CC BY
32
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ИЗОБУТАНА И ИЗОБУТИЛЕНА
ОТ ПРИМЕСЕЙ
1 2 Ибрагимов Ч.Ш. , Гулиева С.Н.
Email: [email protected]
1Ибрагимов Чингиз Ширин оглы - доктор технических наук, профессор; 2Гулиева Севиндж Низами кызы - старший лаборант, кафедра нефтехимической технологии и промышленной экологии, химико-технологический факультет, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: проведены исследования по получению высокочистых изобутана и изобутилена из изобутан-изобутиленовой фракции пиролизного газа. Исследованы процессы подбора адсорбентов для доочистки фракции изобутана от примесей изобутилена и выбран активированный уголь марки АР-3, а для доочистки изобутиленовой фракции от примесей нормальных бутиленов выбран цеолит марки СаА. Разработан метод повышения чистоты фракций изобутана и изобутилена, выделенных с помощью серной кислоты из изобутан-изобутиленовой фракции пиролизного газа. Предложено внедрение на заводскую технологическую схему выделения углеводородов изобутана и изобутилена из фракции С4 пирогаза адсорбционных установок, с помощью которых доказано получение изобутан и изобутиленовых углеводородов высокой чистоты до 99,9%.
Исследованы основные реакции и разработана математическая модель процессов получения высокочистых изобутилена и изобутана, с учётом рециркуляции. Ключевые слова: адсорбционные процессы, изобутан, изобутилен, пиролизный газ, адсорбенты.
ADSORPTION PURIFICATION OF ISOBUTANE AND ISOBUTENE
FROM IMPURITIES Ibragimov Ch.Sh.1, Guliyeva S.N.2
1Ibragimov Chingiz Shirin oglu - Doctor of Technical Sciences, Professor; 2Guliyeva Sevinj Nizami qizi - Senior Assistant, DEPARTMENT OF PETROCHEMICAL TECHNOLOGY AND INDUSTRIAL ECOLOGY, FACULTY OF CHEMICAL TECHNOLOGY, AZERBAIJAN STATE UNIVERSITY OF OIL AND INDUSTRY, BAKU, REPUBLIC OF AZERBAIJAN
Abstract: in the processes of adsorption blocks with the processes occurring in the reactors, studies were carried out to obtain high-purity isobutene and isobutylene from the isobutene-isobutylene fraction of pyrolysis gas.
The processes of selection of adsorbents for additional purification of the fraction of isobutene from isobutylene impurities and the activated carbon of grade AP-3 have been selected, and ZeA zeolite has been chosen for additional purification of the isobutylene fraction from impurities of normal butylene's.
As a result of scientific research, a method has been developed to increase the purity of isobutene and isobutylene fractions isolated with sulfuric acid from the isobutene-isobutylene fraction of the pyrolysis gas.
In the paper, it was proposed to introduce into the plant technological scheme the separation of isobutene and isobutylene hydrocarbons from the C4 fraction of pirogues of
adsorption plants, which proved the production of isobutene and isobutylene hydrocarbons of high purity up to 99.9%.
Based on the model, factory and experimental data, optimization of adsorption processes of isobutylene, n-butylene benzene, optimal parameters were calculated and the economic efficiency of these processes was determined.
Keywords: adsorbcion process, isobutаn, isobutylene, pyrolysis gas, adsorption.
УДК 66.001.001.57:66.022:621.926/929 DOI: 10.20861/2304-2338-2017-116-006
В настоящее время, имеется много нерешённых задач в тех областях, которые нуждаются в создании комплексной модели, связывающей параметры узлов основного процесса, блоков разделения, факторов рецикла и т.д. Очевидно, что возвращение в реакционную зону непрореагировавшей части сырья (т.е. рецикла) создаёт дополнительные проблемы как в технологическом аспекте, так и в управлении процессами.
Поэтому возникает необходимость пересмотра технологии, в том числе и математических моделей, подобных процессов, где возникают рециркуляционные потоки.
Учитывая вышеизложенное, перед нами поставлена цель: исследовать методы получения высокочистых изобутилена и изобутана из изобутан-изобутиленовой фракции пиролизного газа, разработать комплексную модель процессов двухфазных сред с фазовым переходом и рециклом для выявления закономерностей взаимного влияния параметров узлов основного процесса (в нашем примере реакции в реакторах, адсорбции в адсорберах), блоков разделения (адсорбции) и факторов рецикла.
Современные химическая, нефтеперерабатывающая промышленности требуют получения сверхчистых продуктов, разработки безотходных процессов, максимального использования сырья, активности катализаторов и адсорбентов, интенсификации нефтехимических процессов.
В связи с этим особую актуальность приобретают адсорбционно-рециркуляционные процессы [1-3].
Ниже приведены принципиальная технологическая схема получения высокочистых изобутана и изобутилена из пирогаза фракции С4 с помощью 60% серной кислотой и адсорбционных аппаратов (рис. 1).
Рис. 1. Модифицированная технологическая схема выделения изобутана и изобутилена из углеводородной фракции С4 пирогаза:1 - склад углеводородной фракции, 2, 3 - реакторы-отстойники, 4 - сборник, 5 - гидролизная колонна, 6 - склад серной кислоты, 7 -ректификационная колонна, 8 ,9 - адсорберы
Извлечение изобутилена производится 60%-ной серной кислотой последовательно в 2 поглотительных системах, состоящих каждая из смесительного насоса, отстойника-реактора и холодильника.
Изобутан-изобутиленовая фракция поступает в реактор 2, в который также поступает частично насыщенная серная кислота, а свежая серная кислота поступает в реактор 3, куда подаётся также изобутан-изобутиленовая фракция.
Из ёмкости 6 свежая серная кислота подаётся в реакторы 2 и 3.
В реакторе изобутан-изобутиленовая фракция смешивается с серной кислотой и образуются изобутилсерная и н-бутилсерные кислоты. Далее насыщенная серная кислота подаётся на гидролиз, отделяется изобутилен от серной кислоты.
Разделённая изобутановая фракция уносит с собой в количестве 876 тонн/год (1,8%) изобутилена и бензола. Для выделения этих остатков предлагается адсорбционный метод, который дает хороший эффект при выделении микропримесей.
Полученный изобутилен-ректификат содержит 0,5% (184 тонн/год) н-бутиленов. Для получения высокочистого изобутилена выделением из состава изобутилен-ректификата микропримесей н-бутиленов рекомендуется применить адсорбционный метод.
Таким образом, сущность предложенного метода заключается в том, что очистка адсорбцией изобутановой фракции от примеси изобутилена адсорбентом-активированным углём марки АР-3, а изобутиленовой фракции от примеси н-бутиленов-цеолитом СаА с использованием блоков адсорбции 8 и 9, установленных соответственно на выходе изобутановой и изобутиленовой фракций, которые позволяют увеличить степень чистоты изобутана и изобутилена до 99,9%.
Ниже приведены разработанные нами математическая модель процессов, осуществляемых в отдельных узлах технологической системы [4-6].
Процессы в адсорбционных аппаратах 8 и 9 описаны уравнениями материального баланса (1), кинетики (2) и диффузии (3).
С
дт
С
дх
:-р(С, - Ср) + Д
д 2С
да да дт дх да..
дт
= Д 4%Я2 N
оо дх х '
РJ (С, — Ср ), (2)
(дС, }
(1)
дг
(3)
Здесь:Д — эффективный коэффициент диффузии, м2/с; ю —скорость потока сплошной фазы, м/с; Ру-— коэффициент массообменная, 1/с; С., а — концентрации целевого компонента в сплошной и дискретной фазах кг/кг; С^ — равновесная с а ■
концентрация, м3/г; До — коэффициент диффузии в гранулах дискретной фазы, м2/с;
Я — радиус гранул, м; г — текущий радиус гранул дискретной фазы, м; М- число гранул в единице объёма.
В данной статье приведены некоторые результаты кинетических исследований процесса получения высокочистых изобутана и изобутилена из изобутан-изобутиленовой фракции пирогаза.
