Изомеризация н-пентана в изопентан

Министерство образования и науки Российской Федерации

Самарский государственный технический университет

Факультет заочного обучения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К У Р С О В О Й   П Р О ЕК Т

Изомеризация н-пентана в изопентан.

 

 

 

 

 

 

                                                                     Выполнил: 

                                                          Студент ЗФ 10 группа

                                                                     Калюжная Н.И.

 

                                                                    Проверил:

                                                                    Карасева С. Я.

 

 

 

 

 

 

 

Самара 2014

Содержание

 

Введение.

1.Теоретические основы процесса.

1. Химизм процесса
2. Механизм процесса
3. Выбор катализатора
4. Факторы влияющие на процесс
5. Выбор и обоснование технологической схемы

2. Описание технологической схемы.

2.1. Изомеризация н-пентана.

2.2. Прием электролического водорода.

2.3. Подготовка катализатора к  работе.

2.4. Регенирация катализатора ИП-62 М.

2.5. Осушка смеси свежего и циркулирующего водородсодержащего газа.

3. Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов, катализатора  и готовой продукции.

4. Материальный баланс.

5. Расчет и подбор оборудования.

5.1. Реактор Р-11.

5.1.1. Тепловой баланс реактора.

5.1.2. Расчет тепловой изоляции реактора.

5.1.3. Технологический расчет реактора.

5.1.4. Размеры реактора.

5.1.5. Гидравлический расчет реактора.

5.1.6. Механический расчет реактора.

5.1.7. Расчет диаметра штуцеров  реактора.

5.2. Теплообменник Т-9.

5.3. Теплообменник Т-70.

5.4. Печь.

5.5. Сепаратор.

5.6. Емкость-5.

5.7. Емкость-18.

5.8. Емкость-19.

5.9. Насос Н-8.

6. Схема автоматизации технологического  процесса изомеризации.

6.1. Схема регулировки расхода.

6.2. Схема регулировки уровня.

6.3. Схема регулировки давления.

6.4. Схема регулировки температуры.

Список используемой литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

       На сегодняшний день лидер в лицензировании технологии изомеризации – компания UOP, по ее технологиям в мире на сегодняшний день эксплуатируется более 220 установок. Из них более 120 установок работают по процессу Penex, 60 установок – на цеолитных катализаторах (к ним относится процесс TIP) и более 10 установок – по технологии Par-Isom. Свыше 30 установок в мире эксплуатируются по лицензиям фирмы Axens и более 20 – на основе процесса CKS ISOM компании Sd-Chemie. Процессы Изомалк-2 ОАО «НПП Нефтехим» эксплуатируются не только в России, имеются по одной установке на Украине и в Румынии. Для того чтобы понять тенденцию развития процесса изомеризации в нашей стране, обратимся к составу бензинового фонда и доли в нем изомеризата в России, Европе и США (рис. 1) .           

 

 

 

 

 

                                                        

Рисунок 1. Состав бензинового фонда в России, Европе и США 

 

В России, где базовым процессом для производства высокооктановых бензинов является каталитический риформинг, отмечается значительное отставание от ведущих зарубежных стран по содержанию изомеризата в бензиновом фонде (1,5 % против 5 % в США и 3 % Европе.

По данным на 2008 год в России процессом изомеризации легкой

нафты оснащены 12 НПЗ, из которых 5 работают на циркониевых катализаторах (4 установки – по процессу Изомалк-2 и 1 – по процессу Par-Isom), 4 установки эксплуатируются на хлорированных катализаторах и 3 установки – на цеолитсодержащих катализаторах. Три установки были реконструированы и переведены на более эффективные катализаторы

.Изомеризация — превращение химического соединения в изомер. Процесс изомеризации направлен на получение высокооктановых компонентов товарного бензина из низкооктановых фракций нефти путем структурного изменения углеродного скелета. Источником детонации в двигателях внутреннего сгорания является образование свободных радикалов по цепному механизму. Нормальные неразветвленные алканы при горении образуют наиболее активные первичные радикалы, чем вторичные или третичные радикалы при горении разветвленных алканов с изостроением. Поэтому чем разветвление молекула, тем выше её детонационная стойкость, октановое число.

Промышленное получение алкилароматических углеводородов из алкилциклопентана было начато Н.Д. Зелинским. В 40-х годах в США был осуществлен процесс изомеризации алканов в присутствии хлористого алюминия.

Реакции изомеризации углеводородов и кислородосодержащих соединений имеют большое самостоятельное практическое значение, а также оказывают существенное влияние (в комплексе с другими реакциями) на протекание ряда нефтехимических процессов: риформинга, гидроформилирование, алкилирование, сульфирование, гидрирование и др..

На сегодняшний день изомеризация возможна только легких алканов бутана, пентана и гексана. Это фракция нефти с пределами выкипания 28-70°С называется легкая нафта, петролейный эфир, газовый бензин. Проводятся серьёзные исследования возможности изомеризации более тяжелых алканов . В нефтеперерабатывающей промышленности реализовано две технологические схем изомеризации алканов: 1. Однопроходная 2. С рециклом.

Однопроходная изомеризация позволяет повысить октановое число И.М. фракции с 70 до 83 пунктов.

Таблица 2. Смесь улеводородов до и после однопроходной изомеризации.

Компоненты (% об.) и иоч смеси	Сырье	Продукт
изопентан	10,3	26,9
нормальный пентан	24,8	8,4
изогексан	23,2	47,8
нормальный гексан	25,6	5,7
циклические у/в	5,6	11,2
бензол	10,5	0
Октановое число И.М.	69	83

Изомеризация с рециклом позволяет повысит октановое число фракции с 70 до 92 пунктов, за счет выделения из смеси низкооктановых компонентов и возвращение их на рециркуляцию. Возможные схемы организации процесса: 1. Схема с рециклом малоразветвленных гексанов. 2. Схема с деизопентанизацией сырья и рециклом малоразветвленных гексанов. 3. Схема с рециклом н-пентана и малоразветвленных гексанов.

Условия процесса: Давление - 2-3 МПа; Температура в реакторе - 380-410°С; Кратность циркуляции ВСГ  - >500 нм³/м³; В настоящее время разработано три типа промышленных процессов изомеризации :

― высокотемпературная изомеризация (360-440 °С) на алюмоплатиновых фторированных катализаторах;

― среднетемпературная изомеризация (250-300 °С) на цеолитных катализаторах;

― низкотемпературная изомеризация на оксиде алюминия, промотированном хлором (120-180 °С) и на сульфатированных оксидах металлов (120-180 °С).

Наиболее перспективными по мнению многих авторов  являются сульфатированные оксидные катализаторы. Изготовители катализаторов изомеризации – компании UOP, Axens, Shell, Akzo NobeI, Sud-Chemie, НПП Нефтехим. Основными разработчиками на Российском рынке хлорированных катализаторов являются фирмы UOP (США) c технологией Penex, Axens (Франция); цеолитных катализаторов - немецкая фирма Sud-Chemie, оксидных сульфатированных катализаторов - UOP (США) с технологией Par-Isom и российская фирма НПП Нефтехим с технологией Изомалк-2.

В последнее время в качестве катализаторов изомеризации рассматриваются каталитические системы на основе фторидов металлов V и VI групп, промотированные HF (суперкислоты). Реакции протекают при 20-50оС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Химизм процесса.

1. Основная реакция

н – С5↔ i - С5Н12

н – С7Н14→ 8 изомеров

2.Побочные реакции

2.1 Диспропорционирование

2С6Н14↔ С5Н12+ С7Н14  

2.2 Полимеризация олефинов

m ( i - CnH2n)→ ( i - CnH2n)m    реакция коксования

2.3 Димеризация олефинов (процесс полиприсоединения)

СН3 – СН2                        СН2 – СН3      С2Н5   СН3           СН2 – СН3      

              С=СН2 + СН2=С   -----------------→  С – СН=С  

           СН3                                     СН3                           СН3   

 

 

 

 

1.2 Механизм процесса

 

Механизм изомеризации н-пентана состоит из 3 стадий:

1 Дегидрирование

СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3 Ме→Н2 СН3 – СН2 – СН2 – СН2 = СН2

2 Изомеризация карбоний иона

СН3 – СН2 – СН2 – СН2 = СН2 + Н+ → СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2  ↔

↔ СН3 – СН2 – СН – СН3  → СН3 – СН2 – С = СН2 

                           СН3                                      СН3

3 Гидрирование                                СН3

СН3 – СН2 – С = СН2  Ме→Н2 СН3 – СН – СН2 – СН3

                     СН3

Каждый процесс требует своих катализаторов поэтому они должны быть как минимум бифункциональны и в зависимости от кислотности носителя предлагаются три схемы:

1. На катализаторах с очень  сильной кислотностью носителя            (Н0 < -10) изомеризация происходит на кислотных центах с образованием и последующей изомеризацией карбкатионов:

СН3 – СН2 – СН2 – СН3 + К↔ СН3 – С+ Н – СН2 – СН3 +КН

СН3 – С+ Н – СН2 – СН3↔ СН3 – С+ –  СН3

                                                         СН3

СН3 – С+ –  СН3 + КН ↔ СН3 – СН –  СН3 + К

           СН3                                                        СН3              

Роль металла сводится к ограничению образования кокса и предохранению от дезактивации кислотных центров.

2. На катализаторах с очень сильной кислотностью носителя изомеризация протекает только на металлических центрах через стадию образования пятичленных циклов, что определяется размером кристаллитов металла:

 

СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3 +2М→    

↔ СН3 – СН – СН2 – СН2 – СН3

                СН3

При этом может происходить миграция метильной группы по цепи:

СН3 – СН – СН2 – СН2 – СН3 кат↔ СН3 – СН2 – СН – СН2 – СН3

           СН3                                                                                                 СН3

3. На катализаторах со средней  кислотностью носителя (платина  на фторированном оксиде алюминия  или аморфном алюмосиликате) изомеризация  происходит по бифункциональному  механизму, по схеме:

 

 

 

В случае изомеризации на цеолитах реакция протекает как с образованием алкенов в качестве промежуточных соединений, так и без их образования.

 

1.3 Выбор катализатора.

Применение катализаторов позволяет достигнуть высокой скорости процессов при сравнительно низкой температуре, когда еще не получают значительного развития нежелательные побочные реакции. Ввиду обратимости реакций дегидрирования - гидрирования и способности любых катализаторов одинаково ускорять как прямой, так и обратный процесс, обе эти реакции в принципе катализируются одними и теми же веществами. Их можно разделить на три главные группы:

1. Металлы VIII группы ( Fe, Co, Ni, Pd, Pt) и подгруппы ( Cu, Ag) периодической системы, а также смеси этих металлов ( сплавы );

2. Оксиды металлов ( MgO, ZnO,Cr2O3, Fe2O3 и др.);

3. Сложные оксидные сульфидные катализаторы, состоящие из смеси оксидов или сульфидов ( медь – и цинкхромоксидные CuO*Cr2O3 и ZnO*Cr2O3, кобальтмолибденоксидные – CoO*MoO3, никель – и кобальтвольфрамоксиные – NiO*WO3, CoO*WO3).

Эти вещества, особенно металлы, часто наносят на пористые носители и добавляют к ним различные промоторы – оксиды других металлов, щелочи и др.. Катализаторы применяют в разных формах – от тонкодиспергированных в жидкости до формованных ( в виде цилиндров, колец, таблеток). Они обладают разной активностью и селективностью.

В современной промышленности в основном используют бифункциональные катализаторы. В реакции изомеризации наиболее медленной стадией является перегруппировка промежуточных соединений на кислотных центрах носителя, поэтому при синтезе катализатора необходимо придать носителю сильные кислотные свойства. Роль металла сводится к осуществлению первичного акта – дегидрированию  молекулы парафинового углеводорода с образованием олефина и протекания реакции гидрирования промежуточных соединений, что обеспечивает стабильность каталитической системы.

Бифункциональный  катализатор выполняет две функции: