搜索
新颖的集成、热耦合流化床配置石脑油催化重整提高炼油厂芳烃和氢气生产M.R.Rahimpour*,R.Vakili,E.Pourazadi,D.Iranshahi,K.Paymooni（化学工程系、化学和石油工程学院，设拉子大学，设拉子，伊朗）摘要：近年来，炼油厂都集中在开发新的方法来获得更多的从他们的资产利用率由于高辛烷值的汽油需求增加。在这方面，石脑油热耦合的流化床反应器(TCFBNR)提出了这项研究。第一个和第二个反应堆传统石脑油催化反应器的配置(CR)由热耦合的流化床反应器代替。石脑油重整反应的高吸热与放热耦合苯胺硝基苯的加氢。CR的一些缺点如压降、内部质量传递限制和径向梯度浓度和温度都在这部论文成功地解决了配置。除了一些提到的这本论文的优势配置，TCFBNR配置分别增强了芳烃产率约20.54%和7.13%高于CR和TCNR。TCFBNR也能够提高氢气产量在壳程的苯胺流量管部分，同时提高吸热侧的热行为，减少了不良的温度下降。TCFBNR的建模结果与CR的结果相比，热耦合的床与石脑油反应堆(TCNR)。这些研究提供一个良好的初始洞察一些修改和改进旧的设施更有效。关键词:石脑油重整热耦合反应器芳烃增强流化床反应器硝基苯加氢1、介绍石脑油重整油和石蜡是复杂的混合物，环烷烃和芳烃C5-C12烃范围[1]。石脑油催化重整广泛实行的石油炼制生产高辛烷值的汽油和经常使用的氢水能治疗过程改善原料[1，2]。加氢过程中，脱氢催化剂和异构化都受益，反应堆和产品处理技术发明为催化重整过程[1]。此外，石脑油催化重整装置是一个更好的调整和改善由于其整体炼油利润可观的影响[3]。上面的描述有动机的各种研究石脑油催化重整催化剂制备和焦化等[4-9]，反应动力学[10-15]，优化[16-26]改善反应条件。根据先前的研究，发现了两个问题在催化重整过程中应首先解决由研究人员然后过程授权人专有。第一个问题是碳沉积在催化剂表面造成催化剂失活和催化床阻塞[27]，而第二个是高辛烷值的汽油的需求增加[1]。这些问题会解决同步应用程序的流化和过程强化的概念(使用热耦合的流化床反应器)。图1、简化传统石脑油催化重整过程(CR)。1.1、流化床反应器流化床反应器在化学和石油工业[28]已得到了广泛的应用。流化床反应器的主要优点是:1.压降可以忽略不计。2.更有效的利用催化剂由于的可能性，应用规模较小的催化剂粒子和有力的硒化镓固体[29，30](非常小的催化剂粒子不能应用于固定床反应器由于堵塞和高压降)。3.更紧凑的设计[31]。4.使用廉价的金属合金反应堆的可能性(由于较低的操作温度)[32]。5.更有效的温度控制和预防，由于快速混合固体催化剂破坏流化床反应器[30]。6.连续或定期更换催化剂[30，32]。大量的理论和实验研究最近在流化床反应器上执行配置[33-36]。表1、传统石脑油新鲜催化剂对反应堆,原料,产品和工厂的影响参数数值单位石脑油原料30.41*103kg/h重整油24.66*103kg/hH2/HC摩尔比4.73-液时空速1.25h-1回收氢的摩尔百分数69.5-直径和长度的1号反应堆1.25,6.29m直径和长度的2号反应堆1.67,7.13m直径和长度的3号反应堆1.98,7.89m蒸馏的石脑油产品和重整油真沸点1064410%1137330%11910550%12512370%13313690%144153终沸点173181典型的催化剂性能dp1.2mmPt0.3wt%Re0.3wt%sa220m2/gρB0.3kg/Lε0.36-1.2、过程强化过程强化(PI)是目前最重要的趋势之一，化学工程和工艺技术。它是世界的研究吸引了越来越多的关注[37]。的策略是减少环境排放，能源和材料消耗。创新催化反应器，它构成的核心工艺技术，通常是首选的起点。通过这种方式，多功能自热反应堆是过程强化的新概念。目前，一种很有前途的领域使用多功能自热反应堆是吸热和放热反应的耦合。