Изомеризация пентан-гексановой фракции

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 

Уфимский  государственный нефтяной технический  университет

Кафедра технологии нефти и газа

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

по теме: «Изомеризация  пентан-гексановой фракции»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студ.гр. ТП-08-01                                             Т.И.Акчурин

 

Проверил:                                                                             Г.М.Сидоров

 

 

 

 

Уфа 2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 ОБЗОР ПО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИМ ОСНОВАМ  ПРОЦЕССА	7
1.1 Назначение процесса. Место и  роль установки в схеме завода	7
1.2 Сырье: виды, качество и способы  подготовки	8
1.3 Продукты: качество и выход	10
1.4 Вспомогательные вещества: их свойства  и назначение	11
1.5 Основы химизма и механизма	12
1.5.1 Целевые реакции	12
1.5.2 Побочные реакции	13
1.5.3 Механизм процесса	13
1.6 Катализаторы процесса: состав, свойства  и механизм их действия	15
1.7 Влияние основных факторов на  выход и качество целевого  продукта	17
1.7.1 Влияние температуры	17
1.7.2 Влияние давления	19
1.7.3 Влияние объемной скорости подачи  сырья	20
1.7.4 Влияние кратности циркуляции  и концентрации водородсодержащего  газа	20
1.8 Реакционный аппарат установки, устройство, режим работы	20
1.9 Материальный баланс процесса  изомеризации	22
1.10 Существующие модели в России  и за рубежом	22
2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ  ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА	27
2.1 Выбор схемы установки	28
2.2 Выбор сырья процесса	30
2.3 Выбор режима ведения процесса	31
2.4 Выбор катализатора	31
3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ	32
3.1 Расчет реакторов	32
3.1.1 Расчет часовой загрузки и  объемного потока сырья	32
3.1.2 Расчет количества катализатора	32
3.1.3 Материальный баланс процесса  изомеризации	32
3.1.4 Расчет материального баланса  реактора	33
3.1.5 Тепловой баланс реактора	34
3.1.6 Расчет размеров реактора	37
3.1.7 Расчет потери напора в слое  катализатора	40
3.2 Расчет сепаратора	42
3.2.1 Расчет однократного испарения	42
3.2.2 Основные размеры сепаратора	48
4 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ  УСТАНОВКИ	49
5 КОНТРОЛЬ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ	52
5.1 Анализ технологического процесса как объекта управления	52
5.2 Выбор и обоснование средств контроля, регулирования и сигнализации	55
5.2.1. Датчики температуры.	54
5.2.2 Датчики давления.	54
5.2.3 Датчики перепада давления.	55
5.2.4 Датчики уровня	56
5.2.5 Датчики расхода.	56
5.2.6 Исполнительное устройство.	58
5.2.7 Функциональные преобразователи.	58
5.2.8 Система управления.	58
5.3 Описание схемы контроля, регулирования и сигнализации	59
5.3.1 Контроль температуры	59
5.3.2 Регулирование температуры.	60
5.3.3 Контроль давления.	60
5.3.4 Регулирование давления.	61
5.3.5 Контроль перепада давления.	61
5.3.6 Контроль расхода.	61
5.3.7 Регулирование расхода.	62
5.3.8 Регулирование уровня.	63
6 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА	64
6.1  Общая характеристика установки  изориформинга	65
6.2 Пожарная безопасность	66
6.3 Эксплуатация аппаратов, работающих под избыточным давлением	67
6.4 Электробезопасность	68
6.4.1 Защита от электрического тока.	68
6.4.2 Защита от статического электричества.	68
6.4.3 Молниезащита.	69
6.5 Производственное освещение	70
6.6   Защита от шума и вибрации	70
6.7   Вентиляция  и отопление производственных  помещений	71
6.8 Средства индивидуальной защиты	73
6.9 Средства коллективной защиты работающих	74
6.10 Безопасность в чрезвычайных ситуациях	75
6.11 Экология и защита окружающей среды	75
6.12 Выбросы в атмосферу	76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	79

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Каталитическая изомеризация – это процесс получения экологически высокооктановых компонентов автобензинов или сырья нефтехимии, прежде всего изопентана для синтеза изопренового каучука из низкооктановых компонентов нефти, содержащих в основном н-пентан и н-гексан.

Автобензин – самый дорогостоящий из крупнотоннажных «светлых» продуктов нефтепереработки. Особенно быстрыми темпами растет спрос на высокооктановый бензин, что делает капиталовложение в эффективные технологии и оборудование для производства высокооктановых компонентов все более важным для предприятий, которые хотят сохранить и обеспечить в будущем свою конкурентоспособность на рынке нефтепродуктов.

Одной из приоритетных задач  новых технологий в настоящее  время является снижение интенсивности  воздействия техногенных факторов на окружающую среду. Значительно повысились требования не только к эксплуатационным характеристикам, но и резко возросли требования к экологической чистоте  топлива [11]. Как международные, так и российские нормативы на автобензин вводят жесткие ограничения на содержание экологически опасных компонентов — отказ от использования тетраэтилсвинца (ТЭС), ароматических углеводородов (до 42 % по Евро-3 в 35 % по Евро-4) и прежде всего, бензола (до 1%), соединений серы (до 150 млн‾¹ по Евро-3 и 50 млн‾¹ по Евро-4), олефиновых углеводородов (до 18 % по Евро-3 и до 15 % по Евро-3) [12].

В мировой  практике нашли применение три основных типа процесса изомеризации парафиновых  углеводородов, их различия обусловлены  свойствами применяемых катализаторов  и условием процесса: низкотемпературные изомеризации, осуществляемые при температуре  до 200°С на алюмоплатиновых катализаторах, промотированных хлором; среднетемпературные, осуществляемые при температуре  от 200°С до 360°С на цеолитсодержащих катализаторах  и высокотемпературные, осуществляемые при температуре от 360°С до 450°С на алюмоплатиновых катализаторах, промотированных фтором.

В настоящее  время распространенно применяют  процесс низкотемпературной изомеризации, поскольку он дает изомеризат с наиболее высоким октановым числом. Однако, из-за применения высокоактивных катализаторов, промотированных хлором, на установке низкотемпературной изомеризации нужны жесткие требования к качеству сырья.

В промышленности нашли  применение процессы изомеризации различных типов, технологическое оформление которых зависит от свойств используемого катализатора, состава сырья и требуемого качества продукта. В процессах изомеризации степень превращения н-алканов лимитируется термодинамическим равновесием реакций. С целью повышения глубины изомеризации, применяются различные схемы рециркуляции непревращенных парафиновых углеводородов или другие методы концентрирования изопарафинов в продуктах реакции. При переработке пентан-гексановых фракций распространение получили следующее схемы изомеризации:

1) «за проход»;

2) «за проход» с выделением  изопентана до изомеризация;

3) с рециркуляцией н-пентана;

4) с рециркуляцией н-гексана и метилпентанов;

5) с адсорбционным выделением  нормальных парафинов на молекулярных ситах с возвратом их в процесс;

6) с последующей переработкой  изомеризата селективным крекингом.

 

1 ОБЗОР  ПО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИМ ОСНОВАМ  ПРОЦЕССА

1. Назначение  процесса. Место и роль установки  в схеме завода

 

Экологическое состояние  планеты и озабоченность по этому  поводу мировой общественности нашли  свое отражение в принятии ряда новых  законодательных актов по защите окружающей среды в различных  странах и континентах, в том  числе и в России. Так, к автомобильным  бензинам предъявляются все более  жесткие требования, а именно: отсутствие свинца; снижение содержания бензола, серы, непредельных углеводородов, общей  ароматики; ограничение содержания кислородосодержащих соединений; снижение давления насыщенных паров; контроль фракционного состава.  Эти тенденции оказывают существенное влияние на способы получения автомобильных топлив.

При рассмотрении экологических  характеристик наиболее типичных процессов  производства бензина совершенно очевидно, что помимо алкилатов и кислородосодержащих добавок, наиболее привлекательным компонентом товарного бензина является изомеризат.

Изомеризация пентан-гексановой фракции может быть внедрена в НПЗ при минимальном объеме инвестирования и использования простаивающих реакторов каталитического риформинга или гидроочистки.

Процесс изомеризации обладает гибкостью работы за счет возможности  переработки различных видов  сырья и позволяет получить компоненты бензина, которые при сохранении эксплуатационных свойств улучшают экологические характеристики товарных бензинов.

Изомеризация – процесс, значительно увеличивающий октановое  число легких бензиновых фракция. В  сочетании с другими процессами он также позволяет производить  товарный бензин с пониженным содержанием  бензола и серы. Неопределенность с будущим законодательством  по использованию МТБЭ вызывает необходимость  включения процесса изомеризации в  производство товарного бензина. Назначение: Повышение октанового числа нефтяных фракций С₅ – С₆ путем превращения парафинов нормального строения в их изомеры, имеющие более высокое октановое число.

1.2 Сырье: виды, качество и способы  подготовки

 

 Сырье процесса изомеризации  – пентан-гексановая фракция 70-85°С, содержание которой в нефти колеблется от 3 до 5%, а в газовых конденсатах выше. Расширение ресурсов сырья изомеризации может быть реализовано за счет вовлечения легкого риформата (фр. н.к.-70°С), содержащего до 30% масс. соединений изостроения [2].

Важное значение имеет  состав сырья, поскольку он определяет рабочие условия процесса изомеризации. Парафины С₇₊ крекируются и гидрируются в пропан и бутаны, что вызывает нежелательное снижение выхода целевого продукта. Для эффективной работы установки, что подразумевает высокий выход изомеризата, и предотвращения преждевременного закоксовывания катализатора содержание С₇₊ в сырье не должно превышать 5%. Соотношение н-С₅/изо-С₅ должно быть как можно выше. Это способствует увеличению прироста октанового числа. Содержание бензола должно быть не более 2% масс., для того чтобы не устанавливать дополнительный реактор гидрирования бензола [3].

Наилучший метод снижения бензола – технология РИГИЗ, разработанная  в УНИ в 70-х годах прошлого века профессором А.Ф. Ахметовым. Сущность процесса заключается в гидрировании бензола в головной фракции риформата в циклогексан с частичной изомеризацией в метилциклопентан, в результате ОЧ продукта не снижается.

Данный процесс может  осуществляться в отдельной установке  гидроизомеризации бензола головной фракции риформата. Однако современные установки изомеризации, в том числе и на первом НПЗ Вьетнама по технологии Пенех-Диг фирмы UOP, имеют возможность переработки сырья с содержанием бензола до 10% и тяжелых углеводородов С₇₊ выше 15%. Поэтому представляется рациональным проведение совместной изомеризации пентан-гексановой фракции и гидроизомеризации бензола путем добавления бензолсодержащей фракции н.к.-85°С риформата в сырье изомеризации [4].

Таблица 1.1 – Состав сырья и изомеризата при добавлении и без добавления фракции н.к.-85°С риформата в сырье

Компоненты	Сырье			Изомеризат
	фр. н.к.- 85°С прямогонного бензина (1)	фр. н.к.- 85°С риформата (2)	Смесь (1+2)	Сырье (1)	Смеси (1+2)
					за проход	после ДИГ
Содержание, % масс.: н-С5Н12	19,50	19,50	19,50	7,49	7,94	8,77
изо-С5Н12	12,33	21,29	14,40	25,03	26,51	29,30
н-С6Н14	22,91	13,40	20,71	7,04	6,65	2,17
СН3-С5Н9	19,85	17,91	19,40	19,22	18,16	5,94
(СН3)2С4Н7	2,47	3,45	2,70	17,65	16,67	27,24
бензол	1,59	16,33	4,99	0,0	0,0	0,0
цС6Н10	5,51	0,76	4,41	4,24	4,50	4,97
СН3-цС5Н9	12,29	6,76	11,01	15,69	16,64	18,39
другие	3,56	0,60	2,88	3,64	2,93	3,23
Итого,%	100	100	100	100	100	100
Расход, кг/ч	62500	18811	81311	61250	19685	79685
ОЧ ИМ	66,9	75,7	68,9	81,5	81,8	87,0

Таблица 1.2 - Ограничения по химическому составу в соответствии с нормами на автобензины Евро-3, 4, 5

Максимальное содержание	Евро-3, 2000 г.	Евро-4, 2005 г.	Евро-5, 2009 г.
Бензол, % об.	1,0	1,0	1,0
Ароматические углеводороды, %об.	42	35	35
Олефиновые углеводороды, % об.	18	14	14
Сера, ррт	150	50	15

 

1.3 Продукты: качество и выход

 

Продуктами  процесса изомеризации являются высокооктановые  фракции, в составе которых в  основном содержатся изопарафины (изобутан, изопентаны, изогексаны) и нафтены. Содержание таких высокооктановых компонентов в продуктах зависит от режима работы процесса (низко - , средне -, или высокотемпературный режим, однопроходный процесс или процесс с рисайклом) и типа катализатора, используемого в процессе.

Изопентановая и изогексановая фракции используются как высокооктановые компоненты товарных бензинов, фракция С₄ и ниже – в качестве технологического топлива, гексановая фракция снова возвращается на изомеризацию.

Основные требования к  целевым и побочным продуктам  процесса приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Требования к продуктам процесса

Продукт	Показатель	Значение
Стабильный изомеризат	1.Октановое число:  - по ММ, не менее - по ИМ, не менее	76 80
	2.Фракционный состав, ºС: - НК, не  менее - КК	35 не норм.
Углеводородный газ	Углеводородный состав, % масс.: - С5+, не более	2,0
Пропан-бутановая фракция	1. Фракционный состав, ºС: - НК - КК	не норм.
	2. Содержание С5, % об., не более	10,0
	3. Содержание H2S, % масс, не более	0,002