курсовая-Шутов-А.А Технология переработки и утилизации отходов 2. Проектирование энергои ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

• Название: Проектирование энергои ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии
• Дата: 06.02.2022
• Размер: 0.85 Mb.
• Имя файла: курсовая-Шутов-А.А Технология переработки и утилизации отходов 2.doc
• Тип: Курсовая; #352781

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования
«Тольяттинский государственный университет»
Институт химии и энергетики

(институт)

Кафедра «Химическая технология и ресурсосбережение»

(кафедра)
18.03.02 «Энерго-ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».

«Рациональное природопользование, рециклинг и утилизация отходов».

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Технология переработки и утилизации отходов 2»

На тему: «Проектирование энерго-и ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».

Студент	А.А. Шутов (И.О. Фамилия)
Группа	ЭРТбп-1701а (И.О. Фамилия)
Преподаватель	М.В Кравцова (И.О. Фамилия)

Оценка:

Дата:

Подпись руководителя:

Тольятти 2021

М ИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования
«Тольяттинский государственный университет»
Институт химии и энергетики

(институт)

Кафедра «Химическая технология и ресурсосбережение»

(кафедра)
ЗАДАНИЕ

на выполнение курсовой работы

Студент А.А Шутов

1.Тема: Проектирование энерго–и ресурсосберегающих процессов в

химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

2 Срок сдачи студентом законченной курсовой работы

18 июня 2021 года.

3 Исходные данные к курсовой работе Данные НИР ______________________________

4 Содержание курсовой работы (перечень подлежащих разработке вопросов, разделов):

1. Описание технологической установки/процесса (технологическая схема, стадии

технологического процесса, технологические показатели, обоснование выбора)

2. Расчет материального и энергетического балансов________________________________

3. Анализ преимуществ предлагаемой технологии__________________________________

5. Ориентировочный перечень графического и иллюстративного материала (с точным указанием чертежей и форматов их представления) не предусмотрено ______________________

6. Рекомендуемые учебно-методические материалы

Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Технологии переработки и утилизации отходов 2»

7. Дата выдачи задания «07»_июня 2021г.

Руководитель курсовой работы:

М.В Кравцова

(И.О. Фамилия) подпись

Содержание

2.1 Описание технологической установки 2

2.1.1 Применение СВЧ-волн в нефтехимической промышленности 3

2.1.2 Традиционный и нетрадиционный способы получения бутадиена 6

2.1.3 Физический механизм влияния СВЧ-излучения 10

2.2 Расчет материального и энергетического балансов 13

2.2.1 Расчет материального баланса 13

2.2.2 Энергетический баланс 18

2.2.3 Преимущества СВЧ-технологии 25

Заключение 29

Список литературы 30

2.1 Описание технологической установки

Цель курсовой работы – формирование практических навыков организации энерго- и ресурсосберегающих промышленных производств на основе совершенствования химических, нефтехимических и биотехнологических процессов.

В настоящее время в нефтехимической промышленности используются установки нового типа, в которых гетерогенно-каталитические реакций осуществляются в СВЧ-поле.

2.1.1 Применение СВЧ-волн в нефтехимической промышленности

Особый интерес представляет использование микроволнового излучения для подвода энергии в реакционную зону при осуществлении эндотермической реакций дегидрирование олефинов в диолефины [1].

Как правило, процессы гидрирования и дегидрирования происходят с участием полярных и неполярных молекул углеводородов. Поскольку превращения неполярных углеводородов в реакциях гидрирования и дегидрирования, в отличие от конверсии органических молекул, не имеет преимуществ дипольной поляризации, наиболее часто реализуемой в органическом синтезе под воздействием микроволнового излучения [2-4]. Так, реакцию дегидрирования метилбутенов можно осуществить без большого количества водяного пара, который используется в качестве теплоносителя и разбавителя углеводородов, с помощью СВЧ-излучения.

С целью реализации предложенной технологии разработана конструкция СВЧ-реактора [5]. Применение СВЧ в промышленных процессах существенно улучшит экологическую обстановку на предприятиях и снизить потребление природных ресурсов. Так, использование СВЧ-реакторов для дегидрирования изоамиленов в изопрен на ОАО «Синтез-каучук» в г. Стерлитамак снизит потребление воды на 749 м³/час, что составит 6378540 м³/год, поскольку в этой реакции в качестве энергоносителя используется не водяной пар, а электромагнитное СВЧ-излучение, благодаря которому водяной пар можно заменить на инертный газ, который в будет использоваться в замкнутом цикле в качестве разбавителя углеводородов для снижения парциального давления. Замена разбавителя, в свою очередь, сократит количество сбросов. Например, при использовании традиционной технологии в результате конденсации разбавителя сырья – водяного пара, образуются сточные воды, которые содержат в своем составе до 43 мг/л углеводородов, в том числе и 5,365 кг/ час вредных веществ. Применение СВЧ-реакторов в технологии дегидрирования способна сократить выброс вредных веществ на 45,7 т/год, а при замене всех реакторов на СВЧ-реакторы – на 548,4 т/год. Также значительно сокращается образования выбросов в виде продуктов сгорания при использовании пароперегревательных печей, в которых углеводородное сырье нагревается до 500-550 °С, а водяной пар – до 700-750 °С.

Применение СВЧ-излучения повышает эффективность и других реакций, например, олигомеризацию углеводородов и синтеза промышленных катализаторов [6-7].

Важной проблемой экологической безопасности химического производства является обезвреживание образующихся отходов перед утилизацией или переработкой для получения сырья, полуфабрикатов или товарной продукции.

Имеющиеся традиционные технологии обезвреживания и переработки отходов производства малоэффективны, и образующиеся отходы не используются, а скапливаются на полигонах. Использование разработок, основанных на использовании физических методов, в частности электромагнитного излучения, позволяет расширить спектр обезвреживаемых и утилизированных веществ, что существенно снизит количество хранящихся отходов, особенно тех, которые представляют экологическую опасность.

Многочисленные исследования промышленных процессов под действием СВЧ-излучения показали их высокую эффективность. Так, в работе [8] предложен новый метод обезвреживания отработанных промышленных катализаторов, что расширит спектр использования отработанных промышленных катализаторов.

В качестве примера рассмотрим преимущества обезвреживание твердых сред, содержащих оксиды металлов, с помощью СВЧ-излучения, по сравнению с термическим разложением:

- содержание СrO₃ уменьшается в 10-130 раз;

- энергозатраты снижаются в два раза, по сравнению с традиционным термическим способом;

- время обезвреживания сокращается;

- пары СrO₃ (VI) и других токсичных веществ, входящих в отработанного катализатора в процессе обезвреживания не выбрасываются в атмосферу, а поглощаются наружными слоями обезвреживаемого катализатора или конденсируются на поверхности гранул.

Данная технология предназначена для обезвреживания отработанных катализаторов, содержащих токсичные оксиды металлов, производств химической и нефтехимической промышленности.

Одной из последних разработок является технология переработки углеводсодержащих отходов нефтепереработки и нефтехимии, хранимых на полигонах, с использованием микроволнового излучения. Суть разработанной технологии состоит в следующем: под действием микроволнового излучения частотой 2450 МГц происходит конверсия углеводородсодержащих отходов, в результате которого происходит извлечение непредельных ароматических углеводородов, а битуминозный остаток утилизируются в производстве дорожных покрытий. Для интенсификации процесса в качестве приемника и трансформатора микроволн в тепловое излучение используются отработанные катализаторы нефтехимического производства.

Таким образом, общая эффективность использования микроволнового излучения с целью обеззараживания углеводородосодержащих отходов, по сравнению с традиционным термическим нагревом, отличается высоким качеством очистки, отсутствием вредных продуктов переработки, высокой скоростью технологического процесса и низкими энергетическими затратами.

2.1.2 Традиционный и нетрадиционный способы получения бутадиена

Рассмотрим процесс изомеризации углеводородов, широко используемый в промышленности, который очень часто является начальным этапом синтезов. Следующие реакции изомеризации бетенов, а именно: миграция двойной связи, цис-транс-изомеризации, протекают в присутствии гетерогенных катализаторов.

Для получения мономеров синтетических каучуков, например, бутадиенового и изопренового, используются процессы изомеризации на твердом катализаторе в твердой фазе. Поэтому, подобная реакция представляет огромный практический интерес.

Схема традиционной технологии получения бутадиена представлена на Рис. 1.



Рис. 1. Традиционная технология получения бутадиена дегидрирование бутенов [1].

На Рис. 2. представлена схема получения бутадиена с использованием СВЧ-реактора.

Указанные схемы, изображенные на Рис. 1-2, включает следующие элементы конструкции:



Рис. 2. Получение бутадиена с помощью использования СВЧ-реактора [1].

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.

