МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕАКТОРА ПРОЦЕССА ЦИКЛИЗАЦИИ ЛЕГКИХ АЛКАНОВ

​АННОТАЦИЯ

Математическая модель реактора процесса циклизации легких алканов- это исследование, направленное на анализ и оптимизацию процесса циклизации легких алканов. Целью данной модели является предсказание характеристик реактора и оптимальных условий проведения процесса для достижения максимального выхода циклоалканов.

В статье представлен обзор существующих математических моделей и методов для описания реакций превращения легких алканов в ароматические углеводороды. Анализируется физико-химический процесс, происходящий в реакторе, такой как ароматизация.

В рамках модели учитывается влияние различных параметров на процесс циклизации легких алканов, таких как температура, давление, концентрация реагентов, катализатор и структура реактора. Разрабатывается уравнение продуктов реакции и определяются оптимальные условия для достижения максимальной эффективности процесса.

Архитектура модели включает использование математических методов, таких как уравнения баланса массы и энергии, кинетические и термодинамические уравнения.

Полученные результаты моделирования могут быть использованы для оптимизации процесса циклизации легких алканов и разработки новых технологий, способных улучшить эффективность производства циклоалканов. Это позволяет снизить затраты на реакторы и повысить энергоэффективность процесса. Кроме того, модель может быть использована в дальнейших исследованиях различных физико-химических процессов, связанных с циклизацией легких алканов.

Ключевые слова: математическая модель, реактор, процесс циклизации, легкие алканы, выход циклоалканов, температура, давление, концентрация реагентов, структура реактора, уравнение продуктов реакции, баланс массы, баланс энергии, кинетические уравнения, термодинамические уравнения, затраты на реакторы, энергоэффективность.

Математическая модель химического реактора, которая необходима при проектировании промышленных установок, включает в себя кинетическую и гидродинамическую составляющие, а также описание процессов теплопереноса.

Поскольку основные реакции процесса циклизации легких алканов являются эндотермическими, то процесс можно считать эндотермическим. В случае протекания эндотермических реакций в аппаратах идеального вытеснения достигается высокая степень превращения сырья.

Процесс ароматизации является многокомпонентным и представляет собой сложную совокупность реакций, причем образующиеся целевые продукты – ароматические углеводороды С6–С8, могут претерпевать вторичные превращения. Для сложных реакций в реакторе идеального вытеснения достигается больший выход промежуточного продукта, чем в реакторе идеального смешения.

Для достижения заданной степени превращения реагентов в ходе химической реакции необходим соответствующий объём реакционной зоны. В процессе ароматизации легких алканов глубина превращения исходного сырья должна быть высокой. С увеличением степени превращения для реактора идеального смешения требуемый объем всегда будет больше, чем для реактора идеального вытеснения.

Процесс ароматизации характеризуется большой единичкой мощностью агрегатов. В этой связи реакторы с адиабатическими слоями катализатора оказываются более перспективными в сравнении с трубчатыми реакторами, мощность которых ограничена.

Процесс ароматизации легких алканов может быть реализован в газовой фазе в аппарате секционного типа с движущимся слоем катализатора.

К описанию движущегося слоя применима схема двухфазного потока. Гидродинамический режим обеих фаз близок к идеальному вытеснению. Если процесс протекает в кинетической области, то уравнение материального баланса подобно уравнению баланса однофазного потока с фиктивной линейной скоростью.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что реактор процесса ароматизации можно описать моделью адиабатического реактора, работающего в режиме идеального вытеснения, и принять следующие допущения:

–поток газообразных реагентов, продуктов и катализатора рассматривается как однородная среда;

–движение потока реакционной смеси и катализатора осуществляется в режиме идеального вытеснения;

–активность катализатора остается постоянной;

Модель реактора идеального вытеснения выглядит следующим образом:

,                                                                                (1)

где l – длина реактора;

   U – линейная скорость потока;

   W – скорость протекающих химических реакций

В стационарном режиме работы установки уравнение (1) преобразуется к виду:

,                                                                                             (2)

где t – время контакта, с.

