Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Кубанский государственный технологический университет» (ФГБОУ ВО «КубГТУ»)
Институт нефти, газа и энергетики
Отчет по практической работе
«Процессы химической технологии как объекты интенсификации»
по дисциплине:
«Физические методы активации химических процессов»
Выполнил:
ст. гр. 19-НБ-ХТ1
Бычков И. О.
Проверил:
доцент каф. ТНиГ,
канд. техн. наук
Литвинова Т.А.
Краснодар, 2020 г.
Цель работы: изучение основных групп процессов химической технологии, обзор процессов, используемых в нефтепереработке, применение системного подхода к интенсификации производств, анализ технологических процессов в качестве объектов интенсификации, выявление физико-химических эффектов, возникающих в системе под влиянием физических воздействий (акустических, электрических, магнитных, тепловых, механических, радиационных и др.)
Теоретическая часть
Технологические процессы в нефтепереработке принято классифицировать на следующие 2 группы: физические и химические.
Первая группа – физические (массообменные) процессы. С их помощью достигается разделение нефти на составляющие компоненты (топливные и масляные фракции) без химических превращений и удаление (извлечение) из фракций нефти, нефтяных остатков, масляных фракций, газоконденсатов и газов нежелательных компонентов (полициклических ароматических углеводородов, асфальтенов, тугоплавких парафинов), неуглеводородных соединений.
Физические процессы по типу массообмена можно подразделить на следующие типы:
1.1 – гравитационные (ЭЛОУ);
1.2 – ректификационные (АТ, АВТ, ГФУ и др.);
1.3 – экстракционные (деасфальтизация, селективная очистка, депарафинизация кристаллизацией);
1.4 – адсорбционные (депарафинизация цеолитная, контактная очист-
ка);
– абсорбционные (АГФУ, очистка от Н2S, СО2).
Вторая группа – химические процессы. В этих процессах переработка нефтяного сырья осуществляется путем химических превращений с получением новых продуктов, не содержащихся в исходном сырье. Химические процессы, применяемые на современных НПЗ, по способу активации химических реакций подразделяются:
– на термические;
– термодеструктивные (термический крекинг, висбрекинг, коксование, пиролиз, пекование, производство технического углерода и др.);
термоокислительные (производство битума, газификация кокса, углей и др.).
– каталитические
гетеролитические, протекающие по механизму кислотного катализа (каталитический крекинг, алкилирование, полимеризация, производство эфиров и др.);
– гомолитические, протекающие по механизму окислительновосстановительного (электронного) катализа (производство водорода и синтез газов, метанола, элементной серы);
– гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа (гидроочистка, гидрообессеривание, гидрокрекинг, каталитический риформинг, изомеризация, гидродеароматизация, селективная гидродепарафинизация и др.).
Системный подход позволяет выделить основные принципы использования физических воздействий в технологии для решения задач интенсификации процессов. Для этого проводится классификация воздействий и обрабатываемых сред, намечаются процедуры поиска решений на физическом уровне.
Задачи интенсификации :
1) совершенствование существующего технологического процесса и существующего оборудования;
2) разработка принципиально нового технологического процесса и принципиально нового оборудования для его реализации.
Под воздействием на обрабатываемую среду (физико-химическую систему) будем понимать направленное проявление сил различных физических полей: механических, электрических, магниных, тепловых, акустических и радиационных. Различают такие виды воздействий, как: акустические, электрические, магнитные, тепловые, механические, радиационные, химические. Некоторые из этих воздействий взаимосвязаны друг с другом, например, электрические и магнитные воздействия.
