Производство бутадиена-1, 3

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию государственный технический университет кафедра химической технологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Общая химическая технология»

на тему: «Производство бутадиена-1,3»

2007 г.

1. Содержание

1. Содержание

2.Задание

3.Введение

4.Синтез ХТС

4.1 Обоснование создания эффективной ХТС

4.2 Определение технологической топологии ХТС

4.3 Установление технологических и конструкционных параметров ХТС, технологических параметров режима и потоков

4.4 Изображение графических моделей ХТС (функциональной, структурной, операторной, технологической схемы с описанием)

5 Анализ ХТС.

5.1 Представление изучаемого объекта в виде иерархической структуры ХТС

5.2 Построение математической модели ХТС

5.3 Изучение свойств и эффективности функционирования ХТС

6 Заключение

7 Список использованной литературы

2. Задание

Какое количество бутана необходимо для получения 2 т бутадиена-1,3, если известно, что бутан содержит 15% примесей, а степень превращения составляет 80%?

3. Введение

Производство бутадиена-1,3 очень актуально, т.к. бутадиен является сырьём для производства каучуков.

Бутадиеновые каучуки— продукт полимеризации бутадиена. При полимеризации молекулы бутадиена могут соединяться с участием любой из двух или обеих двойных связей, образуя полимеры с различной конфигурацией химических звеньев в макромолекуле:

Для конфигурации 1, 4 возможны 2 изомера — цис (II) и транс (III)

В зависимости от условий полимеризации и природы катализатора получают Б. к., различающиеся содержанием в их макромолекулах звеньев конфигурации 1, 4 (как цис-, так и транс-структуры) и звеньев конфигурации 1, 2.

Бутадиен является крупнотоннажным продуктом, который очень широко используется.

Бутадиеновые каучуки — каучуки общего назначения. Основная область применения каучуков с высоким содержанием звеньев 1,4-цисизготовление протекторных и обкладочных (каркас, боковина) шинных резин. Эти каучуки используют также в производстве РТИ (например, конвейерных лент), низа обуви, изоляции кабеля, ударопрочного полистирола и др. Каучуки с высоким содержанием звеньев 1,2 (СКВ, СКДСР) используют в производстве антифрикционных асбестотехнических изделий, линолеума, абразивного инструмента, изделий бытового назначения и др.

По объему мирового производства бутадиеновые каучуки уступают лишь бутадиен-стирольным каучукам; выпуск бутадиеновых каучуков капиталистических странах в 1985 составил приблизительно 1,5 млн. т.

4.Синтез ХТС

4.1 Обоснование эффективной ХТС

Производство бутадиена

Впервые промышленное производство бутадиена из этилового спирта было осуществлено в СССР в 1933 г. по разработанному С. В. Лебедевым методу. В основе процесса лежат превращения этанола в присутствии бифункционального катализатора, обеспечивающего одновременное протекание реакций дегидрирования (ZnO) и дегидратации (А1₂О₃, промотированный К₂О), при тем-пературе не выше 400 «С:

2С₂Н₅ОН > СН₂=СН-СН=СН₂ + 2Н₂О + Н₂

В настоящее время этот и другие методы практически полностью вытеснены одноили двухстадийным дегидрированием насыщенных углеводородов.

Каталитическое дегидрирование насыщенных углеводородов стало основным источником производства не только бутадиена, но и таких крупнотоннажных продуктов как изопрен, изобутилен, стирол. На основе этих мономеров, получаемых в близких условиях, вырабатываются многочисленные виды синтетических каучуков, в том числе хлоропренового, нитрильного, бутадиено-вого, бутилкаучука, изопренового, бутадиен-стирольного, бутадиен-нитрильного и др. Спрос на бутадиен обусловлен также его использованием для производства адипонитрила и получением на его основе найлона.

Двухстадийный процесс

Большинство промышленных установок получения дивинила из бутана работает по двухстадийной схеме. Первая стадия дегидрирования бутана заключается в превращении его В бутилен, а вторая — это процесс получения дивинила из бутилена;

Дегидрирование бутана в бутилен на хромооксидном промотированном катализаторе, нанесенном на оксид алюминия, протекает по реакции С₃Н₁₀-С₄Н₈+Н₂; ?Н= 131 кДж В промышленных реакторах протекают и побочные реакции: обратная реакция гидрирования бутилена, крекинг бутана и бутилена, изомеризация бутана и бутилена, реакции углеобразования. На советских промышленных установках по дегидрированию бутана применяют системы с кипящим слоем мелкозернистого алюмохромового катализатора марки К.-5.