Полученная на основе механизма реакции кинетическая модель процессов поглощения изобутилена, димеров и нормальных бутиленов серной кислотой состоит из следующих уравнений (4) - (6):
С = Со ехр|— к3 ехр С2 = ко ехР
Сн = Сно еХР1 — к4 еХР
Е
Ь С — 40)— Ъ С — 40)—
(4)
Е
г(Ск — 40) —
(5)
— тк (6)
/г = Я
V
т
V
а
где С , С — начальная и переменная концентрации изобутилена в углеводородной фракции, моль/дм3; V — расход объёма углеводородной фазы, дм3/ч; vкш — объемый расход кислотной фазы, дм 3/ч; Еэф — эффективная энергия активации, ккал/моль; £30 — предэкспоненциальный множитель, моль/дм3; С — концентрация серной кислоты, мас.%; а, а, ^ — коэффициенты пропорциональности; Т- температура, К; С — концентрация образовавшихся димеров изобутилена моль/дм3; Св — концентрация нормальных бутиленов в углеводородной фазе, моль/дм3; Сно — их начальная концентрация, моль/дм3; £0 — приведенная константа скорости реакции образования димеров, моль/дм3; &4 — предэкспоненциальный множитель, моль/дм3; т — время реакции.
Ниже приведены некоторые результаты расчётов.
В таблицах 1 и 2 приведены экспериментальные и расчётные данные изотермы, кинетики, выхода адсорбции н-бутиленов на цеолите СаА и расчеты кинетических, диффузионных и изотермических параметров.
Таблица 1. Изотермические, кинетические и выходные экспериментальные данные адсорбции н-бутиленов на цеолите СаА из смеси с изобутиленом при температуре 250С
№ Ср,м3/м3 ар, кг/100 кг время 1, сек аКИн, кг/100 кг С Свых, м3/м3
1 0,1 11,66 20 6,10 0,013
2 0,3 12,89 40 7,16 0,038
3 0,5 13,58 60 7,30 0,071
4 0,7 13,98 80 8,25 0,108
5 0,8 14,35 100 10,83 0,200
6 0,9 14,70 120 11,75 0,314
7 1,0 14,95 160 13,20 0,430
8 - - 180 13,50 0,602
9 - - 200 13,95 0,615
В таблице 2 Ср м3/м3-равновесная концентрация н-бутиленов в газовой фазе; а ,
кг/100 кг-равновесная концентрация н-бутиленов на твёрдой фазе-цеолите СаА; акин-кинетические данные адсорбции н-бутиленов; Свых - выходные данные адсорбции н-бутиленов на цеолите СаА; ?, сек-время адсорбции.
Таблица 2. Результаты расчетов равновесных кинетических и диффузионных параметров процесса адсорбции н-бутиленов на цеолите СаА
№ время, адсорб 1, ек Р кин-103 сек-1 Б , м2/час с ' а ,кг/100 кг да ' Ь,м3/м3
1 45 6,87 2,95 15,01 80,97
2 55 6,01 2,05 - -
3 65 3,98 1,70 - -
4 75 3,25 1,09 - -
5 85 2,98 0,79 - -
6 95 3,55 0,58 - -
7 105 2,91 0,42 - -
8 115 2,01 0,35 - -
9 125 1,97 0,28 - -
10 135 1,50 0,15 - -
11 145 1,20 - - -
12 155 - - - -
В таблице 3 приведен экспериментальный материал изотермических, кинетических и выходных показателей адсорбции изобутилена на активированном угле АР-3. Предельная адсорбция активированного угла марки АР-3 составляет 16 грам. на 100 грам. угля. В таблице 4 Ср, м3/м3-равновесная концентрация изобутилена в газовой фазе; ар, кг/100 кг-равновесная концентрация изобутилена, на твёрдой фазе-активированном угле, АР-3; акин-кинетические данные адсорбции изобутилена; Свых-выходные данные адсорбции изобутилена на Ар-3; ?, сек.- время адсорбции.
Таблица 3. Экспериментальные данные адсорбции изобутилена на активированном угле марки АР-3 из смеси с изобутаном при температуре 250С (равновесные, кинетические и выходные данные)
№ Изотерма адсорбции Время, С
Ср, м3/м3 ар, кг/100 кг t, сек кг/100 кг м3/м3
1 0,1 14,52 20 8,15 0,015
2 0,2 15,75 40 9,22 0,040
3 0,4 14,60 60 9,55 0,075
4 0,6 15,35 80 10,46 0,115
5 0,8 15,90 100 12,65 0,210
6 0,9 16,15 120 13,36 0,350
7 1,0 16,05 160 13,50 0,460
Результаты расчётов параметров процесса адсорбции изобутилена на активированной угле приведены в таблице 4.
