Реактор изомеразии

 

 

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ общеОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «Машины и аппараты химических производств»

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Конструированию и расчет машин и аппаратов»

 

 

«реактор изомеразии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗФ 4 курс 6 группа

Студент     А.В. Мещеркин

 

Преподаватель     С.Б. Коныгин

 

 

 

Самара 2010

 

Реферат

Переработка нефти начинается с перегонки или фракционирования сырой нефти в отдельные углеводородные группы. Полученные в результате продукты непосредственно связаны с характеристиками обрабатываемой сырой нефти. Большая часть этих продуктов перегонки далее преобразуются в более полезные продукты путем изменения их физических свойств и структур молекул под действием крекинга, реформинга и других процессов преобразования. Эти продукты последовательно подвергаются различным процессам очистки и разделения, таким как извлечение, гидроочистка и очистка от активной серы, с целью образования конечных продуктов. В то время как самые простые операции по нефтепереработке обычно ограничиваются атмосферной и вакуумной перегонкой, большие нефтеперерабатывающие заводы осуществляют фракционирование, преобразование, обработку и смешивание со смазочным материалом, производство тяжелого топлива и асфальта; они могут также производить обработку нефтепродуктов. 
      Первый нефтеперерабатывающий завод, который открылся в 1861, производил керосин путем простой атмосферной перегонки. Побочными продуктами были гудрон и нафта (сырая нефть). Вскоре было обнаружено, что высококачественные смазочные материалы могут быть произведены путем перегонки нефти в вакууме. Однако, на протяжении следующих 30 лет керосин был тем продуктом, который потребители хотели иметь больше всего. Два наиболее значимых события, которые изменили данную ситуацию, были:      
· Изобретение электрического света, который уменьшил спрос на керосин 
· Изобретение двигателя внутреннего сгорания, который создал спрос на дизельное топливо и бензин (нафта).      
      С появлением массового производства и Первой мировой войны резко увеличилось число транспортных средств, использующих бензин, и спрос на бензин соответственно вырос. Однако, только определенное количество бензина могло быть получено из сырой нефти с помощью процессов атмосферной и вакуумной перегонки. Первый процесс термического крекинга был разработан в 1913 году. Термический крекинг подвергал тяжелые топлива действию давления и чрезмерного тепла, разделяя физически его большие молекулы на меньшие по размеру, производя дополнительный бензин и дистиллятные топлива. Сложная форма термического крекинга, легкого крекинга, была разработана в конце 1930-ых с целью получения более желанных и ценных продуктов.

Когда были разработаны бензиновые двигатели с более высоким сжатием, появился спрос на бензин с более высоким октановым числом, имеющий лучшие антидетонационные характеристики. Внедрение процессов каталитического крекинга и полимеризации в середине-конце 1930-х удовлетворило этот спрос путем обеспечения повышенного выхода бензина с более высокими октановыми числами. Алкилирование, другой каталитический процесс, был разработан в начале 1940-ых для производства авиационного бензина с более высоким октановым числом и использование исходного сырья нефтепродуктов, начальных материалов для взрывчатых веществ и синтетического каучука. Впоследствии был разработан процесс каталитической изомеризации, преобразующий углеводороды с целью производства повышенных количеств исходного сырья для алкилирования.     

После Второй мировой войны были внедрены различные процессы реформинга, которые улучшили качество и выпуск бензина, и произвели продукты более высокого качества. Некоторые из них использовали катализаторы и водород с целью изменения молекул и удаления серы. Улучшенные катализаторы и технологические методы, такие как гидрокрекинг и реформинг, создавались на протяжении 1960-ых с целью увеличения выпуска бензина и улучшения его антидетонационных характеристик. В каталитические процессы также производили молекулы с двойной связью (алкены), формируя основы современной нефтехимической помышленности. 
          Число и типы различных процессов, используемых на современных нефтеперерабатывающих заводах, зависят, прежде всего, от природы исходного сырья сырой нефти и требований к конечному продукту. На процессы также оказывают влияние экономические факторы, включая стоимость сырой нефти, стоимости продуктов, наличие коммунальных услуг и транспорта.

Процессы и операции по переработке нефти можно классифицировать на следующие основные области: разделение, преобразование, обработка, компоудирование, вспомогательные операции нефтепереработки и нетехнологические операции нефтепереработки.

Основные топливные продукты - сжиженный нефтяной газ, бензин, керосин, топливо для реактивных двигателей, дизельное топливо, печное топливо и остаточные мазуты. 
         Многие продукты, полученные в результате очистки сырой нефти, такие как этилен, пропилен и бутадиен, являются олефиновыми углеводородами, полученными в результате процессов крекинга на нефтеперерабатывающем заводе, и предназначены для использования в нефтехимической промышленности в качестве исходного сырья для производства пластмассы, аммиака, синтетического каучука, гликоля и так далее. 
         Производство нефтепродуктов - это использование химических веществ, катализаторов, тепла и давления для разделения и объединения основных типов углеводородных молекул, обычно присутствующих в сырой нефти, в группы подобных молекул. Процесс очистки также реорганизует структуры и модели сцепления основных молекул в различные, более желанные углеводородные молекулы и соединения. Тип углеводорода (парафиновый, нафтеновый или ароматический), а не определенные присутствующие химические соединения и добавки, является самым важным фактором в процессе переработки нефти.      
    Первый шаг при переработке нефти - фракционирование сырой нефти в колоннах атмосферной и вакуумной перегонки. Нагретая сырая нефть физически разделяется на различные фракции или фракции прямой перегонки, отличающиеся определенными диапазонами температур кипения и классифицируемые в порядке уменьшения летучести как: газы, легкие дистилляты, средние дистилляты, газойли и остатки. Фракционирование работает, так как градация по температуре от нижней части до верхней части колонны перегонки заставляет компоненты с более высокими температурами кипения конденсироваться первыми, в то время как фракции с более низкими температурами кипения поднимаются выше в колонне прежде, чем они конденсируются. Внутри колонны поднимающиеся пары и опускающиеся жидкости (орошение) смешиваются на уровнях, где их составы находятся в динамическом равновесии друг с другом. На этих уровнях (ректификационных тарелках) располагаются специальные лотки, которые удаляют фракцию жидкости, которая конденсирует на каждом уровне. В типичной двухступенчатой установке по переработке сырой нефти за колонной атмосферной перегонки, производящей легкие фракции и дистилляты, немедленно следует колонна вакуумной перегонки, которая обрабатывает атмосферные остатки. После перегонки только небольшое количество углеводородов подходят для использования в качестве конечного продукта без дальнейшей обработки. 
          В колоннах атмосферной перегонки опресненное исходное сырье - сырая нефть - предварительно нагревается, используя регенерированное тепло процесса. Оно затем поступает к нагревателю нефти прямой перегонки и после нагрева подается в вертикальную ректификационную колонну прямо над основанием при давлениях, слегка превышающих атмосферное и при температурах от 343°C до 371°C во избежание нежелательного термического крекинга, который происходит при более высоких температурах. Более легкие фракции (низкая температура кипения) проникают в верхнюю часть колонны и непрерывно удаляются и направляются к другим установкам для дальнейшей переработки, обработки, смешивания и распределения. 
          Фракции с самыми низкими температурами кипения, такие как топливный газ и легкая нафта, удаляются из верхней части колонны по верхней трубе как пары. Нафта или бензин прямого погона берутся из верхней секции колонны как верхний поток. Эти продукты используются в качестве исходного сырья при производстве нефтепродуктов и исходного сырья для реформинг-установки, сырья для смешивания с компонентами бензинов, в качестве растворителей и сжиженных нефтяных газов.      
          Фракции с промежуточным диапазоном кипения, включая газойль, тяжелую нафту и дистилляты, удаляются из средней секции колонны как боковые потоки. Они направляются к конечным операциям для получения керосина, дизельного топлива, мазута, топлива для реактивных двигателей, сырья для каталитических крекинг-установок и компонентов смешивания. Некоторые из этих жидких фракций отпариваются от их более легких фракций, которые возвращаются в колонну в качестве движущихся сверху вниз потоков орошения.       
     Более тяжелые фракции с более высокими температурами кипения (называемые мазутом, отстоем или верхней нефтью), которые конденсируются или остаются на дне колонны, используются для мазута, производства асфальта или исходного сырья для крекинга, или направляются к нагревателю и в колонну вакуумной перегонки для дальнейшего фракционирования.      
       Колонны вакуумной перегонки обычно используются для отделения сырья каталитического крекинга от избыточного остатка. Отстои колонны вакуумной перегонки могут быть также посланы в установку для коксования, использоваться в качестве смазочного материала или сырья для асфальта или быть десульфурированы и смешаны с мазутом с низким содержанием серы.

На нефтеперерабатывающих заводах имеются другие многочисленные ректификационные колонны меньшего размера, спроектированные для разделения определенных и уникальных продуктов, которые все работают по тому же самому принципу, что и колонны атмосферной перегонки. Например, депропанизатор - маленькая колонна, разработанная для отделения пропана от изобутана и более тяжелых компонентов. Другая колонна большего размера используется для разделения этилбензола и ксилола. Маленькие “пузырьковые” колонны, называемые секциями отпаривания, используют острый пар для удаления небольших количеств легких продуктов (бензина) из более тяжелых нефтепродуктов.   

Процессы термического крекинга, разработанные в 1913 году, связаны с нагревом дистиллятных топлив тяжелой нефти под давлением в больших барабанах до тех, пока они не расщепляются в меньшие молекулы с лучшими антидетонационными характеристиками. Этот ранний метод, который был связан с образование большого количества твердого, нежелательного кокса, эволюционировал в современные процессы термического крекинга, включая легкий крекинг, паровой крекинг и коксование. 
         Каталитический крекинг расщепляет сложные углеводороды на более простые молекулы с целью увеличения качества и количества более легких, более желанных продуктов и уменьшения остатков. Тяжелые углеводороды подвергаются действию катализаторов при высокой температуре и низком давлении, которые содействуют химическим реакциям. Этот процесс перегруппировывает молекулярную структуру, преобразуя компоненты тяжелых углеводородов в более легкие фракции, такие как керосин, бензин, сжиженный нефтяной газ, масло и исходное сырье для получения нефтепродуктов. Выбор катализатора зависит от комбинации самой большой возможной реактивности и лучшего сопротивления трению. Катализаторы, используемые в крекинге при нефтепереработке, являются обычно твердыми материалами (цеолит, гидросиликат алюминия, обрабатываемая бентонитная глина, земля Фуллера, боксит и алюминсиликат), которые присутствуют в форме порошков, шариков, гранул или формообразных материалов, называемых штамповками (экструдитами).            
       Гидрокрекинг - двухступенчатый процесс, сочетающий каталитический крекинг и гидрирование, при котором фракции дистиллята расщепляются в присутствии водорода и специальных катализаторов с целью создания более желанных продуктов. Гидрокрекинг имеет преимущество по сравнению с каталитическим крекингом в том, что исходное сырье с высокой концентрацией серы может обрабатываться без предварительной десульфурации. При данном процессе тяжелое ароматическое исходное сырье преобразуется в более легкие продукты при очень высоких давлениях и довольно высоких температурах. Когда исходное сырье имеет высокое содержание парафина, водород предотвращает образование полициклических ароматических углеводородов, уменьшает образование гудрона и предотвращает накапливание кокса на катализаторе. Гидрокрекинг производит относительно большие количества изобутана для исходного сырья для алкилирования и также вызывает изомеризацию для контроля над температурой текучести, при этом оба показателя являются важными характеристиками высококачественного топлива для реактивных двигателей. 
       Два объединяющихся процесса, полимеризация и алкилирование, используются, для соединения маленьких молекул, обедненных водородом, называемых олефинами, восстановляемых термическим и каталитическим крекингом, с целью создания более желанного исходного сырья смешивания с бензином.      

Полимеризация - процесс объединения двух или больше ненасыщенных органических молекул (олефинов) с целью формирования одиночной, более тяжелой молекулы с теми же самыми элементами в той же самой пропорции, как и у первоначальной молекулы. Этот процесс преобразует газообразные олефины, такие как этилен, пропилен и бутилен, преобразованные установками термического крекинга и крекинга с флюидизированным катализатором в более тяжелые, более сложные, высокооктановые молекулы, включая сырую нефть и исходное сырье для нефтепродуктов. Исходное сырье олефинов предварительно обрабатывается с целью удаления сернистых соединений и других нежелательных веществ, а затем передается к фосфорному катализатору, обычно твердому катализатору, или жидкой фосфорной кислоте, где происходит экзотермическая полимерная реакция. Это требует использования охлаждающей воды и впрыскивания холодного исходного сырья в реактор с целью контроля над температурами при различных давлениях. Кислота в жидкостях удаляется с помощью промывки щелочью, жидкости фракционируют, а кислотный катализатор рециркулирует. Пар фракционирует с целью удаления бутана и нейтрализуется с целью устранения следов кислоты. Будет иметь место сильная коррозия, ведущая к выходу оборудования из строя, когда вода входит в контакт с фосфорной кислотой (водная мойка при выключении). Коррозия может также иметь место в трубопроводах, кипятильниках, теплообменниках и других местах, где кислота может выпадать в осадок. Существует потенциальная возможность воздействия щелочной мойки (гидрооксид натрия), фосфорной кислоты, используемой в процессе или вымываемой во время циклов опорожнения - закачивания - отбора, и пыли катализатора. Существует потенциальная возможность неуправляемой экзотермической реакции, если имеют место потери охлаждающей воды. 
      Алкилирование объединяет молекулы олефинов, полученные в результате каталитического крекинга, с молекулами изопарафинов с целью увеличения объема и октанового числа смесей бензина. Олефины будут реагировать с изопарафинами в присутствии высоко активного катализатора, обычно серной кислоты или фтористоводородной кислоты (или хлорида алюминия), с целью создания парафиновых молекул с длинной разветвленной цепочкой, называемых алкилатами (изооктан) с исключительной антидетонационной стойкостью. Алкилат затем разделяется на фракции. Относительно низкие температуры реакции от 10°C до 16°C для серной кислоты, 27°C до 0°C для фтористоводородной кислоты (HF) и 0°C для хлорида алюминия контролируются и поддерживаются путем охлаждения.    
       Каталитический реформинг и изомеризация - процессы, которые перегруппировывают углеводородные молекулы с целью создания продуктов с различными характеристиками. После крекинга некоторые потоки бензина, хотя и имеющие нужные размеры молекул, требуют дальнейшей обработки с целью улучшения их характеристик, так как у них наблюдается отсутствие некоторых качеств, таких как содержание серы или октановое число. Реформинг водорода (пара) производит дополнительный водород для использования в процессе гидрирования. 
     Процессы каталитического реформинга преобразовывают низкооктановую тяжелую нафту в ароматические углеводороды для исходного сырья нефтепродуктов и высокооктановых компонентов бензина, называемых продуктами реформинга, путем молекулярной перегруппировки или дегидрирования. В зависимости от исходного сырья и катализаторов, продукты реформинга могут быть получены с очень высокими концентрациями толуола, бензола, ксилола и других ароматсоединений, полезных при смешивании бензина и нефтехимической обработке. Водород, важный побочный продукт, отделяется от продукта реформинга для рециркулирования и использования в других процессах. Полученный в результате продукт зависит от температуры и давления реактора, используемого катализатора и скорости рециркулирования водорода. Некоторые каталитические продукты реформинга работают при низком давлении, а другие при высоком давлении. Некоторые каталитические системы реформинга непрерывно восстанавливают катализатор, некоторые средства восстанавливают все реакторы во время циклов опорожнения - закачивания - отбора, а другие берут по одному реактору из потока для регенерации катализатора.     