在这种类型的反应堆，一个放热反应用作发热源来驱动吸热反应(s)[38，39]。图2、石脑油热耦合的流化床反应器的原理概念(TCFBNR)。2、过程描述2.1、传统的石脑油重整(CR)传统的石脑油催化重整的过程示意图，图1所示。由于石脑油重整反应强烈吸热，温度，因此沿反应器反应速率降低。因此，利用绝热三个反应堆前协助每个反应堆。为了从直馏石脑油生产高辛烷值的汽油，使用的是双金属铼铂催化剂。H2/HC比率的限制参数的控制单元石脑油重整过程。它是调整按照进口进刀量第一个反应堆。在工业上，建议保持H2/HC在4-6[44]。如果H2/HC降低，催化剂将受到炼焦和快速失活。催化剂强加了一个巨大的负担和危害生命的催化剂。随后，新鲜的石脑油进料喷洒到回收流包含60-90%氢(摩尔)，然后加热，进入第一个反应堆。出口流从第三反应堆进入闪蒸分离器在所需的条件，分为气体和液体产品。液体产品称为重整油主要含有芳烃。传统系统的操作条件和催化剂规范表1中给出。2.2、热耦合的流化床反应器石脑油(TCFBNR)图2显示了一个概念性流程图TCFBNR配置。在TCFBNR配置中，三个流化床反应器捏造同时苯胺硝基苯的加氢反应是加上石脑油反应在第一个和第二个反应堆。在第一和第二反应堆耦合配置，石脑油吸热反应发生在壳程(吸热端)，而放热硝基苯的加氢反应提供所需热量的石脑油反应管方(放热侧)。对苯胺硝基苯的加氢反应发生在商业球形Pd-Al2O3放热侧(1.1wt%)。放热的特定属性和操作条件方面提出了表2。在放热端应用摩尔流量Abo血型——Gh使用的是类似的表2、苯胺硝基苯的加氢反应操作条件参数数值单位入口温度780K入口压力1.1*105Pa催化剂密度1400Kg/m3催化剂粒子直径1.2*10-3m空隙率0.46-1号反应堆可用流管方的横截面积3.31m2硝基苯摩尔流量7.32mol/s氢摩尔流量29.5mol/s苯胺摩尔流量0.72mol/s蒸汽摩尔流量72.46mol/s2号反应堆可用流管方的横截面积3.31m2硝基苯摩尔流量7.32mol/s氢摩尔流量29.5mol/s苯胺摩尔流量0.72mol/s蒸汽摩尔流量72.46mol/s3、反应计划和动能表达式3.1、吸热端史密斯[10]，考虑该模型的四个主要反应是用来描述催化重整过程中，催化重整系统大大简化。反应如下:脱氢环烷烃芳烃:环烷烃(CnH2n)芳香烃(CnH2n-6)+3H2（1）环烷烃脱氢环化的链烷烃:环烷烃(CnH2n)+H2链烷烃(CnH2n+2)（2）裂解的环烷烃降低碳氢化合物:环烷烃(CnH2n)+n/3H2→较轻的链烃(C1-C5)（3）裂解的链烷烃降低碳氢化合物:链烷烃(CnH2n+2)+(n-3)/3H2→较轻的链烃(C1-C5)（4）以下上述反应速率表达式是描述:（5）（6）（7）（8）表3、石脑油重整反应的速率常数和热。k=Aexp(B-(E/1.8T))ABE△H298Kkf19.8723.213635071038.06kf29.8735.9858550-36953.33kf3142.9763800-51939.31kf4142.9763800-56597.54Ke11.04*10-346.1546045-Ke29.87-7.128000-kfi和kei分别是速率常数和平衡常数。反应速率常数(kfi)，平衡常数(kei)，激活能量(Ei)和标准反应(△H298K)热表列在表3[45]。3.2、放热端在过去的145年里，苯胺已成为化学几百最重要的基石之一。苯胺是使用异氰酸酯等超过300种不同的终端产品，橡胶加工化学品、染料和颜料、农药和医药[46]。硝基苯为原料用于苯胺生产几乎整个世界生产商，使用固定床和流化床气相反应器[46、47]。硝基苯的加氢苯胺在管程可以表达的:C6H5NO2+3H2→C6H5NH2+2H2O克莱姆提供的速率表达式等。[48]如下:反应速率常数(k0)，平衡常数(Ki)的活化能(E)和标准反应热(△H298K)展示在表4。