Дегидрирование изобутана

           При взаимодействии изобутилена с серной кислотой образуется сернокислый эфир триметилкарбинола  (изобутилсерная кислота):

           Наряду с этим, протекает гидратация изобутилена с образованием триметилкарбинола. С понижением концентрации кислоты роль реакции гидратации возрастает.

          На первых установках сернокислотного извлечения изобутилена из фракции углеводородов С4 использовали 60—65 % серную кислоту, что позволило изготавливать почти все оборудование из обычной стали.

 

 

 

 

     

 

Рисунок 2. Схема дегидрирования изобутана в изобутилен: 1, 18 - сепараторы: 2 - испаритель; 3 - перегреватель; 4 - трубчатая печь; 5 - реактор; 6 - регенератор; 7, 13 - котлы-утилизаторы; 8 - электрофильтр; 9, 14 - скрубберы; 10, 15 - холодильники; 11, 12, 16, 17 - насосы; I-сырье; II - топливный газ; III - воздух; IV - азот; V - свежий катализатор; VI - отработанный катализатор; VII - природный газ; VIII - водяной пар; IX - катализаторная пыль; X - дымовые газы; XI - контактный газ; XII - вода на очистку; XIII - свежая вода.

            Технологический процесс дегидрирования изобутана в изобутилен (рисунок 2) осуществляется следующим образом. Сырье - изобутановая фракция - через сепаратор 1 поступает в испаритель 2, где испаряется при температуре 45°С и давлении 0,59 МПа. Отсепарированные пары сырья перегреваются до 60°С в перегревателе 3, до 150°С в змеевике реактора 5 за счет теплоты контактного газа и до 550°С в печи 4 за счет теплоты сгорания топливного газа. Из печи перегретые пары изобутилена поступают в нижнюю часть реактора 5 под распределительную решетку.

Дегидрирование изобутана проводится при 540-5900 С в кипящем слое пылевидного алюмохромового катализатора К-5, циркулирующего в системе реактор-регенератор. Реакция дегидрирования эндотермическая. Теплота для реакции подводится с регенерированным горячим катализатором. Регенерированный катализатор вводится в реактор над верхней секционирующей решеткой, отработанный катализатор отводится из низа реактора.

             Контактный газ для снижения температуры и обрыва крекинга углеводородов отдает теплоту в змеевике реактора 5, затем очищается от катализаторной пыли в двухступенчатых циклонах, расположенных в верхней части реактора и направляется на охлаждение в котел-утилизатор 13. Из котла-утилизатора контактный газ с температурой 300°С поступает в скруббер 14, где охлаждается до 40°С и окончательно освобождается от катализаторной пыли. Скруббер 14 разделен глухой тарелкой на две части. Нижняя часть скруббера орошается циркуляционной водой с температурой 70-90°С без предварительного охлаждения, подаваемой насосом 17. Циркуляция воды в верхней части скруббера осуществляется насосом 16 через холодильник 15, где вода охлаждается с 60 до 35°С. В нижней части скруббера накапливается катализаторная пыль, поэтому часть воды постоянно выводится на очистку. Из скруббера контактный газ с температурой 40°С поступает в сепаратор 18, где отделяется от воды, и далее направляется на выделение изобутан - изобутиленовой фракции.

            В процессе дегидрирования на катализаторе откладывается кокс, в результате активность катализатора падает. Для восстановления активности отработанный катализатор из реактора подается в регенератор 6. Регенерация катализатора проводится воздухом при 650°С и давлении 0,117 МПа. Температура в зоне горения регулируется подачей топливного газа. В нижней части регенератора имеется восстановительный стакан, куда подается природный газ для восстановления в катализаторе избыточного шестивалентного хрома до трехвалентного. Для десорбции продуктов восстановления в нижнюю часть стакана вводится азот. Газы десорбции поступают в зону горения.

             Дымовые газы из регенератора охлаждаются до 300°С в котле-утилизаторе 7, затем для более тонкой очистки от катализаторной пыли проходят электрофильтр 8, поступают в скруббер-увлажнитель 9 и выбрасываются в атмосферу.

             Условия и показатели процесса дегидрирования изобутана в изобутилен:

Температура, °С - 580-590

Давление над кипящим слоем, МПа - 0,125

Объемная скорость подачи сырья, ч-1 - 120-150

Выход изобутилена в расчете на пропущенный нзобутан - 42 % (масс.) Селективность, % (масс.) - 82

Конверсия, % (масс.) - 51

 

Рисунок 3. Схема выделения изобутан - изобутиленовой фракции из контактного газа дегидрирования изобутана: 1 - буфер; 2 - компрессор; 3, 15, 23, 30 - водяные конденсаторы; 4, 8, 16, 24 - пропановые конденсаторы; 5, 9, 17, 25 - сепараторы; 6, 10, 18, 26, 31 - емкости; 7 - абсорбер; 11, 19, 20, 27, 32 - насосы; 12 - теплообменник; 13 - десорбер; 14, 22, 29 - кипятильники; 21, 28 - ректификационные колонны, I - контактный газ; II - абсорбент; III - пропан; IV - отдувки в топливную сеть; V - изобутан - изобутиленовая фракция; VI углеводороды С5 и выше.

 

         Примерный состав контактного газа дегидрирования изобутана, % (масс.):

Водород - 1,9

Метан - 2,4

Углеводороды С2 - 1,3

Углеводороды С3 - 2,9

Бутан - 1,1

Бутены - 0,8

Изобутилен - 41,9

Изобутан - 45,9

Углеводороды С8 и выше - 0,5

Оксид и диоксид углерода - 1,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Исходные данные для расчётов (вариант 1) :

1) Производительность  установки Gг = 112 тыс.т/год;

2) Температура  потоков в реакторе дегидрирования  изобутана в кипящем слое катализатора :

- температура  сырья на входе в реактор  tc = 540⁰C;

- температура контактного газа на выходе из слоя катализатора tк.г. = 575⁰С;

- температура  катализатора на входе в реактор  tвх.кат. = 650⁰С;

- температура  катализатора на выходе из  реактора tвых. кат. = 570 ⁰С;

3) Число часов  работы установки в году: n = 8380 час/год;

4) Коэффициент  расхода 100 %-ного изобутана в кг  на 1 кг изобутилена: α = = 1,50;

5) Конверсия  изобутана: γизо-C4H10 = 42,7%;

6) Конверсия  н-бутана: γн-C4H10 = 48,0%;

7) Конверсия  изобутилена: γизо-C4H8 = 28,1%;

8) Состав  свежей изобутановой фракции:

Компоненты	Составы ( % масс. )
C3H8	0,5
изо - C4H8	2,9
н - C4H10	2,0
изо - C4H10	94,4
C5 и >	0,2

 

9) Состав  рециркулирующей изобутановой фракции:

Компоненты	Составы ( % масс. )
C3H8	1,3
изо - C4H8	3,8
н - C4H10	1,1
изо - C4H10	98,7
C5 и >	0,1

10) Состав продуктов разложения :

Компоненты	Составы ( % масс. )
H2	3,2
CH4	4,9
C2H6	2,0
C2H4	1,5
C3H8	1,7
C3H6	1,8
н - C4H8	1,7
изо - C4H8	79,0
C5 и >	1,0
C в CO	0,7
C в CO2	0,2
Кокс	2,3

 

, где C - селективность, Bp - выход целевого продукта в расчете на разложенное сырье.

2.1 Материальный баланс реактора

       В последнее время наибольшее распространение в промышленности получил реакционно-регенерационный блок с равновысотным расположением реактора и регенератора и транспортом катализатора в потоке высокой концентрации, характеризующемся относительно низкой линейной скоростью движения и пониженным расходом катализатора.

Принцип составления материальных балансов реакторов каталитического дегидрирования изобутана, н-бутана, и изопентана в соответствующие олефиновые углеводороды один и тот же. Некоторые различия в деталях обусловлены спецификой перерабатываемого сырья.

         Сырьём установки каталитического дегидрирования изобутана является техническая изобутановая фракция, представляющая собой смесь свежей и рециркулирующей изобутановых фракций, составы которых принимаются по производственным или проектным данным и определяются эффективностью применяемых в промышленности методов разделения.

         В загрузке реактора кроме изобутана обычно присутствуют также н-бутан, бутены ( в основном изобутилен ), пропан и в некоторых случаях углеводороды C5 и более тяжёлые ( фр. C5 и > ). В условиях процесса наряду с изобутаном разложению подвергаются также н-бутан и изобутилен. Условно принимают, что пропан и фракция C5 и > не разлагаются.

В результате разложения углеводородов сырья получаются продукты разложения, состав которых, жестко связанный с условиями процесса, принимается по проектным или лучше по производственным данным и не подлежит произвольному изменению.

          Ниже приведена схема расчёта материального баланса реактора дегидрирования изобутана.

Производительность установки по изобутилену:

 

 

Количество разлагающегося 100 %-ного изобутана ( равное количеству 100 %-ного свежего изобутана ) :

 

 

Загрузка реактора по 100 %-ному изобутану:

 

 

Количество рециркулирующего 100 %-ного изобутана :

 

Так как составы свежей и рециркулирующих технических изобутановых фракций известны, то, зная концентрации изобутана  них, можно определить количество этих фракций :

 

 

 

 

Результаты расчета количеств компонентов, поступающих в составе свежей и рециркулирующей изобутановых фракций, приведены в таблицах 4 и 5.

 

Таблица 4. Состав и количество свежей изобутановой фракции

№	Компоненты	Количество, кг/ч	Состав, % масс.
1	C3H8	106,19	0,5
2	изо - C4H8	615,87	2,9
3	н - C4H10	424,74	2,0
4	изо - C4H10	20047,73	94,4
5	C5 и >	42,47	0,2
Итого:		21237,00	100,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5. Состав и количество рециркулирующей изобутановой фракции

№	Компоненты	Количество, кг/ч	Состав, % масс.
1	C3H8	301,32	1,3
2	изо - C4H8	880,79	3,8
3	н - C4H10	254,96	1,1
4	изо - C4H10	21718,38	93,7
5	C5 и >	23,18	0,1
Итого:			100,0

 

Загрузка реактора изобутановой фракцией определяется как сумма количеств свежей и рециркулирующей изобутановых фракций ( табл. 6 ).

 

Таблица 6. Состав и количество загрузки реактора суммарной изобутановой фракцией

№	Компоненты	Количество, кг/ч	Состав, % масс.
1	C3H8	407,51	0,92
2	изо - C4H8	1496,66	3,37
3	н - C4H10	679,7	1,53
4	изо - C4H10	41766,10	94,03
5	C5 и >	65,65	0,15
Итого:		44415,63	100,00

 

Количество разлагающегося сырья:

а) изобутана :

 

 

 

б) н-бутана :

 

в) изобутилена :

 

 

 

г) всего разлагается :

 

 

Конверсия фракции C4 :