Таблица 4. Результаты расчётов равновесных, кинетических и диффузионных параметров процесса адсорбции изобутилена на активированном угле марки АР-3
№ Время, адсорбции t, сек Р кин-103 сек-1 D , м2/час c ' a , да ' кг/100 кг b, м3/м3
1 2 3 4 5 6
1 45 14,30 1,95 15,95 85,40
2 55 13,15 1,50 - -
3 65 12,20 1,20 - -
4 75 10,25 1,35 - -
5 85 8,40 0,95 - -
6 95 8,35 0,60 - -
1 2 3 4 5 6
7 105 7,35 0,42 - -
8 115 6,10 0,35 - -
9 125 4,50 0,30 - -
10 135 4,75 0,23 - -
11 145 4,85 0,15 - -
12 155 5,00 - - -
Таким образом, отражены результаты исследований процессов адсорбции из пиролизного газа остатков изобутилена, н-бутиленов и высших углеводородов и решены следующие задачи для этих процессов: выбор адсорбентов, моделирование процессов, анализ экспериментального материала, расчёты параметров, определение оптимальных режимов.
Список литературы /References
1. Юрченко И.Е., Максименко А.М., Чаплин Д.Н. Состояние и перспективы производства высококонцентрированного изобутилена / Промышленность СК. № 10, 1980. С.2.
2. Бабаев А.И. Повышение качества изобутилена И-1-82/83. Сообщение 1. Всесоюзный научно-технический информационный цент. № Госрегистрации 0284. 087285.
3. Гулиева С.Н. Исследования получения изобутана и изобутилена высокой чистоты. Российский Государственный Университет нефти и газа им. Губкина, 69 Международная молодежная научная конференция «Нефть и газ-2015». 14-16. Москва. С. 140-141.
4. Нагиев М.Ф. Теория рециркуляции и повышение оптимальности химических процессов. Москва. Наука, 1970. 350 с.
5. Шахтахтинский Т.Н., Кузнецов В.И., Зайцева З.А. Создание и развитие учения о рециркуляционных процессах в химической технологии. Баку. «Элм», 1979. 270 с.
6. Ибрагимов Ч.Ш. К методам проектирования и управления адсорбционными процессами. Баку. Изд. «Элм», 1989. 234 с.
SOLUTIONS INVESTIGATION OF THE ENERGY, ELECTRICITY
AND WATER CRISIS IN SOUTHEASTERN BRAZIL DURING 2014
1 2 Akhmetov R.R. , Krainov S.A.
Email: [email protected]
1Akhmetov Radmir Rustemovich - Student;
2Krainov Sergei Alexeevich - Student, PETROLEUM ENGINEERIND DEPARTMENT, SAINT PETERSBURG MINING UNIVERSITY, SAINT-PETERSBURG
Abstract: in consequence of the reduction in the capacities of the main power plants, paper's aim was to take emergency measures to provide the country with energy. Develop a strategy for redistributing energy production in case of repeated drought. Propose measures to prevent future drought in Brazil. As emergency measures it was proposed to import petroleum. It could easily compensate capacity of 4 chief hydroelectric power stations in a week (1.9 million m3) and would take 1.5 billion $ to purchase. Then solar energy plants in 12 months would have an average annual output of about 286 TW/h, which is almost 3 times more than the average annual output of Itaipu HES. According to Brazil coastal zone landscape and coastal belt density of population each power plant would work for around 100 years and give 250 W/h. Wind energy is less productive, but by 2 times cheaper than solar energy. Ameliaration, soil preparation and forest restoration were proposed as ecology remedies. Keywords: drought, energy, electricity, Brazil.
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕШЕНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО, ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ВОДНОГО КРИЗИСА
В ЮГО-ВОСТОЧНОЙ БРАЗИЛИИ В 2014 ГОДУ
12 Ахметов Р.Р. , Крайнов С.А.
1Ахметов Радмир Рустемович - студент;
2Крайнов Сергей Алексеевич - студент, кафедра транспорта и хранения нефти и газа, Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург
Аннотация: в статье предпринимается попытка разработать стратегию распределения энергии в случае повторной засухи и предложить меры предотвращения засухи в Бразилии. В качестве срочных мер было предложено
