научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕАКЦИЙ ПРОЦЕССА ДЕГИДРИРОВАНИЯ ПРОПАНА НА МОЛИБДЕНОВОМ КАТАЛИЗАТОРЕ ПОСРЕДСТВОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕАКЦИЙ ПРОЦЕССА ДЕГИДРИРОВАНИЯ ПРОПАНА НА МОЛИБДЕНОВОМ КАТАЛИЗАТОРЕ ПОСРЕДСТВОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 5, с. 556-561

УДК 66.097:62-278:66.021.3.001.57

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕАКЦИЙ ПРОЦЕССА ДЕГИДРИРОВАНИЯ ПРОПАНА НА МОЛИБДЕНОВОМ КАТАЛИЗАТОРЕ ПОСРЕДСТВОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ © 2010 г. Э. М. Кольцова, С. В. Цаплин, В. В. Скудин

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва

kolts@muctr.ru Поступила в редакцию 23.04.2009 г.

Изучен процесс дегидрирования пропана на молибденовом катализаторе и определены кинетические константы химических реакций. Разработанная математическая модель позволила определить лимитирующую стадию всего процесса, являющегося одним из промышленных методов получения пропилена и водорода.

ВВЕДЕНИЕ

Пропилен является одним из ключевых веществ нефтехимии. Он используется в качестве сырья для производства полипропилена и ряда важных производных. Основными производными пропилена являются: поликарбонат, акрилонитрил, оксид пропилена, акриловая кислота и другие. По оценке специалистов [1], мировое потребление пропилена выросло с 16.4 млн. тонн в 1980 г. до 52 млн. тонн в 2000 г., и к 2010 г. достигнет отметки 82 млн. тонн. Однако уже в настоящее время спрос на пропилен превышает предложение.

Основными источниками получения пропилена являются паровой крекинг керосино-газойлевой фракции и каталитический крекинг широких вакуумных фракций перегонки нефти в процессах получения моторных топлив. Пропилен в этих процессах является побочным продуктом. В настоящее время увеличения мощности этих процессов не предвидится, так как мировая добыча нефти стабилизировалась. Поэтому источником покрытия возникшего дефицита пропилена должны стать процессы каталитического дегидрирования пропана, который содержится в попутном и природном газах, а также образуется в качестве побочного продукта в ряде процессов переработки нефти. Активными компонентами современных катализаторов дегидрирования пропана являются платина и оксид хрома (Сг203). При их использовании можно достичь значений степени превращения пропана 48— 65% [2] и селективности по пропилену 80—90% при температурах 550—700°С. Производство пропилена из пропана является производством с высокими капитальными и эксплуатационными затратами из-за существенного расхода катализатора, необходимости периодически его регенерировать и из-за значительного эндотермического эффекта ос-

новной реакции процесса [3]. Решение этой проблемы заключается в подборе новых высокоэффективных недорогих катализаторов и в создании новых технологий, основанных на применении мембран и мембранных катализаторов. Одним из новых катализаторов, который мог бы вызвать интерес у технологов, является мембранный катализатор на основе молибдена (точнее, карбида молибдена). Это новый катализатор, свойства которого пока недостаточно полно изучены. Изучение кинетики реакций, протекающих в условиях процесса дегидрирования пропана, является необходимой стадией разработки этого катализатора.

Целью настоящей работы является изучение процесса дегидрирования пропана на молибденовом катализаторе и определение кинетических констант химических реакций.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Процесс дегидрирования пропана проводили в лабораторном реакторе с неподвижным слоем катализатора (рис. 1).

Исходная газовая смесь пропана и водорода (20— 25 об. %) поступала в реактор, нагреваемый с помощью печи сопротивления, и проходила через слой катализатора, на выходе из реактора охлаждалась в теплообменнике до температуры окружающей среды, а после этого поступала в газовый хроматограф на анализ. Объемный расход исходной смеси фиксировали с помощью измерителя расхода газа, а температуру в слое катализатора — с помощью термопары [2].

Процесс проводили с расходом газовой смеси порядка 28.7 см3/мин при температурах от 580 до 647°С. В качестве катализатора использовали раздробленные мембраны с каталитическим селек-

тивным слоем (с содержанием молибдена около 3 мас. % и размером зерна менее 2 мм). Эти мембраны представляют собой пористые керамические трубки, на внешнюю поверхность которых химическим осаждением из газовой фазы нанесен молибден [4]. Высота слоя (рис. 1) катализатора в реакторе Н была 3 см, а масса слоя — 3.8 г. Диаметр реактора Б и термопарного чехла d составляли 12 и 5 мм, соответственно. Непосредственно перед началом процесса дегидрирования катализатор активировали путем проведения программно-температурного процесса карбидирования метано-водородной смесью при подъеме температуры до 700°С.

ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ

При составлении кинетической схемы дегидрирования пропана учитывалось то, что процесс протекает не только на поверхности катализатора, но и в газовой фазе. В табл. 1 и 2 представлены стадии этого процесса и приведены формулы расчета скоростей реакций.

При составлении математического описания реактор был условно разделен на 3 зоны: 1 и 3 — зоны газофазного протекания процесса, а 2 — зона протекания реакций на поверхности катализатора и в газовой фазе одновременно. Математическая модель дегидрирования пропана представлена следующими уравнениями.

1. Уравнения изменения концентраций компонентов газовой фазы в I зоне реактора:

Вход газа

I I m

ê£L + Vl ^ = yw

dt dx

i=1

Начальные условия:

CI( t = 0, x) = 0. Граничные условия:

C I(t, x = 0) = C BxI.

(1)

(2)

(3)

Выход газа

D

-Термопара

Рис. 1. Схема реактора с неподвижным слоем катализатора.

2. Уравнения изменения концентраций компонентов газовой фазы и комплексов во II зоне реактора:

II II т п

а. ^ + - = I * + к I ^

М И=1

Начальные условия:

С"( / = 0, х) = 0. Граничные условия:

, х = Ц) = с\(г, х = Ц).

(4)

(5)

(6)

Таблица 1. Газофазные реакции процесса дегидрирования пропана и расчет их скоростей

№ реакции Реакции, протекающие в газовой фазе Wj, моль/(м3 с) Wj, моль/(м3 с)

1 С3Н8 О С3Н6 + Н2 W = £1СсзН8 W1 = к 1CC3H6CH2

2 С3Н8 СН4 + С2Н4 W2 = к£сн W 2 = к iCCHfc2HA

3 С2Н4+Н2 О С2Н6 W3 = кСс2нСн2 W 3 = к 3CC2H6

d

Таблица 2. Каталитические реакции процесса дегидрирования пропана, протекающие на поверхности катализатора, и расчет их скоростей

причем:

№ реакции Реакции, протекающие на катализаторе Wku, моль/(м2 с)

1 C3H8 + Kt ^ [C3H8Kt] wWki = kk1c'C3H8c'Kt

2 [C3H8Kt] ^ C3H8 + Kt Wk2 = kk2C[C3H8Kt]

3 [C3H8Kt] ^ [C3H6Kt] + H2 Wk3 = kk3C[C3H8Kt]

4 [C3H6Kt] + 2Kt ^ ^ [CKt]3 + 3H2 Wkt = kk4C[CjH6Ktf Kt

5 C3H6 + Kt ^ [C3H6Kt] Wk5 = kk5c'C3H6c'Kt

6 [C3H6Kt] ^ C3H6 + Kt = kk6C[C3H6Kt]

7 C2H6 + Kt ^ [C2H6Kt] Wkl = kklc'C2H6c'Kt

8 [C2H6&] ^ C2H6 + Kt = kk8C[C2H6Kt]

9 [C2HK1] ^ [CHK] + H2 Wk, = kk,c?[C2H6Kt]

