Материал: ОХТ в вопросах и ответах Ч2

С повышением температуры скорость реакции (1) возрастает как за счёт увеличения константы скорости процесса, так и благодаря уве-

личению равновесной степени превращения этилбензола [3, с. 27]:

r = (k1 + k–1)c0(xp –x)

где k1 и k-1 – константы скорости прямой и обратной реакции соответ-

ственно, x – степень превращения, xр – равновесная степень превраще-

ния, c0 – начальная концентрация этилбензола

При температуре выше 900 К происходит разложение этилбензола и стирола с образованием бензола и толуола по реакции (2).

Вопрос. Как проводят реакцию дегидрирования этилбензола в промыш-

ленных условиях?

Ответ. Дегидрирование этилбензола проводят в адиабатическом режиме в неподвижном слое катализатора. Так как реакция эндотермическая, то для поддержания высокой скорости дегидрирования требуется осуществлять подогрев реакционной смеси в ходе процесса. Целесообразно секциониро-

вать реакционную зону на ряд слоёв катализатора, между которыми мож-

но установить теплообменные устройства.

Рис. 5.2. Диаграмма «Т – х» процесса дегидрирования этилбензола:

хр – равновесные степени превращения; λ – отношение пар : газ; 1 – режим процесса в однослойном реакторе; 2 – режим процесса в двухслойном реакторе

56

Обычно достаточно двух слоёв катализатора, между которыми по-

даётся водяной пар, обеспечивающий необходимый подогрев реакцион-

ной смеси и способствующий сдвигу равновесия реакции в правую сторо-

ну и удалению отложений кокса на катализаторе (рис. 5.2).

Вопрос. Какими способами (приёмами) выполняется концепция наибо-

лее полного использования сырьевых ресурсов при создании ХТС про-

изводства стирола?

Ответ. Фракционный рецикл. В результате неполного превращения этилбензола возможны его потери. Поэтому в системе ректификационного выделения и очистки стирола этилбензол отделяют от стирола и возвра-

щают на дегидрирование в потоке рецикла, смешивая его перед входом в реактор со свежим этилбензолом. Такая организация процесса позволяет при неполном превращении этилбензола в реакторе обеспечить общее полное превращение исходного реагента в системе.

Регенерация с рециклом. Стирол является мономером полистирола и чрезвычайно склонен к реакции полимеризации в условиях разделения продукционной смеси на стадии ректификации.

Рис. 5.3. Схема производства стирола с регенерацией реагентов:

1 – ректификация; 2 – растворение кубовых остатков ректификации (КОРС) и кристаллизация серы; 3 – мономеризация КОРС

57

Для предотвращения полимеризации стирола в системе ректифика-

ции продуктов дегидрирования этилбензола в стирол в колонну отгонки продукта добавляют элементарную серу (рис. 5.3).

Однако полимеризация стирола всё же частично протекает. Её про-

дукты вместе с серой накапливаются в кубовых остатках ректификации

(КОРС). Серу регенерируют растворением в углеводородной среде с по-

следующей её кристаллизацией. Стирол регенерируют из полимерных продуктов при повышенных температурах. Регенерация серы и стирола в таком процессе достигает 90–95 %.

Вопрос. Как выполняется концепция минимизации отходов при создании ХТС производства стирола?

Ответ. Замкнутый водооборот. Вода в производстве стирола служит ис-

точником пара, для повышения эффективности процесса дегидрирования.

Организация замкнутого водооборота позволяет избежать образования одного из отходов – загрязнённой воды. Реакционная смесь после реакто-

ра дегидрирования содержит углеводороды и воду, разделение которых проходит в разделителе фаз. Водный слой после очистки подаётся на пи-

тание котла-утилизатора для выработки технологического пара и далее в рецикл. Избытки воды направляют на биологическую очистку.

Замена способа теплообмена. Замена водяного холодильника на воздушный при охлаждении и конденсации углеводородов из контактно-

го газа позволяет отказаться от дорогостоящей очистки оборотной воды.

Использование отходов производства. Бензол и толуол, являющиеся от-

ходами данного производства, являются полезными продуктами и после выделения могут быть использованы в других производствах. Водород,

выделяемый на стадии разделения продуктов, может использоваться в синтезе аммиака.

58

Вопрос. Как выполняется концепция эффективного использования обору-

дования при создании ХТС производства стирола?

Ответ. Если выполнить слой катализатора в виде цилиндра и направить по-

ток через него в радиальном направлении (рис. 5.4б), то это позволит со-

здать более компактную конструкцию, а также сделать слой катализатора с большим сечением и меньшей толщины для прохождения потока по срав-

нению с реактором с аксиальным слоем катализатора (рис. 5.4а). Это суще-

ственно уменьшает также гидравлическое сопротивление слоя, снижая тем самым энергетические расходы.

Рис. 5.4. Реакторы с аксиальными (а) и радиальными (б) слоями катализатора

Вопрос. Какими способами выполняется концепция полного использо-

вания энергетических ресурсов при создании ХТС производства стиро-

ла?

Ответ. Регенерация теплоты (рис. 5.5).

В ХТС производства стирола теплота контактного газа, выходящего из реактора дегидрирования 3 (рис. 5.5) при температуре 850–860 К, ис-

пользуется в теплообменнике-подогревателе этилбензола 4 перед реак-

тором и далее в котле-утилизаторе 5 перед пароперегревательной печью

1 для выработки технологического пара.

Регенерация энергии (рис.5.5). Контактный газ после реактора 3, пройдя стадию охлаждения 4,5 и очистки 6, а также конденсации воды и углево-

59

дородов 7, попадает в сепаратор 8, где газообразные продукты реакции от-

деляются как вторичные энергетические ресурсы (ВЭР). Далее они (топ-

ливный газ) сжигаются в пароперегревательной печи 1 вместе с топливом из заводской сети для получения перегретого водяного пара с температу-

рой 973–1003 К, идущим на смешение с парами этилбензола перед входом в реактор дегидрирования 3.

Рис. 5.5. Схема дегидрирования этилбензола в стирол:

1 – пароперегревательная печь; 2 – испаритель этилбензола; 3 – реактор дегидрирования; 4 – подогреватель этилбензола; 5 – котел-утилизатор (подогреватель воды); 6 – пенный аппарат; 7 – воздушный холодильник; 8 – сепаратор; 9 – разделитель фаз;

потоки: ЭБ – этилбензол (свежий и рецикл); Н2, СН4 – горючие газы в топливную сеть; ДГ – дымовые газы; К – конденсат; ПД – продукты дегидрирования

Энерготехнологическая система. В промышленных агрегатах дегидриро-

вания этилбензола тепловой КПД имеет низкое значение 28–33 %. Это свя-

зано с необратимыми энергетическими потерями, многократной конденса-

цией и испарением водяного пара, утилизацией теплоты во многих тепло-

обменниках и т.д. Значительно улучшить использование энергетического потенциала процесса можно в энерготехнологической системе, которая включает в себя энергетический узел, потребляющий топливо и вырабаты-

вающий энергию для компенсации необратимых потерь. Водяной пар, яв-

60