При каталитическом реформинге исходное сырье для нафты предварительно обрабатывается с помощью водорода с целью удаления загрязнителей, таких как соединения хлора, серы и азота, которые могут отравить катализатор. Продукт очищают и фракционируют в колоннах, где оставшиеся загрязнители и газы удаляются. Десульфурированное исходное сырье нафты посылается к установке каталитического реформинга, где оно нагревается до состояния пара и пропускается через реактор с постоянным биметаллическим или металлическим катализатором, содержащим небольшое количество платины, молибдена, рения или другого благородного металла. Две основные реакции, которые происходят - производство высокооктановых ароматсоединений путем удаления водорода из молекул исходного сырья и преобразования нормальных парафинов в парафины с разветвленной цепочкой или изопарафины. 
     Изомеризация преобразовывает n-бутан, n-пентан и n-гексан в соответствующие изопарафины. Некоторые из нормальных компонентов парафина с прямой цепочкой легкой нафты прямого погона имеют низкое октановое число. Они могут быть преобразованы в высокооктановые изомеры с разветвленной цепочкой путем перегруппирования связей между атомами без изменения числа или видов атомов. Изомеризация подобна каталитическому реформингу в том, что углеводородные молекулы перегруппируются, но в отличие от каталитического реформинга, изомеризация только преобразует нормальные парафины в изопарафины. Изомеризация использует другой катализатор, нежели каталитический реформинг.      
       Два различных процесса изомеризации - изомеризация бутана ( ) и пентана/гексана. ( ).      
       Изомеризация бутана ( ) производит исходное сырье для алкилирования. Низкотемпературный процесс использует высокоактивный хлорид алюминия или хлористо-водородный катализатор без нагревателей с целью изомеризации n-бутана. Обработанное и предварительно нагретое исходное сырье добавляется к оборотному потоку, смешивается с HCl и пропускается через реактор 
     Изомеризация пентана/гексана используется для увеличения октанового числа путем преобразования n-пентана и n-гексана. В типичном процессе изомеризации пентана/гексана осушенное и десульфурированное исходное сырье смешивается с небольшим количеством органического хлорида и оборотным водородом и нагревается до температуры реактора. Затем оно проходит через катализатор, поддерживаемый металлом, в первый реактор, где бензол и олефины подвергаются гидрированию. Затем оно подается к реактору изомеризации, где парафины преобразуются в изопарафины путем каталитической изомеризации, охлаждаются и подаются к сепаратору. Газ и водород в сепараторе отделяется и с подпитывающим водородом рециркулирует. Жидкость нейтрализуется с помощью щелочных материалов и посылается к колонне отпаривания, где хлористый водород восстанавливается и рециркулирует. Если исходное сырье не полностью осушено и десульфурировано, существует возможность образования кислоты, приводящая к отравлению катализатора и коррозии металла. Нельзя позволить, чтобы вода или пар попали в те места, где присутствует хлористый водород. Необходимо предпринять меры предосторожности для предотвращения проникновения HCl в канализационные коллекторы и дренажи. Имеется потенциальная опасность воздействия изопентана и паров и жидкости алифатической нафты, а также технического газа, обогащенного водородом, соляной кислоты и хлористого водорода, и пыли, когда используется твердый катализатор. 
       Многие продукты, такие как термические нафты, полученные в результате легкого крекинга, коксования или термического крекинга, и высокосернистые нафты и дистилляты, полученные в результате перегонки сырой нефти, требуют обработки для использования в смесях бензина и топливных смесях. Продукты перегонки, включая керосин и другие дистилляты, могут содержать ничтожные количества аромосоединений, а нафтены и базовые компоненты смазочных материалов могут содержать воск. Эти нежелательные вещества удаляются либо на промежуточных стадиях нефтепереработки, либо до посылки продуктов на смешивание и хранение путем таких процессов очистки, как извлечение растворителем и депарафинизация растворителем. Ряд промежуточных и конечных продуктов, включая средние дистилляты, бензин, керосин, топливо для реактивных двигателей и сернистые газы, должны быть высушены и очищены от активной серы. 
     Обработка выполняется либо на промежуточной стадии процесса переработки, либо перед посылкой конечных продуктов на смешивание и хранение. Обработка удаляет из нефти загрязняющие вещества, такие как органические соединения, содержащие серу, азот и кислород, растворенные металлы, неорганические соли и растворяемые соли, растворенные в эмульгированной воде. Обрабатывающие материалы - это кислоты, растворители, щелочи и окисляющие и адсорбционные агенты. Обработка кислотой используется для улучшения запаха, цвета и других свойств базовых компонентов смазки для предотвращения коррозии и загрязнения катализатора и для улучшения стабильности продукта. Сероводород, который удаляется из “сухого” сернистого газа с помощью поглощающего агента (диэтиноламина), испаряется, используется как топливо или преобразуется в серу. Тип обработки и тип агентов зависит от базовых компонент сырой нефти, промежуточных процессов и спецификации конечного продукта.