Химические компоненты, участвующие в реакции, обозначены следующим образом: I – бутеновая фракция, II – тяжелые углеводороды, III – водяной пар, IV – воздух на регенерацию, V – паровой конденсат на закалку, VI – вторичный пар, VII – контактный газ, VIII – азот, IХ – топливный газ.

Указанная реакция протекает по следующей общей схеме:

(1.1)

Для осуществления данной химической реакции род действием микроволнового излучения необходимо подобрать катализатор, наиболее эффективно поглощающий микроволновое излучение. Для этого подходят катализаторы, содержащие оксиды тяжелых металлов, активно взаимодействующих с микроволнами: Fe₃O₄, CuCl, NiO, ZnCl₂, CuO, MnO₂,

V₂O₅, WO₃ [9].

Наиболее эффективно трансформируют энергию СВЧ-излучения в тепловую энергию катализаторы ИМ-2204 и К-16у. В таблице 1 представлены их сравнительные характеристики.

Таблица 1. Сравнительные характеристики катализаторов [1]

Катализаторы	К-16у	К-24и	ПУ	НК	ИМ-2204
Скорость нагрева в СВЧ-поле, °С/с	2,3	1,87	1,83	1,55	1,5
Выход бутадиена, % масс	35	21	12	10	36

Выделение тепла поглощающим веществом катализатором происходит в результате его поляризации. Наибольшей скоростью нагрева обладает катализатор К-16у, который является смесью полярных оксидов. Поэтому, реакцию дегидрирования бутенов с получением бутадиена-1,3 с помощью микроволн лучше всего проводить в катализаторе К-16у. Это позволит снизить энергозатраты и сократить время выхода процесса.

Дегидрирование бутенов в промышленном катализаторе К-16у происходило под действием микроволнового излучения с частотой 2450 МГц. Наиболее оптимальными условиями проведения данного процесса является температура 600 °С и объемное соотношение разбавления бутена азотом 1:10. Видно, что при этом температура реакции в микроволновом поле снижается на 70 °С.

При наиболее благоприятных условиях выход бутадиена составляет 24,7 %, что соотносимо с традиционным методом осуществления данной реакции, составляющей 20-25 % [10].

2.1.3 Физический механизм влияния СВЧ-излучения

Возможное объяснение механизма влияния СВЧ-излучения на катализ предложено в гипотезе «горячих точек» - мест локальных перегревов, возникающих в результате наличия неоднородностей кристаллической структуры гетерогенного катализатора, по-разному поглощающих микроволновое излучение.

В работе [11], в которой представлены результаты исследования каталитических реакций под действием СВЧ-излучения пришли к другому выводу, согласно которому положительное влияние на катализ микроволнового излучения обусловлено снижением энергии активации реакции.

Тем не менее, справедливость первой гипотезы относительно реакций дегидрирования углеводородов подтверждается множеством исследований последний лет. Например, в работе [12] изучалось влияние неравномерных температурных распределений на скорость реакции дегидрирования этилбензола, создаваемых микроволновым излучением в стационарном слое катализатора. Измеренная скорость реакции оказалась выше на 36 %. чем предсказывали результаты математического моделирования. Возможно, это связано не только с неравномерным распределением температуры в слое катализатора, но и локальным перегревом в зерне катализатора.

Другой характерной особенностью дегидрирования под действием СВЧ-излучения является использование в качестве разбавителя инертного газа, например азота, вместо водяного пара, что снижает парциальное давление углеводородов. Поскольку размеры молекул азота меньше размеров молекул воды, то они легко проникают в поры катализатора. При использовании азота энергозатраты на нагрев разбавителя уменьшается, а, следовательно, уменьшается и поток энергии из реакционной зоны, поскольку молярная теплоемкость азота в 1,7 раз меньше теплоемкости водяного пара [13].

Также использование инертного газа в качестве разбавителя существенно упрощает технологический процесс (Рис. 1-2), поскольку из производства бутадиена исключаются пароперегревательные печи, так как роль энергоносителя исполняет микроволновое излучение, преобразуясь в веществе в тепловую энергию, необходимую для осуществления реакции.

Так как в усовершенствованной технологии дегидрирования с помощью СВЧ-излучения в качестве разбавителя вместо водяного пара используется инертный газ азот, то этот фактор полностью устраняет проблему загрязнения атмосферы вредными продуктами топлива, возникающую при использовании пароперегревательных печей. Вода же используется только в закрытом контуре для поглощения остаточного излучения после катализаторного слоя, а также, возможно, для «закалки» контактного газа перед котлом-утилизатором.

