Производство изопрена. Узел изомеризации н-пентана в изопентан

 

Введение

 

         В настоящее время промышленность синтетического каучука является крупной передовой отраслью химической промышленности, производящей широкий ассортимент различных каучуков и  латексов. Невозможно представить современный мир без резинотехнических изделий и автомобилей. Для получения шин и РТИ используется как натуральный каучук, так и его синтетический аналог цис-1,4-полиизопрен, получаемый полимеризацией изопрена. Изопрен является ценным сырьем и используется также для получения других каучуков, термоэластопластов, витамина Е, инсектицидов и других ценных продуктов.

 

         Значение химической промышленности выражается в прогрессивной химизации всего народнохозяйственного комплекса: расширяется производство ценных промышленных продуктов; происходит замена дорогого и дефицитного сырья более дешевым и распространенным; производится комплексное использование сырья; улавливаются и утилизируются многие производственные отходы, в том числе вредные в экологическом отношении. В данном отчете по практике затронута тема разработки функциональной схемы автоматизации узла изомеризации пентана в изопентан, которая является актуальной и на сегодняшний день. Данный технологический процесс применяется нефтеперерабатывающими заводами для повышения октанового числа природного бензина и нафтенов с прямолинейными цепями. Улучшение антидетонационных свойств происходит в результате превращения нормального пентана в изопентан. Автоматизация технологического процесса позволяет многократно увеличить производительность, качество готовой продукции и значительно уменьшает затраты связанные непосредственно с изготовлением требуемого вида продукции. Спроектированная функциональная схема автоматизации должна отвечать всем требованиям, предъявляемым к надежности, производительности и конструктивной составляющей исполняемого вида схемы. Данный отчет по практике позволяет получить теоретические и практические навыки, которые являются необходимым условием для совершенствования своих профессиональных навыков с последующим применением их на производстве.

 

                 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

     

          1.1 Выбор метода производства.

 

 

Изомеризация – это процесс получения экологически высокооктановых компонентов автобензинов или сырья нефтехимии, прежде всего изопентана для синтеза изопренового каучука из низкооктановых компонентов нефти, содержащих в основном н-пентан и н-гексан

Как известно из курса органической химии, под изомеризацией понимают перестройку органической молекулы без изменения её молекулярной массы. Реакции изомеризации включают в себя миграцию двойных и тройных связей, сужение и расширение циклов, перемещение функциональных групп, изомеризацию углеродного скелета и т.д. Направление и глубина протекающей реакции зависят от характера исходного соединения, условий проведения процесса, наличия катализаторов, продолжительности и температуры реакции, давления, применяемых растворителей и других факторов.

Изомеризация преобразовывает н-пентан, н-гексан, н-бутан в соответствующие изопарафины. Некоторые из нормальных компонентов парафина с прямой цепочкой 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 риформингу в том, что углеводородные молекулы перегруппируются, но в отличие от каталитического риформинга, изомеризация только преобразует нормальные парафины в изопарафины. Изомеризация использует другой катализатор, нежели каталитический риформинг.

 

                               СН3-СН2- СН2- СН2- СН3 —>СН3- СН2- СН - СН3

                                                                                                        

                                                   СН3

 

                                                                       изопентан (2-метилбутан)

Реакция изомеризации Н-пентана в изопентан.

[5, с.171]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Применение готового продукта

 

Изопентан является промежуточным продуктом производстве изопрена. Изопрен в свою очередь служит сырьем для производства синтетического каучука марки СКИ-3, СКИ-5ПМ.

 

 

 

 

 

 

        1.3 Характеристика сырья, вспомогательных материалов и готового продукта в соответствии с требованиями стандартов

 

 

Таблица 1 - Характеристика сырья и готового продукта в соответствии

с требованиями стандартов.

