Производство этилена пиролизом этана мощностью 200000 тгод (стр. 4 из 6)
При нормальном протекании процесса температура газа за смесительной камерой поднимается от 600 до 850° С и после выхода из реактора снижается до 800° С. Нагретый до800е С пирогаз подается в закалочный теплообменник 4. Газы пиролиза выходят из закалочного теплообменника с температурой 400° С и поступают в скруббер, в котором охлаждаются до 40° С. Для создания и поддержания в системе пиролиза абсолютного давления 410мм рт. ст. после оросительного холодильника пирогаз поступает в вакуум-насос 6 [ ].
Преимущества окислительного пиролиза
1) возможность создания агрегата большой производительности
2) конструктивная простота конструкции
3) возможность использования в качестве сырья газов с большим содержанием метана и водорода (до 50%)
Недостатки окислительного процесса
1) повышенные энергозатраты (на производство кислорода)
2) необходимость работы под вакуумом либо при значительном разбавлении водяным паром
3) образование в процессе пиролиза органических кислот, выделение которых усложняет процессы подготовки газа к газоразделению
1.2.5 Пиролиз в трубчатых печах
Наиболее широко распространенным аппаратом для осуществления термического разложения углеводородов является трубчатая печь, состоящая из следующих основных элементов (рисунок 5): реактора 1, выполненного в виде трубчатого змеевика, подогревателя сырья 2, тяговых устройств 3, газогорелочных устройств 4 и камеры сгорания 5, облицованной огнеупорной кладкой и снабженной металлическим кожухом.
В зависимости от расположения змеевика в камере сгорания различают трубчатые печи с потолочным и подовым экранами, с боковыми экранами, с потолочными экраном на наклонном своде и экраном двустороннего облучения, печь градиентного типа.
Рисунок 5 - Схема трубчатого реактора градиентного типа.
Недостатком трубчатых печей всех типов является необходимость ограничения времени контакта интервалом 0,6 – 1,3 сек., что связано со скоростью передачи тепла перерабатываемому сырью. Высокие линейные скорости газа в трубах, необходимые по условиям теплопередачи и для обеспечения требуемого времени контакта, обуславливают большие гидравлические сопротивления, снижающие выход целевых продуктов. К недостаткам трубчатых реакторов следует отнести также невозможность создания агрегатов большой производительности, соизмеримой с производительностью установок газоразделения. Однако конструктивная простота трубчатых печей, удобство эксплуатации, возможность плавного регулирования процесса в достаточно широком диапазоне составов сырья способствуют широкому применению их в промышленности.
В промышленности для пиролиза углеводородов получили распространение печи с потолочным и подовым экранами (рисунок 6), которые были сконструированы для переработки нефтепродуктов, а затем приспособлены для пиролиза этана, пропана или их смесей.
Распределение температур (рис. 5) относится к пиролизу смеси состоящей из 20% этана и 80% пропана при давлении на выходе из змеевика около 2 кг/см2. При массовой скорости 125 кг/м2 cек и превращении пропана порядка 83 % не наблюдается быстрого отложения кокса и змеевик очищают обычно через каждые четыре месяца[ ].
Рисунок 6 – Схема трубчатого реактора с потолочными и подовыми экранами
Взвесив все сильные и слабые стороны рассмотренных процессов, я в своем проекте решил выбрать схему, в которой применяется трубчатая печь. Описание данной технологической схемы представлено во втором разделе курсового проекта.
1.3 Современное технологическое оформление процесса
Все вышеперечисленные процессы пиролиза изобретены давно. В настоящее время существует много разработок, которые позволяют увеличить выход целевых продуктов, улучшить качество продукции, а также снизить затраты. В данной работе я приведу два примера таких разработок.
В первом случае ( приложение А) целью изобретения является увеличения выходов всех низших олефиновых углеводородов при относительно более низких рабочих температурах процесса пиролиза без добавления в зону реакции водяного пара, что заметно повысит экологическую чистоту процесса за счет исключения загрязненных стоков и снизит удельные энергозатраты на нагревание разбавителя при проведении пиролиза нефтяного сырья. Это достигается при пиролизе в трубчатых реакторах при контакте с развитой поверхностью металлического катализатора.
Данное изобретение разработано в 1999 г. в МГАТХТ им Ломоносова.
Во втором случае (приложение Б) целью предлагаемого изобретения является разработка способа получения олефинов с использованием отходов производства и одновременным уменьшением коксообразования в процессе пиролиза. Это достигается путем вовлечения вовлечения в процесс отхода производства метанола, в частности «изобутиловое масло». При введении фракции ИБМ в сырье пиролиза вместо паров воды, наблюдается небольшое уменьшение выхода этилена и пропилена, но снижается коксообразование.
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Химизм процесса
Этан является наилучшим исходным сырьем для получения этилена. Механизм процесса разложения описывается следующей схемой, которая имеет цепной характер: этан сначала распадается, давая метильный и этильный радикалы:
С2Н6 = С2Н5- + Н--
С2Н6 = СН3- + СН3-.
Данная стадия процесса называется зарождение цепи. Следовательно, образуются свободные радикалы.
Последние во вторичных реакциях реагируют таким образом:
С2Н5- = С2Н4 + Н--
СН3- + С2Н6 = СН4 + С2Н5-.
Эта стадия процесса называется продолжение цепи.
С повышением температуры расщепление идет более глубоко, но дополняется реакциями дегидрирования и циклизации
Сумма реакций (1, 2) может быть выражена уравнением дегидрирования:
С2Н6 = С2Н4 + Н2
В результате дегидрирования при 600 - 650°С начинают появляться очень реакционно-способные диены.
2.2 Описание технологической схемы
Схема потоков узла пиролиза приведена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Схема потоков узла пиролиза:
1 – этановая фракция; 2 - водяной пар; 3 - парогазовая смесь; 4 - топливный газ; 5 – воздух; 6,7 – пирогаз; 8 - умягченная вода; 9 — продукты сгорания; 10 - пар высокого давления; П1 – печь пиролиза; АТ1 - АТЗ - теплообменники; ЗИА1 - закалочно-испарительный аппарат
Современные установки пиролиза отличаются большой мощностью и высокой степенью утилизации тепла дымовых газов и продуктов пиролиза Пиролиз осуществляется в трубчатой печи П1, в горелки которой подают топливо и воздух. Тепло топочных газов после их выхода из конвекционной секции используется в теплообменниках АТ1, АТ2 и АТЗ соответственно для перегрева водяного пара, идущего на пиролиз, испарение и перегрева углеводородного сырья и нагревания водного конденсата, используемого для получения пара. После этого топочные газы через дымовую трубу выводятся в атмосферу.
Продукты пиролиза выходят из трубчатой печи с температурой 850 – 870°С. во избежание полимеризации олефинов и осмоления их нужно быстро охладить до 500 – 700°С, т.е. подвергнуть «закалке». Ранее для этой цели служили закалочные аппараты, в которых быстрое охлаждение достигалось за счет впрыскивания водного конденсата. Теперь применяют закалочно-испарительные аппараты (ЗИА), представляющие собой газотрубные котлы-утилизаторы. В результате высокой линейной скорости продуктов пиролиза, движущихся по трубам, предотвращается оседание твердых частиц на стенках, увеличивается коэффициент теплопередачи и достигается быстрое охлаждение до 350 – 400 °С. За счет этого тепла из водного конденсата, поступающего в ЗИА, генерируется пар высокого давления (11 – 13 МПа), который отделяется в паросборнике 6, перегревается до 450 °С в одной из секции печи П1 и затем используется для привода турбокомпрессоров.
Частично охлажденные продукты пиролиза направляются в колонну первичного фракционирования, которая орошается легким маслом и тяжелым циркулирующим маслом. За счет испарения первого масла и нагревания второго продукты пиролиза охлаждаются до 100 – 120 °С; из них конденсируется тяжелое масло, которое в нижней части колонны первичного фракционирования улавливает сажу и кокс. Из этой смеси отделяется кокс в фильтре, а тепло тяжелого масла (фильтрата) используется в теплообменнике для подогрева оборотной воды. Циркулирующее тяжелое масло отводят с одной из нижних тарелок колонны первичного фракционирования, и его тепло утилизируют для получения пара в котле-утилизаторе с паросборником. полученный пар перегревают в теплообменнике 2, и он служит для разбавления углеводородного сырья при пиролизе. Циркулирующее масло после котла-утилизатора закачивают на орошение колонны первичного фракционирования.
Охлажденные до 100 – 120 °С продукты пиролиза вместе с водяным паром-разбавителем направляются в колонну, орошаемую охлажденной водой. В результате этого из газа пиролиза конденсируются вода и так называемое легкое масло, а газ пиролиза выводится на установку разделения. Легкое масло отстаивается от воды в сепараторе, частично направляется на орошение колонны первичного фракционирования, а остальное количество выводится с установки на дальнейшую переработку.