Chimie industria

 

 

Un reactor catalitic in strat fix pentru dehidrogenarea etilbenzenului la stiren, operat adiabatic.Date de proiectare:

-Productia anuala de stiren 30000-100n t/an

-Temperatura de alimentare 620-n ¤C

- Presiunea de alimentare 1.5-0,01n atm

-Raport molar etilbenzen:abur=(13+0,1n):1

Capitolul 2

 

2.1 Modalitati de obtinere a stirenului

Li-polimer a fost obtinut prima data la inceputul secolului trecut din rasini exotice. Stirenul incepe sa fie produs la scara industriala inainte de cel de-al doilea Razboi Mondial iar in 1970 productia mondiala depasea 2 milioane de tone.

Dezvoltarea productiei de stiren este legata in primul rand de industria de polimeri, intreaga cantitate produsa utilizandu-se ca monomer.

Singura metoda de importanta industriala este dehidrogenarea etil-benzenului. Pentru ca in pretul de cost al stirenului ponderea costului mate-riilor prime este mare, productia este rentabila doar in instalatii de mare capacitate integrate in marile platforme industriale chimice.

2.2 Fisa procesului tehnologic

Dehidrogenarea etilbenzenului are loc in faza gazoasa, in prezenta unui catalizator solid, granular.

Etilbenzenul proaspat este evaporat si preincalzit intr-o baterie de recuperatoare de caldura, din care sunt reprezentate doar doua (3 si 4), pana la temperatura de aproximativ 540 . La intrarea in reactorul 1, etilbenzenul este amestecat cu abur preincalzit la maxim 800 , obtinut in cuptorul 2 astfel incat sa se obtina temperatura de alimentare intre 580 si 620 . Presiunea de alimentare este cuprinsa de regula intre 1,4 si 1,6 atm, cunoscandu-se si variante de operare la presiuni sub atmosferice. Raportul molar abur-etilbenzen este cuprins intre 7:1 si 14:1, mai mic pentru operarea izoterma, mai mare pentru cea adiabata.

Produsul de reactie este racit in recuperatoarele de caldura care servesc la preincalzirea etilbenzenului. Amestecul racit este introdus in separatorul primar 5 de unde stirenul brut (uleiul de cuptor) este introdus intr-un tren de coloane de rectificare.

Conversia etilbenzenului este 0,35-0,4 la reactoarele adiabate cu un singur strat, intre 0,5-0,6 la reactoarele adiabate cu 2 straturi si peste 0,6 la reactoarele izoterme. Selectivitatea in stiren este de aproximativ 0,9.

Capacitatea tipica a unei instalatii este de aproximativ 3000 t/an.

Figura1 :Descrierea instalatiei tehnologice

2.3 Reactia chimica

2.3.1 Stoechiometrie

Pe langa dehidrogenare, etilbenzenul sufera in reactorul catalitic si reactii

O alta serie de reactii secundare se datoreaza prezentei aburului in sistem. Desi aceste reactii pot fi formulate in mod diferit urmatoarele 6 putand fi considerate mai importante.

C₆H₅-C₂H₅ C₆H₅-CH=CH₂ + H₂ [1]

(1) (2) (3)

C₆H₅-C₂H₅ C₆H₆ + C₂H₆ [2]

(4) (5)

C₆H₅-C₂H₅ + H₂ C₆H₅-CH₃ + CH₄ [3]

(6) (7)

0.5C₂H₄ + H₂O CO + 2H₂ [4]

(8) (9)

CH₄ + H₂O CO + 3H₂ [5]

CO + H₂O CO₂ + H₂ [6]

(10)

Matricea coeficientilor stoechiometrici:

2.3.2 Temodinamica

Dependenta de temperatura este liniara:

DH_Ri=A_i+B_i*T   i=1 . 6 (7)

Valorile coeficientilor Ai si Bi

Tabel nr. 1

Calculele arata ca singura reactie limitata termodinamic este relatia (1), celelalte fiind ireversibile. Pentru valorile constantelor de echilibru se da relatia:

Kp=0,027exp[0,021[(T-773)], atm (8)

Valorile constantei calculata din date termodinamice standard, pot fi corelate cu expresia:

Kp=5,753*10 exp[-14954/T], atm (9)

Evolutiile date de ecuatiile de mai sus pot fi reprezentate ca functii de temperatura. Pentru calculele care urmeaza sunt necesare ca date termodinamice si variatiile cu temperatura ale vascozitatii, ale caldurii specifice, de asemenea si caldurile de formare standard, energia libera G standard, si entropiile standard pentru fiecare din substantele ce intervin in sistemul de reactie considerat. Caldurile specifice sunt polinoame de ordinul doi de forma :

cp(T)=a+b*T+c*T², [ J/kmol*K] (2-4)

Coeficientii polinomului fiind dati in Tabelul 2. Pentru calculul vascozitatii dinamice se foloseste ecuatia de mai jos :

h h *(273+C)/(T+C)*(T/273)^1.5, [kg/m*s].

Tabelul nr. 2.

2.3.3 Cinetica

a) Catalizatori

Catalizatorii utilizati sunt oxizi de fier si crom cu carbonati sau hidroxizi de potasiu in diferite proportii. O compozitie tipica este: 8,7%Fe2O3, 2%Cr2O3 si 11% KOH.

Granulele sunt de obicei cilindrice, cu diametru de 5mm si lungimea cuprinsa intre 10-40 mm. Densitatea aparenta a granulei este de 1,4-1,5g/cm3, porozitatea de 0,57, aria de 4-5 m2/g, raza medie a porilor este de ordinul r=6*10 A. Durata de existenta a catalizatorului este de 4000-8000h, cu regenerari dupa 700-1000h. Pierderea activitatii are loc prin cocsare iar regenerarea se face prin gazeificarea cocsului cu ajutorul aerului.

b) Expresii de viteza

Au fost preferate expresii de tip produse de puteri unde se coreleaza bine datele experimentale. Expresiile utilizate sunt:

V_R1=k₁ (p₁-p₂ p₃/k_p) kmol/kg_cat h

V_R2=k₂ p₁

V_R3=k₃ p₁ p₃

V_R4=k₄ p₅ p₆

V_R5=k₅ p₇ p₈

V_R6=k₆ p₉ p₈ p/T³

Constantele de viteza sunt dependete de temperatura prin expresia Arrhenius:

K_i=exp(F_i-E_i/R T)    [kmol/kg_cat h atm]

Tabel nr.3

2.4 Tipuri de reactoare

Exista doua tipuri constructive de reactor de dehidrogenare, functie de regimul de operare :adiabat sau izoterm. Ambele tipuri sunt reactoare catalitice in strat fix.

Abur

EB

a)

b)

Figura 2 Reactor adiabat : a) axial; b) radial;

In reactorul axial, modelat in acest caz, amestecul de reactie circula de sus in jos. Constructia racordurilor de alimentare a etil-benzenului si aburului permite o buna omogenizare a amestecului gazos. Stratul catalitic, inalt de 1,5-2 m, este protejat atat la partea superioara cat si la baza de cate un strat de umplutura inerta. Repartizarea uniforma a amestecului pe sectiunea reactorului se realizeaza cu ajutorul unor distribuitoare conice (nu sunt reprezentate in figura).

Pentru controlul profilului de temperatura, reactorul este prevazut cu mai multe termocuple montate pe inaltimea stratului catalitic, iar pentru limitarea pierderilor de caldura el este izolat termic.

Reactorul radial poate fi centripet sau centrifugal. Prezinta avantajul unei solicitari mai reduse a granulei de catalizator si deci a unei farimitari mai lente a acesteia. Permite utilizarea unei grosimi mai mici a stratului catalitic iar caderea de presiune este mult diminuata.

Reactorul izoterm este de fapt un reactor multitubular, cu transfer lateral de caldura.

Figura 3 Reactor izoterm

Catalizatorul este depus in tevi cu diametrul de 50- 100 mm. Caldura necesara este furnizata de agentul termic care circula in spatiul intertubular.

Pentru mentinerea unui profil de temperatura cat mai apropiat de cel izoterm, este nevoie de un agent termic cu capacitate calorica mare si care asigura valori ridicate ale coeficientului partial de transfer termic. Aceste conditii sunt satisfacute de sarurile topite, de obicei un amestec de carbonati de sodiu, litiu si potasiu.

Capitolul 3

Modelul fizic al reactorului

Modelul fizic permite deducerea ecuatiilor modelului matematic.

Pentru reactorul catalitic in strat fix, axial, adiabat sau izoterm, studiat in acest caz, se propune un model unidirectional, ideal, pseudoomogen.

Efectul difuziei interne a fost neglijat, deoarece in literatura se arata ca acesta devine important doar la valori ale razei medii a porilor mai mici de 60 Å.

Introducand ipoteze simplificatoare pentru situatia reala rezulta modelul fizic al reactorului definit prin modelele de circulatie a fazelor (de ex. D_G-D_L,etc.) si regimul termic de operare a reactorului (de ex. adiabat, neadiabat-neizoterm etc.).

Capitolul 4

Predimensionarea reactorului

4.1 Calculul conversiei finale

Se presupune ca singura reactie este cea de dehidrogenare

C₆H₅-C₂H₅ C₆H₅-C₂H₄+H₂

Se calculeaza valorile constantelor de echilibru, K_p.

Se calculeaza C_p caldurii molare medii si a caldurii specifice medii

Se calculeaza valoarea variatiei entalpiei de reactie pentru fiecare reactie in parte DH_Ri. si suma variatiei entalpiilor de reactie:

Se calculeaza valoarea lui ∆T_ad

Dam valori temperaturii in intervalul T₀-‌∆T_ad‌‌ si T₀ adica intre 734K si 887K si calculam pentru fiecare temperatura constanta de echilibru K_p conversia, x_A si factorul 0.8*x_A.

Tabel nr. 4

Se face bilantul molar considerand singura reactie cea de dehidrogenare.

Recalculam viteza fictiva, u.

In relatiile de mai sus x_Af reprezinta conversia finala a componentului 1, D_M10 debitul molar de etilbenzen introdus in reactor, D_M1f debitul molar final de etilbenzen, D_M2 debitul molar de stiren, D_m debitul masic de etilbenzen, P_a productia anuala de stiren, M masa moleculara a stirenului, t_f timpul de functionare anuala a instalatiei, D_M8 debitul molar total de abur, p₀ presiunea de alimentare, D_V0 debitul volumetric, T₀ temperatura de alimentare, D diametrul reactorului.

4.2 Calculul lungimii stratului de catalizator

in care v_P1 reprezinta viteza procesului iar r_SC densitatea stratului catalitic care are valoarea de 1300 kg/m³.

Calculam pentru 10 valori ale conversiei cuprinse intre 0 si 0.44 temperatura T, constanta de viteza k₁, fractiile molare y₁, y₂ si y₃, constanta de echilibru K_p, viteza v_P1 si valoarea functiei f(x) pentru a putea calcula valoarea integralei pentru aflarea in final a lungimii reactorului. Pentru aflarea lungimii reactorului se foloseste metoda trapezelor.

Tabel nr 5  

Capitolul 5

Modelul matematic al reactorului

Modelul matematic este format din ecuatii diferentiale care descriu evolutia parametrilor de stare in lungul reactorului.Modelul matematic este format din ecuatiile de bilant molar, ecatiile de bilant termic si ecatia caderii de presiune.

Reactiile careau loc in reactor sunt urmatoarele:

Matricea coeficientilor ecuatiilor este:

5.1 Deducerea ecuatiilor de bilant molar

Masa intrata +Masa generata=Masa iesita +Masa consumata

in cazul de fata M_intrat este D_Mj iar M_iesit este D_MjdD_Mj iar diferenta intre cantitatea generata si cea consumata este termenul de generare:

D_Mj D_Mj+dDM_j

dz

Semnificatia termenilor:

D_Mj-debitul molar de specie chimica j ce intra in reactor

D_Mj+dD_Mj-debitul molar de specie chimica j care iese din reactor

S-aria sectiunii transversale

Dz-element de lungime de strat catalitic

V-volumul (element de volum)

r_SC-densitatea stratului catalitic

5.2 Deducerea ecuatiilor de bilant termic

5.3 Ecuatia caderii de presiune

Semnificatia termenilor din ecuatiile (10), (12^' ) si (13) este:

Analiza dimensionala a marimilor ecuatiilor modelului matematic

5.4 Prezentarea teoretica

a metodei de integrare numerica Euler

Pentru a calcula in continuare prin metoda Euler ecuatiile modelului matematic vom prezenta in ce consta metoda Euler.

