Каталитическое дегидрирование под действием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.13 ВАК РФ

»'' На правах рукописи

- 8 ДЕК Ш7

ДАМИНЕВ РУСТЕМ РИФОВИЧ

КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ДЕГИДРИРОВАНИЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СВЧ-ДИАПАЗОНА

02.00.13 - Нефтехимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА 1997

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете ( Стерлитамакский филиал )

Научный руководитель

- доктор химических наук, профессор И.Х. Бикбулатов

Официальные оппоненты:

- доктор химических наук, профессор Е.А. Кантор

- кандидат химических наук, старший научный сотрудник Ф.А. Шахова

Ведущее предприятие

- АО «СТЕРЛИТАМАКСКИЙ НЕФТЕХИМИЧЕСКИЙ ЗАВОД»

Защита диссертации состоится 26 декабря 1997 г. в 15й час на заседании диссертационного совета Д063.09.01 в Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат диссертации разослан 26 ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор

А.М. Сыркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ TliMbl. Комплексную проблему защиты окружающей среды от промышленных выбросов и рационального использования природных ресурсов и нефтехимии решают, переходя на технологию нового тина: энергетически менее емкую, с эффективными аппаратами малой материалоемкости. При разработке такой технологии должны использоваться как традиционные для нефтехимии способы, так и нетрадиционные, к которым относится, в частности, электромагнитное излучение СВЧ - диапазона. Применение последнего неизвестно в промышленной практике, в литературе не описано удачных технологических решений, однако исследование на лабораторном уровне показывает большие возможности СВЧ-метода, в частности, по эффективному энергопереносу. Поэтому исследование воздействия СВЧ-излучепия на технологические среды актуально и в теоретическом и в практическом плане, необходимо для создания новых реакционных устройств с эффективным энергопереносом для переработки нефтяного сырья.

Работа выполнена в соответствии с научно- техническими программами ГК РФ по науке и высшему образованию «Поисковые и прикладные проблемы переработки нефти, газа и угля», утверждённой приказом ГК РФ по науке и высшему образованию № 124 от 06.11.92г., «Комплексное решение проблем разведки, транспортировки, глубокой переработки нефти и газа», утверждённой приказом ГК РФ по науке и высшему образованию № 468 от 20.03.96г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование возможности осуществления эндотермических гетерогенно- каталитических процессов под действием электромагнитного СВЧ-излучения на примере процесса дегидрирования бутенов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые исследовано влияние СВЧ-излучения на промышленные оксидные (марки К-16у, К-24и, ИМ-2204) и металлические (палладиевый и никелевый) катализаторы. Предложен дополнительный критерий подбора катализаторов для проведения эндотермических реакций, базирующийся на впервые введённом понятии степени трансформации электромагнитной энергии

нещсством катализатора в тепловую. Введено понятие электромагнитной разработки катализатора, заключающееся в цикличном воздействии СВЧ-излучеиия и протекающих контактных явлениях.

Впервые изучено воздействие электромагнитного СВЧ-излучения на газофазную промышленную углеводородную среду, распределенную в твердофазном катализаторе с целыо получения мономера для каучуков, а именно проведено каталитическое дегидрирование бутонов в бутадиен-1,3 под действием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона.

На базе проведённых исследований создан специальный СВЧ-реактор для проведения эндотермических гстерофазных процессов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Показана возможность подвода энергии в реакционную гетерогенно-каталитическую газофазную систему с помощью электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, что позволяет резко увеличить энергетический К.П.Д. реакционного устройства, создать экологичную, рациональную технологию получения мономеров для производства синтетического каучука методом дегидрирования.

Определены условия проведения эндотермических каталитических реакций в СВЧ-поле и предложена конструкция реакционного устройства.

