Моделирование нефтехимических процессов

Министерство по образованию  и науке РФ

                       Федеральное государственное бюджетное образование

                       учреждение  высшего профессионального образования                 

Кафедра<<Теория процессов  переработки природных энергоносителей и

                                             углеродных материалов>>                                                                                                                

                                               

 

 

 

                          Реферат по теме: <<Каталитический риформинг>>

           по дисциплине << Моделирование нефтехимических процессов>>                              

 

 

 

 

                                                                                        Выполнила:

                                                                                       студент

                                                                                       Израильский Е.В.

 

.    

 

 

 

                                               2012

 

Содержание

 

 

1  Записать химические уравнения процесса.

2   Произвести формализацию реакции (процесса).

3   Сформулировать кинетическую модель процесса.

4   Влияние параметров  изучаемого процесса на удельную  производительность реакторов

4.1 начальной концентрации (парциального давления) реагентов

4.2 избытка второго реагента

4.3 степени конверсии сырья

4.4 температуры

5  Влияние на селективность  параметров изучаемого процесса  в реакторах

5.1 начальной концентрации (парциального давления) реагентов

5.2 избытка второго реагента

5.3 степени конверсии сырья

6  Влияние на селективность  типа реактора и способа введения  реагентов 

7  Влияние на селективность  температуры

8  Выбор на основании  проведенного анализа двух наилучших  варианта 

Введение 

 

Бензины являются одним из основных видов горючего для двигателей современной техники. Автомобильные  и мотоциклетные, лодочные и авиационные поршневые двигатели потребляют бензины. В настоящее время производство бензинов является одним из главных в нефтеперерабатывающей промышленности и в значительной мере определяющим развитие этой отрасли.

Развитие производства бензинов связано со стремлением улучшить основное эксплуатационное свойство топлива - детонационную стойкость бензина, оцениваемую октановым числом.

Каталитический риформинг бензинов является важнейшим процессом современной нефтепереработки и нефтехимии. Он служит для одновременного получения высокооктанового базового компонента автомобильных бензинов, ароматических углеводородов - сырья для нефтехимического синтеза - и водородосодержащего газа - технического водорода, используемого в гидрогенизационных процессах нефтепереработки. Каталитический риформинг является в настоящее время наиболее распространенным методом каталитического облагораживания прямогонных бензинов. Установки каталитического риформинга имеются практически на всех отечественных и зарубежных нефтеперерабатывающих заводах.

При применении каталитического  риформинга для облагораживания бензиновых фракций с получением  ароматических УВ  могут в той или иной мере протекать следующие целевые реакции:

1. Дегидрирования циклогексана и его гомологов в ароматические УВ;
2. Изомеризация гомологов циклопентана в циклогексановые УВ с последующей их ароматизацией;
3. Дегидроциклизации парафиновых в ароматические УВ.

Основные нежелательные  реакции процесса – это реакции гидрокрекинга и гидрогенолиза парафинов, а также реакции конденсации и полимеризации, приводящие к образованию на катализаторе продуктов уплотнения – кокса, отлагающегося на поверхности катализатора.

1 Основные реакции  каталитического риформинга 

 

Бензиновые фракции разных нефтей отличаются по содержанию нормальных и разветвленных парафинов, пяти- и шестичленных нафтенов, а также ароматических углеводородов. Однако распределение углеводородов в каждой из этих групп в достаточной мере постоянно. За исключением бензинов нафтеновых нефтей, производство которых весьма ограниченно, среди парафинов значительно преобладают углеводороды нормального строения и монометилзамещенные структуры. Относительное содержание более разветвленных изопарафинов невелико. Нафтены представлены преимущественно гомологами циклопентана и циклогексана с одной или несколькими замещающими алкильными группами. Такой состав, при содержании 50-70% парафинов и 5-15% ароматических углеводородов в бензинах, обусловливает их низкую детонационную стойкость. Октановые числа бензиновых фракций, подвергаемых каталитическому риформингу, обычно не превышают 50.

Каталитический риформинг - сложный химический процесс, включающий разнообразные реакции, которые позволяют коренным образом преобразовать углеводородный состав бензиновых фракций и тем самым значительно улучшить их антидетонационные свойства.

Основой процесса служат три  типа реакций. Наиболее важны перечисленные  ниже реакции, приводящие к образованию  ароматических углеводородов.

Дегидрирование шестичленных нафтенов, формула 1 

 

 (1)

Дегидроизомеризация пятичленных нафтенов, формула 2

 (2)

 

Ароматизация (дегидроциклизация) парафинов, формула 3

 (3)

Изомеризация углеводородов - другой тип реакций, характерных  для каталитического риформинга. Наряду с изомеризацией пятичленных и шестичленных нафтенов, изомеризации подвергаются как парафины, так и ароматические углеводороды.

Рисунок 1 – изомеризация парафинов и ароматических углеводородов.

Существенную роль в процессе играют также реакции гидрокрекинга. Гидрокрекинг парафинов, содержащихся, в бензиновых фракциях, сопровождается газообразованием, формула 4

С₈Н₁₈ + Н₂ → С₅Н₁₂ + С₃Н₈ (4)

что ухудшает селективность  процесса. С другой стороны, аналогичная  реакция гидродеалкидирования алкилбензолов позволяет увеличить выход низкомолекулярных гомологов бензола, которые представляют наибольший практический интерес, формула 5

С₆Н₅С₃Н₇ + Н₂ → С₆Н₆ + С₃Н₈ (5)

Протекают также реакции, приводящие к раскрытию циклопентанового кольца и к превращению пятичленных нафтенов в парафины, формула 6

 (6) 

 

Элементарные стадии ряда приведенных реакций предопределяются бифункциональным характером катализаторов риформинга. С одной стороны, они содержат один металл (платину) или несколько металлов (например, платину и рений, или платину и иридий), которые катализируют реакции гидрирования и дегидрирования. С другой стороны, носителем служит промотированный галогенами оксид алюминия, обладающий кислыми свойствами и катализирующий реакции, свойственные катализаторам кислотного типа. Поэтому разные элементарные стадии реакции могут протекать на различных участках поверхности катализатора: металлических или кислотных. В качестве примера можно сослаться на реакцию изомеризации нормального парафина. Сперва такой углеводород дегидрируется до нормального олефина на металлическом участке, далее нормальный олефин изомеризуется на кислотном участке в изоолефин, который затем подвергается гидрированию на металлическом участке, превращаясь в изопарафин. Не только в этой, но и в ряде других реакций каталитического риформинга, важнейшие элементарные стадии - гидрирование и дегидрирование углеводородов.

Сырье каталитического риформинга обычно подвергают гидрогенизационной очистке, после чего в нем остается крайне незначительное количество примесей, в частности серо- и азотсодержащих соединений, являющихся каталитическими ядами. В условиях каталитического риформинга они подвергаются гидрогенолизу с отщеплением сероводорода, формула 7, и аммиака, формула 8

RSR + 2Н₂ → 2RH + H₂S (7),

RNHR + 2H₂ → 2RH + NH₃ (8)

 

 

1.2 Превращения шестичленных нафтенов 

 

 

1.2.1 Реакции дегидрирования

Дегидрирование шестичленных нафтенов - основное направление их превращения в условиях каталитического  риформинга. Скорости дегидрирования шестичленных нафтенов на платиновых катализаторах риформинга весьма велики и намного превышают скорости их дегидрирования на других металлических и оксидных катализаторах, показанную в таблице 2.

Таблица 2 − Сравнительная  активность катализаторов в реакции  дегидрирования циклогексана.

Катализатор	* r, моль/(г· с)	Катализатор	* r,моль/(г· с)
34% Сr2O3/Al2O3	0,5	1% Pd/Al2O3	200
10% MoO3/Al2O3	3	5% Ni/SiO2	320
5% Ni/Al2O3	13	1% Rh/Al2O3	890
5% Co/Al2O3	13	0.5 Pt/Al2O3	1400-4000

 

 

Достаточно отметить, что  скорость дегидрирования циклогексана на платиновых катализаторах в 500-1300 раз больше скорости той же реакции на алюмомолибденовом катализаторе, который сравнительно недавно еще применялся в процессе риформинга бензиновых фракций. При таких скоростях реакции степень дегидрирования шестичленных нафтенов может в значительной мере предопределяться условиями химического равновесия для той реакции.

Химическое равновесие. Реакции  дегидрирования шестичленных нафтенов в ароматические углеводороды обратимы, формула 9

 (9)

Зная константу равновесия К_р, можно вычислить равновесные концентрации реагирующих веществ, формула 10

 (10)

Ниже приведены логарифмы  констант равновесия для реакций  дегидрирования циклогексана и некоторых его гомологов при температурах от 400 до 550 °С, таблица 3

Таблица 3 – Логарифмы  констант равновесия для реакций  дегидрирования циклогексана и некоторых его гомологов

Углеводороды	408 °С	450 °С	500 °С	550 °С
Циклогексан	3,70	4,88	5,91	6.82
Метилциклогексан	4,19	5,36	6,33	7,28
Этилциклогексан	4,23	5.36	6,34	-
н – Пропилциклогексан	4,26	5,39	6,37	-
1, 2, 4 – Триметилциклогексан	5,11	-	-	-

 

 

Константы равновесия для  реакций дегидрирования гомологов  циклогексана с одной алкильной группой (метилциклогексана, этилциклогексана, н-пропилциклогексана), при одинаковой температуре, значительно больше соответствующей константы для реакции дегидрирования циклогексана. Дальнейший рост константы равновесия идет при наличии нескольких замещающих алкильных групп в молекуле циклогексана (1,2,4-триметилциклогексан). Из этих данных можно заключить, что равновесие для реакций дегидрирования гомологов циклогексана сдвинуто в сторону ароматических углеводородов в большей степени, чем для циклогексана. Следовательно, условия, обеспечивающие полноту дегидрирования циклогексана, в полной мере обеспечат также возможность исчерпывающего дегидрирования его гомологов.

Наибольшей полноте дегидрирования углеводородов способствуют высокие  температуры и низкие давления водорода. При прочих равных условиях степень  дегидрирования циклогексана существенно  меньше, чем метилциклогексана. Так, при 425 °С и парциальном давлении водорода 2 МПа молярное содержание бензола в равновесной смеси углеводородов равна 68%, а толуола 81%, рисунок 2. 

 

Рисунок 2 − Зависимость  содержания бензола и толуола  в равновесной смеси с циклогексаном  от температуры и парциальном давления водорода

Пользуясь кривыми на рисунке 2, можно определить степень превращения шестичленных нафтенов в условиях каталитического риформинга. Обычно процесс проводят в реакционном блоке, состоящем из трех-четырех реакторов, работающих в условиях, близких к адиабатическим. При наиболее широко применяемых параметрах (температура на входе в реакторы около 500°С, давление от 1,5 до 3 МПа, молярное отношение водород: сырье = 6-7), вследствие эндотермичности процесса температура газосырьевой смеси понижается в первом по ходу сырья реакторе на 40-60°С, т. е. до 460-440°С. Степень дегидрирования шестичленных нафтенов в первом по ходу сырья реакторе может достигнуть или превысить 90%.