Таким образом, в результате реакций, протекающий под действием СВЧ-излучения, образуется реакционный газ того же углеводородного состава, но без водяного пара. Полученную после реактора газовую смесь следует перерабатывать уже по другой схеме. В этом случае нет необходимости в утилизаторах тепла большой производительности, поскольку теплосодержание углеводородно-азотной смеси довольно низкое.

Другой важной промышленной реакцией является гидрирование углеводородов. Например, в процессе получения мономеров, среди прочих реакций осуществляется реакция гидрировании пиперилена. Установлено, что активность катализатора «никель на кизельгуре» в реакции гидрирования пиперилена воздействием СВЧ-излучением остается такой же, как при отсутствии СВЧ-излучения [14-15].

Следующий промышленный процесс - олигомеризацию олефинов, осуществляли под действием СВЧ-излучения на цеолите БАК-70. Результаты исследования показали [16], что выход целевого продукта – олигомеризата при использовании СВЧ-излучения ниже, чем с использованием традиционных технологий, так как некоторые параметры катализатора изменяются. Также к преимуществам олигомеризации в поле микроволнового излучения относятся повышение селективности катализатора на 5,5 % и низкое содержание в продуктах реакции ароматических углеводородов, на 68 %.

2.2 Расчет материального и энергетического балансов

2.2.1 Расчет материального баланса

Исследуем результирующее влияние СВЧ-излучения на гетерогенные-каталитические реакции [3].

Как было упомянуто в предыдущей главе, при традиционном способе осуществления реакции дегидрирования бутенов и изоамиленов количество теплоты, необходимое для протекания процесса, вводится в реактор вместе с нагретым углеводородным сырьем, температура которого составляет 550 °С, и перегретым паром 700-750 °С, который выполняет роль теплоносителя-разбавителя, снижающего парциальное давление сырья. При осуществлении каталитического процесс в микроволновом поле энергия, поступающая в реактор для поддержания химического процесса, поступает в виде энергии микроволнового излучения, которая, поглощаясь веществом катализатором, преобразуется в тепловую энергию.

При этом скорость внешней диффузии должна уменьшаться, так как коэффициент диффузии будет уменьшаться с понижением температуры:

(3.1)

где - тепловая скорость движения молекул; - длина свободного пробега.

Снижение скорости процесса компенсируется увеличением линейной скорости потока сырья или площади контакта фаз. Влияние СВЧ-поля на внешнедиффузное торможение изучалось в работе [17].

Экспериментальные результаты показывают, что повышение линейной скорости газового потока приводит к увеличению скорости выхода продукта, что позволяет перевести реакцию из внешнедиффузионной области в кинетическую область. Например, в реакторе диаметром мм внешнедиффузное торможение устраняется при увеличении объема катализатора с (cм³) до (cм³) при увеличения линейной скорости газового потока до (л/мин).

Процессы внутренней диффузии определяется структурой катализатора, его формой и размерами пор. Поскольку твердые катализаторы очень часто представляют собой высокопористые тела, то каталитическая реакция происходит преимущественно внутри зерен катализатора, на стенках пор. Диффузионный поток через капилляр радиуса описывается известным уравнением:

(3.2)

Эффективный коэффициент диффузии cоставляет см²/с, тогда как обычный коэффициент диффузии составляет см²/с при нормальном атмосферном давлении.

Изменение коэффициентов диффузии в реакции дегидрирования изоамиленов представлено на Рис. 3. По оси абсцисс отложено отношение текущей координаты к длине поры , а по оси ординат – отношение концентрации разложенного сырья к исходной концентрации .

Как видно из Рис. 3, с уменьшением коэффициента диффузии уменьшается и концентрация сырья .

Снижение температуры с 600 °С, м²/с, до 50 °С, м²/с, приводит к уменьшению выхода целевого продукта на 5 %.

Экспериментальные исследования не выявили непосредственное влияние СВЧ-излучения на скорость протекания химической реакции. На скорость химической реакции непосредственно влияет только один параметр – энергия активации . Согласно молекулярно-кинетической теории, энергия активации варьируется в пределах от 1 эВ до 10 эВ. Энергия СВЧ-излучения составляет эВ, что недостаточно для преодоления потенциального барьера [18].



