Введение к работе
Актуальность проблемы. Растущие потребности различных
отраслей промышленности в материалах и продуктах
органического синтеза приводят к поиску и разработке высокоэффективных способов ведения процесса с минимальными энерго — и ресурсозатратами.
Процесс алкнлирования бензола пропиленом является одним из основных в производстве фенола и ацетона кумольным методом, т.к. он во многом определяет технико—экономические показатели производства в целом.
В настоящее время на всех предприятиях России используются в качестве катализаторов комплексы на основе хлористого алюминия или фосфорной кислоты, которые имеют некоторые недостатки: коррозия материала оборудования, образование сточных вод и повышенный выход полиалкилбензолов.
В последние годы проведен большой объем исследований и осуществлена подготовка к промышленному внедрению процесса алкилирования бензола пропиленом на гетерогенном цеолит — содержащем катализаторе, лишенном вышеуказанных недостатков. В связи с этим разработка нового катализатора, установление механизма и кинетики химической реакции, математического его описания, а также совмещения процесса химической реакции и ректификации в одном аппарате, являются актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно—исследовательских работ АН РФ по направлению "Теоретические основы химической технологии", тема— "Интенсификация реакторно—ректификационных процессов". (1995-1997 г).
Цель работы. Моделирование и оптимизация процесса алкилирования бензола пропиленом на цеолитсодержащем катализаторе. Подбор промышленного катализатора с использованием активного эксперимента и установление механизма кинетики химической реакции на подобранном цеолитном катализаторе с его математическим описанием. Моделирование каталитического процесса алкилирования бензола пропиленом на зерне катализатора Z — 2 (60% алюмосиликата, 40%
мас. высококремнистого цеолита типа ZSM) с установлением
интервалов варьирования температуры, давления и мольного
соотношения бензол : пропилен на селективность процесса на
зерне катализатора. Моделирование промышленного
гетерогенно — каталитического реактора и установление конструктивных и технологических параметров, приводящих к интенсификации каталитического процесса при совместном проведении реакционно —ректификационного процесса.
Научная новизна:
-
Предлагается механизм реакции алкилирования бензола пропиленом на цеолит—содержащем катализаторе Z —2 и его математическая модель.
-
Оценены константы кинетической модели и адекватности ее экспериментальным данным.
-
Разработана математическая модель зерна катализатора Z—2 в статике и динамике для двух типов граничных условий— Дирихле и Неймана с определением внешнего и внутреннего факторов эффективности (степень использования внутренней поверхности катализатора).
-
Разработана математическая модель гетерогенно — каталитического реактора алкилирования бензола пропиленом и метод ее решения.
-
Разработана математическая модель совмещенных процессов многокомпонентной ректификации с учетом химической реакции алкилирования бензола пропиленом.
Практическая ценность:
-
Осуществлен подбор состава промышленного катализатора методом случайного баланса. Программное обеспечение составлено на языке Паскаль.
-
Предложен новый 3-х секционированный реактор, снабженный цеолюсодержащим катализатором Z—2 со 100 % исчерпанием пропилена, селективностью по ИПБ—95 %, конверсией по бензолу—20 %.
-
На основании теоретических и экспериментальных исследований кинетики химической реакции и расчетов по матемагическим моделям выбраны оптимальные размеры зерна, высота слоя катализатора, а также параметры ведения процесса.
-
Предложенные в работе результаты анализа с практическими рекомендациями переданы на АО "Уфаоргсинтез".
-
Реализация совмещенного хеморектификационного процесса с цеолитсодержащим катализатором Z—2 позволит в 3 раза увеличить производительность, в сравнении с фосфорнокислотньгм катализатором, при снижении побочных продуктов в катализате в 15 раз (с 1,5 % до 0,005—0,1 %) и снизить энергозатраты на 32%.
Апробапия работы Результаты работы были доложены на Международной конференции "Методы математического моделирования в химии и химической технологии ММХ—9" (г. Тверь, 1995} и межотраслевой научно —технической конференции "Экологическая защита городов" (г. Москва, 1996).
По теме диссертации подготовлены и сданы в печать 2 статьи.
Обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, общим объемом 170 страниц (в том числе 11 рисунок, 19 таблиц, списка литературы из 146 наименований).