В процессе дегидрирования бутана катализатор покрывается углеродистыми отложениями и изменяет свой химический состав. Активность катализатора при этом резко снижается. С целью реактивации катализатор непрерывно отводят из реактора и обжигают в токе воздуха в регенераторе с кипящим слоем. Углеродистые соединения при этом выгорают, а низшие оксиды хрома окисляются до Сг₂О₃.

Дегидрирование бутилена до дивинила протекает на хром-кальций-фосфатном катализаторе по реакции С₄Н₈-С₄Н₆ + Н₂, ?Н= 119 кДж Бутадиен при повышенных температурах разлагается, поэтому для сохранения достаточно высокой селективности по бутадиену на практике приходится прибегать к снижению парциального давления реакционных газов за счет применения перегретого водяного пара или вакуума.

Оптимальная температура сырья на входе в реактор 860—910 К. Степень конверсии регулируется объемной скоростью, которая колеблется для разных катализаторов в пределах 150—600 ч™¹.

Двухстадийный процесс позволяет создать на каждой стадии оптимальные условия ее протекания, обеспечивающие максимальный выход продуктов и селективность.

Для проведения первой стадии широко используются аппараты кипящего слоя. Такие аппараты отличаются целым рядом преимуществ в сравнении с аппаратами, в которых катализатор неподвижно располагается на нескольких тарелках: 1) изотермичность слоя, которая достигается благодаря активному перемешиванию; 2) текучесть слоя, в результате которой появляется возможность транспортировки закоксованного катализатора из реактора в регенератор и обратно; 3) высокая поверхность межфазного обмена, обусловленная малым размером частиц катализатора, в результате — высокие скорость теплообмена и массопередачи; 4) низкое гидравлическое сопротивление слоя, обеспечивающее уменьшение энергозатрат и повышающее скорость процесса.

Таким образом, в конструкции реактора КС соблюдены все закономерности проведения гетерогенно-каталитических реакций. Процессы дегидрирования и регенерации осуществляются в разных аппаратах одинаковой конструкции.

В отличие от первой, вторая стадия протекает в адиабатических реакторах с неподвижным слоем катализатора. Необходимое для реакции тепло подводится с перегретым паром, смешиваемым с сырьем. Достоинство этих аппаратов — простота конструкции, недостатки — неравномерность распределения температуры в слое, высокое гидравлическое сопротивление аппарата, ухудшение показателей эффективности работы реактора по мере закоксовывания катализатора, периодичность работы аппарата, попеременно работающего то в режиме дегидрирования, то в режиме регенерации.

Стадия осуществляется при более высокой температуре и пониженном парциальном давлении, которое достигается при разбавлении бутенов водяным паром. Температура для разных типов катализатора колеблется от 580 до 677 «С, разбавление паром — в соотношении 20: 1. Охлаждение контактного газа (закалка) осуществляется впрыскиванием водяного конденсата, дальнейшее охлаждение газа происходит в котле-утилизаторе, затем газ направляется на промывку в скруббер и далее на разделение.

Выход бутадиена от массы исходного бутена составляет 20— 35%. Селективность колеблется от 73 до 94%.

Одностадийное дегидрирование н-бутана

Одностадийный процесс дегидрирования н-бутана до бутадиена-1,3 может быть описан суммарным уравнением:

С₄Н₁₀ — С₄Н₆ + 2Н₂ + 247 кДж

и складывается из двух последовательных реакций дегидрирования н-бутана до н-бутиленов и н-бутиленов до бутадиена-1,3. В этом процессе н-бутилены не выводятся из сферы, реакции и в реакторе создается система «н-бутан — н-бутилены — бутадиен-1,3 — водород», равновесный состав которой зависит от температуры и давления.

Одностадийный процесс дегидрирования н-бутана осуществляется по регенеративному принципу, при котором затраты тепла на проведение эндотермической реакции дегидрирования в адиабатическом режиме возмещаются за счет тепла, уделяющегося на стадии регенерации катализатора при выжигании отложившегося на нем кокса. В этом процессе разогретый регенерированный катализатор используется как теплоноситель, а для повышения его способности аккумулировать тепло, к нему добавляется в отношении 1: 3 инертный теплоноситель в виде гранул оксида алюминия, предварительно обожженных.

Жесткие условия чередующихся окислительно-восстановительных циклов дегидрирования и регенерации предъявляют к катализаторам повышенные требования. В одностадийном процессе используется алюмо-хромовый окисный катализатор ДВ-3М состава Сг₂О₃•А1₂Оз, активный при температуре около 6ОО°С, ускоряющий обе реакции дегидрирования, прочный и устойчивый в эксплуатации и хорошо регенерирующийся. Так как он отравляется парами воды, то понижение парциального давления углеводородного сырья в процессе достигается не введением в систему водяного пара, а проведением дегидрирования в вакууме.

