Russian Federation
Based on experimental data from various researchers, the parameters influencing the output of by-products during the dehydrogenation of ethylbenzene in the production of styrene were identified, and a new mixing device for the reactor was proposed, which makes it possible to improve the mixing quality of ethylbenzene with steam and increase the service life of the catalyst
dehydrogenation of ethylbenzene, styrene, mixing device, reactor, catalyst, selectivity
Процессы дегидрирования имеют немаловажное значение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности. Дегидрированием получают ненасыщенные соединения, представляющие большую ценность в качестве мономеров для производства синтетического каучука и пластических масс (бутадиен-1,3, изопрен, стирол), некоторые альдегиды и кетоны (формальдегид, ацетон, метилэтилкетон). Важнейшим продуктом-мономером, получаемым дегидрированием алкилароматических соединений, является стирол. Стирол применяется для получения полистирола, смол и пластификаторов. В России производство стирола осуществляется на пяти предприятиях, в том числе, и на установке цеха 126/127 Ангарского завода полимеров, введенной в эксплуатацию в 1974 году.
Для установки, эксплуатируемой столь продолжительное время, особенно важным является снижение издержек производства, а это невозможно без модернизации и реконструкции технологического оборудования. Постоянное усовершенствование процесса получения стирола каталитическим дегидрированием этилбензола является результатом применения все более активных катализаторов на стадии получения, а также модернизации стадий конденсации и ректификации [1]. Для увеличения масштабов выработки стирола требуется усовершенствование и улучшение технологического режима и аппаратурного оформления, применяемых в производстве.
Реакция дегидрирования протекает при температуре 550-630 °С в слое катализатора и зависит от его активности, которая снижается по мере работы. Метод получения стирола дегидрированием этилбензола осуществляется на катализаторе СТАЙРОМАКС 6 (сложная промотированная система на основе Fe2O3) в двухступенчатом адиабатическом реакторе с промежуточным подогревом контактного газа в присутствии водяного пара, как теплоносителя:
|
t=550-630 °С водяной пар |
|
kat СТАЙРОМАКС 6 |
С6Н5СН2-СН3 С6Н5СН=СН2 + Н2
Кроме основной реакции протекает ряд побочных реакций с получением бензола, толуола, метана, этилена, а также тяжелокипящих:
СН4 + 2Н2О СО2 + 4Н2
С2Н4 + 4Н2О 2СО2 + 6Н2
С + Н2О СО + Н2
Этилбензол при высокой температуре распадается по обратимой реакции на бензол и олефин, а выделяющийся при дегидрировании водород способствует гидрогенолизу с образованием ароматических углеводородов и парафинов.
За счет реакции дегидроциклизации получаются также полициклические соединении (стильбены, фенантрены). Дальнейшая конденсация ведет к образованию кокса.
Процесс дегидрирования этилбензола протекает с увеличением объема. Снижение парциального давления углеводородов сдвигает равновесие в сторону образования конечного продукта - стирола - с одной стороны, и сокращает до минимума образование побочных продуктов с другой [2]. Поэтому в процессе дегидрирования для снижения парциальных давлений реагентов вместе с этилбензолом вводится водяной пар. Кроме этого, водяной пар непрерывно удаляет с катализатора углерод, образующийся в процессе реакции. Смешение паров этилбензола и водяного пара происходит в камере, расположенной в верхней части реактора (1) дегидрирования этилбензола (рисунок 1). Селективность дегидрирования этилбензола зависит от катализатора (его состояния), температуры, степени разбавления водяным паром и конверсии этилбензола [3]. Возможность повышения конверсии осуществляется за счет секционного подвода водяного пара: половину водяного пара вводят в первый слой катализатора, а оставшуюся часть во вторую секцию и за счет подогрева контактного газа между слоями катализатора.
Смесь паров этилбензола и водяного пара на входе в реактор 1-ой ступени (2) имеет температуру 550-630 °C. За счет эндотермического характера реакции температура контактного газа на выходе из первой ступени реактора снижается на 35-50 °C. Перед поступлением на вторую ступень реактора контактный газ подогревается в межступенчатом подогревателе (3) до 550-630 °C за счет тепла перегретого водяного пара. После межступенчатого подогревателя контактный газ поступает во вторую ступень (4) реактора. Из реактора выходит контактный газ, содержащий водяной пар, стирол, этилбензол, бензол, толуол и прочие примеси в незначительных количествах.
Рисунок 1 – Схема реактора дегидрирования этилбензола
С целью повышения качества смешения этилбензола с водяным паром, а также для увеличения срока эксплуатации катализатора, предлагается установить на входе реагентов в реактор новое смесительное устройство решетчатой конструкции из пересекающихся полос (рисунок 2). Корпус и смесительные элементы устройства изготавливаются из нержавеющей стали, а также могут быть изготовлены из полипропилена или тефлона. Для достижения высокой селективности и степени конверсии в процессе дегидрирования этилбензола в газовой фазе необходимы однородные распределения концентрации реагирующих компонентов и температуры во входящем в реактор потоке, а также плоский профиль скорости потока на входе в каталитичекий слой, что обеспечивается с помощью нового смесительного устройства. Длина смесителя определялась не только в соответствии с необходимой гомогенностью, но также с учетом характеристик исходных потоков, отношением объемных расходов и различием плотностей реагентов, и по данным расчетов составила 500 мм.
Рисунок 2 – Смесительная камера реактора дегидрирования этилбензола:
1 - смесительное устройство; 2 - отбойники; 3 - распределительный конус;
4 – ребра.
Процесс перемешивания в новом смесительном устройстве будет носить упорядоченный характер и определяться геометрической структурой пери-одически повторяющихся пересекающихся каналов, что позволит повысить эффективность процесса дегидрирования этилбензола, снизить выход побоч-ных продуктов в реакторе и увеличить срок службы катализатора.
1. Podoplelov, E.V. Konstruktivnye osobennosti reaktorov dlya pro-vedeniya gazozhidkostnyh processov / E.V. Podoplelov, G.A. Petrushin, A.D. Petrushina // Vestnik Angarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. – 2023. – № 17. – S. 99-103.
2. Podval'nyy, S.L. Issledovanie izmeneniya sostava etilbenzol'-noy shihty v reaktore proizvodstva stirola s uchetom parcial'nyh davleniy reagentov / S.L. Podval'nyy, A.P. Popov, S.G. Tihomirov, O.V. Karmanov, O.G. Neizvestnyy, E.N. Kovaleva // Teoreticheskie osnovy himicheskoy tehnologii. – 2020. – T. 54. – № 6. – S. 775-783.
3. Timofeev V.S. Principy tehnologii osnovnogo organicheskogo i neftehimicheskogo sinteza / V.S. Timofeev, L.A. Serafimov. – Moskva : Vysshaya shkola, 2003, – 536 s.
