Проектування реакторного блоку ізомеризації Інтенсифікація процесу (стр. 3 из 10)

Кінетичні закономірності реакції ізомеризації н-пентана на алюмоплатиновому каталізаторі, промотированому фтором, були вивчені у зв'язку з розробкою технології процесу. Була встановлена залежність виходу ізопентана від мольного відношення водень:н-пентана. Був вивчений також вплив парціальних тисків н-пентана й водню на швидкість протікання реакції. Сполука вихідної сировини й продуктів реакції визначався за допомогою газорідинної хроматографії. Реакція протікала з високої селективністю; вихід продуктів розпаду не перевищував 1% [2]. Діаметр зерна каталізатора становив 1,5 мм. Для опису отриманих закономірностей було використане рівняння для випадку константи швидкості реакції:

де К - величина, пропорційна швидкості;

- об'ємна швидкість подачі сировини; - рівноважний зміст ізопентану в досліджуваних умовах; - глибина ізомеризації н-пентана; - коефіцієнт, емпірично знайдений (результати обчислень показали, що це рівняння відповідає експериментальним даним, якщо прийняти =1,25). Вплив лінійної швидкості потоку сировини на глибину ізомеризації досліджувалося шляхом зміни довжини шару каталізатора при однаковій об'ємній швидкості подачі сировини в реактор (температура 380 ⁰С, тиск 4МПа).

Зміна розміру зерна каталізатора в межах від 3,2 до 1,5 мм не впливає на швидкість реакції ізомеризації н-пентана: при діаметрі зерна 1,5 до 3,0 мм константа швидкості реакції рівнялася 0,19. Таким чином, можна затверджувати, що в обраних умовах реакція протікала в кінетичній області.

Для вивчення впливу парціального тиску н-пентана на швидкість його ізомеризації були поставлені дві серії дослідів при парціальних тисках водню 3,0 і 7,5 МПа й 380 ⁰С. Парціальний тиск н-пентана змінювалося від 0,2 до 2,5 МПа. Для кожного з обраних парціальних тисків н-пентана знімалася кінетична крива шляхом зміни об'ємної швидкості подачі сировини від 0,5 до 7

[2].

З даних рис. 2.7 видно, що при парціальному тиску водню 3,0 МПа швидкість реакції росте пропорційно тиску пентану до 1,0 МПа; подальше збільшення його до 1,5 МПа не впливає на швидкість реакції при зміні парціального тиску н-пентана в цих межах. При парціальному тиску водню 7,5 МПа швидкість реакції зростала пропорційно збільшенню парціального тиску н-пентана аж до 2,5 МПа (к_ср=0,26).

Рис 2.7. Вплив парціального тиску н-пентана на швидкість реакції ізомеризації

Різний хід кривих на рис. 2.7 пояснюється тим, що при парціальному тиску водню 3,0 МПа насичення поверхні каталізатора н-пентаном наступає при парціальному тиску останнього, близькому до 1,0 МПа; при збільшенні парціального тиску водню до 7,5 МПа ця межа насичення зрушується в область парціальних тисків н-пентана, що перевищують 2,5 МПа.

Спостережувані факти вказують на існування адсорбційної рівноваги між реагуючими речовинами на поверхні платинового каталізатора, що у випадку підвищення парціального тиску водню зрушується убік переважної адсорбції водню й витиснення н-пентана з поверхні каталізатора. Дійсно, як указують літературні дані, відносні адсорбційні коефіцієнти для н-пентана й водню при 400⁰С на платиновому каталізаторі рівні відповідно 1,0 і 6,4. Зі зробленого спостереження треба практичний висновок: при здійсненні процесів при загальному робочому тиску 4,0 МПа доцільно обмежити парціальний тиск н-пентана величиною, що не перевищує 1,0 МПа.

Результати дослідів по впливі парціального тиску водню на процес ізомеризації н-пентана при парціальних тисках н-пентана 0,5 і 1,0 МПа й зміни парціального тиску водню від 1,5 до 9,0 МПа дані на рис. 2.8. При парціальному тиску н-пентана 0,5 МПа й температурі 360, 380 і 400 ⁰С зменшення парціального тиску водню в тих же межах спостерігалися трохи інші закономірності. Зменшення парціального тиску водню від 9,0 до 6,0 МПа викликало пропорційне зниження константи швидкості реакції, однак далі ця залежність порушувалася:

	9,0	7,5	6,0	3,0	2,0
kср	0,09	0,11	0,15	0,45	0,70

Як бачимо, при зміні парціального тиску водню від 6,0 до 3,0Мпа, тобто в 2 рази, константа швидкості реакції змінювалася в 3 рази.

Рис. 2.8. Вплив парціального тиску водню на глибину ізомеризації н-пентана: а – парціальний тиск н-пентана 0,5 МПа; б – 1,0 МПа.

Отримані результати можуть бути пояснені шляхом аналізу кривих рис. 2.7. Як уже вказувалося, при здійсненні дослідів при парціальному тиску водню 3,0 і 7,5 МПа зміна константи швидкості реакції ізомеризації зі збільшенням парціального тиску носить різний характер. При парціальному тиску водню 3,0 МПа й н-пентана 1,0 МПа наступає перегин кривої; далі крива йде паралельно осі абсцис. У зв'язку із цим кінетичні закономірності при парціальному тиску н-пентана 1,0 МПа справедливі тільки в області високих робочих тисків (6,0 – 9,0МПа), коли ще не наступає насичення поверхні каталізатора н-пентаном.

На підставі результатів, отриманих при вивченні впливу парціального тиску водню й н-пентана, можна припустити, що зміна робочого тиску в межах 1,5 – 10,0 МПа не повинне відбиватися на швидкості реакції за умови збереження парціального тиску н-пентана не вище 1,0 МПа. При подальшому підвищенні парціального тиску н-пентана збільшення робочого тиску повинне приводити до гальмування реакції ізомеризації. Результати дослідів (табл. 2.3) підтверджує ці припущення [2]. При підвищенні робочого тиску від 4,0 до 10,0 МПа, збереженні мольного відношення водень:н-пентан =19 і зміні парціального тиску н-пентана не змінювалася. Відповідно, і константа швидкості реакції залишилася постійною. При підвищенні робочого тиску в тих же межах, але при мольному співвідношенні водень:н-пентан = 3 і зміні парціального тиску н-пентана від 1,0 до 2,5 МПа константа швидкості реакції змінювалася від 0,46 до 0,26.

Що стосується самого факту гальмування реакції ізомеризації н-пентана воднем, то відповідно до сталим у цей час поглядом на механізм реакції ізомеризації н-парафінових вуглеводнів на біфункціональних каталізаторах, реакція протікає через стадію дегідрування парафінового вуглеводню з утворенням олефінового вуглеводню. Випливаючи цій схемі, гальмування реакції воднем можна пояснити зниженням концентрації олефіна внаслідок гідрування в парафіновий вуглеводень, а також явищами адсорбційного витиснення пентану воднем з поверхні каталізатора.

Таблица 2.3 Вплив робочого тиску на швидкість реакції ізомеризації н-пентана при температурі 380 ⁰С

Умови досліду					Масова частка ізопентана в каталізаті, %	k	kср
Р, МПа	мольне відношення Н2:н-С5	рн-С5	рН2	v, год-1
4	3	1	3	0,5	48,6	0,56	0,59
				1	38,6	0, 6
				1,5	32,8	0,61
10	3	2,5	7,5	0,5	39,2	0,237	0,26
				1	27,9	0,262
				1,5	24,4	0,275
4	19	0,2	3,8	0,125	40	0,06	0,055
				0,25	28	0,06
				0,5	17,3	0,05
10	19	0,5	9,5	0,25	27,8	0,058	0,054
				0,5	16,7	0,049

Представлялося необхідним вивчити вплив мольного співвідношення водень:н-пентан на глибину ізомеризації. Була поставлена серія дослідів при 380⁰С, підвищеному тиску й об'ємній швидкості н-пентана 1,0

; мольне відношення водень:н-пентан мінялося в широких межах – від 2,3 до 34. Як сировина використалися два зразки н-пентана: з домішкою 12,4% (зразок 1) і 0,7% (зразок 2) ізопентана. Результати представлені на рис. 2.9. У дослідах зі зразком 1 збільшення мольного відношення водень:н-пентан від 2,3 до 34 зменшувало глибину ізомеризації з 37 до 15,6%. При роботі зі зразком 2 збільшення мольного відношення в п'ять разів (від 2,3 до 11,2) знижувало глибину ізомеризації втри рази (з 26,8 до 8,2%). Подібна залежність пояснюється тим, що зі збільшенням мольного відношення водень:н-пентан знижується парціальний тиск н-пентана й це спричиняє зменшення швидкості ізомеризації. Отже, доцільно вести процес ізомеризації н-пентана при можливо більше низькому мольному відношенні водень:н-пентан, припустимим з погляду збереження стабільності каталізатора; низька кратність циркуляції газу повинна також сприяти меншому віднесення ізопентана із циркулюючим газом у зону реакції. На підставі проведених досліджень було прийнято мольне відношення водень:н-пентан = , при якому забезпечувалася досить стабільна робота каталізатора при обраному тиску.