БТПп3 / 6 семестр / книги / биб / Еvdokimova10

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Филиал УГНТУ в г. Салавате

Кафедра химико-технологических процессов

РАСЧЕТ РЕАКТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ

Учебно-методическое пособие для студентов специальности 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»

Уфа

2011

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов специальности 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» для выполнения практических работ по курсу «Химическая технология топлив и углеродных материалов», а также для расчетов курсовых и выпускных квалификационных работ. Пособие содержит расчеты реакторов установок каталитической изомеризации легких парафиновых углеводородов, сернокислотного алкилирования изобутана бутиленами, производства оксигенетов на примере синтеза метил-трет- бутилового эфира. Представлен краткий теоретический материал по данным процессам, варианты технологического оформления реакторных блоков процессов, даны примеры расчетов реакторов технологических процессов.

Составители: Евдокимова Н.Г. , доц., канд. техн. наук Грызина Е.В., ассистент Хасанов Р.Г. , доц., канд. техн. наук

Александрова К.В., доц., канд. техн. наук

Рецензенты: Муртазин Ф.Р., доц., канд. техн. наук Баширов Р. Ф., начальник отдела технологического планирования департамента перспективного развития и инвестиций ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», канд. техн. наук

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2011

2

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость улучшения качества автомобильных бензинов в России связана с ростом потребления высокооктановых бензинов и повышением экологических требований к ним. Вступление России в ВТО определяет необходимость введения соответствующих (европейских) стандартов на качество автомобильных топлив, модернизации НПЗ и использования конкурентоспособных катализаторов и технологий переработки нефтяных фракций.

Согласно принятому Правительством Российской Федерации Техническому регламенту «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту» от 27 февраля 2008 года к товарным бензинам ужесточаются требования по содержанию серы, бензолу, ароматическим и олефиновым углеводородам.

ВРоссии основными компонентами высокооктановых товарных автобензинов являются бензины каталитического риформинга и каталитического крекинга. Снижение норм по содержанию общей суммы ароматических углеводородов (нормы Евро-3, а также Евро-4 и Евро-5) объясняется как экологическими требованиями (в частности, из-за образования сажи и бензопирена), так и стремлением уменьшить нагарообразование в двигателях автомобилей.

Бензины каталитического крекинга характеризуются высокой массовой долей серы, октановыми числами 90 - 93 по исследовательскому методу. Они содержат 2025% масс. непредельных, 35 - 55% масс. парафино-нафтеновых и 25 - 40% масс. ароматических углеводородов. В их составе практически отсутствуют диеновые углеводороды, поэтому они обладают относительно высокой химической стабильностью (ИПО 800 – 900 мин). Бензины риформинга содержат 60 - 70% масс. ароматических углеводородов и имеют утяжеленный фракционный состав, в том числе 2 - 7% масс. бензола, поэтому для получения экологически чистых товарных бензинов необходимо изменение их компонентного состава.

Всостав бензинов, выпускаемых в Российской Федерации, входит наибольшее количество бензинов каталитического риформинга – 52,8% масс., доля бензинов каталитического крекинга составляет всего 9,6% масс., доли изомеризата, алкилата и оксигенатов значительно ниже, чем в странах Западной Европы и США, и составляют 1,5, 0,3 и 0,2% масс. соответственно. При компаундировании бензинов в России используется 25,2% масс. прямогонных бензинов и 4,9% масс. бензинов термических процессов. Кроме того, в состав бензинов входит 5,7% масс. бутанов. Однако для разбавления реформатов до содержания бензола 1 % масс. на НПЗ России нет достаточного количества неароматических высокооктановых компонентов. Требования к компонентному составу бензинов дают возможность НПЗ для развития таких процессов, как изомеризация парафиновых углеводородов, алкилирование изобутана олефинами, производство оксигенатов.

3

1 РАСЧЕТ ПРОЦЕССА АЛКИЛИРОВАНИЯ ИЗОБУТАНА ОЛЕФИНАМИ

Назначением процесса каталитического алкилирования изобутана олефинами является производство высокооктанового компонента бензинов. Целевой продукт (алкилат), состоящий практически из изопарафинов, имеет высокое октановое число (90-95 по моторному методу). Октановое число основного компонента алкилата - изооктана (2,2,4-триметилпентана) принято за 100.

На современных установках алкилирования применяют горизонтальные каскадные реакторы, в которых охлаждение реакционной смеси осуществляется за счет частичного испарения изобутана, что облегчает регулирование температуры. Реактор представляет собой (рисунок 1.1) полый горизонтальный цилиндр, разделенный перегородками обычно на 5 секций (каскадов) с мешалками, обеспечивающими интенсивный контакт кислоты с сырьем. Бутилен подводится отдельно в каждую секцию, вследствие чего концентрация олефина в секциях очень мала, это позволяет подавить побочные реакции. Серная кислота и изобутан поступают в первую секцию, и эмульсия протекает через вертикальные перегородки из одной секции в другую. Предпоследняя секция служит сепаратором, в котором кислота отделяется от углеводородов. Через последнюю перегородку перетекает продукт алкилирования, поступающий на фракционирование. Тепло реакции снимается частичным испарением циркулирующего изобутана и полным испарением пропана, содержащегося в сырье [1].

1-5 – секции реактора; 6, 7 – отстойные зоны; 8 – мешалки; 9 - сепаратор

Рисунок 1.1 – Схема горизонтального каскадного реактора

1.1 Исходные данные

Исходными данными для расчета являются производительность реактора по исходному сырью, состав сырья, а также принимаемые на основе промышленных и лабораторных данных: температура реакции, мольное отношение изопарафин:олефин, объемное отношение катализатор:

4

углеводороды в реакционной системе, число секций в реакторе и снижение концентрации катализатора в каждой секции.

Задачей расчета реактора является определение выходов алкилата и тепловых нагрузок каждой секции, давления в системе, размеров реактора и мешалки, мощности электродвигателя. В таблице 1.1 представлены варианты исходных данных для расчета реактора алкилирования.

Таблица 1.1 – Варианты заданий для расчета реактора алкилирования

5

Принимаем производительность реактора П = 300000 т/г = 36764,7 кг/ч сырья, состав которого приводится в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Состав сырья

Для подавления реакций полимеризации олефинов создают в реакторе избыток (мольный) изобутана, составляющий 6-10:1 на олефины [2]. Чрезмерное повышение этого соотношения увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты, поэтому поддерживать его выше 10:1 нерентабельно.

Примем отношение изобутан:олефин равным 9:1. Тогда количество изобутана, которое необходимо подать в реактор

где Go — количество олефина (бутилена) в исходном сырье, кг/ч; Ми, Мо — молекулярная масса соответственно изобутана и олефина.

Получим

Оптимальное объемное соотношение кислоты и углеводородов в реакционной зоне составляет от 1:1 до 2:1. Произведение соотношения кислота:углеводороды на время пребывания углеводородов в реакторе определяет истинную продолжительность реакции [4].

На основе промышленных данных [5] примем для первой секции реактора отношение объемов подаваемых в нее кислоты и углеводородов α= 1,2. Как будет показано в расчете, это отношение от секции к секции будет увеличиваться.

6

В процессе алкилирования применяется 97%-ная серная кислота, которая отрабатывается до 90%-ной концентрации, считая на моногидрат — H2SО4. В таблице 1.4 приведено принятое в расчете снижение концентрации кислоты по секциям реактора.

Таблица 1.4 – Снижение концентрации кислоты по секциям реактора

Алкилирование осуществляется при низкой температуре. Пределы температуры сернокислотного алкилирования от 273 до 283 К [6]. Примем температуру реакции Т = 278 К. Будем считать, что углеводороды и кислота загружаются в реактор также при температуре Т = 278 К.

В дальнейшем при расчете всех секций реактора будем полагать, что:

-пропилен, пропан, н-бутан и пентан, находящиеся в сырье, в реакцию не вступают, поэтому их количества в процессе остаются неизменными;

-вся масса олефинов вступает в реакцию алкилиропания, образуя соответствующее количество алкилата.

1.2 Расчет горизонтального реактора алкилирования 1.2.1 Расчет первой секции

Материальный баланс. Согласно схеме работы реактора (рисунок 1.1), во все пять секций исходное сырье поступает параллельными и равными потоками. Поэтому в первую секцию подается всего изобутана:

Состав загрузки первой секции реактора представлен в таблице 1.5.

7

Таблица 1.5 – Состав загрузки первой секции

Так как плотность серной кислоты зависит от концентрации, то в дальнейшем при определении ее объема следует пользоваться графиком (рисунок 1.2) [7] и таблицей 1.3.

Рисунок 1.2 – График для определения плотности кислоты

Определим состав углеводородной массы, выходящей из первой секции. Согласно уравнению основной реакции алкилирования

eci N4 I 10 N4 I 8 N8 I 18 ,

в нее вступает 36,76 кмоль/ч олефина и такое же число кмоль/ч свежего

В таблице 1.6 приведен состав углеводородов, покидающих первую сек-

цию.

Таблица1.6 – Состав углеводородов, покидающих первую секцию

Тепловая нагрузка первой секции. Все внешние и внутренние материальные потоки реактора, по ранее принятому условию, имеют температуру Т = 278 К, поэтому тепловую нагрузку секции, без ущерба для точности расчета, принимаем равной теплу, которое выделяется в процессе алкилирования. Тепло основной реакции алкилирования по литературным данным [3] составляет 75—85% тепловой нагрузки секции. Приняв, что тепло основной реакции алкилирования составляет 80% тепловой нагрузки секции Q1, получим

где Gал1 = 4190,9 кг/ч — количество алкилата, получаемого в первой секции (таблица 1.6);

qp = 1050 кДж/кг алкилата — теплота основной реакции алкилирования [3];

Давление в первой секции. Давление при температуре реакции Т = 278 К рассчитаем по уравнению изотермы жидкой фазы [9]:

где Pi — давление насыщенных паров чистых углеводородов при Т = 278 К, определяется по диаграмме Кокса или таблицам [8]; х/i—мольные доли углеводородных компонентов (таблица 1.6); Рк — давление насыщенного пара серной кислоты (при Т = 278 К принимается равным нулю, так как температура ее кипения при нормальном давлении значительно выше 573 К).

9

π 658 0,0007 540 0,0018 180 0,939 122 0,0266 30,2 0,0008

0,55 0,0243 174 103 Ia.

Во всех остальных секциях принимается такое же давление.

Количество углеводородов, испаряющихся в первой секции.

Пары, уходящие из секции, находятся в равновесии с испаряющейся жидкостью. Их состав может быть определен по каждому компоненту из уравнения равновесия фаз, в котором все величины правой части известны [3]:

π

y/ C3H6 658000 0,0007 0,0026; 174000

y/ C3H8 540000 0,0018 0,0056; 174000

y/ eci C4H10 180000 0,939 0,97; 174000

y/ i C4H10 122000 0,0266 0,0187 ; 174000

y/ C5H12 30200 0,0008 0,000139; 174000

y/ ae 550 0,0243 0,000077. 174000

Проводим проверку:

i

y/ i 0,0026 0,0056 0,97 0,0187 0,000139 0,000077 1

1

По найденным концентрациям компонентов в парах и теплотам испарения чистых компонентов при Т = 278 К [9] находим по правилу аддитивности теплоту испарения r/m смеси паров. Весь расчет сведен в таблицу 1.7.

Таблица 1.7 – Расчет теплоты испарения

Зная теплоту испарения смеси r/m и тепловую нагрузку секции Q1, определим количество паров углеводородов, образующихся в первой секции:

10