Расчёт трубчатого реактора пиролиза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА

Реферат

на тему: Расчёт трубчатого реактора пиролиза

Студентка:

Олесик Екатерина Сергеевна

Содержание

Введение

1. Теоретические основы пиролиза

2. Технологическое оформление процесса пиролиза

3. Расчет трубчатого ректора пиролиза

Список используемой литературы

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Введение

Пиролиз представляет собой процесс глубокого расщепления углеводородного сырья под действием высоких температур. Газ пиролиза, богатый этиленом, пропиленом, бутиленами, является целевым продуктом процесса. В настоящее время важным источником бутадиена является также фракция С4 газа пиролиза.

Первые промышленные установки по производству олефинов были спроектированы для использования этана и пропана. Как видно из табл. 1, этан и пропан с высокими выходами превращаются в этилен, а пропан, кроме того, с высоким выходом образует пропилен.

Таблица 1. - Выходы продуктов на установках по производству олефинов из различных видов сырья:

Из приведенных данных видно, что выходы этилена и пропилена из газового сырья значительно выше, чем из нефтяных фракций. В настоящее время около половины заводов по производству этилена используют пропановое сырье, а остальные - в основном нафту и газойль.

1. Теоретические основы пиролиза

Пиролиз приводит к глубокому преобразованию исходного сырья, в результате чего образуются газообразные углеводороды, ароматические моно- и полициклические углеводороды, а также продукты уплотнения. Если обратиться к графику изменения энергии Гиббса для некоторых углеводородов в зависимости от температуры (приложение 1) то станет очевидным, что в области высоких температур наиболее стабильны олефины и ароматические углеводороды:

- выше 790°С этилен становится стабильнее этана (прямые для этана и этилена пересекаются);

- при ещё более высоких температурах (1120°С) наиболее стабилен ацетилен;

- таким образом, интервал 790-1120°С является динамически возможным для получения этилена из этана.

Аналогичные данные для пиролиза пропана с целью получения этилена позволяют установить примерный температурный интервал от 660 до 930°С.

Первичные реакции расщепления парафинов могут идти в двух направлениях:

Первое направление динамически более вероятно, так как энергия разрыва связи СС меньше, чем связи СН. Обе реакции идут с поглощением тепла и увеличением объёма, следовательно им благоприятствуют высокие температуры и пониженные давления.

Вторичные реакции, протекающие при пиролизе, весьма многочисленны:

- изомеризация парафиновых цепей, нафтеновых циклов и алкильных групп алкилароматических углеводородов;

- циклизация диенов;

- полимеризация олефинов и диенов;

- конденсация ароматических углеводородов.

Все эти реакции в противоположность реакциям расщепления, идут с выделением тепла и уменьшением объёма, поэтому их протеканию благоприятствуют повышенное давление и сравнительно невысокие температуры.

Пиролиз протекает по радикально-цепному механизму. Поэтому на примере этана можно выделить три последовательных стадии:

Реакции (1)-(7) описывают образование основных продуктов распада этана на начальных стадиях пиролиза, основными продуктами которого являются водород, этилен и метан. Для пиролиза этана характерно, что цепь распада ведёт радикал Н, а радикал СН3 образуется в незначительных количествах только на стадии инициирования. В случае же пиролиза пропана на стадии продолжения цепи большую роль играет как радикал Н, так и радикал СН3. Поэтому при пиролизе этана преимущественно протекает дегидрирование, а при пиролизе пропана и более тяжёлых углеводородов превалирует расщепление:

Большое влияние на состав продуктов пиролиза оказывает температура.

При низких температурах преимущественно протекают реакции (10) и (12), в меньшей степени - реакции (11) и (13), так энергия разрыва связи С-Н у первичного углеродного атома больше, чем у вторичного. Соответственно образуется больше пропилена по реакции (6) и меньше этилена по реакции (7). При высоких температурах, напротив, образуется больше этилена, а пропилена меньше, так как с ростом температуры более ускоряются реакции, имеющие более высокую энергию активации, а именно (11) и (13).

Выход этилена и других олефинов зависит также от давления. При понижении давления снижается концентрация реагирующих веществ и уменьшается число соударений между молекулами. Последнее приводит к уменьшению количества продуктов уплотнения. Поэтому процесс пиролиза ведут при разбавлении сырья водяным паром (до 20% на сырьё), снижая парциальное давление углеводородных паров.

Время контакта - важнейший параметр пиролиза, который, наряду с температурой, подбирается таким образом, чтобы получать максимальное количество этилена и других низших олефинов. При этом каждой температуре соответствует оптимальное время контакта, при котором выход целевого продукта максимален. Например, максимальный выход этилена из этана соответствует температуре приблизительно 1000°С и времени контакта 0,01 с. На промышленной установке выбор температуры определяется в значительной степени особенностями аппаратурного оформления, так как применение в трубчатых печах температур выше 1000°С затрудняется из-за необходимости подбора жароупорных материалов, вследствие забивания труб сажей, а также весьма малого времени контакта.

Этиленовому режиму пиролиза соответствует пониженный выход пропилена, так как он при этом частично превращается в этилен. Наиболее мягкими являются “бутиленовый” и “бутилен-бутадиеновый” режимы.

2. Технологическое оформление процесса пиролиза

Установка для производства олефинов состоит из двух важнейших частей - узла пиролиза и узла очистки и фракционирования.

1. Узел пиролиза.

Узел пиролиза (от греческого pyros - огонь) состоит из газом отапливаемой печи, где и происходит крекинг. Этан проходит через лабиринт из труб диаметром 10-15 см., где он нагревается до 800°С и разлагается.

Этан проходит через узел пиролиза с очень высокой скоростью. Продолжительность пребывания в реакторе отдельной молекулы составляет несколько секунд на старых установках и менее 100 мкс на новых. Большая скорость нужна для удержания процесса пиролиза в требуемых рамках, предотвращающих разложение сырья до динамически более устойчивых сажи (кокса) и водорода.

Пиролиз представляет собой эндотермическую реакцию, требующую подвода больших количеств тепла. В силу этого основными особенностями процесса являются:

- быстрый подвод тепла (поскольку время контакта очень мало) и создание высоких температур;

- необходимость “закалки” продуктов реакции, т. е., быстрое их охлаждение, с целью прекращения процесса и предотвращения вторичных реакций.

Пиролиз в трубчатых печах в настоящее время практически единственный промышленный метод. Наиболее традиционные режимы процесса - температура 800-870°С и время контакта 0.2 с. - позволили довести выход этилена за проход до 27.5-29% (масс.).

На рис. 1 приведена принципиальная технологическая схема установки пиролиза этана. Сырьё нагревается в теплообменнике 2 до 80 - 100°С за счёт тепла циркулирующего тяжёлого масла и поступает в конвекционную камеру печи 3, где происходит его смешение с водяным паром. Реакционная смесь нагревается до 600-650°С перед поступлением в радиантную камеру печи. Пиролиз углеводородного сырья протекает в радиантных трубах, на выходе из которых температура составляет 840-870°С. Продукты пиролиза охлаждаются в закалочно-испарительном аппарате (ЗИА) трубчатого типа, в межтрубном пространстве которого циркулирует химически очищенная вода. Отводимое тепло используется для выработки пара высокого давления. Охлаждённые в ЗИА до 350-400°С продукты пиролиза направляются в узел закалки 6 для дальнейшего охлаждения до 200°С за счёт смешения с циркулирующим тяжёлым маслом.

Полученная смесь направляется в колонну 7 первичного фракционирования, орошаемую лёгким маслом, для отделения тяжёлой смолы, сажи и кокса. В средней части колонны расположены тарелки, на которых газ пиролиза дополнительно очищается от сажи и тяжёлых углеводородов циркулирующим тяжёлой смолой.

С верха колонны выходит смесь газа, паров лёгкого масла и водяного пара. Пары из колонны первичного фракционирования поступают в колонну 12 водной промывки, где конденсируется смола и большая часть водяного пара. С верха колонны газ пиролиза направляется в отделение компримирования.

Смесь лёгкого масла и воды с низа колонны 12 подают в водоотделитель 13, откуда часть лёгкого масла откачивают наверх колонны 7 в качестве орошения, а воду подают на орошение колонны 12.

Большое влияние на выход и состав продуктов пиролиза оказывает распределение температур по длине радиантного змеевика. Регулирование распределения температур осуществляется с помощью горелок. Температурные кривые могут быть выпуклыми, прямолинейными или вогнутыми (приложение 2).

При вогнутых эпюрах получается меньше этилена и больше пропилена и углеводородов С4, поскольку реагирующая смесь сравнительно небольшое время находится в зоне высоких температур. Напротив, при выпуклой эпюре пары находятся при высоких температурах более длительное время, поэтому при одинаковой конечной температуре на выходе из печи получается больше этилена и меньше пропилена и фракции С4.

Рис. - Технологическая схема пиролиза этана:

На схеме:

1, 8, 15, 16 - насосы;

2 - теплообменники;

3 - печь пиролиза;

4 - закалочно-испарительный аппарат;

5, 11 - паросборники;

6 - узел впрыска масла;

7 - колонна первичного фракционирования;

9 - фильтр;

10 - котёл-утилизатор;

12 - колонна водной промывки;

13 - водоотделитель;

14 - холодильник.

При прямолинейной эпюре для получения того же количества этилена, что и при выпуклой, требуется более высокая температура на выходе из печи. Жёсткость процесса характеризует фактор профиля:

Чем меньше величина фактора профиля, тем жестче режим процесса.

Селективность пиролиза определяется отношением выхода целевого продукта к суммарному выходу всех продуктов превращения сырья. Поэтому селективность пиролиза пропана по этилену и пропилену будет изменяться в зависимости от жёсткости процесса.

2. Узел очистки и фракционирования пирогаза.

Пирогаз, покидающий реакционный змеевик, на 40-50% состоит из не прореагировавшего этана.

Таким образом, часть работы узла очистки направлена на отделение этана, который затем возвращается в процесс. Такой способ переработки сырья иногда называют рециркуляцией «до уничтожения». В результате, благодаря рециркуляции этана после пиролиза и очистки, достигаются следующие суммарные выходы:

Продукт пиролиза «до уничтожения» уже не содержит этана. В секции очистки на установке пиролиза этана разделение газа можно осуществить двумя способами.

Для фракционирования продукт должен быть переведен в жидкое состояние. А так как все продукты - легкие газы, сжижение можно провести, либо увеличив давление в компрессоре, либо сильно снизив температуру в емкости, которая называется холодильной камерой.

После компрессора располагается ряд колонн фракционирования, как правило, это самые высокие сооружения на заводе по производству этилена, где в виде отдельных фракций получают смесь метана с водородом, этилен, этан, а также пропан и более тяжелые продукты.

Все оборудование должно быть металлическим и толстостенным, чтобы выдерживать высокие давления, и теплоизолированным, чтобы сохранять низкие температуры.

На установке имеется также узел гидрирования ацетилена, или конвертор. Следовые количества ацетилена, остающиеся в этилене, могут нарушить некоторые процессы с участием - особенно это касается производства полиэтилена. Поэтому поток продуктов обрабатывают водородом над катализатором (селективное гидрирование), чтобы превратить имеющееся малое количество ацетилена в этилен.

3. Расчет трубчатого ректора пиролиза

Исходными данными для расчёта являются:

1. Количество исходного газа - 25000 кг/ч.

2. Состав газа в мольных долях - таблица 2.

Таблица 2. - Состав газа:

3. Состав продуктов пиролиза (пирогаз) - таблица 3.

Таблица 3. - Состав продуктов пиролиза (пирогаз):

4. Количество водяного пара, добавляемого к исходному сырью перед его подачей в печь - 3500 кг/ч.

5. Состав топливного газа (мол. д) - таблица 4.

Таблица 4. - Состав топливного газа:

6. Температура сырья на входе в печь - 650°К.

Рассчитан реакционный змеевик трубчатой печи градиентного типа (приложение 3) значит предварительным расчётом последовательно определить поверхность нагрева, длину и число труб змеевика, а также время пребывания реакционной смеси в змеевике, которое не должно быть выше некоторого оптимального значения, зависящего от температуры. Расчёт ведётся методом последовательного приближения - предварительно задаются перепадом давления в реакционном змеевике, а затем вычислениями подтверждают правильность принятой ранее величины.

Список используемой литературы

1. Балыбердина И.Т. Физические методы переработки и использование газа. М. «Недра», 1988 г.;

2. Бусыгина Н.В., Бусыгин И.Г. Технология переработки природного газа и газового конденсата. О.: ИПК «Газпромпечать», 2002 г.;

3. Введенский А.А. Термодинамические расчеты нефтехимических процессов. Л.: «Гостоптехиздат», 1960 г. - 576 с.;

4. Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов промышленности. М.: «Химия», 1966 г. - 336 с.;

5. Мурин В.И., Кисленко Н.Н., Сурков Ю.В. Технология переработки природного газа и конденсата. Справочник. В 2-ч. М.: ООО «Недра - Бизнесцентр» 2002 г. - Ч.1 - 517 с.;

6. Рид Р. Свойства газов и жидкостей. Л.: «Химия», 1982 г. - 592 с.;

7. Сарданашвили А.Г., Львова А.Н. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. М.: Химия, 1980 г.;

8. Кикоин И.К. Справочник. Таблица физических величин, М.: «Автомиздат», 1976 г. - 1008 с.;

9. Отчет о НИР ВУНИПИгаз «Проведение лабораторных испытаний цеолитов группы NaX торговой марки «РеалСорб» г. Ярославль», 2008 г.;

10. Объединение независимых экспертов в области геологии, металлургии и химической промышленности стран СНГ. Обзор рынка синтетических цеолитов в СНГ. М: 2006 г.;

11. ТУ 2163-007-21742510-2005 тип А. Цеолит синтетический гранулированный NaX-НПГ.;

12. Гилязетдинов Л.П., Фролов О.Е. Технологический расчет установки атмосферной перегонки нефти. М., 1985 г.;

13. Технологическая документация установки адсорбционной осушки и очистки природного газа от сернистых соединений.

Приложение 1

Рис. - Максимальный выход этилена при пиролизе этана в интервале 730 - 1100°С: технологический пиролиз трубчатый

Приложение 2

Рис. - Температурный профиль печного змеевика:

Приложение 3

Рис. - Схема трубчатой печи градиентного типа:

Размещено на Allbest.ru