9_Лекция. Лекция 9 Каталитические процессы вторичной переработки нефтяных фракций. Гетеролитические процессы
 Скачать 156.75 Kb.
|
1 2 Катализаторы Из всех возможных кислотных катализаторов в промышленных процессах алкилирования применение получили только серная и фтористоводородная кислоты. Наиболее важным для жидкофазного катализа показателем катализатора является растворимость в них изобутана и алкенов. Растворимость изобутана в H2SO4 невелика и приблизительно в 30 раз ниже, чем в HF. Алкены в этих кислотах растворяются достаточно хорошо и быстро. В этой связи концентрация изобутана на поверхности раздела фаз (эмульсии типа углеводород в кислоте) намного меньше концентрации алкенов, что обусловливает большую вероятность протекания реакций полимеризации алкенов. Для ускорения реакций необходимо интенсифицировать процессы перемешивания и диспергирования реакционной массы с целью увеличения поверхности раздела кислотной и углеводородной фаз. По каталитическим свойствам HF более предпочтительна, чем H2SO4. Процессы фтористоводородного алкилирования характеризуется преимуществами по сравнению с сернокислотным: - значительно меньший выход побочных продуктов, следовательно, более высокая селективность; - более высокие выход и качество алкилата; - значительно меньший расход кислоты (0,7кг вместо 100 - 160 кг H2SO4 на 1 т алкилата); - возможность проведения процесса при более высоких температурах (25 - 40 0С вместо 7 – 10 0С при сернокислотном) с обычным водяным охлаждением; - возможность применения простых реакторных устройств без движущихся и трущихся частей, обусловленная повышенной взаимной растворимостью изобутана и HF; - небольшая металлоемкость реактора (в 10 - 15 раз меньше, чем у сернокислотного контактора, и в 25 - 35 раз меньше, чем у каскадного реактора); - легкая регенерируемость катализатоpa, что является одной из причин меньшего его расхода, и др. Однако большая летучесть и высокая токсичность HF ограничивают ее более широкое применение в процессах алкилирования. В отечественной нефтепереработке применяются только процессы сернокислотного алкилирования. На НПЗ США около половины от суммарной мощности установок приходится на долю фтористоводородного алкилирования. Сырье Алкелированию в нефтепереработке чаще всего подвергают изобутан и значительно реже изопентан (последний является ценным компонентом автомобильного бензина). Существенное влияние на показатели процесса оказывает состав алкенов. Этилен практически не алкилирует изобутан, но сульфатируется и полимеризуется. Пропилен легко вступает в реакцию с изобутаном, но ОЧ (октановое число) меньше, чем при алкилировании бутиленами. Высшие алкены (С5 и выше) более склонны к реакциям деструктивного алкилирования с образованием низкомолекулярных и низкооктановых продуктов. Таблица 1 - Зависимость показателей процесса сернокислотного алкилирования изобутана от состава алкенов
Оптимальным сырьем для алкелирования изобутана являются бутилены. В нефтепереработке в качестве алкенового сырья обычно используют бутан-бутиленовую фракцию в смеси с пропан-пропиленовой с содержанием пропилена менее 50 % от суммы алкенов. Алканы С3 - С5 в реакцию алкелирования не вступают и являются инертными примесями. Диены, содержащиеся в сырье, образуют сложные продукты взаимодействия с серной кислотой и остаются в кислотной фазе, разбавляя кислоту, что увеличивает его расход. Поэтому диеновые углеводороды не должны содержаться в сырье. К сырью алкилирования предъявляют также повышенные требования по содержанию влаги и сернистых соединений. Если сырье КК не подвергалось предварительной гидроочистке, то бутан-бутиленовую фракцию крекинга обычно очищают щелочью или в процессах типа «Мерокс» от сернистых соединений. Основы управления процессом сернокислотного алкилирования Важными оперативными параметрами, влияющими на материальный баланс и качество продуктов алкелирования, является давление, температура, объемная скорость сырья, концентрация кислоты, соотношения изобутан : алкен, кислота : сырье и интенсивность перемешивания сырья с катализатором. Давление. При сернокислотном жидкофазном алкелировании изменение давления не оказывает существенного влияния на процесс. Давление должно ненамного превышать упругость паров углеводородов сырья при температуре катализа. Обычно в реакторах с внутренней системой охлаждения при алкелировании изобутана бутиленами поддерживают давление 0,35 - 0,42 МПа. Если сырье содержит пропан-пропиленовую фракцию, то давление в реакторе несколько повышают. Температура. При повышении температуры снижается вязкость кислоты и углеводородов, и создаются более благоприятные условия для их перемешивания и диспергирования. Это обусловливает большую скорость сорбции углеводородов кислотой и, следовательно, большую скорость всех протекающих реакций. При этом снижаются затраты энергии на перемешивание сырья и катализатоpa, что улучшает экономические показатели процесса. Однако повышение температуры (выше 15 0С интенсифицирует побочные реакции в большей степени, чем целевую реакцию). При этом увеличивается содержание малоразветвленных алканов, снижается избирательность реакций, возрастает расход кислоты и ухудшается качеств алкилата. Снижение температуры в определенных пределах оказывает благоприятное влияние на селективность реакций, выход и качество алкилата. Лимитирующим фактором при снижении температуры реакции является чрезмерное повышение вязкости кислоты, что затрудняет создание эмульсий с высокой поверхностью раздела фаз. На практике оптимальный интервал температур 5 - 13 0С. Соотношение изобутан : алкен является одним из важнейших параметров алкилирования. Избыток изобутана интенсифицирует целевую и подавляет побочные реакции алкилирования. Ниже показано влияние отношения изобутана к бутиленам на выходные показатели сернокислотного алкилирования. Соотношение изобутан : алкен 7:1 5:1 3:1 Выход алкилата (н.к. – 177 0С) 163 160 156 ОЧ алкилата (ОЧММ) 93,5 92,5 91,5 Чрезмерное повышение этого соотношения увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты, поэтому поддерживать его выше 10:1нерентабельно. Концентрация кислоты. Для алкилирования бутан-бутиленовых углеводородов обычно используют серную кислоту, содержащую от 88 до 98 % моногидрата. Снижение ее концентрации в процессе работы происходит за счет накопления высокомолекулярных полимерных соединений и воды, попадающей в систему вместе с сырьем. Если концентрация кислоты становится ниже 88 %, усиливаются побочные реакции, приводящие к ухудшению качества алкилата. Соотношение серная кислота : сырье характеризует концентрации катализатоpa и сырья в реакционной смеси. Скорость процесса алкилирования в соответствии с законом действующих поверхностей должна описываться как функция от произведения концентраций кислоты и углеводородов на границе раздела фаз (т. е. поверхностных концентраций). Соотношение катализатор : сырье должно быть в оптимальных пределах, при которых достигается максимальный выход алкилата высокого качества. Оптимальное значение этого отношения (объемного) составляет около 1,5. Объемная скорость подачи сырья выражается отношением объема сырья, подаваемого в единицу времени, к объему катализатора в реакторе. Влияние этого параметра на результаты алкилирования во многом зависит от конструкции реактора и, поскольку процесс диффузионный, от эффективности его перемешивающего устройства. Экспериментально установлено: при оптимальных значениях остальных оперативных параметров продолжительность пребывания сырья в реакторе – 200 - 1200 с, что соответствует объемной скорости подачи алкенов 0,3 - 0,5 ч-1. Промышленные установки сернокислотного алкилирования На отечественных установках применяются реакторы двух типов, отличающиеся способом отвода выделяющегося тепла - охлаждением хла-доагентом (аммиаком или пропаном) через теплообменную поверхность и охлаждением за счет испарения избыточного изобутана. В первом случае в алкилаторе - контакторе вертикального или горизонтального типа, снабженном мощной мешалкой, имеются охлаждающие трубы, в которых хладоагент испаряется, и его пары направляются в холодильную установку, где снова превращаются в жидкость. На современных установках алкилирования большой мощности применяют более эффективные реакторы второго типа - горизонтальные каскадные, в которых охлаждение реакционной смеси осуществляется за счет частичного испарения изобутана, что облегчает регулирование температуры. Реактор представляет собой полый горизонтальный цилиндр, разделенный перегородками обычно на 5 секций (каскадов) с мешалками, обеспечивающими интенсивный контакт кислоты с сырьем. Бутилен подводят отдельно в каждую секцию, вследствие чего концентрация алкена в секциях очень мала, это позволяет подавить побочные реакции. Серная кислота и изобутан поступают в первую секцию, и эмульсия перетекает через вертикальные перегородки из одной секции в другую. Предпоследняя секция служит сепаратором, в котором кислоту отделяют от углеводородов. Через последнюю перегородку перетекает продукт алкилирования, поступающий на фракционирование. Тепло реакции снимают частичным испарением циркулирующего изобутана и полным испарением пропана, содержащегося в сырье. Испарившийся газ отсасывают компрессором и после охлаждения и конденсации возвращают в реакционную зону.  Применение каскадных реакторов, работающих по принципу «автоохлаждения», упрощает и удешевляет процесс, т.к. позволяет отказаться от хладоагента. 1 – 5 секции реактора; 6,7 – отстойные зоны; 8 – мешалки; 9 – сепаратор. Рисунок 5 – Схема горизонтального каскадного реактора Сопоставительные выходные показатели алкилирования с двумя типами реакторов Вертикальный Каскадный реактор контактор Выход легкого алкилата, % масс. от суммарного алкилата (СА) 90 – 93 93 - 96 Удельный расход H2SO4, кг/м, СА 200 – 250 60 - 100 ОЧММ легкого алкилата 90 – 91 92 - 95 2. Производство метилтретбутилового эфира (МТБЭ) Основная реакция производства метилтретбутилового эфира - каталитическое алкелирование метанола изобутиленом СН3 СН3 СН2 = С + СН3ОН ↔ СН3 – С – О – СН3 СН3 СН3 Целевой продукт – метилтретбутиловый эфир (МТБЭ) имеет свойства: плотность 0, 7405; температура 0С кипения 55,2; замерзания - 108,6; теплота испарения 342,3 кДж/кг; октановое число исследовательский метод 115 – 135; моторный метод 98 – 101. МТБЭ, по сравнению с алкилатом, обладает более высоким октановым числом и низкой температурой кипения, что в совокупности позволяет повысить октановое число преимущественно головных фракций базового бензина. В товарные автобензины МТБЭ добавляют в количестве 5 – 15 %. Эфирсодержащие бензины характеризуются дополнительно таким достоинством, как большая полнота сгорания и меньшая токсичность выхлопных газов. Для промышленного производства этого эффективного октаноповышающего компонента бензинов имеются достаточно широкие ресурсы метанола, получаемого из нефтяного сырья (угля или древесины), а также изобутена на тех НПЗ, где имеются установки КК (каталитического крекинга) или пиролиза (после удаления из пирогаза диенов). Первая промышленная установка производительностью 100 тыс. т/год по МТБЭ была пущена в 1973 г. в Италии. Затем аналогичные установки были введены в эксплуатацию в ФРГ и США в 1980 г. С тех пор мировое производство МТБЭ непрерывно возрастало, особенно интенсивно в США, нефтепереработка которых характеризуется исключительно высокой насыщенностью процессами каталитического крекинга. Реакция синтеза МТБЭ изобутилена и метанола протекает по цепному карбоний ионному механизму с выделением 66 кДж/моль тепла, а её равновесие смещается вправо при повышении давления и снижении температуры. Помимо основной целевой реакции алкилирования при синтезе МТБЭ протекают побочные реакции: - димеризация изобутена с образованием изооктилена; - гидротация изобутилена водой, содержащейся в исходном сырье с образованием изобутилового спирта; - дегидроконденсация метанола с образование демитилового эфира 2 СН3ОН ↔ СН3ОСН3 + Н2О; - если в углеводородном сырье содержится изоамилен, то при его алкилировании с метанолом образуется третичный амиловый эфир (ТАЭ); - если в метаноле содержится этанол, то образуется этилтретбутиловый эфир (ЭТБЭ). Катализаторы Из гомогенных (серная, фосфорная, борная кислоты) и гетерогенных (оксиды алюминия, цеолиты, сульфоугли) кислотных катализаторов в промышленных процессах синтеза МТБЭ наибольшее распространение получили сульфированные ионообменные смолы. В качестве полимерной матрицы сульфокатионов используются полимеры различного типа: поликонденсационные (фенолоформальдегидные), полимеризационные (сополимер стирола с дивинил бензолом), фторированный полиэтилен, активированное стекловолокно и др. Самым распространёнными являются сульфокатионы со стиролдивинилбензолной матрицей двух типов: с невысокой удельной поверхностью 1 м2/г (дауэкс – 2, КУ – 2) и микропористые с развитой удельной поверхностью 20 – 400 м2/г (амберлист – 15, КУ – 23). Основные трудности, возникающие при использовании сульфокатионитов, связаны с большим гидровлическим сопротивлением катализаторного слоя. С целью получения необходимой совокупности катализирующих, массообменных и гидродинамических свойств разработан отечественный высокоэффективный ионитный катализатор КИФ – 2. Катализатор КИФ – 2 характеризуется достаточно высокой активностью, продолжительным сроком службы, удобными размерами (d = 4 – 6 мм; l = 6 – 10 мм) и формой гранул, позволяющие использовать его одновременно как ректификационную насадку. Сочетание реактора с ректификационной колонной в одном реакционно-ректификационном аппарате позволяет: - обеспечить практически полную конверсию; - проводить процесс при более низком давлении и более эффективно использовать тепло реакции, снижая энергоёмкость процесса; - упростить аппаратурное оформление и значительно сократить металлоёмкость процесса. Сырьё В качестве углеводородного сырья в процессах синтеза МТЭБ наибольшее применение получила бутан-бутиленовая фракция (ББФ) двух процессов - каталитического крекинга и пиролиза. Ресурсы изобутилена для производства МТБЭ можно увеличить за счёт н-бутана, содержащегося в попутных нефтяных газах или газоконденсатах, используя процессы дегидрирования и последующей изомеризации бутиленов. Источником изобутиленов могут стать газы термодиструктивных или нефтехимических процессов, в частности, производств изобутиленового спирта. Вторым сырьевым реагентом процесса является метанол марки А. Параметры процесса Важными параметрами, влияющими на выход и качество МТБЭ, являются температура, давление, объёмная скорость подачи сырья и соотношение метанол : изобутен. Температура в зоне реакции 60 – 70 0С Давление 0,7 – 0,75 МПа Объёмная скорость подачи ББФ 1,5 ч -1 Соотношение метанол : изобутен 10 : 1 Кратность циркуляции метанола к изобутену 9,4 : 1 При этих условиях в реакционно-ректификационном аппарате конверсия изобутилена 99,5 % масс. Процесс синтеза МТБЭ осуществляется в ректификационно-реакторном аппарате, состоящем из средней реакторной зоны, разделённой на 3 слоя катализатора и верхней и нижней ректификационных зон с двумя тарелками в каждой. На установке имеются два таких аппарата: на одном из них после потери активности катализатора (через 4000 часов работы) осуществляется предварительная очистка исходной сырьевой смеси от серо- и азотосодержащих примесей, а также для поглощения катионов железа, присутствующих в рециркулирующем метаноле вследствие коррозии оборудования. Таким образом, поочерёдно первый аппарат работает в режиме форконтактной очистки сырья на отработанном катализаторе, а другой – в режиме синтеза МТБЭ на свежем катализаторе. Катализатор после выгрузки из форконтактного аппарата не подвергается регенерации (захоранивается).  I - сырье (бутан-бутиленовая фракция); II - свежий метанол; III - циркулирующий метанол; IV - метилтретбутиловый эфир; V - отработанная бутан-бутиленовая фракция; VI - сброс воды; VII - раствор щелочи. Рисунок 17 - Принципиальная технологическая схема установки получения метилтретбутилового эфира Технологическая сема Исходная бутан-бутиленовая фракция установки КК, подвергнутая демеркаптанизации, и циркулирующий метанол через ёмкость Е поступает в верхнюю часть реактора форконтактной очистки. Очищенная смесь после нагрева в теплообменнике до 60 0С поступает в зону синтеза под каждый слой катализатора Р1(2). В верхнюю часть реакционной зоны во избежания перегрева катализатора подаётся также подогретый в теплообменнике до 50 – 60 0С свежий метанол. Жидкие продукции реакции, состоящие из МТБЭ с примесью метанола и углеводородов, выводятся из куба Р1(2) и направляются на сухую отпарку примесей в отпарную колонну К2, снабжённую паровым кипятильником. Целевой продукт – МТБЭ – выводится с куба К2 и после теплообменников и холодильников откачивается в товарный парк. Паровая фаза Р1(2), состоящая из отработанной ББФ, метанола и из следов МТБЭ, поступает на конденсацию МТБЭ в колонну К1, являющуюся по существу конденсатором смешения. Конденсированный МТБЭ возвращается на верхнюю тарелку Р1(2) и выполняет функцию холодного орошения. С верха К1 отводятся несконденсировавшиеся пары отработанной ББФ и метанола, которые после охлаждения и конденсации в холодильниках поступает в ёмкость – сепаратор С1. Разделение конденсата в С1 на отработанную ББФ и метанол осуществляется экстракцией последнего водой в экстракторе К3 (при температуре 40 0С и давлении 0,9 МПа). Отработанная ББФ, выводимая с верха К3, после охлаждения в холодильниках давлением системы направляется в товарный парк и далее для последующей переработки. Отгонка циркулирующего метанола от воды производится в ректификационной колонне К4 при давлении 0,02 – 0,06 МПа и температуре в кубе 120 0С и верха колонны 70 0С. Метанол, выводимый с верха К4, охлаждается и конденсируется в воздушных и водяных конденсаторах – холодильниках и собирается в рефлюксной ёмкости С3. Часть метанола подаётся в качестве холодного орошения К4, а остальная часть поступает в ёмкость Е. Вода выводимая из куба К4, после охлаждения в теплообменнике и холодильнике подаётся в экстрактор К3 для отмывки метанола от отработанной ББФ. 1 2 | ||||||||||||||||||||||||||||