Производство бутадиена-13 (стр. 2 из 2)

Технологическая схема производства бутадиена-1,3 одностадийным дегидрированием н-бутана в вакууме включает операции:

—очистка сырья (бутановой фракции, попутного газа);

—каталитическое дегидрирование н-бутана;

—сжатие контактного газа и выделение из него фракции С4;

—выделение бутадиена-1,3 из фракции С4;

—отдувка углеводородов и регенерация катализатора.

Реакторный блок установки, включает два (или больше) аппаратов, работающих попеременно на дегидрирование сырья и регенерацию катализатора.

Сырьем для производства бутадиена методом дегидрирования служит бутановая фракция попутного газа или бутан-бутиленовая фракция газов каталитического крекинга или пиролиза.

Реакция дегидрирования бутана относится к классу сложных последовательных сильно эндотермических реакций, протекающих с увеличением объема:

Кроме целевой реакции в этой системе протекает большое количество побочных процессов: реакции циклизации, крекинга, изомеризации, ароматизации, коксообразования и др. Вследствие этого в результате дегидрирования образуется сложная смесь углеводородов, разделение которой связано с существенными затратами энергии и вспомогательных материалов.

Процесс дегидрирования осуществляется в присутствии катализатора. Высокие температуры синтеза и повышенная реакционная способность продуктов приводят к его быстрому закоксовыванию. В результате катализатор работает на дегидрирование только 15—20 мин, затем реактор переключается на регенерацию. Регенерация осуществляется с помощью выжигания кокса воздухом и длится 30 мин.

Сравнительная характеристика

Сопоставление технико-экономических данных показывает, что одностадийный процесс экономичнее двухстадийного ввиду отсутствия в нем промежуточной подсистемы разделения контактного газа после первой ступени и меньшей величины расходных коэффициентов по сырью и энергии.

Таблица 1. ТЭП производства бутадиена-1,3

Методы производства	Капитальные затраты	Энергоёмкость	Себестоимость
Одностадийное дегидрирование	47	34	39
Двухстадийное дегидрирование	72	77	53

Достоинствами одностадийного процесса дегидрирования н-бутана до бутадиена-1,3 являются:

—значительное сокращение расхода технологического пара;

—использование теплоты регенерации катализатора и проведение реакции дегидрирования в адиабатическом режиме и, как следствие, простота конструкции реактора и отсутствие сложного теплообменного оборудования;

—исключение второй стадии дегидрирования и операций разделения бутан-бутиленой фракции.

За счет этого относительно невысокие выход бутадиена-1,3 (12—14%) и степень конверсии н-бутана (не превышающая 0,2) компенсируются меньшими капитальными затратами и энергоемкостью производства и, как следствие, более низкой, чем в двухстадийном методе, себестоимостью бутадиена-1,3.

4.2 Определение технологической топологии ХТС

При рассмотрении технологической схемы производства бутадиена-1,3 можно сказать, что между технологическими операторами данной ХТС существует последовательная (связь, когда поток, выходящий из одного элемента является входящим для следующего и все технологические потоки проходят через каждый элемент системы не более одного раза), параллельная (когда выходящий из элемента ХТС поток разбивается на несколько параллельных подпотоков) и обратная (характеризуется наличием рециркуляционного потока, связывающего выход последующего элемента ХТС с входом предыдущего) технологические связи.

4.3 Установление технологических и конструкционных параметров ХТС, технологических параметров режима и потоков

Бутадиен-1,3 (дивинил) C₄H₆ представляет собой при обычных условиях бесцветный газ, конденсирующийся в жидкость при 268,7 К (-4,3°С), с температурой кипения -4,4°С, температурой плавления - 108,9°С и плотностью в жидком состоянии 0, 645 т/м³ (при 0°С). Не растворим в воде, плохо растворим в спиртах, хорошо — в бензоле, диэтиловом эфире, хлороформе; с некоторыми растворителями образует азеотропные смеси. Критическая температура бутадиена 152°С. С воздухом бутадиен образует взрывчатые смеси с пределами воспламеняемости 2,0 и 11,5% об. Температура вспышки бутадиена составляет -40°С, температура самовоспламенения 420"С.

Бутадиен легко полимеризуется. Полимеризация инициируется пероксидами, образующимися при контакте бутадиена с воздухом. Тепловой эффект полимеризации зависит температуры и составляет от 72, 8 до 125,6 кДж/моль. Вследствие этого бутадиен хранится в присутствии ингибиторов, например, п-оксидифениламина или п-трет-бутилпирокатехина, которые удаляются промывкой гидроксидом натрия перед полимеризацией. При радикально-цепной сополимеризации бутадиена со стиролом, а-метилстиролом или акрилонитрилом образуются сополимеры, в макромолекуле которых беспорядочно чередуются звенья исходных веществ

-СН₂-СН=СН-СН₂ -СН₂-СН- -СН₂—СН -СН₂-СН

СН-СН₂ С₆Н₅ CN

причем бутадиен связывается в 1,4- или 1,2-положениях.

Бутадиен в высоких концентрациях обладает наркотическим действием; в малых концентрациях раздражает дыхательные пути и слизистую оболочку глаз. ПДК составляет 100 мг/м³.

4.4 Модель рассматриваемой ХТС

Функциональная схема

Структурная схема

1 – нагреватель сырья;

2 – печь;

3 - реакторы;

4- “закалочный” аппарат;

5- скруббер;

6,11- холодильники;

7- турбокомпрессор;

8- абсорбер;

9- десорбер;

10- стабилизирующая колонна (депропанизатор);

12- топка;

13-.котёл-утилизатор

Операторная схема

Технологическая схема

1 – нагреватель сырья;

2 – печь;

3 - реакторы;

4- “закалочный” аппарат;

5- скруббер;

6,11- холодильники;

7- турбокомпрессор;

8- абсорбер;

9- десорбер;

10- стабилизирующая колонна (депропанизатор);

12- топка;

13-.котёл-утилизатор

Описание технологической схемы

Через подогреватель 1 н-бутан поступает в печь 2, где нагревается до 600—620ºС и направляется в один из реакторов 3, который работает на дегидрирование. Из реактора контактный газ, пройдя для «закалки» аппарат 4, подается в скруббер 5, в котором охлаждается холодным маслом, циркулирующим через холодильник 6. Охлажденный в скруббере газ сжимается в турбокомпрессоре 7 до давления 1,3 МПа и направляется в абсорбер 8. Из верхней части абсорбера выходит водородсодержащий топливный газ, а раствор углеводородов в абсорбенте подается в десорбер 9. Ио верхней части десорбера отгоняется фракция С₃ — С₄, а абсорбент через холодильник 11 возвращается на орошение абсорбера 8. В качестве абсорбента используется высококипящая углеводородная фракция С₅. Фракция С3 — C4 из верхней части десорбера 9 поступает в колонну 10 (депропанизатор), где из нее отгоняется пропан. Оставшаяся фракция С4 с содержанием бутадиена-1,3 от 11 до 13% массовых направляется на выделение бутадиена, а бутан-бутиленовая фракция возвращается в виде рецикла на дегидрирование, присоединяясь к свежему н-бутану. По окончании цикла дегидрирования поток углеводородного сырья переключается на другой реактор, а первый продувается сначала водяным паром для удаления сорбированных катализатором углеводородов, а затем для регенерации катализа-хора топочными газами с небольшим содержанием кислорода из топки 12. Теплота газообразных продуктов регенерации катализатора используется для выработки технологического пара _в котлеутилизаторе 13.

Основной аппарат технологической схемы — реактор дегидрирования (контактный аппарат). Это стальной цилиндр диаметром 6 м и длиной 12—14 м расположенный горизонтально и футерованный внутри огнеупорным материалом. Внутри реактора расположены решетки из керамических плит, на которых размещены слои катализатора.

5 Анализ ХТС

5.1 Представление изучаемого объекта в виде иерархической структуры ХТС

5.3 Изучение свойств и эффективности функционирования ХТС

Какое количество бутана необходимо для получения 2т бутадиена-1,3, если известно, что бутан содержит 15% примесей, а степень превращения составляет 80%?

Решение

Для решения поставленной задачи нам необходимо написать уравнение реакции получения бутадиена-1,3 из бутана.

С₄Н₁₀→ С₄Н₆ +2Н₂

m(С₄Н₁₀)=x т

Mr(С₄Н₁₀)=58 г/моль

m(С₄Н₆)=2 т

Mr(С₄Н₆)=54 г/моль

Составим пропорцию, чтобы найти массу бутадиена.

х/58=2/54 откуда х = 2,14 т.

Найдём массу бутана с учётом степени превращения (80%)

2,14 т – 80 %

y - 100%

Степень превращения – отношение количества превращённого исходного сырья в целевой продукт к общему количеству исходного сырья.

Составим пропорцию, чтобы найти массу бутадиена с учётом степени превращения.

2,14/y=80/100 откуда y = 2,675 т

Найдём массу бутана с учётом примесей (15%)

2,675 т – 85 %

z - 15%

z – масса примесей

Составим пропорцию, чтобы найти массу примесей.

2,675/z=85/15 откуда z = 0,472 т

Тогда масса бутана с примесями = 2,675+0,472=3,147 т