Моделирование процесса получения Н-моноолефинов путем дегидрирования высших парафинов С9-С14 на промышленной установке

Сырьевой базой для производства синтетических моющих средств (CMC) являются алкилбензолы (АБ) и алкилбензосульфонаты (АБС). В настоящее время в мире действует около 40 заводов по производству АБ и АБС. Эти заводы обеспечивают около 70% всего рынка моющих средств. Темп роста потребления алкилбензолов в России составляет 6% в год.

Лимитирующей стадией процесса получения АБ является дегидрирование высших парафинов Сд-Си на Pt-катализаторах с получением соответствующих моноолефинов, которые в дальнейшем используются при алкилировании ими бензола. Эффективность производства АБ в основном определяется эффективностью протекания именно этой стадии.

Постоянное увеличение потребностей в сырье для производства CMC ставит перед персоналом производства задачу повышения эффективности работы реакторного блока без крупных финансовых затрат или модернизации действующего оборудования. Если раньше новые технологические режимы для действующего производства приходилось испытывать исключительно на пилотных и полупромышленных установках, то в настоящее время, с появлением новых информационных технологий, реализуемых при использовании компьютерных технологий, появилась возможность проводить анализ и прогнозирование процессов, а также их оптимизацию.

Наибольшей надежностью обладают математические модели, основанные на фундаментальных законах химической кинетики и термодинамики. При моделировании сложных химических процессов от правильного описания механизма и кинетики превращения углеводородов на поверхности катализаторов зависит точность проводимых расчетов.

Таким образом, основная трудность, возникающая при разработке математической модели сложного реакторного процесса, заключается, во-первых, в необходимости учета реакционной способности индивидуальных углеводородов при составлении агрегированной схемы превращения, а во-вторых, определение кинетических параметров описываемых реакций.

С этой целью в работе использована стратегия системного анализа, которая позволяет не только анализировать технологию производства, но и прогнозировать эффективные и безаварийные режимы ее эксплуатации. Системный анализ в этом случае есть результат применения к исследованию опыта изучения, создания и эксплуатации химической производственной системы [1]. Это проводится в три этапа:

1. Выделяются параметры и элементы, которые определяют необходимые свойства производственной системы.

2. Устанавливаются функциональные зависимости выходных параметров от входных.

3. Проводится исследование производственной системы, то есть проводится расчет показателей, определение свойств (особенностей), изучение эволюции (развития, изменения) производственной системы для повышения эффективности ее функционирования. Большое значение при этом имеет накопленный опыт эксплуатации в виде данных и знаний.

Описание производственной системы, зависящей от множества параметров — сложная совокупность уравнений. Основным инструментом для этих исследований, которые является компьютерная система, которую мы называем интеллектуальной, т. к. она базируется на фактических данных по эксплуатации промышленных установок. Эти данные анализируются, делаются выводы и даются рекомендации. Физико-химическая модель — это программно реализованный главный блок этой системы, включающий расчеты по уравнениям материальных и тепловых балансов превращения углеводородов на поверхности катализатора, а также кинетические модели дезактивации вследствие процессов отравления, старения, блокировки активной поверхности коксом.

Таким образом, решение проблемы прогнозирования и оптимизации процесса получения моноолефинов возможно с разработкой математической модели процесса дегидрирования высших парафинов С9-С14, а также созданием на ее основе технологической моделирующей системы.

выводы.

1. Предложенный уровень формализации механизма при протекании реакций в процессе дегидрирования н-парафинов C9-Q4 на поверхности Pt-катализатора, основанный на объединении компонентов по реакционной способности в псевдокомпонентысоставлении схемы превращений объединенной группы компонентовустановлении зависимости реакционной способности углеводородов, принадлежащих к одной гомологической группе от их вклада в целевые продукты дегидрирования, позволяет сохранить чувствительность математического описания процесса дегидрирования относительно состава углеводородного сырья и информативность относительно продуктов его переработки.

2. Предложенная кинетическая модель процесса дегидрирования н-парафинов C9-Q4 позволяет количественно оценить скорости превращения углеводородов в зависимости от времени реакции, состава исходной смеси, температуры и давления в системе.

3. Решением обратной кинетической задачи определены кинетические параметры целевых и дезактивирующих реакций для различных марок Pt-катализаторов дегидрирования с учетом допущений о том, что диффузионные осложнения в реакторе для реакций изомеризации парафинов, гидрокрекинга и дегидроциклизации диолефинов отсутствуют, и они протекают в кинетической области. В тоже время, реакции дегидрирования парафинов и олефинов, а также реакции дегидроциклизации изопарафинов протекают с внутридиффузионными осложнениями, которые учтены в модели через фактор эффективности использования зерна катализатора.

4. Предложенная методика расчета реактора радиального типа на основе кинетических закономерностей превращения углеводородов на поверхности Pt-катализатора и критериального анализа позволила обосновать выбор модели идеального вытеснения в качестве гидродинамической модели реактора (критерий Пекле Ре=2494).

5. Суммарная погрешность проводимых с использованием разработанной.

157 математической модели расчетов не превышает 10%.

6. Разработанная технологическая моделирующая система процесса дегидрирования н-парафинов Сд-С^ с элементами искусственного интеллекта позволяет проводить прогнозные расчеты параметров процесса с учетом специфики перерабатываемого сырья и технологических условий, а также исследовать влияние режимов работы установки на селективность процесса и коксонакопление на поверхности Pt-контакта.

7. Оптимальное мольное соотношение Нгхырье находится на уровне 7:1 (при работе катализатора КД-1 содержание коксогенных соединений на катализаторе составило 5,65 мае. %). Поддержание такого соотношения позволяет при снижении степени превращения до 10% обеспечить срок службы катализатора 5−6 месяцев вместо 45 суток. Увеличение разбавления до 8:1 снижает содержание коксогенных соединений (4,92 мае. %), однако при этом увеличивается нагрузка на компрессор, а, значит, и экономические затраты. Понижение мольного соотношения Нгхырье ниже 6:1 (содержание коксогенных соединений составляет 6,69 мае. %) при постоянном давлении в реакторе ведет к увеличению превращения н-алканов, при этом снижается нагрузка на компрессор. Однако снижение парциального давления водорода ведет к увеличению отложения коксогенных структур на катализаторе и снижению гарантированного срока службы до 45 дней.

8. Одним из эффективных вариантов реконструкции действующей установки по производству н-моноолефинов является переход на параллельную работу реакторов дегидрирования. С использованием технологической системы показано, что при нагрузке по сырью 37,5 м3/час на один реактор объемная скорость уменьшится в два раза по сравнению с работой реактора при расходе сырья 75 м3/час. При этом время контакта реагентов увеличится в два раза. Тогда, при одинаковой стартовой температуре процесса длительность рабочего цикла катализатора увеличится в 1,6−1,7 раза. Это приведет к увеличению, в среднем на 15%, концентрации в выходном потоке из ректора дегидрирования побочных продуктов при мольном соотношении Н2: сырье=7:1. Расчетами показана целесообразность увеличения мольного соотношения до 8:1 с целью обеспечения прежнего уровня побочных соединений в продуктовой смеси. Это позволит увеличить длительность рабочего цикла катализатора в 2 раза и снизить концентрацию побочных продуктов.

9. Предложенная и внедренная методика оценки длительности рабочего цикла катализаторов дегидрирования позволяет оценить количество получаемых н-моноолефинов, которое можно выработать в зависимости от условий эксплуатации установки (температуры, давления, мольного соотношения «водород :сырье», расхода сырья), а также выбрать оптимальный Pt-катализатор дегидрирования в условиях конкретной технологии.