Результаты энергетических воздействий – это эффекты в элементах системы, на которые направлены воздействия, т.е. эффекты, проявляющиеся в жидкости, газе, твердых телах или в гетерогенной смеси. При постоянстве условий, вида воздействия и свойств обрабатываемой среды проявляются одни и те же результаты воздействия
Виды воздействий
|
Факторы воздействий
|
Физико-химические эффекты
|
Результаты воздействия
|
Электрические
|
Электрические поля различной структуры
|
Электросепарация, электрофорез, электроосмос, эффект Юткина, электрокоагуляция, электрохимические эффекты, электронагрев
|
Изменение физикохимических параметров, трансформация электроэнергии в механическую, тепловую, электрическую, химическую и др. энергии
|
Магнитные
|
Магнитные поля различной структуры
|
Эффект Риги-Ледюка, магнитосепарация, магнитогидродинамический мические эффекты
|
Изменение физикохимических параметров, трансформация магнитной энергии в механическую, тепловую, электрическую и др. энергии
|
Акустические
|
Упругие и квазиупругие колебания в жидкости
|
Акустические волны, акустическая турбулентность, кавитация, кумулятивный эффект, звукохимические реакции, резонанс, расклинивающее давление, автоколебания, капиллярный эффект
|
Пульсации давления, кумулятивный удар, изменение физикохимических свойств, активация, трансформация акустической энергии в механическую, сонолиз
|
Тепловые
|
Нагрев, охлаждение (тепловые потоки)
|
Теплопередача, теплопроводность, тепловое излучение, конвекция, эффект Соре, эффект Марангони, термоэффекты
|
Кипение, конденсация, фазовые переходы, инверсия фаз, изменение физико-химических параметров, трансформация тепловой энергии в механическую, радиационную и др.
|
Световые и радиационные
|
Электромагнитные волны, инфракрасное, световое, ультрафиолетовое, рентгеновское, γ- излучение
|
Ионизация, энергетическая накачка, фотохимические реакции, возбуждение молекул
|
Изменение физикохимических свойств вещества, активация, излучение, трансформация энергии излучения в тепловую и др.
|
Механические
|
Удар, сдвиг, сжатие, растяжение, вибрация, формирование потоков с определенной траекторией, скоростью и ускорением
|
Гидроудар, турбулентность, эффект Кармана, трибоэффект, эффект Рейнольдса, автоколебания, активация, Накопление дефектов структуры, концентрация напряжений
|
Пульсации давления и скорости потока жидкости, трансформация кинетической энергии в потенциальную и др., энергетическая накачка
|
Практическая часть
Задание 1. Основные процессы химической технологии
№
п/п
|
Группа процессов
|
Сущность процессов
|
Движущая сила
|
Примеры прцессов
|
1
|
Гидромеханические
|
связаны с переносом импульса (количества движения) в жидкостных и газовых потоках, а также в системах с твердыми телами.
|
градиент давлений (разность давлений)
|
перемещение жидкостей по трубопроводам и аппаратам, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести (отстаивание), фильтрование и перемешивание жидкостей.
|
2
|
Тепловые
|
связаны с переносом теплоты, сопровождаются переносом импульса
|
градиент температур (разность температур)
|
нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров
|
3
|
Массообменные
|
переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Скорость определяется законами массопередачи
|
градиент концентраций (разность концентраций)
|
абсорбция, перегонка (ректификация), экстракция из растворов, растворение и экстракция из пористых твердых тел, кристаллизация, адсорбция, сушка, мембранные процессы
|
4
|
Химические
|
сопутствует перенос массы и энергии. протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики, связаны с переносом вещества с целью их превращения в другие, сопровождаются переносом теплоты и импульса.
|
градиент концентраций (разность концентраций)
|
градиент концентраций (разность концентраций)
|
5
|
Механические
|
описываемые законами механики твердых тел, связаны с переносом импульса
|
градиент напряжений (разность сил давлений)
|
измельчение, транспортирование, сортировка и смешение твердых веществ
|
Задание 2. Сравнительная характеристика основных процессов нефтепереработки
№ п/п
|
Наименование
процесса
|
Группа процессов
|
Характеристика процесса
|
Сырье и продукты
|
1
|
Обезвоживание и обессоливание нефти (ЭЛОУ)
|
Физические (массообменные) процессы.
По типу массообмена -гравитационные
|
В основе процесса обезвоживания лежит разрушение нефтяных эмульсий, которые образуются при добыче нефти за счет закачки воды в пласт. Обезвоженную и обессоленную нефть смешивают с пресной водой, создавая искусственную эмульсию (но с низкой соленостью), которую также подвергают расслаиванию.. Основная масса промысловой воды и растворенных в ней солей, а также механические примеси отделяются на промыслах. Окончательное же обезвоживание и обессоливание проводят на НПЗ на электрообессоливаюших установках (ЭЛОУ).
|
Сырье: сырая нефть
Продукты: обезвоженная и обессоленная нефть, загрязненные стоки
|
2
|
Атмосферная перегонка (АТ)
|
Физические (массообменные) процессы.
