Влияние основных технологических параметров на процесс изомеризации

Эффективность работы реактора гидрирования бензола зависит от следующих параметров:

1. Температура в реакторе.

2. Давление в реакторе.

3. Расход подпиточного водорода.

4. Рециркуляция охлаждаемого продукта гидрирования с целью контролирования теплового эффекта в реакторе.

5. Объемная скорость.

6. Состав сырья.

Температура реактора

Реакция гидрирования бензола сильно экзотермична. Типичный тепловой эффект реакции гидрирования бензола составляет 50 000 ккал/кмоль. Что в совокупности с высокой активностью используемого катализатора обеспечивает возможность работы при умеренных величинах температуры на входе реактора (от 110 до 140 °C).

Давление в реакторе

Умеренная величина давления является достаточной для осуществления реакции гидрогенизации бензола. Давление, рекомендуемое в тепловом балансе, приводит к получению на выходе реактора практически жидкой фазы. Понижение или превышение давления может привести к нарушению баланса и увеличению количества газовой фазы, что нежелательно для процесса.

Рекомендуемое давление на входе в реактор R-201 – 21,1 кгс/см².

Расход подпиточного водорода

В сухое сырье в условиях регулирования расхода вводится небольшой избыток водорода (5 об. %) относительно стехиометрического количества, требующегося для реакции гидрогенизации бензола. Необходимо контролировать расход водорода на реакцию. В зависимости от концентрации бензола в сырье, определяемой встроенным (проточным) анализатором, необходимо увеличивать или уменьшать расход водорода, для поддержания необходимого соотношения.

Рециркуляция жидкого разбавителя

Количество выделяющегося в реакторе тепла связано с содержанием бензола в сырье. При содержании бензола, равном 5,7 вес. % (с рециркулирующим потоком колонны отгонки изогексана), расчетный перепад температур в реакторе без рециркулирующего потока должен был бы составлять около 50 – 55 °С.

Плавное и безопасное регулирование выделяющегося в реакторе тепла осуществляется с помощью выходящего из реактора гидрирования потока, применяемого в качестве инертного рециркулирующего охлаждающего агента. Таким образом рециркулирующий поток реактора гидрирования бензола обеспечивает некоторую гибкость управления реакцией в реакторе гидрирования.

Рекомендуемое количество рецикла допускает максимальное содержание бензола в сырье реактора и при этом поддерживает в реакторе оптимальный перепад температур (20 °С).

Объемная скорость

Часовая объемная скорость определяется как отношение часового расхода жидкого сырья (в м³/ч) к объему катализатора (в м³) и для реактора гидрирования с учетом рецикла составляет порядка 10 час^-1.

Состав сырья

Состав сырья представляет собой косвенную переменную. С учетом содержания бензола в сырье, для эффективной работы реактора, регулируются следующие параметры:

1. Регулируется расход подпиточного водорода с целью обеспечить полноту гидрирования бензола (избыток водорода 5 об. %);

2. Изменяется расход рециркулирующего потока, что необходимо для получения приемлемой разности температур на входе и выходе реактора гидрирования.

Эффективность работы реакторов изомеризации зависит от следущих параметров:

1. Температура реактора.

2. Объемная скорость.

3. Соотношение водород / углеводороды

4. Состав сырья.

5. Давление.

6. Ввод хлорида.

Температура реактора

Температура на входе реакторов изомеризации является наиболее существенной переменной, непосредственно воздействуя на которую возможно регулировать качество продукта. Повышение температуры приведет к увеличению активности катализатора и обеспечит приближение к состоянию равновесия, при этом, однако, произойдет снижение равновесного количества изомеров в выходящем из реактора потоке. Повышение температуры также увеличивает долю реакций гидрокрекинга и, следовательно, образование на катализаторе отложений кокса.

Рисунки 1, 2 и 3 показывают равновесные количества изопарафинов C₅ и C₆ в зависимости от температуры – как для паровой, так и жидкой фаз. Так как сырье реакторов изомеризации представляет собой смешанную фазу, равновесные значения находятся между кривыми пара и жидкости. Из этих рисунков видно, что равновесные количества высокооктановых изомеров, а именно, и-C₅ и 2,2-ДМБ, значительно снижаются с ростом температуры. Это равновесие определяется термодинамикой процесса, и оно может быть достигнуто только после истечения бесконечно длительного времени. При проектировании процесса был подготовлен оптимальный баланс между составом сырья, температурой реактора и объемом катализатора, обеспечивающий производство продукта с максимально высоким октановым числом и минимальным снижением выхода, а также минимальные капитальные затраты.

