления приводят во вращение гидравлическую турбину 13 вместе с жестко соединенными с ней валом 11 и активатором 12. Так как активатор 12 выполнен в виде пластины с винтообразной поверхностью, то при его вращении как при вращении гидравлической турбины 13 происходит интенсивное перемешивание компонентов реакционной среды в реакционной камере 4, приводящее к выравниванию концентрации, температуры и давления в ее объеме, то есть активатор 12 с гидравлической турбиной 13 образуют распределительное устройство для равномерной подачи реакционной среды в теплообменные трубы 8. При химическом взаимодействии компонентов реакционной среды для неизотермических реакций, которое начинается не в теплообменных трубах 8, а в реакционной камере 4 при экзотермической реакции тепло выделяется и для его теплоотвода в рубашку 15 подводится по патрубку 16 хладагент, а по патрубку 17 этот хладагент отводится. Для эндотермических реакций, идущих с поглощением тепла, в рубашку 15 по патрубку 16 теплоноситель подводят, а по патрубку 17 отводят. Затем частично прореагировавшие компоненты реакционной среды равномерно поступают во все теплообменные трубы 8. Эта равномерность обеспечивается выравниванием давления перед входом в трубы из реакционной камеры 4 также за счет вращения активатора 12 и гидравлической турбины 13, образующих распределительное устройство. На выходе из теплообменных труб 8 продукты реакции поступают в крышку 6 и через патрубок 7 выводятся из трубчатого аппарата.

Хладагент в случае экзотермической реакции или теплоноситель в случае эндотермической реакции подают по патрубку 2 в межтрубное пространство корпуса 1 и выводят через патрубок 3.

Установка на конце вала 11 активатора 12 в виде пластины с винтообразной поверхностью, а перед ним жесткое закрепление на валу 11 гидравлической турбины 13 с образованием распределительного устройства и установка на реакционной камере 4 патрубков ввода 5 реакционной среды по нормали к лопаткам 14 гидравлической турбины 13 позволяет увеличить степень конверсии за счет увеличения объема реакционного пространства на величину объема реакционной камеры 4, улучшить качество продуктов реакции за счет выравнивания концентрации, температуры и давления при вращении вала 11 с активатором 12 и гидравлической турбиной 13, предотвратить термическую деструкцию, перегрев или переохлаждение реакционной среды в реакционной камере 4 за счет подачи теплоносителя в дополнительную рубашку 15, предотвратить попадание реакционной среды в воздух через подшипник вала 11, уменьшить термическую нагрузку на теплообменные трубы 8 и обеспечить равномерную подачу реакционной среды во все теплообменные трубы 8.

Реактор (рисунок 1.9)[9] имеет цилиндрический корпус 4, полушаровое днище 2 и крышка 5 защищены изнутри слоем футеровки. Внутри реактор снабжен несколькими перегородками, которые необходимы для лучшего перемешивания реагентов. Реакционная смесь поступает по самоуплотняющемуся штуцеру 1, реакционная смесь выводится по патрубку 6.

Данная конструкция позволяет повысить эффективность смешения жидких и газообразных реагентов в пределах каждой зоны между соседними перегородками, и обеспечить снижение продольного перемешивания в реакторе.

Для контроля сохранности футеровки на внутренней поверхности корпуса проточены кольцевые и продольные пазы глубиной 5 мм, в которые через отверстия в корпусе подают азот; на выходе азот анализируют на содержание реагентов.

Реактор, представленный на рисунке 1.10[8], содержит вертикальный корпус 1 с крышкой 2, штуцера 3, 4 и 5 для ввода реагентов и штуцер 6 для вывода продуктов. Насадка реактора состоит из горизонтальных перфорированных перегородок 7, 8 и контактных устройств 9, выполненных из труб постоянного сечения и расположенных в нижней трети реактора, где количество газовой фазы велико. Условно показаны лишь две перфорированные перегородки. Количество перфорированных перегородок, расстояние между смежными перегородками определяются характером проводимого процесса и могут быть различными.

1 - самоуплотняющий штуцер; 2 - полушаровое днище; 3 - футеровка; 4 - корпус; 5 - плоская крышка; 6 - патрубок для выхода продукта

Рисунок 1.9 - Реактор колонного типа

Каждое контактное устройство 9 состоит из вертикальных элементов ? опускного 10 и подъемного 11. Элементы 10 и 11 сообщаются внизу при помощи дополнительного U-образного элемента 12. Элементы 10 и 11 закреплены своими верхними концами в опорной решетке 13, причем расстояние их продольных параллельных осей друг от друга составляет более двух, предпочтительно от двух до шести диаметров трубы. На боковой стенке опускного элемента 10 под опорной решеткой 13 расположены входные отверстия для газовой фазы 14 и для жидкой фазы 15, размещенные равномерно по окружности трубы. Входные отверстия для газовой фазы 14 расположены выше входных отверстий для жидкой фазы 15. Верхний конец опускного элемента 10 снабжен заглушкой 16, расположенной внутри трубы. Нижний торец заглушки 16 размещен ниже нижней плоскости опорной решетки 13. Выходное отверстие 17 подъемного элемента 11 расположено на опорной решетке 13.

Опорная решетка 13 содержит короткую обечайку 18, высота которой перекрывает входные отверстия 14 и 15.

Исходные жидкие и газообразные реагенты вводят в реактор через штуцера 3, 4, 5. Для их смешения и распределения по сечению аппарата предназначена перегородка 8. Пройдя перегородку 8, газожидкостная смесь попадает в пространство, заполненное вертикальными контактными устройствами 9. Газовая фаза при опережающем движении вверх образует под опорной решеткой 13 газовую подушку. Газ и жидкость раздельно через входные отверстия 14 и 15 соответственно поступают равномерно по окружности трубы в опускной элемент 10, где контактируют в условиях нисходящего прямотока фаз. В U-образном элементе 12 взаимодействие газа и жидкости продолжается, но с большей интенсивностью ? за счет действия поля центробежных сил. Далее восходящий газожидкостный поток проходит подъемный элемент 11 и через отверстия 17 поступает в реакционную зону реактора, заполненную горизонтальными перфорированными перегородками. После прохождения верхней из них продукты реакции отводят из реактора через штуцер 6.

Наличие газовой подушки под решеткой 13 с границей раздела фаз между отверстиями 14 и 15 позволяет распределить газовую фазу равномерно по контактным устройствам и сечению реактора. В зоне установки контактных устройств исключается продольное и поперечное перемешивание реакционной среды. Структура потоков в реакторе приближается к режиму идеального вытеснения.

1 - корпус; 2 - крышка; 3, 4, 5 - вход реакционной смеси; 6 - вывод продуктов синтеза; 7, 8 - перфорированные перегородки; 9 - контактные устройства; 10 - опускной элемент; 11 - подъемный элемент; 12 - U-образный элемент; 13 - опорная решетка; 14 - входные отверстия газовой фазы; 15 - входные отверстия жидкой фазы; 16 - заглушка; 17 - выходное отверстие; 18 - обечайка

Рисунок 1.10 - Схема колонного реактора для проведения процессов в газожидкостной среде

Для повышения технологичности изготовления насадки, обеспечивающей эффективную работу реактора, предназначенного для проведения процессов в газожидкостной среде, насадка вертикального реактора содержит горизонтальные перфорированные перегородки и контактные устройства, каждое из которых состоит из закрепленных своими верхними концами в опорной решетке вертикальных трубчатых опускного и подъемного элементов, причем опускной элемент выполнен заглушенным сверху с входными отверстиями для жидкости и газа на боковой поверхности верхней части, а подъемный элемент имеет отверстие на опорной решетке для выхода газожидкостной смеси, отличающаяся тем, что опускной и подъемный элементы каждого контактного устройства выполнены в виде труб круглого сечения, параллельные оси которых размещены друг от друга на расстоянии двух диаметров трубы или более, при этом указанные элементы соединены между собой в нижней части U-образным элементом, выполненным из трубы того же диаметра.

При осуществлении данной конструкции предпочтительно, чтобы отношение высоты контактного устройства к диаметру трубы, из которой оно выполнено, находилось в пределах от 40 до 150. При отношении менее 40 ухудшается стабильность обеспечения гидродинамического режима в реакторе. При отношении более 150 существенно возрастает гидравлическое сопротивление контактного устройства и, вместе с тем, снижается его жесткость, что требует установки дополнительных поддерживающих элементов, усложняющих конструкцию.

Кроме этого, реакторам, которые оборудованы этими насадками, присуща недостаточно высокая эффективность протекания проводимого в них процесса синтеза и относительно низкая удельная производительность из-за недостаточно совершенного распределения газовой фазы.

Недостатком насадки является сложность конструкции, изготовления и сборки контактных устройств. Вариант выполнения контактных элементов из трубы предусматривает изготовление узких длинных пластин, ширина которых должна быть точно равна внутреннему диаметру труб, и размещение этих пластин внутри труб без зазоров по краям, что представляет определенную трудность. Вариант выполнения контактных элементов из заготовок S-образного сечения с последующей сваркой продольных швов требует большого объема сварочных работ. Кроме того, конструкция контактного устройства обусловливает его повышенное гидравлическое сопротивление. Наконец, ввод газа и жидкости возможен не по всему периметру сечения опускного элемента, а лишь по дуге полуокружности, что снижает равномерность распределения фаз по сечению контактного элемента.

Реактор гидрирования бензола, показанный на рисунке 1.11[4] представляет собой кожухотручатый теплообменный аппарат 1. Трубное пространство образовано трубами 6.

1- кожух; 2 ? эллиптическое днище; 3 ? распределительная камера; 4 - трyбная решетка; 5 ? решетка-шибер; 6 ? трубки, заполненные катализатором; 7 - термопара; 8 ? стяжка; 9 - перегородка; 10 ? опора-лапа

Рисунок 1.11 ? Схема трубчатого реактора гидрирования бензола

Трубы заполнены хромо-никелевым катализатором, разбавленным фарфоровыми стержнями. Для размещения десяти термопар 7 внутри кожуха дополнительно установлены трубы. Трубы закреплены в трубных решетках 4 сваркой. Для фиксации катализатора в трубах и его замены служит решетка-шибер 5. В межтрубном пространстве теплообменника установлены перегородки 9, зафиксированные стяжкой 8, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение пароводяной смеси. Устанавливается реактор на фундамент с помощью четырех опор-лап 10.

Процесс гидрирования бензола происходит в парогазовой фазе при температуре от 125 до 270 °С, давлении от 1,6 до 2,0 МПа (от 16 до 20 кгс/см²) на никелевых катализаторах. Процесс гидрирования бензола протекает с выделением тепла. В трубном пространстве реактора осуществляется контроль за температурой в зоне реакции, установленными на разных глубинах термопарами 7. Температура в реакторе от 125 до 270 °С регистрируется на операторской станции и в случае отклонения от нормы сигнализируется минимальная температура ? 125 °С и максимальная температура ? 270 °С. Тепло реакции в реакторе снимается испаряющимся в межтрубном пространстве реактора конденсатом.

После определенного времени работы активность катализатора изменяется по высоте реактора из-за осмоления и отравления его сернистыми соединениями. Снижение активности никелевых катализаторов может быть компенсировано до определенных пределов повышением температуры в зоне реакции за счет повышения давления пара в сепараторе. В начале работы на свежем катализаторе полное превращение бензола достигается в трубчатом реакторе, при этом второй реактор находится в отключенном состоянии.

При появлении бензола в циклогексане после реактора к технологической схеме подключается засыпной реактор. В этом случае температура реакционной смеси на выходе из реактора не должна превышать 230 °С.