10 [C2H4Kt] + Kt ^ ^ [CKt]2 + 2H2 Wki0 = kk10c[C2H4Kt]Kt

11 C2H4 + Kt ^ [C2H4Kt] kn = kknCC2H4CKt

12 [C2H4Kt] ^ C2H4 + Kt W ki2 = kki2<?[C2H4Kt]

13 CH4 + Kt ^ [CH4Kt] W, ki3 = kk13cC H4CKt

14 [CH4Kt] ^ CH4 + Kt W, k14 = kk14C[CH4Kt]

15 [CH4Kt] ^ [CKt] + 2H2 W ki5 = kk15C[CH4Kt]

16 [C3H8Kt] ^ C3H6 + H2 + Kt = ^/p^Kt]

17 [C3H8Kt] ^ ^ CH4 + C2H4 + Kt Wk1l = kk17C[C3H8Kt]

18 [C2H4Kt] + H2 ^ C2H6 + Kt Wk18 = kki8C[C2H4Kt]C[H2]

а

~ II n

2 Ж. = Yw.

2 dt YW'U U=1

Начальные условия:

C ZKt(t = 0) = 0. C^it = 0) = C Ktf

(7)

(8) (9)

3. Уравнения изменения концентраций компонентов газовой фазы в III зоне реактора:

дС1

Iii

+ Vi

дСI11 _

dt дх

Начальные условия:

Yw.

j=i

C"\t = 0, x) = 0. Граничные условия:

cIIIit, X = L) = cIIit, X = L).

(10)

(11)

С IIt) = kC "(x = , t),

(13)

k = ■

«2

(1 -а^

-P2 .

(14)

(12)

При этом связь объемной и поверхностной концентраций определяется следующим соотношением:

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Приведенное математическое описание представляет собой нестационарную математическую модель с распределенными параметрами. Для уравнений приведены необходимые для их решения начальные и граничные условия. Процессы в первой и третьей зонах описаны на основе соотношений объемных концентраций компонентов, а для описания второй зоны введены также поверхностные концентрации компонентов реакций и комплексов. Модель учитывает конвективный массоперенос, температурный режим процесса и изменение концентраций компонентов в ходе их химических превращений [5].

Решение математической модели проводилось на основе метода конечных разностей при помощи неявной схемы, являющейся абсолютно устойчивой. Реализация этой схемы была проведена в разработанной программе "PropaneDehydr".

Программа может работать в 2 принципиально различных режимах: в режиме поиска оптимальных значений кинетических констант и в режиме расчета концентрационных профилей. Поиск оптимальных значений констант осуществляется на основе экспериментально полученной информации о концентрациях компонентов на входе и выходе из реактора, параметрах проведения процесса и начального приближения по искомым константам. Задача сводится к оптимизации функции, представляющей собой квадратный корень из суммы квадратов относительных отклонений расчетных данных от экспериментальных (имеются в виду значения концентраций на выходе из реактора). Оптимизация проводится методом покоординатного спуска.

На рис. 2 приведены результаты расчета профилей концентрации трех компонентов реакций, протекающих в ходе процесса дегидрирования пропана и представленных в табл. 1, 2. Данные приведены для установившегося процесса, проводимого при температуре 62°С. Изломы графиков соответствуют границам ранее обозначенных зон: первой, второй и третьей. Исходя из графиков на рис. 2, можно прийти к выводу, что скорости разложения пропана, образования пропилена и водорода в каталитическом слое значительно выше, чем при газофазном процессе, что подтверждается более интенсивным протеканием каталитического процесса по сравнению с некаталитическим. Из графиков на рис. 2 видно также, что скорости реакций в первой зоне реактора выше, чем в третьей, что находится в полном соответствии с законом действующих масс, так как и концентрации реагентов в первой зоне значительно выше, чем в третьей.

С, моль/м3

0 56.5 113 165

Нг, мм

Рис. 2. Расчетные профили концентраций по высоте реактора для температуры процесса 627°С: 1 — пропан; 2 — водород; 3 — пропилен.

Было установлено,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком