Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая технология переработки газового сырья. Лабораторный практикум
.pdf
водяным паром при температуре 650-680 С в течение одногошести часов:
С + Н2О 2Н2 + СО2
Цель работы: изучение влияния температуры на конверсию
метилбутенов и селективность образования изопрена в процесса
дегидрирования метилбутенов (изоамиленов) на железооксидном
катализаторе.
Реактивы:
1) метилбутены (изоамилены) – ММ=72, Т
= 20,1-38,6 °C
кип
(в зависимости от изомера);
2) дистиллированная вода;
3) катализатор КД-1, размер гранул 2-3 мм;
состав, % (мас.): Fe2O3 – 53,5-81,3, К2О – 12,0-19,0, СеО2
– 1,2 -5,0, СаО – 2,0-8, МgO – 1,0-7,0, Al2O3 – 0.,5-2,0, MoO3 – 1,03,0, SiO – 1,0-2,5;
4) инертная керамическая насадка, диаметром 2мм.
Описание установки
Дегидрирование метилбутенов в изопрен проводят на
каталитической установке, представленной на рисунке 1.
Установка состоит из емкостей для подачи метилбутенов (1) и
воды (2), насосов для подачи воды (3) и метилбутенов (4),
испарителя (5), реактора (6), конденсатора (7) и приемника (8).
Водяной пар и сырье вводятся в реактор в строго дозированном
количестве. Для этого дистиллированная вода из емкости 2
насосом 3 подаётся в испаритель 5, образующийся пар через
штуцер поступает в верхнюю часть реактора 6. Сырье из емкости 1
подается насосом 4 и через штуцер поступает в верхнюю часть
реактора 1. Смесь углеводородов и водяного пара проходит по
реактору до слоя катализатора, нагревается до температуры
реакции и поступает на катализатор. Температура контактирования
измеряется термопарой, установленной внутри реактора. На
неподвижном слое катализатора проходит эндотермическая
11
реакция дегидрирования. Смесь контактного газа с водяным
паром, выходящая из реактора 6, охлаждается, конденсируется в
холодильнике 7 и поступает в приемник 8.
Несконденсировавшаяся часть контактного газа выбрасывается
через воздушку.
Рисунок 1 − Каталитическая установка фирмы Rexo Engineering:
1,2 – емкости для воды и сырья, 3,4 – насосы для подачи воды и
сырья, 5 − испаритель, 6 – реактор, 7 – конденсатора, 8 –
приемник, 9 – манометры
Выполнение работы
Перед началом работ в реактор загружается катализатор.
Для этого:
1) реактор аккуратно извлекается из печи путем
отсоединения верхних и нижних отводных трубок;
2) снимается крышка реактора откручиванием болтов на
крышке реактора;
12
3) нижняя часть реактора заполняется инертной насадкой (10
см от дна реактора);
4) в катализаторную сетку загружается 20 см
3
катализатора,
после чего она помещается в реактор (термопара должна
находиться в середине слоя катализатора);
5) надкатализаторное пространство заполняется инертной
насадкой, для герметичности между инертной насадкой и крышкой
реактора устанавливается термостойкая вата, и затем крышка
реактора плотно закрывается;
6) реактор устанавливается в печь, подсоединяются отводные
трубки.
Загрузка сырья и воды
Убедившись в целостности и чистоте питающих емкостей,
загружается 100 мл сырья (метилбутены) в емкость 1 и 500 мл
дистиллированной воды в емкость 2. Далее проводится дренаж
насосов для исключения попадания воздуха в поршневой клапан.
Для этого открывается дренажный клапан для продувки (рис. 2) и
нажимается кнопка PURGE. В течение 1-2 минут весь воздух будет
вытеснен из выходного отверстия продувочного клапана, затем
следует нажать на кнопку STOP.
Рисунок 2 − Насос для подачи сырья и воды
Далее проверяется правильность подключения газовых
линий и положение клапанов (открыт/закрыт) (рис. 3) согласно
таблице 1.
13
Клапан
Положение
Клапан
Положение
1
Открыт
7
Открыт
2
Закрыт
8
Закрыт
3
Открыт
9
Открыт
4
Открыт
10
Закрыт
5
Закрыт
11
Открыт
6
Закрыт
Рисунок 3 − Расположение клапанов каталитической
установки фирмы Rexo Engineering
Таблица 1 – Положение клапанов
14
Для того чтобы начать работу с установкой, пошагово
включается:
1) питание компьютера;
2) общий щиток каталитической установки, который
находится слева от панели управления (рис. 4);
3) питание панели управления (рис. 4, поз. 1), зуммер-
переключатель (рис. 4, поз. 2), нагрев подогревателя (рис. 4, поз.
5), нагрев печи (рис.4, поз. 6);
4) на компьютере запускается программное обеспечение;
5) в программе задается температура печи, реактора, расход
сырья и воды.
Рисунок 4 − Панель управления
каталитической установки: 1 - главный
переключатель, 2 - зуммер и
переключатель (переключатель должен
находиться в положении «on», при
возникновении аварийной ситуации
зуммер подает звуковой сигнал), 3 индикатор давления внутри реактора, 4 контроллер давления (регулирует
давление в демпферной емкости), 5 контроллер температуры печи
(температурный контроллер и
переключатель для предварительного
нагрева, нагрев осуществляется в
положении «on» кнопки
переключателя), 6 - контроллер
температуры в реакторе, 7 - индикатор
температуры в конденсаторе и
приемной емкости
Свежезагруженный катализатор перед контактированием
подвергается активации пароазотной смесью. Подача азота
осуществляется из баллона. В течение часа температура реактора
15
постепенно доводится до 400 ºС. Начиная с 400 °С, установив на
компьютере расход подачи воды, равным 0,3 мл/мин., запускается
насос (рис. 1, поз. 3), и в течение часа реактор нагревается до 580
°С. При этой температуре катализатор выдерживается 1 ч в токе
водяного пара, после чего задается расход подачи сырья и
включается насос (рис. 1, поз. 4), начинается дегидрирование.
Процесс дегидрирования проводится при следующих
условиях:
Т=580 °С, 600 °С, 620 °С;
WИА = 0,3 мл/мин., W
где W
– скорость подачи изоамиленовой фракции; W
ИА
= 1,5 мл/мин.,
вода
вода
–
скорость подачи воды.
В ходе процесса необходимо следить за уровнем сырья и
воды в емкостях, температурой процесса (четко поддерживать
заданную температуру), после выхода на режим и стабильной
работы установки в течение 20 минут сливать продукты реакции
из приемника, и в течение 10 минут нарабатывать пробу для
анализа. Органический слой (печное масло) отделяют от водного в
делительной воронке, взвешивают и анализируют на
хроматографе, определяя количественный и качественный состав.
После отбора пробы задается следующий температурный режим.
После проведения опытов проводится регенерация
катализатора пропусканием пароазотной смеси при 630-650 °С.
Регенерацию ведут в течение 30 минут, затем прекращают
подавать воздух, а воду продолжают подавать еще в течение 30
мин.
Действия по завершении работы:
1) Останавливается работа насосов (через компьютер);
2) перекрываются клапаны на подающих емкостях и
сливаются через сливные шланги остатки сырья и воды;
3) выключается обогрев реактора (через компьютер);
4) после охлаждения реактора до комнатной температуры
выключатели на панели управления переводятся в положение off;
5) закрывается программа нажатием кнопки Program off;
6) выключается компьютер.
16
Анализ продуктов дегидрирования
Анализ продуктов дегидрирования проводят методом
газожидкостной хроматографии на газовом хроматографе
Shimadzu GC 2014 Plus. Расчет хроматограммы и идентификация
продуктов реакции осуществляются автоматически компьютерной
программой «GCsolution Version 2.32.00» методом внутренней
нормализации.
На рисунке 5 представлен образец хроматограммы, в таблице
2 − идентификация продуктов дегидрирования метилбутенов.
Условия работы хроматографа:
Колонка Rt-Alumina BOND MAPD
Длина колонки – 30 м,
Диаметр колонки – 0,53 мм,
Температура колонок −40 ºС,
Температура испарителя – 250 ºС,
Температура детектора − 270 ºС,
Газ-носитель – гелий,
Скорость газа-носителя − 50 см3/мин.,
Объем вводимой пробы − 0,5 мкл.
Рисунок 5 – Образец хроматограммы продуктов
дегидрирования метилбутенов
17
Таблица 2 – Идентификация продуктов дегидрирования
К
метилбутенов
№ Компоненты Время, мин Концентрация, %
1 изопентан 9,16 2,33
2 н-пентен 9,24 0,47
3 транс-амилен 9,52 0,23
4 γ-изоамилены 9,71 7,26
5 н-пентан 9,82 5,43
6 изопрен 10,02 53,13
7 α-изоамилены 10,32 0,22
8 β-изоамилены 10,49 11,28
9 цис-пиперилен 11,04 0,59
10 транс-пиперилен 12,34 0,02
Показатели процесса определяются по формулам:
Выход изопрена на пропущенные изоамилены β (%):
HCХпол
β =
85
..HCХисх
100%,
105
Конверсия К (%):
HCХполHCХисх
К =
...HCХисх
105
105105
100%,
Селективность α (%):
100%,
где х
исхС5Н10
х
пол С5Н8
− содержание изоамиленов в исходной смеси, % мас.;
− содержание изопрена в продуктах дегидрирования, %
мас.
18
Оформление результатов опыта (табл. 3)
γ
Условия дегидрирования:
Марка катализатора –
Скорость газа-носителя (азот) – 130 мл/мин.;
Таблица 3 − Результаты экспериментов
№ Т,
ºС
WИА,
мл/мин.
Состав жидких продуктов
реакции, % мас.
Конвер
сия ИА,
%
Селектив
ность, %
-ИА Изопрен
По полученным результатам эксперимента делаются
выводы о влиянии температуры на показатели процесса
дегидрирования изоамиленов.
Техника безопасности
Изоамилены являются легко воспламеняемой жидкостью
(ЛВЖ), сильным наркотиком, действуют на сосудистую и
центральную нервную систему (ЦНС), раздражают слизистую
оболочку. Класс опасности 4. Предельно допустимая концентрация
(ПДК) = 100 мг/м3.
Изопрен является ЛВЖ, наркотиком, действует угнетающе на
ЦНС, раздражает слизистую оболочку глаз и верхние дыхательные
пути. Класс опасности 4. ПДК = 40 мг/м3.
Все работы с изоамиленами проводить обязательно в
вытяжном шкафу. Средствами индивидуальной защиты при работе
являются: химический халат, резиновые перчатки и защитные
очки.
α-ИА β-ИА
19
Лабораторная работа 2
Получение стирола дегидрированием этилбензола на
железооксидном катализаторе
Теоретическое введение
Стирол относится к числу важнейших мономеров. Он
производится в крупных масштабах и используется для получения
разнообразных материалов: полистирола, синтетических каучуков,
латексов и др. Стирол как сомономер по объему производства
находится на третьем месте, уступая изопрену и БД.
Одним из промышленных способов получения стирола
является каталитическое дегидрирование этилбензола (ЭБ).
Реакция дегидрирования ЭБ по своей природе является
эндотермической; ее обычно проводят при высоких температурах
(600 °С) и низких парциальных давлениях ЭБ, т.е. при условиях,
которые термодинамически способствуют образованию стирола:
C6H5CH2CH
3
C6H5CH CH2 .H
+
2
Из нескольких возможных методов уменьшения
парциального давления ЭБ на практике, как правило, применяют
разбавление водяным паром. В качестве катализаторов используют
железооксидные катализаторы, промотированные оксидом калия.
Например, промышленный катализатор фирмы «Shell» имеет
следующий состав (в % мас.): Fe2O3 - 75-80, K2CO3 - 15-20, Cr2O3 2-3, SiO2 - 0,1-0,5. Процесс проводят при температуре 580620 °С, мольном отношении ЭБ к воде, равном 1:10, и объемной
скорости подачи ЭБ 0,20-0,50 ч-1. При степени конверсии ЭБ 40-50
% селективность процесса составляет около 90 %.
Побочные продукты процесса (бензол, толуол, этилен, метан,
смолистые вещества и др.) образуются в результате реакций
термического распада, гидрогенолиза и конденсации как ЭБ, так и
стирола:
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]