Пиролиз бензиновой фракции

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  образовательное бюджетное учреждение

«Уфимский государственный  нефтяной технический университет»

 

Кафедра технологии нефти и газа

 

 

 

 

 

 

ОТЧЕТ

о лабораторной работе № 1

 «Пиролиз бензиновой фракции»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил	студ. гр.
Проверил

 

УФА

1 Теоретическая  часть

 Назначением процессов пиролиза, получивших в современной мировой нефтехимии исключительно широкое распространение, является производство низших олефинов, преимущественно этилена, являющихся ценным сырьем (мономером) для синтеза важнейших нефтехимических продуктов.

Процесс пиролиза в зависимости  от целевого назначения может быть направлен на максимальный выход этилена (этиленовые установки), пропилена или бутиленов и бутадиена. Наряду с газом в процессе образуется некоторое количество жидкого продукта, содержащего значительные количества моноциклических (бензол, толуол, ксилол и др.) и полициклических (нафталин, антрацен и др.) ароматических углеводородов.

Получаемый  при пиролизе этилен используется для  производства оксида этилена, этилового спирта, полимеров (полиэтилена), стирола, пластмасс и др.

Пропилен является исходным мономером для производства полипропилена, акрилонитрила и бутадиена.

Основные  направления использования жидких продуктов пиролиза получение бензола и других ароматических углеводородов, нефтеполимерных смол, как компонент автобензинов, котельных топлив, сырье для производства технического углерода, пеков, высококачественных коксов и др.

Сырьем в процессах пиролиза служат газообразные и жидкие углеводороды: газы, легкие бензиновые фракции, газоконденсаты, рафинаты каталитического риформинга и реже керосино-газойлевые фракции.

От сырья  и технологического режима пиролиза зависят выходы продуктов. Наибольший выход этилена получается при пиролизе этана. По мере утяжеления сырья выход этилена снижается и увеличивается выход жидких продуктов - смолы пиролиза.

Из технологических  параметров на выход низших олефинов наибольшее влияние оказывают температура, время контакта и парциальное давление углеводородов в реакционной зоне.

При постоянной температуре пиролиза с увеличением  времени контакта τ концентрация олефина в пиролизе (следовательно, и его выход) растет, достигает максимального значения при τ_опт, затем падает.

С повышением температуры  величина максимума выхода олефина  растет, и этот максимум достигается  при меньших значениях τ_опт. Причем для каждого индивидуального олефина имеется свой оптимальный режим пиролиза, обеспечивающий максимум его выхода (этиленовый, пропиленовый или бутиленовые режимы пиролиза).

Увеличению  выхода олефинов способствует также  снижение парциального давления сырья  в реакционной зоне путем разбавления  его водяным паром или, что  более эффективно, водородом. Как  известно из химической кинетики, наличие экстремума в кинетической кривой «концентрация – время контакта» свидетельствует о протекании в данном процессе последовательных реакций.

Энергия активации (следовательно и температурный  коэффициент скорости реакции) в  реакциях крекинга значительно больше, чем в реакциях уплотнения. Применительно к последовательным реакциям пиролиза это означает, что с повышением температуры должно расти отношение скоростей образования олефинов в первичных реакциях крекинга и образования жидких ароматизированных продуктов по вторичным реакциям  уплотнения. Отсюда следует вывод о том, что пиролиз углеводородного сырья с максимальным выходом целевого олефина следует проводить при технически возможных высоких температурах и оптимальном времени контакта. Необходимо однако иметь в виду, что при чрезмерно высоких температурах пиролиза увеличивается выход таких нежелательных продуктов глубокого дегидрирования сырья, как ацетилен и пироуглерод.

Разбавление сырья  пиролиза водяным паром и особенно водородом приводит не только к увеличению выхода этилена, но и, что исключительно важно, эффективно замедляет скорость вторичных реакций синтеза, приводящих к образованию пироуглерода. Этот факт легко объясняется, если допустить, что вторичные реакции синтеза имеют кинетический порядок реакции выше единицы (например, как бимолекулярные реакции – второй порядок). Водород в условиях пиролиза является не только разбавителем, но и гидрирующим компонентом, тормозящим образование тяжелых продуктов конденсации, в том числе пироуглерода.