Problema Cauchy:

Fie functia y si o dezvoltare in jurul punctului x₀ adica o dezvoltare in serie Taylor.

Capitolul 6

Rezolvarea modelului matematic al reactorului

6.1 Exemplificarea integrarii numerice prin doi pasi de calcul

Pasul 1

Calculul constantelor de viteza pentru fiecare reactie in parte k_i, si calculul constantei de echilibru K_p

Pasul 2

Calculul pentru restul pasilor se efectueaza in cadrul unui program de calcul scris in PASCAL. Lungimea finala rezultata din program este de 2.94m.

In anexa proiectului se afla:

-programul de calcul si rezultatele programului

-rezultatele sub forma de grafice pentru diferite programe de simulare. S-au ales pe langa valorile de alimentare ale temperaturii si ale presinii alte 3 seturi de valori rezultand o matrice 3x3.

Capitolul 7

Calculul mecanic

7.1 Dimensionarea racordurilor

Calculul diametrelor racordurilor reactorului:

Debitul volumetric total care intra in reactor este D_V0=13.43m³/s

-diametrul pentru introducerea racordurilor; se propune o viteza a vaporilor in racord de 22m/s

w_vapin=viteza vaporilor la intrare (propusa0

w_vapin=25m/s

se standardizeaza la valoarea de d_{vap varf}=0.8m

d_vapin=0.8m

-recalculam viteza

Inainte de a dimensiona racordul pentru evacuarea produsilor de reactie este necesara calcularea densitatii amestecului precum si a debitului volumetric.

se standardizeaza la valoarea de d_{vap varf}=0.8m d_{vap ie} =0.8m

-recaculam viteza

Calculul sumar mecanic

calculul grosimii peretelui virolei reactorului si presiunea de calcul p=1.44atm

alegem un otel tip 14MoCr10

R_PO2=180N/mm²,    R_m=500N/mm²

-se alege un otel cu s_a=120N/mm²

-coeficientii pentru sudura se alege conform recomandarilor de F

-diametrul reactorului D=3.4m iar D_i=3.4m

-grosimea peretelui se calculeaza cu :

-viteza de coroziune este: v_c=0.25mm/an

-durata de functionare: n=10ani

-coeficientul de coroziune:    c₁=v_c*n=2.5m

-coeficientul pentru prelucrari mecanice este de 0.6mm

-grosimea se obtine: d_c d_p+c₁+c₂

d_c=2.9168+2.5+0.6=6.0168mm

-se standardizeaza la grosimea d_STAS=0.6mm

7.2 Calculul greutatii totale

Se considera stratul de catalizator cu inaltimea de H=3 [m], diametrul D=3.4[m].Se mai adauga la acest strat si doua straturi de inert pentru uniformizarea curgerii de cate 200 [mm] fiecare]. Densitatea in vrac pentru umplutura se considera cea folosita la dimensionarea stratului de catalizator r=1300 [kg/m³].

greutatea stratului de catalizator este echivalenta cu greutatea unui cilindru :

G_SC=g*r*V_SC=9.81*1300*p*(3.4²/4)*3.4=3.9368*10⁵ [N]

greutatea peretilor metalici este :

G_pereti=9.81*[2*1000+7900*p 10⁴ [N]

G_total=( G_SC+ G_pereti)/1000= 443.138 [KN]

Se alege conform STAS 7949-98 ,12 suporti cu sarcina specifica de 40[KN] pe fiecare suport.

Caracteristicile suportului ales sunt date in tabelul de mai jos :

Dimensiunile se dau in [mm] conform STAS 7949-98.

Capitolul 8

Fisa tehnica a reactorului

REACTOR PENTRU OBTINEREA STIRENULUI

Destinatia: dehidrogenarea etilbenzenului la stiren in prezenta aburului in faza gazoasa, pe catalizator oxizi de crom si fier.

Tipul reactorului: tip coloana cu umplutura.Caracteristicile umpluturii:

-strat granular cu porozitatea 0.57

-diametrul mediu 6.2*10³m

-densitatea in strat de 1300kg/m³

Materialul de constructie: otel carbon

Observatii:

-se izoleaza cu un strat de izolatie corespunzator;

-se monteaza vertical pe suporti laterali;

-se instaleaza in spatiu inchis.

Rezultatele simularii

SCHEMA    AMC