1.3 Анализ технологических схем

1.3.1 Технологическая схема гидрирования бензола на вольфрам-никель-сульфидном катализаторе

Недостатком схемы является необходимость введения серы в бензол, а также высокое давление в системе (3 МПа), что требует применения устойчивых к сульфидной коррозии сталей. Гидрирование проводят в реакторах полочного типа при объемной скорости подачи бензола 0,2-0,4 ч^-1. Тепло реакции отводится циркуляционным газом.

«Осерненный» бензол, смешанный с циклогексаном (1 : 1), подают в колонну гидрирования, внутри которой размещены теплообменник и катализаторная коробка. В теплообменнике, куда поступает также циркуляционный водород, сырье испаряется, нагревается до 250-280°С и по центральной трубе попадает в нижнюю часть катализаторной зоны. Катализатор располагается на пяти полках, причем на каждой следующей полке по ходу газовой смеси объем его увеличивается, что обеспечивает равномерный температурный режим в колонне. Кроме того, на каждую полку подводится холодный водород.

Парогазовая смесь выходит из катализаторной зоны с температурой 350°С и охлаждается в теплообменной части, покидая колонну с температурой 120°С. Далее реакционная смесь поступает в водяной конденсатор и сепаратор, где сконденсировавшиеся углеводороды отделяются от газа. Газ возвращается в цикл, жидкость же дросселируется до 1 МПа, отделяется в сепараторе низкого давления от газов и поступает на очистку.

Циклогексан-сырец содержит около 3% непрореагировавшего бензола, до 2% метилциклопентана, 0,5-0,7% тяжелокипящих соединений, а также растворенный сероводород. Отделение только легколетучих примесей ректификации недостаточно для получения циклогексана, пригодного для окисления. Остающиеся тяжелокипящие примеси (сернистые соединения) тормозят процесс окисления и снижают выход полезных продуктов. Поэтому циклогексан-сырец подвергают двухступенчатой ректификационной очистке и от легколетучих, и от тяжелокипящих примесей.



1.3.2 Технологическая схема гидрирования бензола на никель-хромовом катализаторе

Проводят в насыпных реакторах шахтного типа, а также в агрегатах с трубчатыми реакторами. Принципиальная схема гидрирования с применением трубчатого реактора представлена на рисунке 1.12.

1 ? насос; 2 ? теплообменник; 3 ? подогреватель; 4 ? компрессор; 5 ? колонна форконтакта; 6 ? реактор трубчатый; 7 ? сепаратор; 8 ? колонный реактор; 9 ? холодильник-конденсатор; 10, 12 ? сепарационные колонны; 11, 13 ? холодильники; 14 ? сборник

Рисунок 1.12 ? Схема гидрирования бензола

Бензол со склада центробежным насосом 1 подается в трубное пространство теплообменника 2. Здесь он испаряется, смешивается с циркуляционным газом и свежим водородом, и смесь нагревается за счет тепла реакционной смеси, поступающей из реактора 8. Для создания необходимого соотношения газ : бензол (8 : 1) предусматривается циркуляция газа компрессором 4. Свежий водород подается в нагнетательную линию компрессора 4 таким образом, чтобы с помощью регулятора поддерживать автоматически постоянное давление в цикле.

Из теплообменника 2 исходная смесь поступает в паровой подогреватель 3, который служит для нагрева газа при пуске, а при нормальной работе лишь гарантирует поддержание бензола в парообразном состоянии. Далее смесь поступает в колонну форконтакта 5, где на медь-магниевом катализаторе сырье очищается от сернистых соединений. Очищенная смесь (содержание серы менее 0,00001%) поступает в реакторы гидрирования.

В первый трубчатый реактор 6 загружается около 40% от общего количества катализатора, что обеспечивает превращение около 90% подаваемого бензола. Тепло реакции снимается кипящей в межтрубном пространстве водой. Во второй реактор 8 колонного типа загружается остальное количество катализатора. Здесь превращения бензола достигает 99,9%. Тепло реакции в реакторе 8 снимается рабочей смесью. Принятое распределение катализатора по реакторам обусловлено кинетическими закономерностями реакции гидрирования.

...