Промышленное  оформление процесса. На современных высокопроизводительных этиленовых установках (ЭП-300 и ЭП-450 производительностью соответственно 300 и 450 тыс.т этилена в год) применяют мощные пиролизные печи, специально сконструированные для условий интенсивного высокотемпературного нагрева (до 870—920 °С) с временем пребывания сырья в реакционных змеевиках в пределах 0,01-0,1 с. Они характеризуются вертикальным расположением труб радиантных змеевиков в виде однорядного экрана с двухсторонним облучением панельными горелками беспламенного горения (или с факельными горелками с настильным пламенем). Следующий по значимости аппарат пиролиза — закалочный аппарат, предназначенный для осуществления быстрого охлаждения продуктов процесса.

 

 

 

 

 

 

  

 

2 Цель работы

Целью данной работы является изучение технологии и продуктов термического пиролиза в лабораторном масштабе.

 

3 Задача по работе

 

Провести процесс пиролиза бензиновой фракции и установить характер влияния температуры процесса на материальный баланс и качество продуктов.

        

4 Условия проведения процесса пиролиза

 

Температуры процесса, °С: 630 °С;

Объемная скорость подачи сърья, ч^-1: 2,2;

Продолжительность процесса, мин: 45.

 

5 Схема лабораторной установки пиролиза и ее описание

 

При выполнении работы используется вертикальный проточный реактор.

 

 

 

 

 

 

1 – корпус реактора;  2 – насадка;  3 – решетка; 4 –реакционная зона; 5 – отводная трубка; 6 – карман для термопары.

Рисунок 1 –  Реактор

 

Реактор (рисунок 1) изготовлен из легированной стали и имеет цилиндрическую форму переменного сечения. Верхняя часть реактора загружается насадкой 2 , объем которой равен 450 см³. Насадка служит для равномерного распределения сырья по объему реактора и для нагрева сырья, прежде чем оно поступит в реакционную зону. Насадку в верхней части реактора удерживает решетка 3. Нижняя часть реактора пустая и  является реакционной зоной 4, объем которой равен 150 см³. Внизу реактора имеется отводная трубка 5 для отвода продуктов реакций из реактора, а снизу - внутри реактора расположен карман 6 для термопары.

Схема лабораторной установки показана на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-сырьевая бюретка; 2-краники; 3-аллонж; 4-накладка асбестовая; 5-электрическая печь; 6-реактор; 7-насадка; 8-реакционная зона; 9-термопара;  10-потенциометр;                             11-терморегулятор; 12-холодильник; 13-колба приемная; 14-колба промежуточная;            15 –абсорбер; 16-отвод газового счетчика; 17-зажим средний; 18-газовый счетчик;            19-байпас входа газа; 19а-байпас  выхода газа;  20-зажим крайний; 20а-зажим крайний; 21-пикнометр газовый;  22-кран пикнометра; 22а-кран пикнометра.

 

Рисунок 2 –  Схема лабораторной установки 

 

Реактор 6 (рисунок 2) обогревается электропечью. Температура в реакторе задается и поддерживается на заданном значении с помощью терморегулятора 11. Контроль над температурой осуществляется по показаниям потенциометра 10 , на который поступает сигнал от термопары 9.

Верхний зазор  между печью и реактором закрыт асбестовой накладкой 4, что позволяет предотвратить попадание сырья на разогретые стенки печи и реактора в случае утечки сырья.

Сырье в реактор  подается самотеком  из бюретки 1 через аллонж 3. Объем сырья, подаваемого в реактор, регулируется краниками 2.

Продукты реакций из реактора отводятся через водяной холодильник 12, где они конденсируются и охлаждаются. Жидкие продукты процесса  собираются в приемной 13 и промежуточной 14 колбах, а газообразные продукты поступают в абсорбер 15, где абсорбируется жирная часть углеводородного газа, и улавливаются несконденсированные углеводороды пиробензина. Газ после абсорбера проходит через газовый счетчик 18 , который показывает объем сухого газа, полученного в процессе, и отводится из лаборатории. Во время проведения технологического режима отбирают пробу газа в газовый пикнометр 21 для определения плотности газа.

 

6 Порядок подготовки установки к работе

 

1 Ознакомиться со схемой лабораторной установки и ее описанием.