Рис. 3. Расчетные зависимости концентрации изоамиленов от длины поры катализатора при различных значениях коэффициента диффузии : 1 - м²/с; 2 - м²/с; 3 - м²/с; 4 - м²/с [3].

Для более эффективного использования СВЧ-излучения необходимо разработать такой катализатор, где скорость химической реакции будет больше скорости внутренней диффузии, т.е. перевести процесс во внешнекинетическую область. Такой катализатор должен иметь специфическую структуру пор с минимальной удельной поверхностью, а также большой коэффициент преобразования микроволнового излучения в тепловую энергию. Поэтому, активность такого катализатора должна быть несколько выше, чем активность катализатора, используемого при традиционном методе. Также необходимо формировать такую высоту слоя катализатора, которая сможет обеспечить максимальное поглощение энергии микроволнового излучения.

Изменение концентрации изоамиленов по глубине поры описывается следующим соотношением [4]:

(3.3)

где ; - глубина поры; - радиус поры; - константа скорости реакции дегидрирования, определяемая соотношением - коэффициент диффузии.

Объем катализатора, , м³ можно определить, зная объем скорости подачи сырья , час^-1, и объем газа, подаваемого на слой катализатора , м³/ч:

(3.4)

Так как высота слоя катализатора определяется глубиной проникновения микроволнового излучения, при котором поглощается практически вся энергия микроволнового поля [19], то варьируемым параметром является диаметр слоя катализатора , м:

(3.5)

где - высота слоя катализатора, м.

Итак, рассчитаем основные параметры СВЧ-реактора. Пусть объемная скорость подачи сырья будет час^-1, а объем подаваемого в слой газа составляет м³. Тогда, согласно (3.4), количество катализатора будет

(3.6)

Пусть высота слоя катализатора соответствует максимальной глубине проникновения микроволнового излучения, м. Отсюда находим диаметр формируемого слоя катализатора :

(3.7)

Далее вычисляем диаметр катализатора:

(3.8)

Согласно (3.3) и Рис. 3, с ростом коэффициента диффузии увеличивается и конверсия изоамиленов. При этом, температура снижение температуры существенно не влияет на производительность сырья, но использование СВЧ-излучения значительно сокращает энергетические затраты.

2.2.2 Энергетический баланс

В таблице 2 представлены результаты расчета удельной энергии, необходимой для осуществления процесса с использованием 1 кг ряда промышленных катализаторов.

Таблица 2. Удельная энергия и выход продукта [3]

Катализатор	Удельная энергия , кДж/(кг·с)	Выход продукта, % масс
К-16у	2,099	25
ИМ-2204	2,275	31
К-24И	2,462	35

В соответствии с данными таблицы 2, определим количество энергии кДж/с, необходимой для осуществления процесса с требуемой производительностью и требуемым количеством катализатора:

(3.9)

или

(3.10)

где - насыпная плотность катализатора, кг/м³; - масса катализатора, кг.

Технологический расчет СВЧ-реактора должен в конечном итоге сводится к согласованию таких параметров, как производительность, объемная скорость подачи сырья , час^-1, время контакта сырья с катализатором, количество катализатора, м³, высоту слоя катализатора , м, внутренний диаметр катализатора , м, диаметр формируемого слоя катализатора , м.

Согласование указанных параметров обеспечивает эффективность работы реактора, например, создает условия для полного поглощения энергии микроволн в формируемом слое катализатора, которое, в свою очередь, создает температурные условия, близкие к изотермическим. Соответствующие расчеты показывают, что использование в качестве энергоносителя СВЧ-излучения снижает энергозатраты на 20 %.

Количество энергии , необходимой для осуществления процесса, рассчитаем с помощью выражения (3.5):

(3.11)

Отсюда, масса катализатора равна:

(3.12)

На Рис. 4 изображена зависимость скорости нагрева катализатора К-16у от числа циклов.



Рис. 4. Зависимость скорости нагрева катализатора К-16у от числа циклов [4].

В таблице 3 представлены скорости нагрева катализаторов в СВЧ-поле.

Таким образом, преобразуя энергию микроволнового излучения в тепловую, катализатор становится источником тепловой энергии, необходимой для осуществления гетерогенно-каталитической реакции.