表4、硝基苯的加氢的速率常数和反应热k=A’exp(B’-(E’/1.8T))ABE△H298KK’0.186010-443000KH24.427*10-300-KNB1.51*10-500-表5、质量和能量平衡方程。定义方程式热耦合的流化床反应器石脑油质量平衡为泡沫阶段质量平衡为乳状液阶段能量平衡泡沫与乳化阶段边界状态热耦合的床与石脑油反应堆物料衡算能量衡算边界状态辅助的相关性组件热容反应混合物的粘度传热系数厄贡准则式图3、石脑油热耦合的流化床反应器的轴向元素(TCFBNR)。4、数学建模如图3所示，一个元素被认为是在轴向方向TCFBNR发展质量和能量平衡。以下假设是由建模的CR、TCNR和TCFBNR配置:天然气被认为是理想气体混合物(CR、TCNR和TCFBNR)。催化床TCFBNR被认为是由泡沫和乳化阶段。反应发生在乳化阶段(TCFBNR)。轴向扩散大规模和热对流项相比可以忽略不计(CR、TCNR和TCFBNR)。为例研究了稳态条件下(CR、TCNR和TCFBNR)。泡沫和乳化阶段TCFBNR假定等温线。相关的质量和能量平衡以及TCNR的边界条件和TCFBNR展示在表5。在方程式。[13，16]，正面和负面迹象用于吸热和放热，分别。压力下降CR和TCNR配置计算基于Ergun方程[51]。此外，其他有用的相关性对传热和物理特性被认为是解决开发模型的设定。水动力参数的经验相关性报道在表6TCFBNR从文献中提取[52-54]。表6、实证流化床反应器的水动力参数的相关性。参数方程式参考表面最小流化速度[52]阿基米德数[52]泡沫直径[53]传质系数(泡沫乳液阶段)[54]气泡上升速度[53]泡沫的比表面积[52]泡沫阶段整体床的体积分数[52]乳化阶段的密度[52]5、数值解开发模型由一组常微分方程(常微分方程)与质量和能量保守的规则以及非线性代数方程的动力学模型，辅助和水动力的相关性。向后有限差分近似解决常微分方程的应用。因此，常微分方程变成一组非线性代数方程。每个反应堆的长度分为100个独立的片段和高斯牛顿法用于解决得到的一组非线性代数方程为双方同时在每一段。这个过程重复反应堆中的所有节点，每个节点的结果作为入口条件以下节点。表7、新鲜催化剂在模型预测和工厂之间的比较数据。反应堆编号进气温度(K)进口压力(kPa)催化剂(wt/%)进料(摩尔%）1777370320链烷烃，49.32777353730环烷烃，36.03775340150芳香烃，14.7出口温度(K)芳香烃在重整油中比例(摩尔%)工厂CRTCNRTCFBNR工厂CRTCNRTCFBNR1722726.1759.8761.1-35.144.345.72753751.7798.7802.5-47.561.065.53770770.8797.3799.357.756.073.786.26、结果与讨论6.1、模型验证为了调查的准确性开发模型，这个模型的结果传统石脑油反应堆(CR)与工厂验证数据满足稳定条件下在表7中。实现日常结果从工厂也提供并与模型预测表8中显示提出的模型的能力。分析组件(烷烃、环烷烃和芳烃)由PONA执行测试。PONA测试是一个GC仪器操作立刻氦载气。一个简化的概念原理相关的气体浓度克所描述的图。4。所示，该系统由三个部分组成:分裂喷射器、温度设定烤箱和最后电离检测器。分析时间是一个半小时左右。根据标识的组件是由GC的山峰。为了检测单个化合物，需要更复杂的温度程序和时间。过程工程师通常足以知道PONA组浓度为了验证原料或产品的品质，并至少耗时GC方法的选择。这个测试通常是基于我们的数据表每个月取自国内炼油厂(1、44)。测试芳香特别是ASTM2159相当于微指令273方法。TCNR的表演和TCFBNR配置调查并与CR性能在以下数据。图4、PONA测试的示意图(GC仪器的插图)。表8、预测产量和工厂实际产量之间的比较数据。时间（Day）石脑油进料(t/h)工厂（kmol/h）模型（kmol/h）误差（