2 Загрузить  реактор  насадкой, если он  не загружен.

3  Включить электроприборы — рубильник, потенциометр и терморегулятор. С помощью терморегулятора задать температуру процесса.

4 Взвесить на технических весах приемную колбу 13, промежуточную колбу 14 и абсорбер 15. Результаты взвешиваний занести в рабочую тетрадь в виде таблицы 1, они необходимы в дальнейшем для составления материального баланса по установке.

5 Собрать установку согласно рисунку 2, при этом открыть средний зажим 17, а крайние зажимы 20 и 20а  закрыть.

6 Во время нагрева реактора из уравнения объемной скорости подачи сырья рассчитать объем сырья, подаваемый в реактор, в единицу времени:

W = V_c /V_p.з.,

V_c = W.V_р.з./60,           

где      W – объемная скорость подачи сырья, ч ^-1;

Vс – объем сырья, подаваемый в единицу времени, см³/ч и см³/мин;

  Vр.з. – объем реакционной зоны, см³.

7 Установить  скорость подачи сырья. Для  этого на сырьевой бюретке

полностью открыть  верхний краник, а нижнему кранику (дозировочному) определить положение, при котором объем истечения сырья в единицу времени, см³/мин, соответствует рассчитанному значению. После того, как дозировочным краником будет установлен необходимый объем подачи сырья, верхний краник закрыть.

8 В рабочей тетради для записей технологических параметров процесса подготовить сводную таблицу режима.

9 Рассчитать значения уровня сырья, которые должны быть в сырьевой емкости по истечении 5 минут, 10 минут процесса и т.д. Рассчитанные значения записать в столбец «Уровень сырья расчетный»

10 После того, как температура в реакторе установится на заданном значении, подать воду в холодильник и доложить о готовности к работе учебному персоналу.

Соединить с  помощью аллонжа сырьевую бюретку с реактором (эту операцию выполняет учебный персонал после того, как температура в реакторе установится на заданном значении). В сводную таблицу режима занести начальные показания приборов.

 

 

 

 

7 Порядок  работы

7.1 Проведение режима

С разрешения учебного персонала начать подачу сырья в реактор.

Во время  проведения режима необходимо:

1 Через каждые 5 минут в сводную таблицу записывать параметры 
режима: уровень сырья по бюретке, температуру в реакторе, показание газового счетчика.

2 Через каждые 5 минут рассчитывать средний объем подачи сырья в 
минуту, поступившего в реактор за прошедшие 5 минут, и полу- 
ченные значения заносить в сводную таблицу режима.

3 Следить за температурой в реакторе и за объемом подаваемого             сырья    в реактор, поддерживая их на заданном значении.

В ходе проведения режима может иметь место некоторое колебание температуры процесса и скорости подачи сырья. Это может быть обусловлено, как тепловой инерционностью системы, так и недостаточным опытом студентов, выполняющих работу.

4 Отобрать пробы газа: в газовый пикнометр для определения плотности газа. Отбор газа выполнить в течение первых тридцати минут режима при установившихся параметрах процесса: температуре в реакторе и скорости подачи сырья.

 

7.2 Порядок отбора газа в газовый пикнометр

Взвесить пикнометр на аналитических весах. В таблицы 1-3 записать массу пикнометра, его номер и водное число. Подсоединить  пикнометр к байпасам (19 и 19а). Открыть краники на пикнометре (22 и 22а) и крайние зажимы (20 и 20а) на байпасах, а средний зажим (17) закрыть. Через пикнометр необходимо пропустить не менее одного литра газа, чтобы вытеснить из него воздух. Во время отбора газа в пикнометр записать барометрическое давление и температуру в лаборатории. По окончании отбора газа открыть средний зажим (17), затем закрыть краники на пикнометре (22 и 22а) и крайние зажимы (20 и 20а) на байпасах. Отсоединить пикнометр и  взвесить его на аналитических весах. Результат  взвешивания занести в таблицы 1-3.

 

7.3 Порядок окончания режима

Режим считается  завершенным после того, как истечет время процесса и через реактор будет пропущен рассчитанный объем сырья, после чего прекратить подачу сырья в реактор: на сырьевой бюретке закрыть оба краника. Затем выполнить следующие требования: