CC BY
34
УДК. 66.982
Д. Н. Первов, А. А. Назаров, С. И. Поникаров ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕГИДРИРОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ ПОД ВАКУУМОМ
Ключевые слова: вакуум, углеводородное сырье, процесс дегидрирования, экспериментальная установка исследования
процессов дегидрирования
Спроектирована экспериментальная установка для проведения исследований процессов дегидрирования низших углеводородов под вакуумом. Описан принцип работы данной установки и основные узлы экспериментальной установки. В качестве катализатора в процессе проведения исследования дегидрировании углеводородного сырья использован железо-калиевый катализатор КД-1
Keywords: vacuum, hydrocarbon feedstock, dehydrogenation process, the experimental setup for the study of the processes of
dehydrogenation.
Experimental installation for carrying out processes of declaring of the lowest hydrocarbons under vacuum is designed. Described the principle of work of this installation and the main of experimental installation. In the course of carrying out research of declaring of hydrocarbonic raw materials was used the iron-potassium catalyst KD-1.
Введение
В настоящее время на производстве процесс дегидрирования низших углеводородов проводят в присутствии водяного пара, что вызвано необходимостью снижения парциального давления исходных продуктов. На базе кафедры МАХП ФГБОУ ВПО «КНИТУ» создана экспериментальная установка для проведения исследований процессов дегидрирования низших углеводородов под вакуумом. Экспериментальная установка позволяет понизить давление исходных продуктов без применения подачи водяного пара, что позволяет исключить из технологической цепочки дорогостоящее и сложное теплотехническое оборудование, снизив стоимость производства, а также увеличить степень конверсии исходного сырья в конечный продукт.
Хотелось бы пояснить, что же такое дегидрирование?
Дегидрированием углеводородов, в узком смысле, называют реакцию отделения водорода от соединений. Отщепление (отделение) водорода проходит в присутствии катализаторов. Обратная и прямая реакции при каталитическом дегидрировании связаны подвижным
термодинамическим равновесием. Повышение температуры и понижение давления способствуют стабильному протеканию реакции. Такие реакции обычно проводят при температуре более 300°С, но не более 700°С. Это способствует избежанию заметного пиролиза исходного сырья и продуктов реакции. Положительный эффект уменьшения давления на положение равновесия объясняется принципом Ле-Шателье. Положение равновесия зависит от изменения давления и следует правилу, что равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объемом при понижении давления. Следовательно, в таких реакциях дегидрирования объем газов увеличился вдвое при переходе от исходных сырья к получившимся продуктам, поэтому уменьшение давления облегчит выход целевых продуктов.
Промышленность Российской Федерации, а конкретнее Республики Татарстан, развивается в сторону увеличения переработки нефти и газа при уменьшении затрат на единицу выпускаемой продукции. Поэтому внедрение вакуумного дегидрирования в производство облегчит и удешевит выпуск аналогичной продукции дегидрирования углеводородов при избыточном давлении.
Описание и принцип работы экспериментальной установки
Экспериментальная установка и ее основные узлы представлены на рисунке 1. Основные узлы экспериментальной установки: греющая камера, реакционная камера, теплообменник,
конденсатосборник, вакуумсоздающая система (ВСС) - вакуумные насосы, пробоотборная линия, изоляционная система.
Исходное углеводородное сырье поступает из баллонов 1,2, расход задается при помощи электронного расходомера (ГРАНД [4], класс точности 1,0) 8 после которого поступает в греющую камеру 3. Греющая камера состоит из зигзагообразную систему труб последовательно сваренных между собой. Для установки электронного расходомера 8 установлена бобышка на входе в камеру. Спирально обмотанная вокруг нагревательной трубы нихромовая проволока предназначена для нагревания камеры. Во избежания прямого контакта нихромовой проволоки со стенкой греющей камеры, проволока защищена керамическими бусами. Для большего теплового эффекта обмотки, ее соединяют параллельно и разделяют на три участка. Питание на обмотки подается через трансформаторы (ЛАТР 0-250^ на схеме не указаны). Площадь поверхности теплообмена составляет 1,04 м2 (данной площади поверхности нагрева достаточно для разогрева экспериментальных газов при малых расходах и давлении 0,1 атм. до температуры 600°С). В виду того, что нихромовая проволока нагревается до температур выше 600°С, требуемой в реакционной
зоне, применяется тепловая изоляция греющей камеры и реакционной камеры.
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки дегидрирования низших углеводородов под вакуумом, вид спереди (а), вид слева (б): 1, 2 - баллон (вход); 3 - греющая камера; 4 - реакционная камера; 5 - конденсатосборник; 6 - манометр METER ДМ02-100-1-М; 7 - опора; 8 - расходомер; 9 -термозащитная оболочка; 10 - насос для отбора проб вакуумсоздающей системы; 11 - пробоотборник; 12 - термопары; 13 - теплообменник;
14 - вход холодного теплоносителя;
15 - многооборотный вентиль для отбора проб;
16 - греющий элемент (нихромовая проволока);
17 - термозащитный саркофаг; 18 - многооборотный вентиль для регулирования давления; 19 - вентиль для дополнительного пробоотбора; 20 - вентиль, регулирующий подачу исходного сырья; 21 - вентиль для регулировки давления; 22 - безмасляный насос вакуумсоздающей системы; 23 - вентили пробоотборной линии для отбора проб.