 

 

Наименование	Государственный отраслевой стандарт	Показатели обязательные для проверки	Регламентируемые показатели.
1	2	3	4
1. Фракция нормального пентана	ТУ 0272-029-0015138-99	1.Массовая доля компонентов -сумма у/в,С4,не более -нормальный пентан -сумма циклопентана и у/в С6 и выше, не более В т.ч. сумма у/в С6 и выше, не более 2.Массовая доля сернистых  соединений, % масс., не более 3.Массовая доля потерь  при прокаливании при 5500С,%, не более	0,2                       1 96,5                93,5     3,0                    4,5   1,5                    2,0     0,01                0,01       0,6-0,7
2.Катализатор ИП-62, ИП-62М	ТУ 38.10173-88 ТУ 38.10173-77	1. Массовая доля катализатора- платины - Фтора -железа, не боле - натрия, не более 2. Насыпная плотность  катализатора  4.Массовая доля потерь  при прокаливании при 5500С,%, не более 5.Каталитические свойства -конверсия -селективность	0,5 3,5 0,02   0,6-0,7     6,5         55 98

 

 

 

Продолжение таблицы 1

 

1	2	3	4
3.Природный топливный газ	ГОСТ 5542-87	1.Теплота сгорания МДж/м3, не менее 2. Область значений числа  Воббе МДж/м3 3.Допустимые отклонения  числа Воббе от номинального значения,%, не более 4.Объёмная доля кислорода,%, не более 5.Масса механических примесей  в 1м3,г, не более	31,8   41.2-54,5     5   1,0     0,001
4.Водород после осушки и очистки		1.Содержание кислорода,% об., не более 2.Содержание окиси углерода,% об., не более 3.Содержание двуокиси  углерода,% об., не более 4.Содержание ртути,мг/нм3,не более 5.Содержание влаги,мг/нм3,не более	0,05     0,001     0,001     0,001   10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       2. Технологическая часть

    

       2.1 Стадии проектируемого производства

 

 

Процесс производства изопрена протекает по следующим стадиям:

Стадия 1-Подготовка сырья (н-пентана) в позицию Е 1 направляется в теплообменник позиции АТ 3.

Стадия 2- Разделение фракции нормального пентана или пентан – гексановой фракции в колонне позиции К 12.

Сырьё – фракция нормального пентана или пентан–гексановая фракция поступает из отделения И–1а цеха сырья № 2 в межтрубное пространство теплообменника позиции АТ 3, нагревается до температуры 50 ¸ 80 °С за счёт тепла горячей циркуляционной воды цеха И–2, подаваемой в трубное пространство теплообменника позиции АТ 3  и подаётся в колонну позиции КЛ 12 для выделения углеводородов С6 и выше. Предусмотрена возможность подачи сырья в колонну позиции К 12, минуя теплообменник позиции АТ 3.

Стадия 3- Осушка нормального пентана от влаги

       Узел предназначен  для азеотропной осушки пентановой фракции перед подачей её на узел изомеризации. Процесс основан на отпарке содержащейся в исходном сырье влаги совместно с частью углеводородов (азеотропной перегонки не смешивающихся между собой жидкостей).

Стадия 4- Отпарка углеводородов от воды

        Узел предназначен для отгонки углеводородов, содержащихся в сбрасываемой в химически загрязнённую канализацию подтоварной воды, сточных и ливневых вод.

        Стадия 5- Осушка и очистка водорода

        Узел предназначен  для осушки и очистки водорода, подаваемого на узел изомеризации  и в цеха–потребители, от содержащихся  в нём влаги - адсорбцией на цеолитах, ртути - адсорбцией на поглотителе ХПР–3П, кислорода и оксидов углерода гидрированием на никельхромовом катализаторе.

Стадия 6-Изомеризация нормального пентана в изопентан.

         Узел предназначен  для изомеризации нормального  пентана в изопентан, для производства изопрена. Изомеризация проводится на алюмоплатиновом катализаторе марки ИП–62 (ИП–62М) при повышенной температуре до 450 °С и давлении до 35 кгс/см2, в присутствии водорода.

Каталитическая реакция изомеризации нормального пентана протекает по схеме:

 

   СН3 – СН2 – СН2 – СН2– СН3 → СН3 – СН – СН2– СН3

    │

  СН3

 

                                                 изопентан ( 2 метилбутан)

 

Побочные реакции:

 

 

1 СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 → СН4 + СН3- СН2- СН2- СН3

пентан              метан бутан

 

 

2 СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 → СН3- СН3 + СН3- СН2- СН3

этан пропан

 

 

3 СН3-СН -СН2-СН3 + Н2 → СН4 + СН3- СН - СН3

                 ׀                                              ׀

           СН3                             метан            СН3  2- метилпропан

 

 

4 СН3-СН -СН2-СН3 + Н2 → СН3- СН3 + СН3- СН2- СН3

       ׀             этан              пропан

           СН3

 

 

Реакция дегидрирования – гидрирования осуществляется металлической частью катализатора, реакция изомеризации – кислотной частью катализатора. В реакции изомеризации расход водорода идёт на образование соединений С1, С2, С3, С4 – при побочных реакциях, на отдувку инертов и сероводорода, унос с углеводородным конденсатом с последующей отдувкой из ёмкости позиции Е1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Функциональная схема изомеризации н-пентан в изопентан

 

2.2 Описание технологической схемы

 

 

Сырьё - н - пентановая фракция из ёмкости позиции Е1 насосом позиции Н2 подаётся в межтрубное пространство теплообменника позиции АТ3.

Перед входом н - пентановой фракции в межтрубное пространство теплообменника позиции АТ3 в этот же трубопровод от аппарата подаётся 
осушенный циркулирующий водородсодержащий газ с давлением не более 
4,0 МПа (40 кгс/см2). 

После теплообменника позиции АТ3, обогреваемого реакционными газами, входящими из реактора позиции РТ5, смесь нормального пентана и водородсодержащего газа температурой до 250-300°С поступает по двум коллекторам в конвекционную часть печи позиции ТП4. Далее по змеевикам сырьё по ступает в радиантную часть печи, где нагревается до температуры 450°С выходит из печи двумя потоками, и объединяясь, поступает в реактор позиции РТ5.

В реакторе РТ5 происходит реакция изомеризации нормального пентана в изопентан на катализаторе ИП-62 в присутствии водорода.

Процесс изомеризации на катализаторе ИП-62 протекает с высокой селективностью, поэтому побочные реакции минимальны. Катализатор ИП-62 является бифункциональным катализатором, на котором происходят реакции дегидрирования- гидрирования и изомеризации.

Реакционные газы из реактора позиции РТ5 направляются в трубное пространство теплообменника позиции АТ 3, где охлаждаются до температуры 200°С смесью н - пентана и водорода, затем поступают в межтрубное пространство теплообменника позиции АТ6, где охлаждаются углеводородным конденсатом до температуры 1 10°С, и далее направляются в межтрубное пространство позиции АТ7, где охлаждаются промышленной водой.

Сконденсировавшиеся углеводороды самотеком поступают в ёмкость позиции Е10.

Не сконденсировавшиеся газы после конденсатора позиции АТ7 поступают в сепаратор позиции СП8/9, углеводородный конденсат отправляется обратно на сжигание в печь.

                                                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Структурная схема изомеризации н-пентан в изопентан

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Операторная схема изомеризации н-пентан в изопентан

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

 

 

           2.3 Контроль производства

  2.3.1 Аналитический контроль

     Таблица  2 – Аналитический контроль

 

Наименование стадий процесса, анализируемый продукт, место отбора пробы или установки	Контролируемые показатели		Норма	Методы контроля (методики анализов, ГОСТ или ТУ)	Частота контроля	Кто контролирует
1	2		3	4	5	6
1 Пентановая фракция на изомеризацию ёмкость позиции Е1	Содержание: - н. пентан, % масс - углеводороды  С6и выше, % масс - сернистые, % масс., не более		Н/м90       Н/б 3	ТУ38.104499-790185 ИХ-22	1 раз в смену	ЦЗЛ
2 Конденсат после изомеризации. Ёмкость позиции Е10	Содержание: - углеводородов  С4, % масс бутана - изопентана, % масс - изопентана, % масс		Н/б 2         Н/м 46,0 Н/м 49,5	№ 095 НИИМСК Хроматографический	3 раза в сутки	ЦЗЛ
3 Азот. На вводе в цех.	Содержание: кислорода, % об.		Н/б 0,005	ГОСТ 9293-74	По треб.	ЦЗЛ
4 Циркул газ после позиции ТП4	Содержание влаги, мг/м3	Прибор Байкал		Н/б 10	постоянно	Нач. смены
5 Регенерация катализатора, азот. Сепаратор позиции 8/9	Содержание углеводородов, % об	ИХ25		Н/б 0,2	По треб.	ЦЗЛ
6 Регенерация катализатора до  реактора позиции 5	Содержание кислорода, % об.	Прибор МН-5106		Не нормир.	Постоянно	Нач. смены
7 После реактора позиции 5	Содержание СО2 и кислорода,% об.	Прибор ТП-2220 МН-5106		Не нормир.	Постоянно	Нач. смены