Неокислительное дегидрирование низших алканов в олефины

Размещено на http://allbest.ru/

Практическая работа № 2

Неокислительное дегидрирование низших алканов в олефины

Введение

Цель работы: ознакомление с процессом каталитического дегидрирования низших алканов в олефины.

Задачи:

· ознакомление с процессом каталитического неокислительного дегидрирования легких алканов;

· ознакомление с методами приготовления катализаторов;

· освоение методики работы на проточной установке;

· освоение методики анализа исходных и образующихся соединений;

· проведение опытов;

· анализ веществ;

· расчет хроматограмм и основных характеристик (конверсия, селективность)

В современных условиях нефтехимический потенциал многих стран оценивается по объему производства низших олефинов (этилена, пропилена, изобутилена), которые являются базовым химическим сырьем для производства полиэтилена, полипропилена, пластмасс и т.д.

Основным классическим сырьем для получения олефинов является нафта. В основном, этилен производится путем термического крекинга нафты. Этот процесс является дорогостоящим и имеет ряд недостатков, одним из которых является образование значительных примесей ацетилена в продуктах процесса, поэтому требуется еще одна каталитическая стадия очистки этилена от ацетилена. На большинстве заводов в мире этилен и пропилен производят при окислительной переработке нафты. Использование воздуха, содержащего 78 % азота, приводит к образованию окислов азота - сильнейшего яда, опасного для окружающей среды. Поэтому компании, владеющие мощностями по производству этилена, должны снизить на 90 % выбросы NO_x или вывести эти мощности из эксплуатации.

Ограниченность запасов и ухудшение качества добываемой нефти, рост затрат на её переработку требует интенсивного вовлечения легких алканов, в том числе сжиженного нефтяного газа в качестве сырья для промышленного органического синтеза и производства моторных топлив.

Одним из приоритетных направлений переработки низших алканов для получения легких олефинов является каталитическое дегидрирование. Этот процесс обладает многими достоинствами: малостадийностью, возможностью гибкого управления путем варьирования природы катализатора и условий протекания реакции, легкостью разделения образующихся продуктов.

Сжиженный нефтяной газ (СНГ), состоящий из легкой фракции С₂-С₄ углеводородов, выделяется при добыче нефти и ее переработке на нефтеперерабатывающих заводах. В настоящее время значительная часть СНГ используется в качестве бытового газа или сжигается на факелах, что приводит к потере потенциально важного химического сырья и ухудшению экологической обстановки в регионах добычи и переработки нефти. Важной задачей является утилизация факельного газа с получением ценных продуктов нефтехимического синтеза. Процесс получения олефинов из СНГ является новым высокоэкономичным рентабельным производством благодаря использованию катализатора, не содержащего благородных металлов, и более низкой стоимости СНГ по сравнению с нефтью.

Основные реакции дегидрирования

1. Получение пропилена из пропана

СН₃ - СН₂ - СН₃ > СН₂ = СН - СН₃ + Н₂

2. Получение бутилена из н-бутана

СН₃ - СН₂ - СН₂ - СН₃ > СН₂ = СН - СН₂ - СН₃ + Н₂

Реакции дегидрирования парафинов и олефинов эндотермичны, а выходы целевых продуктов лимитируются равновесием реакции. Приемлемые выходы целевых продуктов при дегидрировании парафинов достигаются только при температурах выше 520^оС , а при дегидрировании олефинов - выше 570^оС. По этой причине процессы каталитического дегидрирования осуществляют при высоких температурах (550 - 650^оС), когда с заметной скоростью начинают протекать процессы крекинга и отложения кокса на поверхности катализатора. Для того, чтобы понизить парциальное давление исходных углеводородов и увеличить выход целевых продуктов (олефинов), процессы осуществляют при разбавлении сырья водяным паром, который кроме того является и теплоносителем. Дегидрирование парафинов осуществляют при давлениях, близких к атмосферному, или под вакуумом.

К катализаторам дегидрирования также ставятся повышенные требования: высокая селективность, снижение доли побочных реакций, термостабильность и механическая прочность.

В настоящее время в промышленности используются процессы дегидрирования низших парафинов, основанные на использовании платиновых и алюмохромовых катализаторов.

На использовании алюмохромового катализатора основан процесс “Catofin” (Фирма «АВВ Lummus Crest (United Catalysts)»). При температуре 530 - 670^оС и давлении 0,01 - 0,07 МПа конверсия пропана составляет - 65 % при селективности по пропилену - 87 %, конверсия изобутана - 60 - 65 % при селективности по изобутилену - 95 %

В процессе «Oleflex» в присутствии полиметаллического платинового катализатора при 530 - 700^оС конверсия пропана составляет 40 % при селективности по пропилену 90 %. При разбавлении сырья водяным паром на платиновом шпинельном катализаторе снижается температура процесса до 500 - 620^оС и увеличивается конверсия пропана до 50 % при селективности по пропилену 95 %.

Схема 1 - Процесс приготовления катализатора

Процесс приготовления катализатора состоит из следующих стадий:

1- подготовка носителя, заключающаяся в его сушке;

2- приготовление промотирующего раствора;

3- нанесение активной фазы на носитель;

4- сушка катализатора;

5- затаривание катализатора в реактор;

- прокаливание катализатора;

- продувка инертным газом.

Описание установки и методика проведения работы

каталитический дегидрирование олефин конверсия

Каталитические свойства приготовленных катализаторов исследовали в проточном кварцевом реакторе со стационарным слоем катализатора при атмосферном давлении. Схема установки приведена на рисунке 2. В реактор загружали 5 мл катализатора, смешанного с равным по объему количеством кварца для улучшения теплообмена. Для равномерного распределения сырья по поверхности катализатора свободные верхняя и нижняя части реактора заполняется по 2 мл насыпного объема кварца.

Свежий катализатор прокаливали в токе воздуха при 550^оС в течении 3^х часов. Затем идет продувка проточной установки инертным газом, далее поток аргона заменяли на поток СНГ, реактор продували сжиженным газом в течение 15 минут, после чего в реакторе повышали температуру до заданного значения. После установления всех параметров начинали процесс дегидрирования СНГ. Температура в катализаторном слое измерялась термопарой хромель - алюмель и регулировалась с помощью регулятора (ЛАТР), показания снимали по потенциометру (7). Сырье через реометр (3) с заданной скоростью подавалось в термостатированную ячейку с дистиллированной водой (4). Температура в ячейке изменялась и поддерживалась при помощи термостата (5). Далее сжиженный нефтяной газ, разбавленный парами воды, подавался в реактор (6). Задаются условия проведения процесса: температура процесса, давление, объемная скорость подачи сырья, продолжительность процесса. Скорость подачи сырья определяется, исходя из объема загруженного катализатора, и регулируется реометром. Газообразные продукты отбирались в газометр (10), а жидкие продукты конденсировались в приемнике (9).

Анализ исходного сырья и конечных продуктов определяли хроматографическим методом.

На одной навеске катализатора проводили серию опытов при варьировании температуры опыта и скорости подачи сырья.



Рисунок 2 - Схема проточной установки для дегидрирования смеси легких алканов (Р = 0,1 МПа)

1 - баллон с СНГ; 2 - вентиль тонкой регулировки; 3 - реометр; 4 - термостатированная ячейка; 5 - термостат; 6 - реактор; 7 - вольтметр; 8 - холодильник; 9 - приемник жидких продуктов; 10 - приемник газообразных продуктов

Перед опытом необходимо проверить герметичность соединения отдельных частей установки и начинать опыт только после достижения полной герметизации установки. Открывается баллон с сырьем, включается нагрев реактора. Регулируется температура опыта и скорость подачи газа в зависимости от задания. Полученные данные заносят в таблицу по образцу.

Таблица 1 - Переработка СНГ на 10% М₁ - M₂ / SiO₂ катализаторе в присутствии паров воды

Топ, оС	Состав СНГ, %
Объемная скорость СНГ, ч-1
Конверсия СНГ, %
Состав газообразного продукта, %
Водород
Метан
Этан
Этилен
Пропан
Пропилен
Изобутан
Н-бутан
Изобутилен
Бутилен
?С2-С4 олефинов
Селективность по олефинам С2-С4, %
?С3-С4 олефинов
Селективность по олефинам С3-С4, %

Методика расчета основных характеристик процесса

Основными параметрами, характеризующими процесс каталитического дегидрирования низших алканов, является конверсия сырья и селективность процесса. Конверсия исходного сырья - это количество превращенного сырья, выраженное в процентах, и характеризует степень превращения сырья в целевые и побочные продукты. Конверсию (К) сжиженного нефтяного газа определяли по формуле:

К_снг=[СНГ]_н - [СНГ]_к,

где [СНГ]_н -концентрация СНГ на входе в реактор, принимаемая за 100%.

Содержание С₃-С₄-алканов определялось перед каждым опытом хроматографическим методом. Следует отметить, что в первую очередь расходуется пропан и со временем его содержание в СНГ снижается, а концентрация н- и изо - бутанов увеличивается. [СНГ]_к,-суммарное содержание С₃-С₄-алканов в газообразном катализате (%).

Селективность образования олефинов находили по формуле:

S=V/K ? 100%,

где V - выход олефинов, %; К-конверсия сырья, %

Также производится расчет выхода каждого углеводорода в газообразном катализате.

Методика анализов

Анализ продуктов проводится на лабораторном газовом хроматографе Chrоm - 5. Прибор предназначен для количественного и качественного анализа газовых и жидких многокомпонентных смесей органического происхождения с температурами кипения до 300^оС. По показаниям хроматографа проводят расчет концентраций компонентов анализируемых смесей на основании полученных хроматограмм.

Площадь пиков хроматограммы является основой для количественных расчетов концентраций компонентов. Сумму площадей пиков принимают за 100% и рассчитывают содержание, отдельного компонента отношением площадей пика компонента к общей площади пиков. Этот метод может быть использован для расчета массовых процентов при анализе близкокипящих соединений, соответствующих одному гомологическому ряду. Площадь пика чаще всего определяется как площадь треугольника. Замеряют высоту пика h от базовой (нулевой) линии до вершины, делят ее пополам и на расстоянии, равном половине высоты, замеряют отрезок б от внешней стороны одной линии, вычерченной пером регистратора, до внутренней стороны другой. Площадь пика вычисляется умножением б на h с учетом переключения масштабов.

Инструкция к лабораторной работе

1.Перед началом работы проверить герметичность установки.

2.Подать в реактор сырье при помощи редуктора тонкой регулировки (Осторожно!). Следить за показанием ротаметра.

3.Включить обогрев печи реактора.

4.По достижении заданной температуры начать подачу сырья с постоянной скоростью.

5.Процесс вести под тягой.

6.По окончании процесса выключить обогрев печи, слить катализат.

7.Полученные газообразные продукты подвергнуть анализу для определения их состава.

Литература по работе

1. Котельников Г.Р., Струнникова Л.В., Патанов В.А. Катализаторы дегидрирования низших парафиновых, олефиновых и алкилароматических углеводородов. - Москва: ЦНИИТЭНефтехим, 1978. -81 с.

2. Алхазов Т.Г., Лисовский А.Е. Окислительное дегидрирование углеводородов. - Москва: Химия,1980. - 238 с.

3. Исагулянц Г.В., Беломестных И.П., Форбек Г. Окислительное дегидрирование алканов в олефины // Российский химический журнал. 2000.- № 2. -С. 69-80.

4. Дорогочинский А.З., Проскурнин А.Л., Каракашев В.Г. Получение ароматических и олефиновых углеводородов из дешевого сырья на модифицированных цеолитсодержащих катализаторах// Нефтехимия. - 1991. - Т. 31, № 5. - С. 712-717.

Приложение



Размещено на Allbest.ru