Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАДИИ СМЕШЕНИЯ РЕАГЕНТОВ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛБЕНЗОЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ

Белинская Н.С. 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Настоящая статья посвящена исследованию стадии смешения реагентов и катализаторного комплекса в производстве этилбензола алкилированием бензола этиленом в присутствии катализаторного комплекса хлорида алюминия. В данном исследовании использованы современные методы вычислительной гидродинамики и пакет прикладных программ для моделирования ANSYS FLUENT. Оценена эффективность смешения бензола и каталитического комплекса (однофазная жидкая система) при разных скоростях подачи потоков в камеру смешения, а также до и после установки смесительного устройства в камеру смешения. Показано, что установка смесительного устройства в камеру смешения позволяет повысить эффективность процесса смешения на 20?%. Предложено технологическое решение по подаче этилена в смесительную камеру в дополнение к подаче этилена в реактор. Оценена эффективность смешения бензола, каталитического комплекса и этилена (двухфазная система «газ ? жидкость») в зависимости от скорости подачи этилена в камеру смешения. Определена скорость подачи этилена в камеру смешения, обеспечивающая наиболее равномерное смешение реагентов и катализаторного комплекса.
ANSYS FLUENT
алкилирование
бензол
этилен
вычислительная гидродинамика
смешение
двухфазная система «газ ? жидкость»
1. Берберов А.Б., Афонин Д.С., Борзаев Х.Х., Иванов Е.В., Гущин П.А. Алкилирование бензола этиленом // Башкирский химический журнал – 2014. – Т. 21. – № 1. – С. 5–8.
2. Гусева Е.В., Сафаров Р.Р., Меньшутина Н.В., Будран Ж. Подход к моделированию, масштабированию и оптимизации работы биореакторов на основании вычислительной гидродинамики // Программные продукты и системы. – 2015. – № 4 (112). – С. 249–255.
3. Долганова И.О., Белинская Н.С., Ивашкина Е.Н., Мартемьянова Е.В., Ткачев В.В. Повышение эффективности технологии получения этилбензола с использованием метода математического моделирования // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8. – С. 595–600.
4. Ивашкина Е.Н., Хлебникова Е.С., Беккер А.В., Белинская Н.С. Исследование процесса смешения реагентов в технологии алкилирования бензола этиленом с использованием методов вычислительной гидродинамики // Химическая промышленность сегодня. – 2014. – № 8. – С. 46–56.
5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов. – 10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепечатано с изд. 1973 г. – М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. – 753 с.
6. Кленов О.П., Носков А.С. Вычислительная гидродинамика в разработке каталитических реакторов // Катализ в промышленности. – 2011. – № 4. – С. 52–62.
7. Терещенко К.А., Улитин Н.В., Набиев Р.Р. Расчет гидродинамических и температурных условий в реакторе синтеза битилкаучука с применением методов вычислительной гидродинамики // Вестник Казанского технологического университета. – 2013. – Т. 16. – № 21. – С. 150–156.

Процесс алкилирования бензола этиленом является одним из крупнотоннажных процессов нефтехимической отрасли [1]. Это обусловлено тем, что получаемый продукт – этилбензол – используется в качестве полуфабриката для производства ценных конечных продуктов. Так, 90 % этилбензола перерабатывается для получения стирола, используемого для производства полистирола.

Большинство реакторных блоков промышленных установок производства этилбензола включают 2 основные стадии: стадия смешения реагентов и реакционная стадия. Стадия смешения протекает в камерах различной конструкции. После данной стадии реагенты поступают в реактор [3].

Предварительное смешение реагентов является важной стадией производства, в частности, в процессе алкилирования бензола этиленом в присутствии каталитического комплекса хлорида алюминия. Реагенты должны быть перемешаны равномерно до поступления их в реактор. Кроме того, так как процесс алкилирования бензола этиленом является двухфазным процессом, исследование динамики поведения газового потока в жидкости представляет особый интерес. Знание режима движения газовой и жидкой фаз, диспергирование, средний размер газовых пузырьков и их распределение в жидкой фазе, обеспечение требуемой степени смешения в камере смешения важны с точки зрения достижения большой реакционной поверхности, высокой скорости протекания реакций, а также селективности процесса.

Актуальной проблемой, возникающей на производстве этилбензола, использующего комплекс хлорида алюминия в качестве катализатора, является значительное количество сточных вод, загрязненных катионами алюминия [4]. Концентрация катионов алюминия в сточных водах составляет 5–15 г/л, что в 12,5–47,5 раз превышает ПДК, равную 0,4 мг/л. Эта проблема может быть решена путем повышения эффективности стадии предварительного смешения реагентов, так как более равномерное смешение приведет к более эффективному протеканию реакций и снижению потребления каталитического комплекса и, как следствие, снижению концентрации катионов алюминия в сточных водах.

Целью работы является исследование факторов, влияющих на эффективность смешения реагентов в процессе алкилирования бензола этиленом.

Материалы и методы исследования

В настоящее время для решения проблем, связанных с гидродинамикой жидкостей и газов, широко применяются методы вычислительной гидродинамики. Химическая промышленность является одной из основных, в которых используется моделирование с применением методов вычислительной гидродинамики [2, 6, 7].

Исследование процессов с применением методов вычислительной гидродинамики включает следующие этапы:

1. Создание геометрии аппарата и разбиение ее на ячейки (создание сетки) в программе GAMBIT.

2. Моделирование аппарата в программе ANSYS FLUENT 14.5.

3. Обработка результатов в программе Tecplot.

Задачи исследования включают исследование поведения реагентов в камере смешения, эффективности и интенсивности процесса смешения, факторов, влияющих на процесс смешения для следующих случаев:

1) смешения бензола и катализаторного комплекса;

2) смешения бензола, каталитического комплекса и этилена.

Конструкция камеры смешения схематично представлена на рис. 1.

Камера смешения заполнена каталитическим комплексом. Бензол поступает в камеру через патрубок диаметром D1 = 110 мм и смешивается с каталитическим комплексом, который поступает в камеру через 2 патрубка: свежий каталитический комплекс подступает через патрубок диаметром D2 = 60 мм, циркулирующий – через патрубок диаметром D3 = 110 мм. Этилен подается через патрубок с диаметром D4 = 110 мм. Длина смесительной камеры L = 3000 мм. Свойства исследуемых жидкостей и газа представлены в таблице.

pic_2.wmf

а

pic_3.wmf

б

Рис. 1. Конструкция смесительной камеры: I – бензол; II – свежий каталитический комплекс; III – циркулирующий каталитический комплекс; IV – смесь реагентов; V – этилен

Свойства исследуемых жидкостей и газа

Свойство

Бензол

Каталитический комплекс

Этилен

Плотность, кг/м3

875

1050

1,137

Вязкость, кг·м–1·с–1

0,00060

0,00100

0,00001

Молекулярная масса, кг/кмоль

78,1

40,95

28,05

Температура в камере смешения: 390 К, давление: 0,15 МПа.

Для оценки режима движения в исследуемой камере смешения рассчитан критерий Рейнольдса [5]:

belinsk01.wmf

где w – характерная скорость, м/с; d – гидравлический диаметр, м; ρ – плотность среды, кг/м3; µ – вязкость среды, кг?м–1?с–1.

Так как рассчитанное значение критерия Рейнольдса превышает критическое значение перехода течения от ламинарного к турбулентному (2320), то режим движения в камере смешения – турбулентный.

Для исследования эффективности процесса смешения были использованы следующие интегральные критерии:

  • критерии для оценки эффективности в однофазном потоке (при смешении бензола с каталитическим комплексом)

belinsk02.wmf

belinsk03.wmf

где V – объем камеры смешения; Сcat – массовая концентрация каталитического комплекса; D – диаметр камеры смешения;

  • критерии для оценки эффективности для двухфазного потока (при смешении бензола, каталитического комплекса и этилена)

belinsk04.wmf

belinsk05.wmf

где Cet – массовая концентрация этилена.

Результаты исследования и их обсуждение

Исследование смешения бензола и каталитического комплекса

Для оценки влияния скорости потоков на эффективность смешения и времени смешения (время, которое требуется для достижения стационарного режима смешения, при котором концентрации жидкостей остаются постоянными во времени) были изучены два случая. В первом случае были приняты следующие значения скоростей потоков: скорость подачи бензола 0,042 м/с, скорость свежего каталитического комплекса 0,002 м/с, скорость циркулирующего каталитического комплекса 0,019 м/с. Во втором случае скорости потоков были уменьшены в 5 раз: скорость бензола 0,0084 м/с, скорость свежего каталитического комплекса 0,0004 м/с, скорость циркулирующего каталитического комплекса 0,0038 м/с.

Сравнение объемного и поверхностного интегральных критериев для двух случаев показало, что более низкая скорость потоков позволяет достичь более равномерного смешивания бензола и каталитического комплекса (рис. 2). Как видно из рис. 2, объемный интегральный критерий при более низких скоростях потоков превышает критерий для более высоких скоростей на 0,043 (на 21 %), поверхностный интегральный критерий для второго случая превышает критерий для первого случая на 0,037 (на 18 %).

