Исследование процесса получения присадок на основе синтеза изобутан-изобутиленовой фракции и метанола

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

Исследование процесса получения присадок на основе синтеза изобутан-изобутиленовой фракции и метанола

Андреянов Т.Ю. магистрант

Коротков В.Г. доктор технических наук, профессор

Правительства многих стран на законодательном уровне борются за улучшение экологии. В мировой практике появляется понятие «экологически чистого моторного топлива», устанавливаются новые жесткие требования к качеству топлив.

Детонационная стойкость бензинов, измеряющаяся октановым числом очень важна. Высокая детонационная стойкость позволяет нормально работать двигателю на всех стадиях эксплуатации. Детонация приводит к перегреву, износу и разрушениям двигателя. Поэтому состав топлива очень важен.

В США проводились исследования и были запатентованы работы по оптимизации технологии получения МТБЭ. На сегодняшний день в России встал вопрос по применению этих технологий. Чтобы российские НПЗ могли быть конкурентоспособны, необходимо доводить эксплуатационные и экологические свойства автомобильных бензинов до требований мирового рынка. Прирост октанового числа можно достичь, добавлением в бензин кислородсодержащие добавки (МТБЭ, МТАЭ, ДИПЭ и др.), которые также снижают в выхлопных газах содержания окиси углерода и углеводородов. Если все низшие кислород содержащие соединения имеют октановое число равное до 100 ИОЧ (октановое число по исследовательскому методу), то у МТБЭ в зависимости от УВ состава бензина, доходит до 135 ИОЧ. МТБЭ значительно сокращает расход нефти, при производстве товарного бензина, также сокращение идет за счет более низких требований к октановой характеристике традиционных углеводородных компонентов бензина.

Проанализируем три технологических процесса получения МТБЭ. В ОАО НИИ «Ярсинтез» реакция проходит при температуре 50-80 и давлении 4-12 атм.

Технологическая схема содержит два узла (рисунок 1). В первом узле происходит непосредственно синтез и выделение эфира, во втором узле очищают непрореагированные углеводороды от спирта и возвращение спирта обратно в процесс. Углеводородная фракция перемешивается со свежим спиртом и подается в Р-1-реактор испарительно-адиабатического типа. Это полый цилиндрический аппарат, который заполнен катализатором. Его отличие в том, что происходит снятие тепла за счет нагрева реакционной массы от 30-45 до 70-80 за счет испарения части реакционной массы. Давлением в реакторе контролируется процесс испарения. Из реактора Р-1 двумя потоками в паровой и жидкой фазе реакционная смесь направляется в реакционно-ректификационный аппарат К-3 под слой катализатора. Аппарат К-3 состоит из 3 зон: в верхней зоне происходит отделение непрореагировавших углеводородов С4 от метанола и эфиров; в средней зоне, наполненной катализатором происходит синтез эфиров и вывод их из реакционной зоны; в нижней зоне происходит отделение метил-трет-бутилового эфира от углеводородов С4 и метанола.

В колоне К-3 катализатор расположен тремя слоями на опорно-распределительных тарелках. Метанол подводится в верхнюю зону наверх катализатора. Сверху отбирается бутан-бутиленовая фракция и направляется в колонну К-4, колонну водной отмывки, водная отмывка фракции С-4 от метанола. Снизу колонны К-3 отводится, готовый эфир. Сверху в колонну К-4 подается вода и отводится отмытая УВ фракция, возвращающаяся на стадию дегидрирования. С низа колоны К-4 отводится промывная вода со спиртом и подается в К-5 колонну регенерации метанола в качестве питания. Обогрев колонны регенерации проводят водяным паром, выносным кипятильником. Спирт отбираемый с верха К-5 Смешивают со свежим метанолом. Фузельная вода с низа К-5 направляется в верх колонны К-4 [3]

Рисунок 1. Схема процесса синтеза МТБЭ ОАО НИИ «Ярсинтез»

В процессе используют крупногранулированный формовой катализатор, что позволяет реализовать технологию «каталитической дистилляции». Эта технология, характеризуется противотоком реагентов и внутренним теплосъемом, тем самым преодолеваются термодинамические ограничения. Полученная теплота экзотермической реакции используется для непрерывного разделения и вывода продуктов. Концентрация МТБЭ в готовом продукте составляет 99%.

Далее рассмотрим процесс фирмы «Erdolchemies» Свежий метанол (I) смешиваясь с возвратным метанолом (II) поступает в теплообменник (3) для нагрева, затем проходит два последовательных реактора (1,2), где происходит синтез получения МТБЭ. Далее реакционная смесь (III) направляется в теплообменник (3), охлаждается и поступает в колонну выделения МТБЭ (4), низ колонны оборудован кипятильником (8). Кубовый продукт (4) колонны направляется в теплообменник (3) из которого происходит вывод МТБЭ (VI). Метанол, выходящий сверху колонны попадает в холодильник (6), охлаждаясь направляется в емкость (5), где происходит разделение, конденсат возвращается в колонну (4), а газ проходит в аппараты (7) на адсорбцию, в которые, также попадает углеводородная фракция (V). Отработанная УВ фракция (IV) отводится сверху, а полученный метанол возвращают в систему [17]. Процесс состоит из трех узлов (рис. 2): синтеза метил-трет-бутилового эфира; отгонки фракции С-4; извлечения метанола.

Рисунок 2. Схема процесса синтеза МТБЭ фирмы «Erdolchemies»

Преимущества этого процесса в следующем: этот процесс наименее энергоемкий из разработанных за рубежом; невысокие капитальные затраты; проведения реакций без использования трубчатого реактора; возможность использования сырья практически любого качества; менее энергозатратный на стадии извлечения метанола при использовании адсорбции.

Следующая технологическая схема представлена от французского института нефти (Institutfranзaisdupйtrole, IFP)Особенность этой технологии в том, что в реакцию сначала проводят в основном реакторе (1), до определенного значения конверсии, а затем в дополнительном реакторе (2) (рисунок 3).

Используя в качестве сырья фракцию С-4 каталитического крекинга, конверсия изобутена в реакторе (1) равна 92-94%, а суммарная конверсия в двух реакторах равна 99,5-99,8%. Углеводородная фракция (I) смешивается с чистым метанолом (II) и с возвратным метанолом (III) поступает последовательно в реакторы (1,2) через холодильники (6) в колонну выделения МТБЭ (3). Снизу колонны выводится МТБЭ (VI). Несконденсировавшаяся углеводородная фракция направляется в аппарат (4) для извлечения метанола промывкой отработанной УВ фракции водой (V). Смесь метанола с водой из аппарата (4) направляется в колонну для регенерации метанола (5). В которой разделяют возвратный метанол (III), направляющийся обратно в систему, через холодильник (6) и емкость (7), а кубовый продукт с колонны (5) (вода(V)) поступает обратно в колонну для извлечения метанола [15].

Рисунок 3. Схема процесса синтеза МТБЭ IFP

Сравним вышеперечисленные технологические схемы производства МТБЭ, результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры процесса получения МТБЭ по разным технологиям

По результатам видно что, самая высокая конверсия и селективность процесса предложенного институтом IFP, что делает его наиболее эффективным. Однако данный процесс отличается более сложной технологической схемой, что является причиной повышенных затрат на ремонт, обслуживание и замену аппаратуры, а также повышенное энергопотребление установки. Поэтому за основу нашей работы принимаем процесс, предложенный НИИ «Ярсинтез» (рисунок 4). Так как у него наиболее оптимальные показатели конверсии и селективности конечного продукта, в отличии процесса фирмы «Erdolchemies».

В этом методе улучшение качества продуктов и уменьшение количества используемого пара достигается дополнительным регулированием температуры до максимальной в слое катализатора, количество подаваемого метанола пропорционально используемому изобутилену с диметиловым эфиром. Разница между температурой кубовой жидкости и 3 теоретической тарелкой, поддерживается не более 4-6. А температура на 10 теоретической тарелке поддерживается в пределах 72-75 .

Синтез МТБЭ по данной схеме осуществляется взаимодействием метанола и изобутилена фракции С4 в присутствии катализатора при повышенных температуре и давлении, обеспечивающем протекание процесса в жидкой фазе. В качестве катализатора используется макропористый сульфокатионит в Н-форме. Эта схема позволяет значительно снизить металлоемкость и энергозатраты процесса при высокой конверсии реагирующих веществ[16].

Рисунок 4. Технологическая схема получения МТБЭ

Схема предусматривает следующие стадии:

взаимодействие метанола и изобутилена фракции С4;

дальнейшее разделение продуктов реакции на товарный МТБЭ и углеводородную фракцию в смеси с метанолом;

экстракцию метанола водой;

ректификационное выделение метанола из водного экстракта.

Дистиллят, очищенный от метанола, используется в качестве орошения ректификационной колонны. Выделение метанола из дистиллята осуществляется путем подачи в выходящий из ректификационной колонны поток паров дистиллята воды или водяного пара и дальнейшей конденсацией паров с разделением водного и органического слоев.

В данной схеме выделение метанола из дистиллята осуществляется не в отдельном экстракторе, что позволяет уменьшить металлоемкость процесса - ликвидировать узел технологической схемы, а именно отдельный экстрактор.

Основные параметры процесса:

мольное соотношение метанол/изобутилен равно 1/1;

объемная скорость подачи сырья в реактор 2 ;

температура на выходе из реактора не более 40С.

Метанол и изобутановая фракция, содержащая изобутилена 18,2%, поступая в реактор (1), проходит через катализаторный слой макропоистого сульфокатионита. Продукты реакции, отводимые снизу аппарата, направляются в ректификационную колонну (2), с 28 теоретическими тарелками и флегмовым числом 2,5. Снизу колонны (2) отводится, готовый эфир. В поток изобутана и метанола, выходящий сверху колонны (2), вводят воду (водяной пар) путем распыления в шлемовую трубу колонны (2).Газожидкостная смесь охлаждается в холодильнике конденсаторе (6) и расслаивается в емкости (4) на водный и органический слои. Водный слой направляется в колонну (3) на выделение метанола; органический слой идет на орошение колонны (2). Метанол, отогнанный из водного слоя, рециркулируется на стадию синтеза эфира.

В результате осуществления такого процесса товарный МТБЭ содержит до 0,5% метанола, конверсия изобутилена составляет 98,2%, содержание метанола в отработанной изобутановой фракции менее 0,01%, а изобутилена - 0,4%.

В данном докладе поставлена задача, основные результаты и подходы к решению которой состоят в следующем:

1. Исследован процесс синтеза МТБЭ: физико-химические основы процесса, химизм и механизм каталитической реакции, существующие технология и оборудование для осуществления процесса, катализаторы;

2. Выявлены недостатки существующей технологии синтеза МТБЭ, в том числе: используемый катализатор, технологическое оформление процесса;

3. Предложено и обосновано устранение из технологической схемы отдельного экстрактора. Предлагаемое решение позволит значительно снизить металлоемкость и энергозатраты процесса;

4. Предлагаемые в работе решения позволяют увеличить селективность процесса и снизить количество побочных продуктов.

Следовательно, оптимизация технологической схемы получения МТБЭ экономически оправдана.

Список использованных источников

бензин метанол изобутилен катализатор

1. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. - М. Недра-Бизнесцентр, 2000, Изд. 3е, перераб. и доп., 677 с.

2. ОАО НИИ «Ярсинтез» Технология получения метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) Ярославль, 2016, 14 с.

3. Паниди И.С., Трофимов В.А., Производство метилтретбутилового эфира с применением реактора адиабатического типа. - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. - 15 с.

4. Данилов А.М. Присадки и добавки. - М.: Химия, 1996. - 232 с.

Размещено на Allbest.ru