По типу массообмена - ректификационные
|
Процесс первичной переработки нефти при атмосферном давлении. Нефть разделяется в ректификационных колоннах на фракции без изменения природного состава.
Осуществляет на установках АТ (атмосферная трубчатка)
|
Сырье:
нефть
Продукты: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут
|
3
|
Вакуумная перегонка (ВТ)
|
Физические (массообменные) процессы.
По типу массообмена- ретификационные
|
Осуществляет на установках ВТ (вакуумная трубчатка). Мазут, отбираемый с низа атмосферной колонны блока AT, прокачивается параллельными потоками через печь в вакуумную колонну.
Смесь нефтяных и водяных паров, газы разложения (и воздух, засасываемый через неплотности) с верха вакуумной колонны поступают в вакуумсоздающую систему.
Первым и вторым боковым погоном отбирают широкую газойлевую (лёгкую и тяжёлую) фракцию.
Часть ее после охлаждения используется как среднее циркуляционное орошение вакуумной колонны.
|
Сырье: мазут
Продукты: широкая (350…500 °С) фракция вакуумного газойля, гудрон, затемненная фракция.
|
4
|
Термический крекинг
|
Химические процессы.
По способу активации химических реакций – термические
По типу протекающих химических реакций - термодеструктивные
|
Термический крекинг проводят при повышенном давлении (2,0— 4,0 МПа) жидкого (в основном тяжелого) сырья (полугудроны, гудроны) с получением газа и жидких продуктов.
применяется преимущественно как процесс термоподготовки дистиллятных видов сырья для установок коксования и производства термогазойля.
Применяется на установке термического крекинга дистиллятного сырья (ТКДС)
|
Сырье: полугудроны, гудроны, ароматизированные высококипящие дистилляты: тяжелые газойли каталитического крекинга, тяжелую смолу пиролиза и экстракты селективной очистки масел.
Продукты: термогазойль (фракция 200…480 °С) и дистиллятный крекинг-остаток, технический углерод.
|
5
|
Коксование
|
Химические процессы.
По способу активации химических реакций – термические
По типу протекающих химических реакций - термодеструктивные
|
Коксование тяжелых остатков или высокоароматизированных тяжелых дистиллятов осуществляют при невысоком давлении (до 0,5 МПа) с получением кокса, газа и жидких продуктов
Основное целевое назначение коксования — производство нефтяных коксов различных марок в зависимости от качества перерабатываемого сырья.
|
Сырье: тяжелые остатки или ароматизированные высококипящих дистилляты.
Продукты: малоценный газ, бензины низкого качества и газойли, кокс.
|
6
|
Пиролиз
|
Химические процессы.
По способу активации химических реакций – термические
По типу протекающих химических реакций - термодеструктивные
|
Пиролиз (высокотемпературный крекинг) жидкого или газообразного сырья ведут при невысоком давлении (0,2—0,3 МПа) и температуре 700— 900 °С с получением газа, богатого непредельными углеводородами, и жидкого продукта. Наиболее жесткая форма термического крекинга. Цель процесса — получение низкомолекулярных олефинов
В промышленности распространение получили трубчатые реакторы пиролиза.
|
Сырье: газообразное, легкое или среднедистиллятное углеводородное сырье
Продукты: этилен и пропилен, дивинил, высокоароматизированная жидкость широкого фракционного состава с большим содержанием непредельных углеводородов
|
7
|
Каталитический крекинг
|
Химические процессы.
По способу активации химических реакций – каталитический
По типу катализа - гетеролитические, протекающие по механизму кислотного катализа
|
При термическом крекинге сырье, находящееся под давлением 2-7 МПа, нагревается до температуры 450–550 градусов, что позволяет получить продукты меньшей молекулярной массы.
Процесс проходит в ректификационной колонне
|
Сырье: вакуумные газойли
Продукты: высокооктановые бензины, газ, богатый пропиленом, изобутаном и бутенами.
|
8
|
Каталитический риформинг
|
Химические процессы.
По способу активации химических реакций – каталитический
По типу катализа - гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа
|
Сущность каталитического риформинга — ароматизация бензиновых фракций, протекающая в результате преобразования нафтеновых и парафиновых углеводородов в ароматические.
Процесс осуществляют на алюмоплатиновых катализаторах (платформинг) при 480—540 °С и 2—4 МПа. В более совершенной форме процесса используют платино-рениевые и полиметаллические катализаторы при более низком давлении (0,7— 1,5 МПа).
|
Сырье: бензиновые и лигроиновые фракции нефти
Продукты: высокооктановый ароматизированный бензин или индивидуальные ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы)
|
9
|
Каталитическая изомеризация
|
Химические процессы.