Результаты использованы в АО «КАУЧУК» г. Стерлитамака и включены в план реконструкции цехов дегидрирования.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы доложены на международной научно- технической конференции «Экологические проблемы промышленных зон Урала»,- (Магнитогорск, Россия, 1997), на VII Всероссийской студенческой конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии». -(Екатеринбург, 1997), на межвузовской научно- практической конференции «Экономический рост: Проблемы развития науки, техники и совершенствования производства». - (Стерлитамак, 1996).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано: статья-1, тезисов докладов-4, положительное решение о выдаче патента на изобретение-1.

ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста и содержит 27 таблиц и 39 рисунков. Работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка цитируемой литературы из 95 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и практическая значимость работы, кратко изложено основное содержание.

В первой главе (обзор литературы) обобщены данные об использовании сверхвысокочастотного нагрева, основах получения бутадиена, катализаторах дегидрирования.

Вторая глава посвящена изучению кинетики нагрева гетерогенных катализаторов в СВЧ-поле (методике проведения экспериментов, методу и устройству измерения температур, обработке экспериментальных данных), определению основных характеристик катализатора, подвергшегося СВЧ-облучению (активность, величина удельной поверхности).

В третьей главе определяются оптимальные условия проведения реакции, помещены данные экспериментального исследования кинетики дегидрирования бутенов под действием СВЧ-излучения (результаты анализов, обработка результатов, материальный баланс).

Четвёртая глава посвящена разработке реакционного устройства для проведения эндотермических процессов в СВЧ-поле.

1. Практическое использование электромагнитного излучения СВЧ- диапазона

Поглощение энергии СВЧ-поля в твёрдых и жидких средах - диэлектриках используется в основном для нагрева этих сред, а в последние годы и для химических превращений.

В отличие от традиционных способов нагрева, в силу проникновения волны в глубь объекта, происходит преобразование СВЧ-энсргии не на поверхности, а в его объеме и поэтому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большой равномерности нагрева. Отсутствие теплоносителя обеспечивает беспримесность процесса и бсзынерционность регулирования, а изменяя частоту можно добиться преимущественно нагрева тех или иных компонентов среды.

Харакгерпо, что в имеющихся публикациях по воздействию СВЧ-поля на химические превращения речь идет о сравнительно низких температурах, до 200 °С. Это связано с тем, что воздействию подвергались жидкие среды. При этом электромагнитное излучение СВЧ-диапазона доводилось до реагирующих веществ через оболочку реактора. В связи с этим реакторы изготавливаются из материалов, проницаемых СВЧ-излучением. Минимальные потери СВЧ-энергии наблюдаются при использовании полимерных материалов, но последние не отличаются высокой термостойкостью.

2. Исследование влияния СВЧ-излучения на промышленные катализаторы

дегидрирования

Имеющиеся сведения о поведении твёрдых диэлектриков в СВЧ-поле не давали возможности представить картину поведения в нём специальных сложных смесей, какими являются катализаторы дегидрирования.

Гетерогенно- каталитический процесс дегидрирования бутенов осуществляют на различных катализаторах.

В промышленности для этих целей используют оксидный хром- железо- цинковый катализатор К-16у, а так же ИМ-2204 (кальций- фосфатный) и К-24и (на основе окислов железа).

Катализаторы представляют собой смесь оксидов металлов:

- катализатор К-16у содержит Сг203 - 48,50 %, Ке20., - 24,85 %, Ъп02 - 26,00 %, ЯЮг 0,50%, Со20,-0,15 %.

- катализатор К-24и содержит Ре2Оэ - 65,00 %, А120, - 1,50 %, '¿Ю2 - 1.50 %, К2С03 - 24,00 %, СбЫО, - 2,00 %, К^Ю, - 2,45 %, Сг203 - 4,00 %.

- катализатор ИМ-2204 содержит Сг20, - 4,6 %, Ы120, - 7,4 %, СаО - 44,0 %, Р2СК -43,5 %.

Для сравнительного изучения были взяты также образцы металлических катализаторов: палладиевого - ПУ (носитель активированный уголь) и никелевого -НК (носитель кизельгур).

Изучение кинетики нагрева данных катализаторов проводили на лабораторной СВЧ-установке (рис. 3) с подачей и без подачи реакционного газа, в токе азота и без него. На исследуемые образцы промышленных катализаторов воздействовали электромагнитным излучением с фиксированной частотой (у= 2450 МГц); вырабатываемой СВЧ-генератором с потребляемой мощностью 1300 Вт. Режим работы СВЧ-генератора на протяжении цикла непрерывный.

При цикличном нагреве катализатора (с длительностью одного цикла около 30 минут) и последующим его остыванием до комнатной температуры наблюдалось явление роста значения температуры установившегося состояния (То) с каждым новым циклом нагрева в электромагнитном поле и дальнейшей стабилизацией на п-цикле (п - величина, зависящая от вида катализатора, для исследуемых нами катализаторов п=5). Явление роста и дальнейшей стабилизации Т0 при цикличном нагреве предложено назвать электромагнитной разработкой катализатора.

Типичная картина нагрева катализаторов в СВЧ-поле характерная для всех исследованных нами катализаторов, представлена на рис. 1 на примере катализатора К-16у.

Согласно экспериментальным данным каждому катализатору, нагреваемому СВЧ-излучением с фиксированными частотой и мощностью, соответствуют различные скорости нагрева. Например, катализатор К-16у (рис.1) имеет максимальную скорость

нагрева \)т= 2,3 °С/с, а минимальную 1)т='.'7 °С/с. Минимальная скорость нагрева

900 800 700 600 500 400 300 -200 -100 -

5 10 15 20 25

Длительность воздейспив СВЧиэлучения, мин

30

1 - первый цнкл нагрева в СВЧ-поле; 2 - второй цикл нагрева; 3 - третий цикл нагрева; 4- четвертый цикл нагрева; 5-пятый цикл нагрева.

Рис. 1. Нагрев катализатора К-16у в электромагнитном поле

отмечается при первом цикле воздействия СВЧ-излучения на катализатор, а максимальная - на пятом цикле нагрева. Зависимость скорости нагрева катализатора от числа циклов показана на рис.2.

В табл. 1 представлены результаты нагрева испытуемых образцов катализаторов, показывающие, что после пятого цикла наблюдается стабилизация скорости нагрева. В табл. 2 представлены сравнительные характеристики, которыми можно руководствоваться при выборе катализатора.

Как видно из табл. 2, лишь три катализатора имеют приемлемый для промышленности выход бутадиена. Из них предпочтение следует отдать лишь двум (ИМ-2204 и К-16у) с примерно одинаково высоким выходами бутадиена.

Число потки, п

Рис. 2. Зависимость скорости нагрева катализатора К-16у от числа циклов

Таблица 1

Скорости нагрева промышленных катализаторов в электромагнитном поле

Скорости нагрева в СВЧ-поле Катализаторы

К-16у К-24и ИМ-2204 НК ПУ

1-ый цикл", °С/с 1,7 1,33 1,23 0,9 1,15

2-ой цикл , °С/с 1,95 1,57 1,37 1,33 1,27

3-ий цикл', °С/с 2,13 1,73 1,45 1,60 1,43

4-ый цикл', °С/с 2,27 1,83 1,48 1,80 1,52

5-ый цикл', °С/с 2,3 1,87 1,5 1,83 1,55

'Длительность цикла 30 минут.

Но скорость нагрева катализатора К-16у выше и этот фактор становится определяющим. Таким образом, исследовать возможность проведения реакции дегидрирования бутенов с получением бутадиена-1,3 следует на промышленном катализаторе К-16у, при значительном выходе имеющем высокую скорость нагрева, что приводит к сокращению времени выхода процесса на рабочий режим, улучшается управляемость процессом.

Сравнительная характеристика катализаторов

Катализаторы К-16у К-24и ПУ ПК ИМ-2204

Скорость нагрева в СВЧ-полс, °С/с. 2,3 1,87 1,83 1,55 1,5

Выход бутадиена, % масс. 35 21 12 10 36

Возможность нагрева катализатора до температуры дегидрирования (600 °С и более) в электромагнитном поле СВЧ-диапазона без изменения его характеристик в процессе реакции показала, что сам основной элемент реакционной системы -катализатор - следует использовать и как элемент, трансформирующий электромагнитную энергию в тепловую, необходимую для проведения химической реакции. Диссипируемая в нём мощность зависит как от физико-химических свойств катализатора, так и от параметров электромагнитного излучения, поскольку выделение тепла веществом катализатора осуществляется вследствие возбуждения колебаний электронных оболочек атомов катализатора в поле СВЧ-волны.

Заключительным этапом исследования влияния СВЧ-излучения на промышленные катализаторы дегидрирования (в частности, на К-16у) явилось определение таких основных характеристик подвергшегося облучению катализатора, как величина удельной поверхности, химический состав и активность.

Величину удельной поверхности определяли по методу адсорбции воздуха катализатором при температуре жидкого азота. Удельная поверхность катализатора, нагревающегося в электромагнитном поле до 600 0 С, изменяется незначительно, при 650 0 С снижается с 30,6 м2/г до 30,4 м2/г в течении 6 часов. Примерно так же меняется величина удельной поверхности катализатора К-16у, нагреваемого традиционным способом (в результате конвективного теплообмена).

Можно заключить, что воздействие СВЧ-излучения не приводит к изменениям превышающим характерные значения структуры катализатора, измеренные при проведении традиционных процессов.

Исследование химического состава катализатора К-16у, подвергшегося воздействию СВЧ-излучения н точение 60 минут, пронедеипое согласно 'ГУ 38.103155-85, показало, что содержание Сг20з с 45,90 % снизилось до 45,68 % масс, а содержание CrOj с 0,566 % возросло до 0,795 %.

Определение каталитической активности промышленного катализатора К-16у (марки К), подвергшегося воздействию СВЧ-излучения, осуществляли в изотермических условиях на традиционной лабораторной установке.

Опыты показали, что активность катализатора, подвергшегося воздействию СВЧ-излучения в течение 6 часов при 650 °С, не снизилась и соответствует паспортному значению.

Таким образом катализатор, трансформируя электромагнитную энергию в тепловую, становится источником тепловой энергии, необходимой для проведения эндотермической реакции, при этом сохраняя свои основные характеристики (величину удельной поверхности и активность).

3. Дегидрирование бутенов в бутадиен на лабораторной СВЧ-установке

При каталитическом дегидрировании бутенов протекают реакции:

1 - С4Н8 ^ С4Н6+Н2,

2 - цис - С4Н8 ^С4Н6+Н2,

3 - транс - С4Н8 ^ С4Н6+Н2,

или суммарно:

i - С4Н8 ч— С4Н6+Н2.

Рабочими условиями для каталитического дегидрирования н-бутена должны быть температура свыше 550 0 С, парциальное давление порядка 0,1 атм. или меньше (что соответствует разбавлению бутена водяным паром или азотом в объемном соотношении 1:10).

Дегидрирование бутепов ни промышленном катализаторе К-16у иод действием высокочастотного электромагнитного излучения изучали па лабораторной установке (рис. 3).

Рис. 3. Схема лабораторной СВЧ-устаиовки дегидрирования:

1 - баллон с бутонами; 14 - баллон с азотом; 2,15 - редукторы тонкой регулировки; 3,16 - реометры; 17,18 - краны; 4 - осушитель; 7 - термопара; 12 - холодильник; 13 - прслохраннтсль-монооаг; 8 -оптический пирометр; 5 - реактор; 6 - резонатор; 11 - СВЧ-гснератор; 9 - амперметр; 10 - вольтметр. I - сырье (бутены); II - разбавитель (азот); III - контактный газ в газометр.

Эксперименты проводили при различной температуре контактирования (480, 500, 520, 540, 560, 580, 600 0 С), различной степени разбавления сырья азотом (1:5, 1:10, 1:20) и при разных объемных скоростях подачи сырья, W, (200, 600, 800 Использовался промышленный катализатор дегидрирования К-16у по ТУ 38.10315585, в объеме 30 мл, размер зерен катализатора 2-3 мм.

Экспериментальные данные полученные в результате изучения кинетики дегидрирования бутенов на катализаторе К-16у при 600 °С представлены в табл. 3.

Характерной особенностью процесса проведения дегидрирования в СВЧ-поле является использование для снижения парциального давления углеводородов в качестве разбавителя инертного газа (азота), а не водяного пара. Оптимальным

Дегидрирование бутснов на катализаторе К-16у

1 ем- 1':п- ОГ>|,- Состав контактног о raía, % масс

r ícp;i- OílRJlC- емнан СО, И; СИ, С;114 C,llt С\Н, С,И, С4П, C41I(,

i-ypn. нис. ско- диок- нодо- мс ган згн- про- оутеп транс- цис- бута-

"С моль рое 11., ч1 сид уию- рода род леп пилеи «И GyiCH ñyi L'll диен

600 1:5,9 200 7,08 0,78 0,5 2,72 1,04 23.II 3 1.00 17.53 16,24

1 5.3 600 6,73 1,01 0.3 1,88 0,93 22,67 29.44 18,86 18,18

1:5,5 800 6,52 1,12 0,27 1.34 0,67 20.21 29,34 19,82 20,71

110.7 200 6.81 0,97 0.4 1,51 0,75 23.19 31,63 17.42 17,32

1.9,8 600 6,34 1,18 0.3 1.23 2,01 21,36 27,14 18,47 21,97

1.10,2 800 6,28 1,20 0,25 2,06 1.15 20,79 26,96 17,93 23,38

1:19,9 200 6,74 0,90 0,31 1,99 0.59 23,65 30,33 18,47 17,02

1:20,4 600 6.12 1,19 0,29 1,72 1.13 23,49 37,23 16,59 22,24

1:20,2 800 6.15 1,29 0,30 1.81 0,40 21,16 27,70 16,54 24,65

является разбавление бугенов азотом в соотношении 1:10, как это следует из расчета равновесных глубин дегидрирования. Использование инертного газа в качестве разбавителя приводит к упрощению технологической схемы (рис. 4), поскольку из технологической линии производства бутадиена исключаются пароперегревательные печи, так как роль энергоносителя выполняет электромагнитное излучение СВЧ-диапазона трансформируясь в веществе катализатора в тепловую энергию необходимую для проведения реакции.

В результате полностью устраняется загрязнение атмосферы вредными продуктами сгорания топлива, используемого в пароперегревательных печах для конвективного нагрева водяного пара и сырья, а вода будет использоваться только в закрытом контуре для поглощения остаточного излучения после катализаторного слоя и, возможно, для «закалки» контактного газа перед котлом-утилизатором. Конструкция и производительность утилизирующих тепло контактного газа аппаратов для схемы с СВЧ-реактором является на наш взгляд, предметом отдельной разработки.

к

ь

/яс-

У\

Z

Л/

ih

' IX

А i

ю

т*

VI

VII

а) Традиционная схема получения бутадиена дегидрированием бутенов.

Л

о

K|<z¡>

Л

■ ю

б) Схема получения бутадиена с использованием СВЧ-реактора.

Рис. 4. Схема дегидрирования бутенов в бутадиен:

1 - ректификационная колонна; 2 - кипятильник; 3 - дефлегматор; 4 - емкость; 5 - насос; 6 - перегреватель; 7 - испаритель; 8 - трубчатая печь; 9 - реактор; 10 - котел утилизатор; 11 - СВЧ-реактор. I - бутеновая фракция; II - тяжелые углеводороды; III - водяной пар; IV - воздух на регенерацию; V - паровой конденсат на закалку; VI - водяной пар; VII - контактный газ; VIII - азот; IX - топливный газ.

4. Реакционное устройство для проведения дегидрирования под действием СВЧ-

излучения

Термодинамические характеристики газообразных углеводородов в избранном нами процессе дегидрирования не позволяют «закачать» в систему энергию, достаточную для превращения с помощью СВЧ-излучения. Поэтому использована «перекачивающая» энергию среда - твердый катализатор. Катализатор и является источником тепловой энергии для реакции дегидрирования, сохраняя при этом все известные функции обычного гетерогенного катализатора в газофазном процессе.

Были определены диаметр реактора и высота слоя катализатора, обеспечивающая практически полное поглощение энергии электромагнитного излучения, что является важным фактором высокой эффективности данной технологии.

Схема реактора приведена на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная схема сверхвысокочастотного каталитического реактора для эндотермических гетерогенных реакций:

1 - корпус реактора; 2 - генератор СВЧ-излучсння; 3 - верхняя крышка реактора; 4 - катализатор; 5 - волновод; 6 - узел разделения. I - сырье - бутсны; И- контактный газ.

Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический теплоизолированный металлический сосуд, заполненный катализатором.

Корпус реактора - 1, является резонатором для сверхвысокочастотного генератора -2, источника электромагнитной энергии. Верхняя крышка реактора - 3 играет роль излучающей антенны СВЧ-генератора, что способствует равномерному распределению плотности энергии электромагнитного излучения по поперечному сечению реактора. СВЧ-излучение передается по волноводу - 5. Сырье I без предварительного подогрева подается в верхнюю часть реактора. Контактный газ 11 отводится из нижней части реактора. В случае промышленного использования не прореагировавшее сырье после узла разделения - 6 возвращается на вход реактора.

На вводе СВЧ-излучения устанавливается фторопластовая мембрана, герметично изолирующая технологическую среду в реакционной зоне, но практически без потерь пропускающая сквозь себя СВЧ-излучение.

Вышеописанное реакционное устройство использовалось в укрупненной лабораторной установке, представленной на рис. 6.

Рис. 6. Лабораторная установка для проведения термокаталитических процессов под воздействием СВЧ-излучения:

I - генератор СВЧ-излучения; 2 - циркуляр; 3 - реек-юр; 4 - волновод; 5- блок питания. I - сырье - бутены; II- контик-тиыП газ.

Установка вюпочаст комплексировапный источник СВЧ-эпсргии, состоящий из блока питания - 5, и генератор СВЧ-излучения - 1, соединенный с помощью волновода с теплоизолированным СВЧ-реактором - 3.

При работе СВЧ-геператора на мощностях, превышающих среднее значение, в линию волновода - 4, соединяющего генератор с реактором, устанавливается циркуляр - 2, устройство, предотвращающее поступление отраженного (обратного) излучения в магнетрон.

Источник СВЧ-энергии непрерывного действия с фиксированной частотой генерируемых колебаний (2450 МГц, длина волны Л « 12,2 см), с регулируемой выходной мощностью, изменяющейся в пределах 0<РВЫХ<5 кВт.

Реактор имеет внутренний диаметр 100 мм, высоту 1340 мм, толщину стенки 5 мм (У=10519 см3).

Испытания подтвердили возможность проведения в разработанном реакторе эндотермических реакций.

Так, в частности, в СВЧ-реакторе нами была проведена эндотермическая реакция дегидрирования смеси изомерных бутенов, в результате которой образуется бутадиен-1,3., в присутствии катализатора К-16у, при следующих условиях проведения процесса: температура - 600 °С, абсолютное давление =0,1 Мпа, объемная скорость подачи сырья - 800 ч'1, объем катализатора - 570 см3, разбавление бутенов азотом в соотношении - 1:9,9 моль.

При этом параметры работы генератора были следующие: фиксированная частота генерируемых колебаний - 2450 МГц, сила тока - 0,53А, напряжение - 5,05 кВ, мощность выдаваемая генератором - 1,556 Вт.

При вышеуказанных условиях были получены те же продукты реакции, как и на лабораторной установке (табл. 4).

Так выход бутадиена составляет 21,92 % масс, что соответствует промышленному уровню, и на 1,46 % ниже, чем на лабораторной установке по дегидрированию бутенов под действием СВЧ-излучения, приведенной на рис. 3.

Причиной снижения выхода бутадиена, вероятно, является использование в процессе дегидрирования в СВЧ-реакторе катализатора с размерами гранул, равными промышленным размерам.

Состав сырья и контактного газа

Состав сырья %, масс Продукты реакции, % масс

а+изо С4Н8 цис- с4н8 транс- с4н8 метан СН4 этилен С2Н4 пропилеи с3н6 бутадиен с4н6 а+юо С4Н8 цис-С4Н8 транс- с4н8 со2 Н2

57,24 23,68 19,08 0,95 2,13 1,52 21,92 20,23 18,13 33,00 1,21 0,85

Данное предположение подтверждено экспериментально на традиционной лабораторной установке (рис. 7).

Диаметр зерен, мм

1 -600 "С; 2-570 "С.

Рис. 7. Влияние размера частиц катализатора К-16у на выход бутадиена Был снят тепловой баланс разработанного реакционного устройства (табл. 5).

Таблица 5

Сравнительный тепловой баланс

Тепловой баланс СВЧ - реактора Тепловой баланс адиабатического

промышленного реактора

Приход тепла, кДж/час Расход тепла, кДж/час Приход тепла, кДж/час Расход тепла, кДж/час

С энергией электромагнит- 1. Теплота реакции 362,99 С нагретой паровой 1. Теплота

ного излучения 5600,62 2. Потери тепла в смесью 19279-104 реакции 1548-104

окружающую 2. Потери тепла

среду 132,17 в окружающую

3. Тепло, уносимое среду 41,9-104

с контактным газом 3. Тепло уносимое

(в смеси с азотом) 5072,06 с контактным

4. Не трансформи- газом (в смеси

рованная в тепло с паром) 17689-104

энергия электро-

магнитного излу-

чения 29,05

Итого 5600,62 Итого 5600,62 Итого 19279-104 Итого 19279-104

Исходя из данных теплового баланса определяем значение удельных энергетических затрат СВЧ-реактора и его уровня эффективности в сравнении с удельными энергетическими затратами на получение целевого продукта - бутадиена традиционным промышленным адиабатическим реактором.

Расчет удельных энергетических затрат СВЧ-реактора приводится в табл. 6.

Эффективность определяется долей энергии, расходуемой па получение продукта -бутадиена, от общего количества энергии, поступающей в реактор.

Таблица 6

Сравнение эффективности реакторов

Удельные энергетические затраты СВЧ - реактора Удельные энергетические затраты адиабатического промышленного реактора

т| = г5'0'4' • 100% = 9,11 % ' 5600,62 877,8-104 Л = -т-Ч:-г • 100 % = 4,55% 1 19279- О4

Так, удельные энергетические затраты СВЧ-реактора составили 9,11 %, против 4,55 % - промышленного реактора. Эффективность разработанного СВЧ-реактора более чем в 2 раза превышает эффективность традиционного реактора.

Разработанная технология выгодно отличается от традиционной и более низким уровнем водопотребления. Вода при использовании СВЧ-реактора используется в основном в замкнутом цикле (рис. 8) лишь для охлаждения магнетрона СВЧ-генератора, циркуляра и в качестве согласующей нагрузки.

Рис. 8. Схема использования воды в СВЧ-устаповке:

Г - генератор; Ц- циркуляр; Р- реактор; С.К. - согласующая камера; Е - емкость; В3|.т - задвижка; ВР,>2 - регулирующий вентиль; Э.И. - электромагнитное излучение; Б - бутены; А - азот; Вьз - вода; !С.Г. - контактный газ; Ч.К. - частицы катализатора.

При применении СВЧ-реактора из технологической схемы получения бутадиена исключается использование перегревательных печей для водяного пара и сырья.

Таким образом устраняется загрязнение окружающей среды вредными соединениями, содержащимися в дымовых газах и в сточных водах.

ВЫВОДЫ:

1. Найдены закономерности осуществления энергоемкого гстсрогенио-каталитичсского газофазного процесса в поле электромагнитного излучения СВЧ-диапазона па примере дегидрирования бугепов в бутадиен.

2. Показано, что традиционный промышленный катализатор в условиях реакции в СВЧ-полс сохраняет свои характеристики, при этом может полностью выполнить функции передатчика всей необходимой для реакции тепловой энергии от СВЧ-поля.

3. Определены скорости нагрева ряда промышленных катализаторов в СВЧ-поле, найдена общая закономерность повышения предельно-допустимой температуры разогрева от числа циклов воздействия, предложено ввести понятие «электромагнитной разработки катализатора».

4. Показана возможность и определены условия термокаталитических превращений углеводородов при подводе тепла к металлоокисному катализатору электромагнитным излучением, что позволяет перейти к принципиально новому классу реакционных устройств для гетерогенных газофазных каталитических превращений, отличающихся низкими удельными энергетическими затратами, экологичностыо.

5. Разработано реакционное устройство для проведения дегидрирования в СВЧ-поле, в частности для дегидрирования углеводородов С4, С5, с удельными энергетическими затратами, ниже данных затрат традиционного промышленного адиабатического реактора в 2 раза.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ РАБОТЫ

1. Бикбулатов И.Х., Даминев P.P., Шулаев Н.С. / Исследование дегидрирования бутенов под действием СВЧ-поля // Экономический рост: Проблемы развития науки, техники и совершенствования производства: Межвузовская научно-практическая конференция: Сборник тезисов докладов./Стерлитамак. - 1996. - с. 82.

2. Даминев P.P., Шулаев С.Н. / Экспериментальное исследование кинетики нагрева оксидных и металлических катализаторов в высокочастотном электромагнитном поле // Проблемы теоретической и экспериментальной химии: VII Всероссийская

студенческая научная конференция: Сборник тезисов докладов. / Екатеринбург. -1997.-с. 26-27.

3. Даминев P.P., Шулаев С.Н. / Исследование дегидрирования углеводородов в высокочастотном электромагнитном поле // Проблемы теоретической и экспериментальной химии: VII Всероссийская студенческая научная конференция: Сборник тезисов докладов. / Екатеринбург. - 1997. - с. 188.

4. Разработка и использование сверхвысокочастотных реакторов для создания малоотходных технологий / Бикбулатов И.Х., Даминев P.P., Шулаев Н.С., Шулаев С.Н. // Экологические проблемы промышленных зон Урала: Международная научно-техническая конференция: Сборник тезисов докладов./Магнитогорск. - 1997. - с. 59.

5. Каталитическое дегидрирование углеводородов под действием СВЧ-излучения / Бикбулатов И.Х., Даминев P.P., Шулаев Н.С. // Башкирский химический журнал. -1997.-Т. 4, вып. 2.-е. 11-13.

Решение о выдаче патента на изобретение № 96105689 /04 (009458) Россия, МПК 6С07С5 /333. Способ каталитического дегидрирования углеводородов под действием СВЧ-излучения/ Бикбулатов И.Х., Даминев P.P., Шулаев Н.С. (Россия), от 22.03.96.

Р. Р. Даминев