CC BY
43
МОНОМЕРЫ
УДК 66.09 DOI: https://doi.org/10.24411/2071-8268-2019-10102
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТОКА СЫРЬЯ В РАДИАЛЬНОМ РЕАКТОРЕ ДЕГИДРИРОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ЧЕРЕЗ ПЕРФОРИРОВАННУЮ ТРУБУ
С ВНУТРЕННИМ ТЕЛОМ ВРАЩЕНИЯ
Р.М. ТЕРЕХИН, ООО «БизнесХим» (394004, г. Воронеж, Ленинский пр., 43А) Э.М. РИВИН, ООО «БизнесХим» (394004, г. Воронеж, Ленинский пр., 43А) В.А. СЕДЫХ, Воронежский государственный университет инженерных технологий
(394029, г. Воронеж, Ленинский пр., 14) E-mail: infov@bcheng.ru
В статье представлен анализ конструкции радиального реактора для дегидрогенизации этилбензола в стирол. Результаты расчетов показывают, что идея использования внутреннего тела вращения для создания равномерного распределения потока не является оптимальной.
Ключевые слова: дегидрогенизация, этилбензол, стирол, внутреннее тело вращения, радиальный реактор.
Для цитирования: Терехин Р.М., Ривин Э.М., Седых ВА. Распределение потока сырья в радиальном реакторе дегидрирования углеводородов через перфорированную трубу с внутренним телом вращения // Промышленное производство и использование эластомеров, 2019, №1, С. 6-9. DOI: 10.24411/2071-8268-2019-10102.
RAW MATERIAL DISTRIBUTION IN RADIAL REACTOR OF HYDROCARBONS DEHYDROGENATING THROUGH A PERFORATED PIPE WITH THE INTERNAL SOLID
OF REVOLUTION
Teryokhin R.M., BizinesChem. Ltd (Leninsky Av., 43A, Voronezh, 394004, Russian Federation) Rivin E.M., BizinesChem. Ltd (Leninsky Av., 43A, Voronezh, 394004, Russian Federation),
e-mail: infov@bcheng.ru Sedykh V.A., Voronezh State University of Engineering Technologies (Leninsky Av., 14, Voronezh, 394029, Russian Federation)
Abstract. The article continues the analysis of construction of radial reactor for degydrogenating of ethylbenzene to styrene. The results of calculation show that the idea of using inner body of rotation for organization of even stream distribution is not optimum.
Keywords: technology of dehydrogenating of ethylbenzene, styrene, inner solid of revolution placed in inner perforation pipe.
For citation: Teryokhin R.M. Rivin E.M. Sedykh V.A. Raspredeleniye potoka syr'ya v radial'nom reaktore degid-rirovaniya uglevodorodov cherez perforirovannuyu trubu s vnutrennim telom vrashcheniya [Raw material distribution in radial reactor of hydrocarbons dehydrogenating through a perforated pipe with the internal solid of revolution]. Promyshlennoyeproizvodstvo i ispol'zovaniye elastomerov, 2019, no. 1, pp. 6-9 (In Russ.). DOI: 10.24411/2071-8268-2019-10102.
Настоящее сообщение является дополнением к опубликованному ранее [1]. Геометрические размеры внутренних тел вращения, принятые в ниже приведенных расчетах, взяты из [1], в качестве эталона — конструкция из сообщения [2], методика расчетов — согласно [3, 4].
Для уменьшения объёма некатализаторной зоны и более равномерного, по мнению авторов, распределения потока газовой смеси по высоте слоя катализатора, авторы патентов [5-8] предлагают поместить во внутреннюю перфорированную трубу тело вращения — конус. Авторы полагают что, гладкий или профилированный конус, размещенный по всей высоте перфорированной трубы, снизит объём некаталитической зоны минимум на 1/3 и обеспечит равномерное распределение потока по высоте вертикального реактора. Заявленные конструкции непринципиально отличаются лишь применяемыми формулами расчета геометрических размеров конуса — гладкого или составного.
Для сравнительного расчета предположим, что в перфорированную трубу диаметром 1,3 м и высотой 5,4 м поместили конус с основанием 1,3 м и высотой 5,0 м (0,4 м отведено на крепление конуса внутри трубы).
В патенте [6] предлагается устанавливать в реакторах первой и второй ступени конусы, построенные одной образующей (рис. 1).