По способу активации химических реакций – каталитический
По типу катализа - гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа
|
служит для повышения октанового числа и использования в качестве компонентов высокооктановых бензинов. Подобно риформингу процесс осуществляют на алюмо-платиновых катализаторах под давлением водорода. Сырье (а также фракции С5 и С6, получаемые с ГФУ) изомеризуется в среде водорода
в присутствии бифункциональных катализаторов.
|
Сырье: низкооктановые компоненты нефти — фракции н. к. — 62 °С и рафинаты каталитического риформинга
Продукты: высокооктановые компоненты бензина
|
10
|
Гидроочистка
|
Химические процессы.
По способу активации химических реакций – каталитический
По типу катализа - гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа
|
Гидроочистка нефтяных фракций направлена на снижение содержания сернистых, азотистых, кислородных, металлорганических и непредельных соединений в товарных нефтепродуктах.
Побочно происходит насыщение непредельных углеводородов, снижение содержания смол, кислородсодержащих соединений, а также гидрокрекинг молекул углеводородов.
Катализатор - никель - молибденовый.
|
Сырье: Бензиновые фракции (прямогонные и каталитического крекинга), керосиновые фракции, дизельное топливо, вакуумный газойль, фракции масел.
Продукты:
Гидроочищенная фракция
|
11
|
Гидрообессеривание
|
Химические процессы.
По способу активации химических реакций – каталитический
По типу катализа - гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа
|
Процесс проводится при температуре 370 - 4Ю С. наиболее важным фактором является парциальное давление водорода. Увеличение парциального давления водорода приводит к увеличению гаубины обессерявания нефтяных остатков, способствует снижению коксуемости остаточного сырья. Подбор катализатора по химическому составу проводился очень широко, с проверкой применимости большого числа элементов периодической системы.
Проводится на установках - гидротритерах
|
Сырье: бензин, керосин, дизельное топливо и мазут
Продукты:
Очищенные фракции
|
12
|
Гидрокрекинг
|
Химические процессы.
По способу активации химических реакций – каталитический
По типу катализа - гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа
|
глубокое термокаталитическое превращение нефтяного сырья (в основном тяжелых сернистых дистиллятов)
При гидрокрекинге не образуется никакого тяжелого неперегоняющегося остатка (кокса, пека или кубового остатка), а только легко кипящие фракции.
Катализаторы гидрокрекинга - обычно это соединения серы с кобальтом, молибденом или никелем (CoS, MoS2, NiS) и оксид алюминия.
|
Сырье: вакуумные и атмосферные газойли, газойли термического и каталитического крекинга, деасфальтизаты, мазуты, гудроны
Продукты: автомобильные бензины, реактивное и дизельное топливо, сырье для нефтехимического синтеза и СУГ (из бензиновых фракций)
|
13
|
Низкотемпературный каталитический процесс
|
Химические процессы.
По способу активации химических реакций – каталитический
По типу катализа - гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа
|
каталитическое алкилирование изобутана олефинами на основе заводских газов. Процесс ведут в присутствии серной кислоты или жидкого фтористого водорода, базируясь на изобутане из газов каталитического крекинга и на бутиленах (или на пропилене), содержащихся в газах каталитического крекинга и термических процессов. Обе разновидности процесса проводят при низких температурах и давлениях (0-30ºС, 0,4-0,5 МПа).
|
Сырье: изобутан и некоторые другие газы.
Продукты: алкилат
|
Задание 3. Вариант 10.
№
п\п
|
Наименование процесса
|
Описание процесса
|
Группа процесса по движущей силе
|
Направление интенсификации
|
1
|
Каталитический риформинг
|
Ароматизация бензиновых фракций, протекающая в результате преобразования нафтеновых и парафиновых углеводородов в ароматические. Продуктами являются высокооктановый ароматизированный бензин или (после соответствующих операций с целью их извлечения) индивидуальные ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы), которые используют в нефтехимической промышленности. Процесс осуществляют на алюмоплатиновых катализаторах (платформинг) при 480—540 °С и 2—4 МПа. В более совершенной форме процесса используют платино-рениевые и полиметаллические катализаторы при более низком давлении (0,7— 1,5 МПа).
|
Химичекие
|
Химические процессы представляются наиболее трудными для интенсификации, поскольку в отличие от остальных протекают на атомномолекулярном уровне. Тем не менее, помимо интегральных эффектов, связанных с увеличением констант скорости реакций при нагреве и общей интенсификации, обусловленной ускорением транспорта реагирующих веществ для гетерогенных реакций, возможно селективное влияние энергетических воздействий на элементарные акты реакций. По сути дела речь идет об обеспечении межмолекулярной и внутримолекулярной селективности возбуждения, например в результате нелинейных фотопроцессов.
|
Задание 4. Вариант 1.
№
п\п
|
Вид воздействия
|
Особенность воздействия
|
Характеристика физикохимических эффектов
|
1
|
Электрическое воздействие
|
Электрическое воздействие осуществляется за счет электрических полей различной структуры: постоянные (однородные и неоднородные); переменные (бегущие); скрещивающиеся (электрические и магнитные). Технологические процессы с использованием электрических полей можно разделить на процессы, которые осуществляются только за счет электрического поля (электродиализ, электроосмос и т.д.), и процессы, которые интенсифицируются электрическим полем (сушка, экстракция, кристаллизация и т.п.).
Электрические (электромагнитные) поля характеризуются частотой (промышленные частоты – 50 Гц, 60 Гц; поле токов высокой частоты – до 300 МГц; поля токов сверхвысокой частоты – от 0,3 до 30 ГГц), напряжением или силой тока, длительностью воздействия.
Электрическое поле воздействует на дипольные молекулы жидкостей и газов. При этом возникают пондеромоторные силы, вызванные наложением полей, поляризационные заряды, направление которых обусловлено разностью диэлектрической проницаемости среды. Эти силы изменяют поверхностное натяжение жидкостей. Протекание электрического тока через электролиты приводит к электролизу. В коллоидных системах и капиллярнопористых телах наблюдаются такие процессы, как электрофорез, электроосмос, электродиализ, электрокоагуляция, ионофорез и др. Воздействие электрического тока на проводящие среды вызывает их нагрев за счет выделения тепла и пробой при высоких напряжениях.
|
физико-химические эффекты:
– электросепарация – разделение гетерогенной среды за счет разности электропроводности фаз;
– электрофорез – перенос частиц в электрическом поле вследствие наличия разноименных зарядов у твердой и жидкой фаз;
– электроосмос – перемещение жидкости вдоль стенок капилляра под действием приложенной ЭДС;
– эффект Юткина (электрогидравлический удар) – генерация ударных волн в жидкости при ее электрическом пробое;
электрокоагуляция – процесс сближения и укрупнения взвешенных в
жидкости или газе частиц под действием электрического поля;
– электрохимические эффекты – химические превращения под действием электрического тока (электролиз);
– электронагрев – выделение тепла за счет прохождения через обрабатываемую среду электрического тока.
При электрическом воздействии на вещество возможно его преобразование в механическое, тепловое, химическое, акустическое, магнитное и радиационное воздействия.
|
Вывод: в ходе данной работы были изучены основные группы процессов химической технологии, рассмотрены процессы, используемые в нефтепереработке, применен системный подход к интенсификации производств, выявлены физико-химические эффекты, возникающих в системе под влиянием физических воздействий (акустических,электрических, магнитных, тепловых, механических, радиационных и др.), проведен анализ технологических процессов в качестве объектов интенсификации и выявлено, что интенсификация в химической промышленности связана с решением многоплановой комплексной научно-технической проблемы на принципиально новой основе. Различные физические воздействия активно используются в нефтепереработке. Они позволяют в значительной степени интенсифицировать химико-технологические процессы и получать результаты, не достижимые при традиционной технологии.
Список использованной литературы
1. Ахметов С. А., Сериков Т. П., Кузеев И. Р., Баязитов М. И. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: Учебное пособие; Под ред. С. А. Ахметова. CПб.: Недра, 2006. 868 с.
2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. Учебник для вузов / Изд. 2-е. В 2-х кн.: М.: Химия, 1995. 400 с.
3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии.
Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн. М.: Химия, 1995.368 с.
4. Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. – М.: Химия, 1990. – 208 с.
5. Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества: Учебное пособие. М.:
«Издательство Машиностроение-1», 2004. 136 с. |
Скачать 256.04 Kb.