Два реактора изомеризации R-202 и R-203 соединены последовательно друг за другом. Общее требующееся количество катализатора распределено равномерно между двумя аппаратами. Запорная арматура и трубная обвязка обоих реакторов позволяет менять их местами в схеме переработки, а также изолировать (отсоединять от системы) любой из аппаратов с целью замены катализатора. В реакторе первой ступени переработки протекает основная доля реакций гидрокрекинга соединений C₇⁺, сопровождающихся выделением тепла, повышающего средневзвешенную температуру слоя катализатора. Следовательно, первый реактор работает при более высокой температуре и, таким образом, при более высокой скорости реакции. Большая часть реакций изомеризации протекает в первом реакторе. Это объясняется быстрым первоначальным сдвигом к равновесному состоянию, а также более высокой скоростью реакции.

Таким образом, для окончательного завершения реакций изомеризации второй реактор может эксплуатироваться при более низкой температуре, используя при этом преимущество более высоких равновесных отношений, достигаемых при более низкой температуре. Выходящий поток реактора первой ступени, являющийся сырьем реактора второй ступени, охлаждается до температуры, которая должна быть на входе второго реактора. Отбираемое при этом от потока тепло используется для предварительного нагрева холодного сырья.

Разрыв кольца циклогексана и метилциклогексана с образованием гексана протекает в обоих реакторах, но, как и в предыдущем случае, преимущественно в первом реакторе – вследствие более высокой рабочей температуры этого реактора.

Следовательно, имеется две точки регулирования температуры. Это - температура на входе первого реактора, которая определяется количеством присутствующих в сырье соединений C₇⁺, а также температура на входе второго реактора, которая регулирует степень изомеризации, а также компенсирует любое снижение активности катализатора.

Кроме того, сырье с высокой концентрацией циклических соединений должно перерабатываться при более высокой температуре, действующей в первом реакторе, что необходимо для регулирования количества этих соединений, поступающих во второй реактор (так как циклические соединения имеют тенденцию к ингибированию процесса изомеризации).

В описании технологической схемы приведены оптимальные рабочие температуры реакторов, однако ввиду изменения состава сырья и старения катализатора комбинацию рабочих температур реакторов будет правильнее определять, основываясь на практическом опыте эксплуатации установки изомеризации.

Измерения, необходимые для управления работой реакторов, заключаются в определении в выходящем из реактора потоке количества изо-C₅ и 2,2‑ДМБ (2,2-диметилбутана), а также концентрации продуктов процесса гидрокрекинга (C₁-C₄). Оптимальный режим эксплуатации установки подразумевает максимально возможное содержание в выходящем из реактора потоке изо-C₅ и 2,2‑ДМБ, достигаемое без чрезмерного увеличения концентрации продуктов гидрокрекинга. Это означает работу обоих реакторов при низкой температуре. Уставка температуры на входе реакторов будет в значительной степени зависеть от состава используемого сырья.

Типичные тепловые эффекты реакций:

- гидрокрекинг парафинов / нафтенов 11000 ккал/кмоль;

- изомеризация компонентов С₅ – С₆ 2200 ккал/кмоль.

Объемная скорость.

Объемная скорость на единицу веса катализатора определяется как отношение часового расхода жидкого сырья реактора (в кг/ч) к весу катализатора (в кг). Этот параметр фиксируется величиной расхода сырья. Расчетный объемный расход на единицу веса катализатора для реакторов изомеризации равен 1,41 час^-1 (общее значение для двух реакторов). Дальнейшее увеличение объемной скорости приведет к получению продукта с меньшим содержанием углеводородов изомерного строения.

Эксплуатация установок при низкой объемной скорости является аварийной ситуацией. Это приводит к созданию в реакторе более жесткого технологического режима, при этом увеличивается количество активных центров на молекулу углеводорода и увеличивается время реакции (т.е. время пребывания потока в реакторе) и, как следствие, повышается конверсия и повышается степень гидрокрекинга. Это может привести к резкому повышению температуры в реакторе.