Рис. 1. Размещение конуса в перфорированной трубе: ф1 — «гладкий» конус; ф2 — профилированный конус
Радиусы сечений могут быть рассчитаны по известной формуле для усеченного конуса:
(Н - Ь) = Ьг/(И - г), (1)
где И — радиус перфорированной трубы = 0.65 м, г — радиус конусного сечения на расстоянии Ь от основания конуса, Ь — высота сечения конуса от основания, м.
Для расчетов приведем формулу к виду г = И(Н - Ь)/Н.
Соответственно рассчитанные диаметры сечений конуса составили 0,26; 0,52; 0,78; 1,04 м. Распределение поступающей на катализатор шихты при наличии встроенного в перфорированную трубу конуса ф = 1,3 м, Н = 5 м) для профиля ф1 показано в табл. 1.
Таблица 1
Результаты расчетов распределения шихты при
наличии встроенного в перфорированную трубу
«гладкого» конуса (профиль ф1)
Длина, L м Поток вещества, Q, м3/с, заданное Поток вещества Q, м3/е, реальное Разность, м3/е
0 65 65 0
1 52 49,9 +2,1
2 39 32,8 +6,2
3 26 16,6 +9,4
4 13 4,7 -8,3
5 0 0 0
В патенте [7] предлагается профилировать конус. Для расчета изменения диаметра сечений конуса по высоте предложена формула:
d = D(h/H°)'
0,5
(2)
где d — диаметр сечения на расстоянии Ь от основания конуса, Н0 — высота конуса, D — диаметр перфорированной трубы.
Следовательно, конус будет иметь размеры: диаметр основания 1,3 м, высоту 5,0 м. Профиль конуса рассчитан по приведенной выше формуле — диаметры в сечениях — снизу вверх: 0,58; 0,82; 1,0; 1,16.
Выполним расчеты, приняв объём поступающей шихты в количестве 65 м3/с. Результаты расчета представлены в табл. 2 ф = 1,3 м, Н = 5 м). Таблица 2
Результаты расчетов распределения шихты при наличии встроенного в перфорированную трубу профилированного конуса (профиль ф2)
Длина, L, м Поток вещества Q, м3/с заданное Поток вещества Q, м3/е реальное Разность, м3/е Скорость потока W, м/е Р, кг/м2
0 65 65 49 41
1 52 40,3 11,7 39,2 26,3
2 39 23,3 15,7 29,4 14,8
3 26 10,6 14,4 19,6 6,6
4 13 2,6 10,4 9,8 1,6
5 0 0 0 0 0
Заметим, что в трубе с конусом неравномерность распределения потока выше, чем в сужающейся трубе, что видно на рис. 2 (кривая ф1).
На рис. 2 показано распределение подачи шихты на катализатор при использовании конуса рассчитанного профиля (кривая ф2).
Расчеты были произведены в предположении, что сопротивление слоя катализатора незначительно и газовая смесь свободно истекает из перфорированной трубы.
В промышленных условиях сопротивление катали-заторного слоя может резко возрасти. В этом случае распределительная система реактора будет работать в режиме линейного перепада давления. Распределение шихты, поступающей на катализатор, определяется по длине трубы согласно формуле 11-152 [8 — с. 166]
Н = - 1), (3)
где Нь — текущий перепад давления, м, wн — скорость потока на входе в трубу, м/с, £ — коэффициент сопротивления, d — диаметр трубы, м, g — ускорение свободного падения, м/с2.
Преобразуем эту формулу для расчета распределения потока по длине трубы:
д = Q•(1 - 4а^)°,5. (4)
Из структуры формулы (3) видно, что распределение потока по длине трубы не будет равномерным (рис. 3).
Данные табл. 3 показывают, что поток шихты в пустой трубе при этом режиме будет смещен в верхнюю часть распределительной трубы. Размещение конуса смещает нагрузку на средние слои катализатора (рис. 4).