В присутствии гетерогенных катализаторов протекают все реакции изомеризации бутенов:

Таблица 3. Скорости нагрева катализаторов в СВЧ-поле [4]

Скорости нагрева в СВЧ-поле	Катализаторы
	К-16у	К-24и	ИМ-2204	НК	ПУ
1-й цикл, °С	1,7	1,33	1,23	0,9	1,15
2-й цикл, °С	1,95	1,57	1,37	1,33	1,27
3-й цикл, °С	2,13	1,73	1,45	1,60	1,43
4-й цикл, °С	2,27	1,83	1,48	1,80	1,52
5-й цикл, °С	2,3	1,87	1,5	1,83	1,55
Длительность цикла 30 мин.

миграция двойной связи, цис-транс-излмеризации.

Равновесие изомеризации бутенов с перемещением двойной связи в интервале температур от 200 °С до 380 °С подчиняется уравнению:

(3.13)

При изомеризации бутена-1 в бутены-2 активируется Сr2O3, при этом из бутена-1 получается от 78 % до 84 % бутена-2. Отношение цис/транс в условиях воздействия СВЧ-поля меньше единицы. При подаче α-бутена за 25 минутный цикл воздействия микроволнового излучения происходит процесс изомеризации в цис- и транс- β-бутенов. Данный процесс представлен на Рис. 5-6. В качестве сырья использовался смесь бутенов, состав которых представлен в таблице 4.

Таблица 4. Состав сырья [4].

Состав сырья	Рис. 4,2	Рис. 4,3
н-С4Н8 + изобутен	79,29 %	73%
2- транс-С4Н8	9,98 %	13 %
2- цис-С4Н8	10,73 %	14 %

Таким образом, в СВЧ-поле возможно придание исходной молекуле сырья изо-формы.



Рис. 5. Зависимость состава бутенов от длительности пребывания в поле СВЧ-излучения на катализаторе К-16У [4].

Также исследовались процессы нефтехимического синтеза, которые используются в производстве синтетических каучуков в СВЧ-поле.

При каталитическом дегидрировании бутенов протекают следующие реакции:

(3.14)



Рис. 6. Зависимость состава бутенов от температуры при воздействии СВЧ-излучения, катализатор К-16У [4].

Рабочими условиями для протекания реакции дегидрирования н-бутена являются температура свыше 550 °С, давление 0,01 МПа. что соответствует разбавлению водяным паром или азотом в отношении 1:10.

2.2.3 Преимущества СВЧ-технологии

Как было показано в предыдущих главах, характерной особенностью гетерогенно-каталитических процессов в СВЧ-поле является снижение парциального давления углеводородов за счет использования инертного газа азота вместо водяного пара. Молекулы азота легче проникают в поры катализатора, так как их размеры меньше молекулы воды. Более того, при использовании инертного газа азота затрачивается меньше энергии на нагрев разбавителя, и, соответственно, меньше энергии удаляется из реакционной зоны, поскольку молярная теплоемкость азота в 1,7 меньше молярной теплоемкости водяного пара. Таким образом, энергозатраты на промышленный синтез существенно понижаются.

Также использования инертного газа в качестве разбавителя приводит к существенному упрощению технологической схемы процесса, поскольку исключаются пароперегревательные печи (Рис. 1-2).

К другим преимуществам воздействия СВЧ-поля можно отнести повышение селективности катализатора на 5,5 % и низкое содержание в продуктах реакции ароматических углеводородов на 68 %.

Воздействие микроволнового излучения частотой 2450 МГц и мощность 900 Вт интенсифицирует процессы без качественного изменения параметров и способствует получению более эффективного катализатора [20].

Выход целевого продукта в СВЧ-поле увеличивается на 4,3 %. Эффективность селективность процесса дегидрирования в микроволновом поле увеличивается с 65,2 % до 69 за счет подавления центра изомеризации.

Высокая активность катализатора позволяет снизить температуру дегидрирования с целью уменьшения образования легких углеводородов. Так, приемлемой температурой дегидрирования изопентана на катализаторе в микроволновом поле является 540 °С. Такой температурный режим позволяет снизить побочные реакции до 70,4 %.

Подобная эффективность воздействия микроволнового поля обусловлена интенсификацией диффузионного процессов на поверхности носителя, которые способствуют равномерному распределению и лучшему закреплению активной фазы.

Таким образом, разработанные катализаторы с использованием микроволнового излучения обладают рядом преимуществ, по сравнению с традиционными промышленными катализаторами [21]. Наиболее значимыми из таких преимуществ являются:

1. высокая механическая прочность [22];

2. низкая скорость коксообразования катализатора;

3. высокая термостабильность катализатора.

Оптимизационная схема дегидрирования изопентана представлена на Рис. 7.