В первом случае время смешения составляет 60 с, во втором случае – 320 с.

Несмотря на то, что в случае более низкой скорости потоков смешение происходит более равномерно, мощность установки и, соответственно, количество целевого продукта в единицу времени снижается. Поэтому в промышленности используются смесительные устройства различной конструкции для повышения эффективности процессов смешения. Смесительные устройства позволяют достичь требуемой степени смешения без потери мощности установки. Линия 3 на рис. 2 показывает, что при скоростях подачи потоков в смесительную камеру, как в первом случае, установка смесителя позволяет повысить эффективность смешения на 20 % при малом времени смешения (60 с).

pic_4.wmf pic_5.wmf

Рис. 2. Исследование смешения бензола и катализаторного комплекса

pic_6.wmf pic_7.wmf

Рис. 3. Исследование влияния скорости подачи этилена на процесс смешения

Исследование смешения бензола, каталитического комплекса и этилена

Для того чтобы повысить степень превращения реагентов, этилен может подаваться не только непосредственно в реактор, но и в камеру смешения. Проведено моделирование камеры смешения с учетом подачи в нее этилена.

1. Исследование влияния скорости подачи этилена в камеру смешения на процесс смешения

Диаметр патрубка для подачи этилена составляет 5 мм. Исследование влияния скорости подачи этилена на процесс смешения было выполнено для скоростей 1, 5, 10 м/с. Результаты расчетов представлены на рис. 3.

Критерии J3 и J4 показывают степень смешения этилена и смеси жидких компонентов – бензола и каталитического комплекса.

Критерий J3 для скорости подачи этилена 1 м/с больше, чем для скорости 5 м/с, на 0,068 (т.е. в случае скорости 1 м/с эффективность процесса смешения на 32 % выше, чем при скорости 5 м/с). Критерий J3 для скорости 1 м/с больше, чем для скорости 10 м/с, на 0,120 (т.е. в случае скорости 1 м/с эффективность процесса смешения на 56 % выше, чем при скорости 10 м/с).

Критерий J4 в случае подачи этилена со скоростью 1 м/с превышает этот критерий в случае скорости подачи этилена 5 м/с на 0,096, что эквивалентно на 41 % более эффективному смешению в случае скорости 1 м/с. Критерий J4 для случая подачи этилена со скоростью 1 м/с превышает этот критерий в случае скорости подачи этилена 10 м/с на 0,128, что эквивалентно на 55 % более эффективному смешению в случае скорости 1 м/с.

Профили массовой концентрации этилена в смесительной камере представлены на рис. 4.

pic_8.tif

Рис. 4. Профили массовой концентрации этилена в камере смешения

Как видно из рис. 4, при скорости подачи этилена в камеру смешения 1 м/с струя этилена разбивается на мелкие пузырьки диаметром 6–20 мм. Концентрация этилена в потоке составляет 0,40–0,60 % мас. При скорости подачи этилена 5 и 10 м/с движение этилена представляет собой глобулярное течение крупных пузырьков, и струя не разбивается на мелкие пузырьки. Концентрация этилена находится в диапазоне 0,75–0,85 и 0,85–0,95 % мас. соответственно. Кроме того, этилен заполняет всё пространство камеры, что затрудняет прохождение жидкости в камеру смешения.

Таким образом, при скорости подачи этилена 1 м/с наблюдается более равномерное смешение реагентов и каталитического комплекса процесса алкилирования бензола этиленом, так как образуются более мелкие пузырьки этилена, что увеличивает реакционную поверхность для протекания реакций с более высокой скоростью и селективностью. Также показано, что пузырьки этилена имеют диаметр не более 20 мм и равномерно распределяются в объеме камеры смешения как дисперсная фаза.

Заключение

Путем моделирования с использованием методов вычислительной гидродинамики показано, что установка смесительного устройства в камеру смешения реагентов и каталитического комплекса на установке алкилирования бензола этиленом позволяет повысить эффективность процесса смешения на 20 %. Предложено технологическое решение по подаче этилена в смесительную камеру в дополнение к подаче этилена в реактор. Определена скорость подачи этилена в камеру смешения (1 м/с), обеспечивающая наиболее равномерное смешение бензола, этилена и катализаторного комплекса в камеру смешения.


Библиографическая ссылка

Белинская Н.С. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАДИИ СМЕШЕНИЯ РЕАГЕНТОВ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛБЕНЗОЛА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 5-1. – С. 13-17;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40241 (дата обращения: 10.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074