В адиабатическом режиме изменение температуры описывается выражением:

,                                                                                    (3)

где Т – температура. К;

   Q – суммарный тепловой эффект химических реакций

   процесса, кДж/моль;

   Ср* – теплоемкость смеси, кДж/моль∙К;

   р – давление в реакторе, МПа;

   R – газовая постоянная, МПа∙л/коль∙К.

Тепловой эффект Q процесса определяется по уравнению:

,                                                                                (4)

где Hi – тепловые эффекты i-ых реакций, кДж/моль;

Wi – скорости i-ых реакций, моль/л*с.

Теплоемкость смеси Ср* рассчитывается для газообразных веществ по формуле:

,                                                                 (5)

где mi – мольная доля i-го компонента,

Т – текущая температура в реакторе, К .

Значение коэффициентов а, b, с представлены в табл. 1

Таблица 1.

Коэффициенты а, b, с для расчета теплоёмкостей компонентов

Время контакта t можно определить через расход сырья G и объем катализатора Vкат, загруженного в реактор:

,                                                                                              (6)

Подставив (6) в уравнение (2) и (3), получим:

 ,                                                                                        (7)

,                                                                                  (8)

Модель процесса ароматизации легких алканов включает систему уравнений материального баланса и уравнение теплового баланса:

,                                                                     (9)

Энтальпии реакций Hi рассчитаны по закону Гесса и представлены в табл.2.

Таблица 2.

Значения тепловых эффектов реакций процесса ароматизации

Математическая модель реактора процесса ароматизации пропанбутановой фракции позволяет провести исследования по регулированию теплового режима процесса, определить оптимальное количество реакторов, рассчитать объём катализатора в каждом реакторе, сохраняя при этом заданную производительность аппарата по сырью, а также найти оптимальные режимы работы установки процесса для получения рентабельного выхода целевых продуктов.

На математической модели процесса циклизации проводились исследования влияния температуры, давления и состава сырья на выход продуктов ароматизации и степень превращения сырья.

Результаты расчетов позволяют сделать вывод, что рост температуры на входе в реакторы приводит к увеличению степени превращения сырья и к возрастанию концентрации ароматических углеводородов.

При исследовании влияния состава сырья выявлено, что концентрация фракции и степень превращения возрастают с увеличением в сырьевой смеси доли бутана.

Повышение давления приводит к уменьшению перепада температур, незначительному росту конверсии сырья и практически не влияет на селективность процесса и выход целевого продукта.

Список литературы:

1. Слинько М.Г. История развития математического моделирования каталитических процессов и реакторов// ТОХТ. – 2007. – Т.41. – №1. – С. 16–34.
2. Жоров Ю.М. Моделирование физико-химических процессов нефтепереработки и нефтехимии. – М.: Химия, 1978. – 387 с.
3. Мартыненко В.Г. и др. В кн.: VI Всесоюзная конференция по моделированию химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих процессов и реакторов. – Дзержинск, 1977. – Т.3. – С. 7–23.
4. Паал З., Чичери Ж. Каталитические реакции циклизации углеводородов. – М.: Мир, 1988. – 266 с.
5. Воробьев Б.Л., Кравцов А.В., Кошелев Ю.Н., Ушева Н.В., Сметанина Е.И., Мойзес О.Е. Кинетика ароматизации легких алканов на высококремнистых цеолитных катализаторах.//Нефтехимия, 1992. – Т 32. – №4. – С. 306–313.
6. Михайлова E.H., Кравцов A.B., Иванчина Э.Д., Мельник Д.И. Моделирование процесса дегидрирования н-парафинов С9-С14 в адиабатаческом реакторе с неподвижным слоем Pt-катализатора//Известия Томского политехнического университета. Химия. – 2006 – Т. 309 – № 2– С.170-173.
7. Никитин А.В. Кинетические закономерности окисления легких алканов и их смесей в среднетемпературной области: автореферат. 2016.[электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: https://docs.yandex.rudocs/view?tm=1703353667&tld=ru&lang=ru&name=Avtoreferat_Nikitin.pdf (дата обращения 24.12.2023)