Технологическая схема производства бутадиена-1,3 одностадийным дегидрированием н-бутана в вакууме включает операции:

очистка сырья (бутановой фракции, попутного газа);

каталитическое дегидрирование н-бутана;

сжатие контактного газа и выделение из него фракции С4;

выделение бутадиена-1,3 из фракции С4;

отдувка углеводородов и регенерация катализатора.

Реакторный блок установки, включает два (или больше) аппаратов, работающих попеременно на дегидрирование сырья и регенерацию катализатора.

Сырьем для производства бутадиена методом дегидрирования служит бутановая фракция попутного газа или бутан-бутиленовая фракция газов каталитического крекинга или пиролиза.

Реакция дегидрирования бутана относится к классу сложных последовательных сильно эндотермических реакций, протекающих с увеличением объема:

Кроме целевой реакции в этой системе протекает большое количество побочных процессов: реакции циклизации, крекинга, изомеризации, ароматизации, коксообразования и др. Вследствие этого в результате дегидрирования образуется сложная смесь углеводородов, разделение которой связано с существенными затратами энергии и вспомогательных материалов.

Процесс дегидрирования осуществляется в присутствии катализатора. Высокие температуры синтеза и повышенная реакционная способность продуктов приводят к его быстрому закоксовыванию. В результате катализатор работает на дегидрирование только 15—20 мин, затем реактор переключается на регенерацию. Регенерация осуществляется с помощью выжигания кокса воздухом и длится 30 мин.

Сравнительная характеристика

Сопоставление технико-экономических данных показывает, что одностадийный процесс экономичнее двухстадийного ввиду отсутствия в нем промежуточной подсистемы разделения контактного газа после первой ступени и меньшей величины расход-ных коэффициентов по сырью и энергии.

Таблица 1. ТЭП производства бутадиена-1,3

Достоинствами одностадийного процесса дегидрирования н-бутана до бутадиена-1,3 являются:

значительное сокращение расхода технологического пара;

использование теплоты регенерации катализатора и проведение реакции дегидрирования в адиабатическом режиме и, как следствие, простота конструкции реактора и отсутствие сложного теплообменного оборудования;

исключение второй стадии дегидрирования и операций разделения бутан-бутиленой фракции.

За счет этого относительно невысокие выход бутадиена-1,3 (12—14%) и степень конверсии н-бутана (не превышающая 0,2) компенсируются меньшими капитальными затратами и энергоемкостью производства и, как следствие, более низкой, чем в двухстадийном методе, себестоимостью бутадиена-1,3.

4.2 Определение технологической топологии ХТС

При рассмотрении технологической схемы производства бутадиена-1,3 можно сказать, что между технологическими операторами данной ХТС существует последовательная (связь, когда поток, выходящий из одного элемента является входящим для следующего и все технологические потоки проходят через каждый элемент системы не более одного раза), параллельная (когда выходящий из элемента ХТС поток разбивается на несколько параллельных подпотоков) и обратная (характеризуется наличием рециркуляционного потока, связывающего выход последующего элемента ХТС с входом предыдущего) технологические связи.

4.3 Установление технологических и конструкционных параметров ХТС, технологических параметров режима и потоков

Бутадиен-1,3 (дивинил) C₄H₆ представляет собой при обычных условиях бесцветный газ, конденсирующийся в жидкость при 268,7 К (-4,3°С), с температурой кипения -4,4°С, температурой плавления — 108,9°С и плотностью в жидком состоянии 0, 645 т/м³ (при 0°С). Не растворим в воде, плохо растворим в спиртах, хорошо — в бензоле, диэтиловом эфире, хлороформе; с некоторыми растворителями образует азеотропные смеси. Критическая температура бутадиена 152 °C. С воздухом бутадиен образует взрывчатые смеси с пределами воспламеняемости 2,0 и 11,5% об. Температура вспышки бутадиена составляет -40°С, температура са-мовоспламенения 420″ С.

Бутадиен легко полимеризуется. Полимеризация инициируется пероксидами, образующимися при контакте бутадиена с воздухом. Тепловой эффект полимеризации зависит температуры и составляет от 72, 8 до 125,6 кДж/моль. Вследствие этого бутадиен хранится в присутствии ингибиторов, на-пример, п-оксидифениламина или п-трет-бутилпирокатехина, которые удаляются промывкой гидроксидом натрия перед полимеризацией. При радикально-цепной сополимеризации бутадиена со стиролом, а-метилстиролом или акрилонитрилом образуются сополимеры, в макромолекуле которых беспорядочно чередуются звенья исходных веществ

— СН₂-СН=СН-СН₂ -СН₂-СН- -СН₂—СНСН₂-СН СН-СН₂ С₆Н₅ CN

причем бутадиен связывается в 1,4- или 1,2-положениях.

Бутадиен в высоких концентрациях обладает наркотическим действием; в малых концентрациях раздражает дыхательные пути и слизистую оболочку глаз. ПДК составляет 100 мг/м³.

4.4 Модель рассматриваемой ХТС

Функциональная схема

Структурная схема

1 — нагреватель сырья;

2 — печь;

3 — реакторы;

4- «закалочный» аппарат;

5- скруббер;

6,11- холодильники;

7- турбокомпрессор;

8- абсорбер;

9- десорбер;

10- стабилизирующая колонна (депропанизатор);

12- топка;

13-.котёл-утилизатор

Операторная схема

Технологическая схема

1 — нагреватель сырья;

2 — печь;

3 — реакторы;

4- «закалочный» аппарат;

5- скруббер;

6,11- холодильники;

7- турбокомпрессор;

8- абсорбер;

9- десорбер;

10- стабилизирующая колонна (депропанизатор);

12- топка;

13-.котёл-утилизатор

Описание технологической схемы

Через подогреватель 1 н-бутан поступает в печь 2, где нагревается до 600—620?С и направляется в один из реакторов 3, который работает на дегидрирование. Из реактора контактный газ, пройдя для «закалки» аппарат 4, подается в скруббер 5, в котором охлаждается холодным маслом, циркулирующим через холодильник 6. Охлажденный в скруббере газ сжимается в турбокомпрессоре 7 до давления 1,3 МПа и направляется в абсорбер 8. Из верхней части абсорбера выходит водородсодержащий топливный газ, а раствор углеводородов в абсорбенте подается в десорбер 9. Ио верхней части десорбера отгоняется фракция С₃ — С₄, а абсорбент через холодильник 11 возвращается на орошение абсорбера 8. В качестве абсорбента используется высококипящая углеводородная фракция С₅. Фракция С3 — C4 из верхней части десорбера 9 поступает в колонну 10 (депропанизатор), где из нее отгоняется пропан. Оставшаяся фракция С4 с содержанием бутадиена-1,3 от 11 до 13% массовых направляется на выделение бутадиена, а бутан-бутиленовая фракция возвращается в виде рецикла на дегидрирование, присоединяясь к свежему н-бутану. По окончании цикла дегидрирования поток углеводородного сырья переключается на другой реактор, а первый продувается сначала водяным паром для удаления сорбированных катализатором углеводородов, а затем для регенерации катализа-хора топочными газами с небольшим содержанием кислорода из топки 12. Теплота газообразных продуктов регенерации катализатора используется для выработки технологического пара _в котлеутилизаторе 13.

Основной аппарат технологической схемы — реактор дегидрирования (контактный аппарат). Это стальной цилиндр диаметром 6 м и длиной 12—14 м расположенный горизонтально и футерованный внутри огнеупорным материалом. Внутри реактора расположены решетки из керамических плит, на которых размещены слои катализатора.

5 Анализ ХТС

5.1 Представление изучаемого объекта в виде иерархической структуры ХТС

5.3 Изучение свойств и эффективности функционирования ХТС

Какое количество бутана необходимо для получения 2 т бутадиена-1,3, если известно, что бутан содержит 15% примесей, а степень превращения составляет 80%?

Решение

Для решения поставленной задачи нам необходимо написать уравнение реакции получения бутадиена-1,3 из бутана.

С₄Н₁₀> С₄Н₆ +2Н₂

m (С₄Н₁₀)=x т

Mr (С₄Н₁₀)=58 г/моль

m (С₄Н₆)=2 т

Mr (С₄Н₆)=54 г/моль Составим пропорцию, чтобы найти массу бутадиена.

х/58=2/54 откуда х = 2,14 т.

Найдём массу бутана с учётом степени превращения (80%)

2,14 т — 80%

y — 100%

Степень превращения — отношение количества превращённого исходного сырья в целевой продукт к общему количеству исходного сырья.

Составим пропорцию, чтобы найти массу бутадиена с учётом степени превращения.

2,14/y=80/100 откуда y = 2,675 т Найдём массу бутана с учётом примесей (15%)

2,675 т — 85%

z — 15%

z — масса примесей

Составим пропорцию, чтобы найти массу примесей.

2,675/z=85/15 откуда z = 0,472 т Тогда масса бутана с примесями = 2,675+0,472=3,147 т