Химия и химические технологии. 1.Пластмассы, полимерные и синтетические материалы, каучуки, резино-технические изделия, шины и их производство.

Д.т.н. Голованчиков А.Б., Аристова Ю.В., Абусириех М. Н.

Волгоградский государственный технический университет, Россия

Моделирование процесса синтеза монометиланилина

Анализ работы реакторов синтеза монометиланилина показывает, что основной проблемой для него является крайняя неравномерность температуры реакционных газов по длине трубного пучка. Из-за этого происходит термическая деструкция катализатора низкотемпературной конверсии углерода (НТК–4) и возникает необходимость его частой замены.

Реактор синтеза монометиланилина представляет собой кожухотрубчатый аппарат, где по трубам с твердым зернистым катализатором движется реакционная газовая смесь, а в межтрубном пространстве движется вода, отводящая тепло реакции при кипении. Реакция С₆Н₅NO₂+3H₂+CH₃OH → C₆Н₅NНCH₃+3H₂O относится к газофазным каталитическим экзотермическим реакциям с кинетическим уравнением:

Расчетное уравнение аналогично уравнению реактора получения винилхлорида, представленное в работе [4], но со своими коэффициентами.

(1)

Основные допущения, сделанные при выводе уравнения (1), следующие: температура по сечению трубы постоянна; T=T (z); скорость потока постоянна как по сечению, так и по длине , то есть структура потока соответствует идеальному вытеснению.

Основные расчёты выполнены в программе «Reactor MMA», и результаты расчёта представлены на графиках (рисунок 1 и рисунок 2).

Как видно из графика (рисунок 1а) около 30 см (20%) высоты катализатора в трубах промышленного реактора имеют температуру выше 446 ºС (на рисунке эта область заштрихована).

По техническому регламенту температура выше 320 ºС приводит к быстрой термической дезактивации катализатора, вследствие которой область максимальных температур постепенно перемещается от входа в выходу, катализатор выходит из строя, а степень превращения резко падает.

Необходимо уменьшить максимальную температуру реакции, чтобы предотвратить термическую дезактивацию катализатора, что можно сделать с применением предлагаемой авторами конструкции реактора [2].

Кожухотрубчатый реактор состоит из корпуса 1 с патрабками входа 2 и выъхода 3 теплоносителя в межтрубном пространстве, патрубков входа 4 и выхода 5 реакционной массы, трубных решеток 6, в которых закреплены трубы 7 трубного пучка. Внутри каждой трубы 7 диаметром D_T осесимметрично на входе установлено распределительное устройство 8 длиной l.

Трубы 7 заполнены катализатором 9. Распределительное устройство 8 представляет собой распределительные трубки 10, диаметром D, установленные на входе в каждую трубку 7 трубного пучка у нижнего торца. В верхней части распределительные трубки 10 герметично закрыты крышками 11. В каждой распределительной трубке 10 осесимметрично установлены дополнительные трубки 12, диаметром d, которые в нижней части герметично соединены с коллектором 13 подвода теплоносителя, а сверху открыты для выхода теплоносителя в распределительные трубки 10, при этом отношение диаметров дополнительных трубок 12 и распределительных трубок 10 лежит в пределах d/D = 0.65 – 0.75. Распределительные трубки 10 в нижней части герметично присоединены к коллектору 14 отвода теплоносителя.

Длина распределительной трубки l_расп.=0,5 м, диаметр d_расп= 0,016 м, диаметр дополнительной трубки d_доп= 0,01 м.Использованное технологическое решение позволяет снизить максимальную температуру до 312ºС, что ниже предельно допустимой (рисунок 1, график б). Однако степень конверсии снижается. Требуемое ее значение (х = 0,94) достигается лишь на длине труб 2 метра.

Для предотвращения термической деструкции катализатора и снижения температуры горячей точки ниже допустимой t = 320ºС согласно проделанным расчeтам предлагается: 1) увеличить длину трубок существующего реактора до двух метров; 2) установить реактор предлагаемой конструкции с длиной труб 0,5 метра [2].

Литература

1. Дулькина Н. А. Моделирование структуры потоков и уровня смешения в химических реакторах: Н. А. Дулькина; ВолгГТУ. - Волгоград, 2002. - 188 с.

2. П. м. 88287 РФ, МПК В 01 J 8/00. Кожухотрубный реактор / А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина, Ю.В. Аристова, С. Б. Воротнева, Е.А. Селезнёва, А.Н. Харченко; ВолгГТУ. - 2009.