Рис. 7. Усовершенствованная принципиальная схема процесса дегидрирования изопентана: 1 – сепаратор, 2 – испаритель, 3 – теплообменник, 4 – печь, 5 – реактор, 6 – регенератор, 7 – котел-утилизатор, 8 – аппарат комплексной утилизации, 9 – котел-утилизатор, 10 – электрофильтр, 11 – бункер, 12 – сепаратор.

Основным усовершенствованием представленной схемы заключается в замене скруббера колонного типа на аппарат комплексной утилизации. При этом, отпадает необходимость в насосах и теплообменниках типа на аппарат комплексной утилизации, благодаря чему исчезает двухэтапной циркуляции промводы и сепаратора. Это способствует экономии водяного пара, идущего на нагрев сырья в теплообменнике. Сухая очистка контактного газа позволяет выделить пылевидный катализатор, не отравляя его влагой. Это позволяет использовать отработанный мелкодисперсный катализатор в качестве вторичного сырья синтеза катализатора суспензионным методом.

Таким образом, использование микроволнового излучения способствует интенсификации и повышению эффективности промышленных процессов.

Но, несмотря на положительные эффекты, оказываемые СВЧ-излучением на промышленные процессы, природа возникающих явлений нуждается в дальнейшем изучении. Одним из таких процессов является изменения кислотности катализатора. Возможно, это обусловлено не прямым воздействием микроволнового излучения, но вторичными процессами, возникающих в результате локального перегрева кристаллической решетки.

При этом, необходимо изучить влияние микроволнового излучения на отдельные стадии гетерогенного-каталитического процесса с целью выяснения физического механизма данного процесса и более глубокого понимания обозначенных процессов.

В целом необходимо отметить, что использование микроволнового излучения в промышленных процессах обеспечивает высокое качество очистки углеводородсодержащих отходов, недоступное другим методам, отсутствие вредных продуктов переработки, высокая скорость технологических процессов, невысокие энергетические затраты.

Рассмотренные примеры демонстрируют широкий спектр возможностей использование СВЧ-излучения в нефтехимической промышленности, а также решение основных экологических проблем.

Заключение

В результате изучения воздействия микроволнового поля на промышленные процессы можно сделать следующие выводы.

1. Замена водяного пара на инертный газ азот способствует снижению парциального давления в промышленном катализаторе;

2. Использование инертного газа вместо водяного пара существенно сокращает энергозатраты для инициации процесса, поскольку молярная теплоемкость азота в 1,7 раз ниже молярной теплоемкости водяного пара.

3. Применение микроволнового излучения обеспечивает высокое качество очистки углеводородосодержащих отходов. Так, твердые среды, содержащих оксиды металлов, обезвреживаемые с помощью СВЧ-излучения, обладают следующими преимуществами, по сравнению с термическим разложением:

- содержание СrO₃ уменьшается в 10-130 раз;

- энергозатраты снижаются в два раза, по сравнению с традиционным термическим способом;

- время обезвреживания сокращается;

- пары СrO₃ (VI) и других токсичных веществ, входящих в отработанного катализатора в процессе обезвреживания не выбрасываются в атмосферу, а поглощаются наружными слоями обезвреживаемого катализатора или конденсируются на поверхности гранул.

4. При использовании СВЧ-излучения в промышленных процессах отсутствуют вредные продукты переработки;

5. Также использование микроволнового излучения обеспечивает высокий уровень очистки углеводородосодержащих отходов;

6. Другим преимуществом использования СВЧ-излучения является высокая скорость технологических процессов;

Таким образом, использование СВЧ-излучения в нефтехимической промышленности не только интенсифицирует промышленные процессы, но и способствует решению экологических проблем.

Список литературы

1. Даминиев Р. Р., Каримов О.Х., Касьянова Л.З., Каримов Э.Х. Применение микроволнового излучения в производстве мономеров, в сборнике Органический синтез и нефтехимия в УГНТУ. Итоги и перспективы, Уфа, 2018, С. 223-233.

2. Даминиев Р. Р., Каримов О.Х. Примеры энерго- и ресурсосберегающих технологий с использованием СВЧ-излучения в нефтехимии, шестой международный экологический конгресс «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT-2017», Самара, Тольятти, 2017, С. 64-67.

3. Бикбулатов И.Х., Даминев Р.Р., Шулаев Н.С., Кусакин И.А. Особенности проведения гетерогенно-каталитических процессов под действием микроволн, Башкирский химический журнал, 2006, Т. 13, № 3, С. 19-21.

4. Бикбулатов И.Х., Даминев Р.Р., Шулаев Н.С. Гетерогенно-каталитические промышленные процессы с использованием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, Нефтегазовое дело: электронный научный журнал, 2006, № 2, С. 37.

5. Патент РФ № 2116826, сверхвысокочастотный каталитический реактор для эндотермических гетерофазных реакций 2005.

6. Даминев Р.Р., Чанышев Р.Р., Латыпова Ф.Н., Вильданов Ф.Ш., Каримов О.Х. Особенности каталитической олигомеризации компонентов нефтезаводских и природных газов с применением СВЧ-излучения, Нефтехимия, 2015, Т. 55, № 6, С. 539.

7. Даминев Р.Р., Каримов О.Х. Использование СВЧ излучения в производстве мономеров, Бутлеровские сообщения, 2015, Т. 42, № 5, С.

26-30.

8. Каримов О.Х., Даминев Р.Р., Касьянова Л.З., Каримов Э.Х. Применение СВЧ-излучения при приготовлении металлоксидных катализаторов, Фундаментальные исследования, 2013, № 4-4, С. 801-805.

9. Horikoshi, S. Microwaves in Catalysis: Methodology and Applications. – Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., KGaA, 2016. – 425 р.

10. Даминев Р.Р. Гетерогенно-каталитические промышленные процессы под действием электромагнитного излучения СВЧ диапазона. – М.: Химия, 2006. - 132 с.

11. Wentao Xu. Highly effective direct decomposition of H²S into H₂ and S by microwave catalysis over CoS-MoS₂/γ-Al₂O₃ microwave catalysts, Chemical Engineering Journal, 2017, № 326, P. 1020–1029.

12. Бикбулатов И.Х., Даминев Р.Р., Шулаев Н.С., Шулаева Е.А., Феоктистов Л.Р. Моделирование процесса дегидрирования бутенов в электродинамическом каталитическом реакторе, Бутлеровские сообщения, 2011, Т. 24, № 1, С. 99–104.

13. Haneishi N., Tsubaki S., Maitani M., Suzuki E., Fujii S., Wada Y. Electromagnetic and Heat-Transfer Simulation of the Catalytic Dehydrogenation of Ethylbenzene under Microwave Irradiation // Industrial & Engineering Chemistry Research, 2017, № 56 (27), P. 7685–7692.

14. Даминев Р.Р. Влияние микроволнового излучения на каталитическое гидрирование углеводородов, Нефтехимия, 2006, Т. 46, № 3, С. 233–235.

15. Касьянова Л.З., Даминев Р.Р., Каримов О.Х., Каримов Э.Х., Бакке Д.В., Черезов М.Ю. Никелевый катализатор гидрирования ненасыщенных углеводородов, Башкирский химический журнал, 2016, Т. 23, № 1, С. 30–33.

16. Даминев Р.Р., Чанышев Р.Р., Латыпова Ф.Н., Вильданов Ф.Ш., Каримов О.Х. Особенности каталитической олигомеризации компонентов нефтезаводских и природных газов с применением СВЧ-излучения, Нефтехимия, 2015, Т. 55, № 6, С. 539–541.

17. Панченков, Г.М. Химическая кинетика и катализ. – М.: Химия, 1985. – 592 с.

18. Стромберг, А.Г. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1988. – 495 с.

19. Архангельский, Ю.С. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических. – Саратов: Изд-во Саратов. госуниверситета, 1983. – 140 с.

20. Каримов О.Х., Даминев Р.Р., Касьянова Л.З., Каримов Э.Х., Вахитова Р.Р. Исследование процесса сушки алюмохромового катализатора в электромагнитном поле СВЧ диапазона, Нефтегазовое дело: эл. научный журнал, 2013, № 4, С. 291–301.

21. Даминев Р.Р., Каримов О.Х., Касьянова Л.З., Каримов Э.Х. Усовершенствование технологии дегидрирования легких парафиновых углеводородов на приготовленном в электромагнитном поле катализаторе, Бутлеровские сообщения, 2015, Т. 43, № 7, С. 100–105.

22. Каримов О.Х., Даминев Р.Р., Касьянова Л.З., Каримов Э.Х. Модифицирование алюмооксидного носителя для катализатора дегидрирования легких углеводородов под действием СВЧ-поля, Башкирский химический журнал, 2012, Т. 19, № 4, С. 7–9.