Рис. 2. Распределение потока шихты в перфорированной трубе с конусом: ф1 — «гладкий» конус; ф2 — профилированный конус; Р — равномерное распределение
Рис. 3. Распределение потока шихты в перфорированной трубе в режиме линейного перепада напора: Р — равномерное распределение; БК — конструкция без конуса; СК — конструкция с конусом
Таблица 3
Результаты расчетов распределения шихты при наличии встроенного в перфорированную трубу конуса ф = 1,3 м, Н = 5 м, профиль ф.2) в режиме линейного перепада давления
Длина, L, м Поток вещества, Q, м3/с, заданный Поток вещества Q, м3/с, расчетный без конуса Поток вещества Q, м3/с, расчетный с конусом
0 65 65 65
1 52. 58,1 46,5
2 39 50,35 30,3
3 26 41,1 16,8
4 13 29,1 5,9
5 0 0,0 0
Попытаемся выяснить, при каких условиях установка конуса внутри распределительной трубы позволит получить равномерное распределение по высоте трубы. Рассчитаем скорость потока в каждом сечении, необходимую для равномерного распределения в присутствии конуса. Расчет показывает, что скорость должна нарастать по мере уменьшения объёма шихты по высоте трубы. Для нарастания скорости необходима энергия. Мощность поступающего в трубу потока определяется произведением объёма входящего в трубу потока на скоростной напор. N = Q•W2•d/2g = Q•P = 65-4920,335/2-9,8 =2668,25 кгм/с.
По мере движения потока по трубе мощность расходуется, снижаясь в закрытом конце до нуля. На графике показано изменение мощности потока в координатах Р - Q для трубы с конусом ф2 (рис. 5).
Рис. 4. Поступление шихты в слой катализатора в перфорированной трубе: и — идеальное распределение; ф1 — «гладкий» конус; ф2 — профилированный конус; ф3 — профилированный конус с постоянным перепадом давления
Рис. 5. Расход мощности потока в трубе с конусом: 1 — распределение с конусом ф2; 2 — гипотетическое распределение
Таблица 4
Расчет условий равномерного распределения шихты по высоте катализатора в перфорированной трубе с конусом ф2
L, м Q, м3/с заданное W, м/с реальное W, м/с гипотетическое Р, кг/м2 гипотетическое Р, кг/м2 реальное
0 65 49 41,05
1 52 39,2 48,9 41,0 26,3
2 39 29,4 49,2 41,4 14,8
3 26 19,6 48,0 39,4 6,6
4 13 9,8 48,0 39,4 1,6
5 0 0 0 0 0
Из анализа графика на рис. 5 (линия 2) видно, что для равномерного распределения шихты в трубе с конусом должна выдерживаться по всей длине начальная скорость. Поддерживать повышенный скоростной напор в перфорированной трубе по всей длине нереально, на это недостаточно запаса энергии.
Таким образом, введение конуса в перфорированную трубу не обеспечивает равномерного распределе-
ния потока по высоте трубы и в зависимости от профиля конуса вызывает значительную перегрузку первых слоев катализатора по движению потока. На рис. 5 показано, что в любом режиме работы перфорированной трубы размещение в ней конуса не приводит к равномерному распределению шихты по высоте слоя катализатора.
Приведенные результаты расчетов показывают, что многократно повторенная, с небольшими различиями, в патентах идея использования «внутреннего тела вращения» для обеспечения равномерного распределения газового потока не является оптимальной.
Кроме того, введение в распределительную перфорированную трубу тела вращения усложняет конструкцию реактора, увеличивает его металлоёмкость, соответственно, теплопотери. Стоимость аппаратов с внутренним телом вращения значительно выше, чем аппарата с простой перфорированной трубой
Для равномерного распределения потока по высоте слоя катализатора по-видимому, достаточно удачной конструкции расширяющейся перфорированной трубы [2].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ/REFERENCES
1. Терехин Р.М., Ривин Э.М., Седых ВА. // Промышленное производство и использование эластомеров. 2018. - №1, С.22-24. [Terekhin R.M., Rivin E.M., Sedykh V.A. Promyshlennoe proizvodstvo i ispolzovaniye elastomerov, 2018, no.1, pp. 22-24. (In Russ.)].
2. Оборудование для нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств НПО «Рифинг». Адрес доступа: http://www.reefing.ru/assets/templets/reefing_templet/ reefing_NX/documents/REEFING_nh.pdf (дата обращения 01.12.2018). [REEFING. Equipment for Petrochemical and Oil Refining Plants. Available at: http://www.reefing.ru/ assets/templets/reefing_templet/reefing_NX/documents/ REEFING_nh.pdf (accessed 01.12.2018)].