В качестве изоляционного материала используются прошивные и вязально-прошивные теплоизоляционные маты марки WATTAT М1-75, которые состоят из базальтового волокна. Реакционная и греющая камеры помещены в защитный саркофаг. Защитный саркофаг выполнен из оцинкованных листов металла.
Нагретое сырье поступает в реакционную камеру 4 и проходит через слой катализатора.
Реакционная камера представляет собой вертикальный трубный реактор. Внутри которого, размещается катализатор, обеспечивающий устойчивое протекание процесса. При этом применение водяного пара исключается, а снижение парциального давления в реакционной зоне достигается за счет создания вакуума в реакционной зоне.
Длина реакционной камеры спроектирована из условия максимально допустимого времени пребывания исходных веществ и продуктов реакции в реакционной зоне, исключающего термическую деструкцию. Обогрев реакционной камеры осуществляется при помощи нагревательной
нихромовой проволоки, изолированной
керамическими бусами.
Температура в реакционной камере измеряется при помощи термопар ТХА (класс точности 1(°С): ±1.5 от -40 °С до 375 °С; ±0.004хТ от 375°С до 1000°С) 12, которые установлены в варенные по высоте реакционной камеры бобышки. Отбор проб осуществляется с помощью насоса (МВНК 3x4) вакуумсоздающей системы (ВСС) 10 через пробоотборники 11, установленные по высоте реакционной камеры, входной патрубок пробоотборной линии погружен в реакционную камеру. На конце входного патрубка имеется множество мелких отверстий для взятия проб. Выходной патрубок отведен от реакционной камеры. На конце выходного патрубка пробоотборной линии имеется резьбовое соединение, с помощью которого присоединяется вакуумный насос 10 для отбора проб. Далее смесь поступает в теплообменник 13, представляющий собой одноходовой теплообменник типа «труба в трубе».
Холодным теплоносителем является
водопроводная вода, которая входит в теплообменник через входной патрубок 14. Далее продукт реакции поступает в безмасляный мембранный вакуумый насос вакуумсоздающей системы. С помощью многооборотного вентиля, установленного перед входом в вакуум-насос, и натекателя, расположенным на входе в систему, в которой создается разряжение, осуществляется регулирование производительности насоса. После чего поступает в кондесаторосборник 5.
Конденсатосборник состоит из вертикальной цилиндрической емкости, на разных уровнях которой, приварены патрубки для ввода и вывода контактного газа. Соответственно слив конденсата осуществляется через нижний патрубок. Для контроля разряжения на входе в вакуумный насос приварена в корпус конденсатосборника бобышка, к которой крепится вакуумметр.
Имеется аналогичный конденсатосборник после вакуумного насоса, но он отличается от кондесатосборника после теплообменника тем, что имеет меньших размеров цилиндрическую емкость.
Пробы отбирают на трех фиксированных участках вакуумной линии. На этих трех фиксированных участках реакционной камеры проходит реакция дегидрирования. Отбор проб реализовывают с помощью безмасляного мембранного вакуумного насоса (МВНК 2x4), который создает более низкое разряжение в пробоотборной вакуумной линии. Пробоотборная вакуумная линия состоит из вакуумного насоса, полиамидных трубок, различных фитингов фирмы "Сато77Г' и конденсатосборниак вакуумметром. С помощью довольно простой системы фитингов легко и быстро реализуется мондаж и демонтаж пробоотборной линии, что дает возможность выделять отдельные потоки продуктов исследуемого газа, перекрыв оставшуюся поточную линию.
Литература
1. Назаров А.А. Вакуумное дегидрирование / А.А. Назаров // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2012. - № 2. - С. 25.
2. Ахмадиев А.Л. Математическая модель нагрева реакционной смеси в процессе вакуумного дегидрирования углеводородов. / А.Л. Ахмадиев, В.П. Матвеев, А.А. Назаров, А.И. Гиниятулин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2012. - № 10. - С. 2223.
3. Akhmadiev A.L. A mathematical model of heating of a reaction mixture in the process of vacuum dehydrogenation of hydrocarbons / A.L. Akhmadiev, V.P. Matveev, A.A. Nazarov, A.I. Giniyatulin // Chemical and Petroleum engineering. - 2013. - Vol. 48, Nos. 9-10. - P. 618 - 620.
4. Panchenko V.I., Magaril Y.F., Nazarov A.A., Shpaner Y.S. Gimranov R.G., Aerodynamic gas gates for flare units. Chemical and Petroleum Engineering, 2009.
5. Magaril Ya.F., Nazarov A.A., Shpaner Ya.S., Gimranov R.G. Special torch heads, Chemical and Petroleum Engineering, 2009.
© Д. Н. Первов - магистр каф. машин и аппаратов химических КНИТУ, dimon_p56@mail.ru; А. А. Назаров - к-т. техн. наук, доц. той же кафедры, 2901015@gmail.com; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических КНИТУ.
© D. N. Pervov - M.Sc. student of the department "Mechanical Engineering For Chemical Industry", KNRTU, dimon_p56@mail.ru; A. A. Nazarov - Ph.D., ass. professor in the same department, 2901015@gmail.com; S. 1 Ponikarov - Doctor of Technikal Sciences, professor of department "Mechanical Engineering For Chemical Industry", KNRTU.