3. Френкель Н.З. Гидравлика. М.: Госэнергоиздат, 1956, 456 с. [Frenkel N.Z. Gidravlika (Hydraulics), Moscow, Gos-energoizdat Publ.,1956, 456 p. (In Russ.)].
4. Джон Г. Перри. Справочник инженера-химика, Л.: Химия, 1969. — Т.1. — 640 с. [John H. Perry. Chemical Engineers Handbook, Leningrad, Khimia Publ., 1969. vol.1, 640 p.].
5. Березина В.И., Ветров А.И., Ефремова В.П., Зуев В.П., Котельников Г.Р., Нефедов Е.С., Осипов Г.П., Ривин Э.М., Скульский АС., Ушаренко В.И.,Фрейберг А.В., Шамароков А.С. Агрегат для каталитического дегидрирования углеводородов. Пат. РФ №2063798, 1996. [Berezina V.I., Vetrov A.I., Yefremova V.P., Zuyev V.P., Kotel'nikov G.R., Nefedov Ye.S., Osipov G.P., Rivin E.M., Skul'skiy A.S., Usharenko V.I., Freyberg A.V., Shamarokov A.S. Agregat dlya katalitiches-kogo degidrirovaniya uglevodorodov (Unit for catalytic dehyd-rogenation of hydrocarbons). Pat. RF, no. 2063798,1996].
6. Комаров ВА., Котельников Г.Р., Осипов Г.П., Горшков В.К., Фрейберг А.В. Реактор радиального типа для каталитического дегидрирования углеводородов. Пат. РФ №2154523, 2000. [Komarov V.A., Kotel'nikov G.R., Osipov G.P., Gor-shkov V.K., Freyberg A.V. Reaktor radial'nogo tipa dlya kata-liticheskogo degidrirovaniya uglevodorodov (Radial type reactor for catalytic dehydrogenation of hydrocarbons). Pat. RF, no. 2154523, 2000].
7. Котельников Г.Р., Комаров С.М., Марушак Г.М., Сид-нев В.Б., Смирнов А.Ю., Николаев В.В., Тюкавин Г.Н. Реакторная система для каталитического дегидрирования углеводородов. Пат. РФ №2188068, 2002. [Kotel'nikov G.R., Komarov S.M., Marushak G.M., Sidnev V.B., Smirnov A.YU., Nikolayev V.V., Tyukavin G.N. Reaktornaya sistema dlya ka-taliticheskogo degidrirovaniya uglevodorodov (Reactor system for catalytic dehydrogenation of hydrocarbons). Pat. RF, no. 2188068, 2002].
8. Котельников Г.Р., Марушак Г.М., Кузьменко В.В., Горшков В.К., Комаров С.М., Сиднев В.Б. Реактор для каталитического дегидрирования углеводородов. Пат. РФ №2188069, 2002. [Kotel'nikov G.R., Marushak G.M., Kuz'-menko V.V., Gorshkov V.K., Komarov S.M., Sidnev V.B. Reaktor dlya kataliticheskogo degidrirovaniya uglevodorodov (Reactor for catalytic dehydrogenation of hydrocarbons). Pat. RF, no. 2188069, 2002].
информация об авторах/information about the authors
Терехин Рудольф Михайлович, к.т.н., ведущий инженер, ООО «БизнесХим»
Ривин Эрвин Михайлович, к.т.н., технический директор ООО «БизнесХим»
Седых Валерий Александрович, к.т.н., доцент, Воронежский государственный университет инженерных технологий
Teryokhin Rudolf M., Candidate of technical sciences, Lead Engineer. BizinesChem. Ltd Rivin Ervin M., Candidate of technical sciences, Technical Director, BizinesChem. Ltd Sedykh Valeriy A. Candidate of technical sciences, Docent, Voronezh State University of Engineering Technologies
Elastomer Conference
October 8-10, 2019
Huntington Convention Center of Cleveland
Международная конференция по эластомерам — конференция 2019 года пройдет в Хантингтонском конфе-ренц-центре Кливленда в Кливленде, Огайо.
Организатор Rubber Division, ACS (Американское химическое общество) — международная ассоциация химиков, инженеров, техников, ученых, руководителей предприятий, специалистов по продажам и маркетингу и других специалистов в области резины, полимеров и смежных областях в промышленности и научных кругах.
Подробности на сайте https://www.rubberiec.org/.
