CC BY
18
106
AZЭRBAYCAN К1МУА JURNALI № 3 2012
УДК 637.002.095
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА АЛКИЛИРОВАНИЯ ЭТАНОЛА ИЗОБУТИЛЕНОМ МЕТОДОМ МНОГОМЕРНОГО АНАЛИЗА
М.Р.Байрамов, Н.Ю.Зейналов, С.М.Мусаев, М.А.Джавадов
Бакинский государственный университет cavadov.misir@mail.ru
Поступила в редакцию 07.06.2010 Проведена оптимизация синтеза этил-трет-бутилового эфира, используемого в качестве высокооктановой добавки к моторным топливам. Процесс реализован на основе реакции алки-лирования этанола изобутиленом в присутствии нового гетерогенного катализатора. Методом многомерного анализа выявлены оптимальные условия получения целевого продукта: температура - 20-5000С и соотношение этанол:изобутилен - 3:1.
Ключевые слова: алкилирование, этанол, изобутилен, новый катализатор - 0.3% Pt[ZSM][H+], оптимизация.
Наличие значительных ресурсов изобутилена (—9-11%) в составе фракции С4 газов каталитического крекинга, а также этанола, получаемого из нефтяного и растительного сырья, открывает возможности для их использования как исходного сырья для получения этил-трет-бутилового эфира (ЭТБЭ), который является экологически чистой высокооктановой добавкой к бензинам. Процесс получения ЭТБЭ осуществлен реакцией алкилирования этанола изобутиленом в присутствии нового гетерогенного катализатора - 0.3% Pt[ZSM][H+] [1]. Алкилирование проведено в трехступенчатом реакторе, представляющем собой вертикальный аппарат проточного типа. При оптимальном проектировании и аппаратурно-технологическом оформлении непрерывного процесса алкилирования необходимо определить конструкционные и режимные переменные многоступенчатого реактора и вектор настроечных параметров системы автоматического управления.
В ходе определения управляющей функции в открытой форме было принято допущение об идеальном распределении катализатора на тарелках и частиц реагентов по всему объему реактора.
Требуется также учитывать экзотермичность реакции алкилирования, при которой выделяется значительное количество тепла (—72 кДж/моль) [1, 2], отводимое с помощью теплообменника.
Вектор конструкционных параметров включает ^-ное число тарелок в реакторе объемом V, режимные (управляющие) переменные - температуру (0, мольное соотношение реагентов (п/п) и распределение этанола по тарелкам реактора, которые регулируются объемной скоростью подачи фракции С4 (кс ).
Статические и данамические математические модели непрерывного процесса алкилирова-ния, осуществляемого в указанном реакторе, представляют системы нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений с простыми производными.
Целевые функции у, у}- (выход ЭТБЭ и октановое число ^ответственно) и вектор-функцию условий осуществления технологического процесса получения ЭТБЭ х= (¿, п/п;, у ...) можно
представить в виде уравнения:
у„у = F (Х1, Х2, Х3 ...). (1)
С целью определения области действия аргументов и статистических данных основной функции F с варьированием вышеупомянутых параметров проведена оптимизация процесса алкилирования этанола изобутиленом методом многомерного анализа эксперимента.
Для установления влияния основных режимных факторов, к числу которых относятся мольное соотношение [этанол]:[изобутилен] - хь температура - х2 (0С), время реакции (продолжительность) - х3 (ч) и объемная скорость подачи фракции С4 - х4 (ч-1), на показатели процесса -выход ЭТБЭ - у1 (%) и октановое число продукта - у2 (о.ч.) была проведена математико-статисти-ческая обработка полученных данных.
Для выбора оптимальных условий реакции алкилирования этанола изобутиленом на основе ранее проведенных опытов [1, 3] определены значения иследуемых управляющих факторов реакции. Центр эксперимента и интервалы варьирования факторов представлены в табл.1.
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА АЛКИЛИРОВАНИЯ ЭТАНОЛА ИЗОБУТИЛЕНОМ 107
Таблица 1. Центр эксперимента и интервалы варьирования
Факторы Обозначения Интервал варьирования Уровни варьирования
натуральные кодированные -1 0 1
мольное соотношение этанол:изобутилен n Xi 2.0 1:1 3:1 5:1
температура, иС Т X2 30 20 50 80
время реакции, ч X X3 0.5 0.5 1.0 1.5
объемная скорость подачи фр. С4, ч-1 VC4 X4 0.4 0.2 0.6 1.0
В качестве функции отклика у, были выбраны: у\ - выход этил-трет-бутилового эфира, %; у2 - октановое число продукта алкилирования (ЭТБЭ).
Для определения приближенных зависимостей откликов от условий реакции был реализован полный факторный эксперимент 24 (16 опытов).
Кодированные значения факторов связаны с их натуральными значениями следующими соотношениями:
X = (п - 3)/2, X = (т -1.0)/0.5,
\хс2 = (г-50)/30, \Хз = (уС4 -0.6)/0.4. (2)
Учитывая, что количества опытов т=16 и факторов п=4, выходную функцию представим в виде полинома второй степени:
У] = a0 + ЁагХг + Ёa'X'XJ ' ] = l - m , (3)
2=1 '<]
где yj - отклики, х, - факторы, а, - коэффициенты регрессии.
Для определения коэффициентов в уравнении (3) была использована программа S-plus 2000 professional, разработанная компанией Mathworks для автоматизированной математической обработки экспериментальных данных (табл.2), т.е. для статистического анализа данных, расчета коэффициентов регрессий и коэффициентов парной корреляции для выбранных нами целевых функций [4, 5].
Таблица 2. Пределы варьирования факторов и экспериментальные показатели
Уровни факторов Мольное соотношение компонентов, nэтанол/n/-бутилен, Х1 Темпер-тура,0С, X2 Время реакции, ч, X3 Объемная скорость подачи фр. С4, ч-1, X4 Выход продукта, %, У1 Октановое число продукта, о.ч., >"2
центральное значение 3:1 50 1.0 0.6
интервал варьирования 2:0 30 0.5 0.4
нижний уровень 1:1 20 0.5 0.2
верхний уровень 5:1 80 1.5 1.0
№ опыта
1 - - - - 42 78
2 + - - - 73 110
3 - + - - 57 103
4 + + - - 74 114
5 - - + - 48 86
6 + - + - 69 117
7 - + + - 62 108
8 + + + - 43 124
9 - - - + 66 88
10 + - - + 78 116
11 - + - + 63 109
12 + + - + 71 122
13 - - + + 67 94
14 + - + + 72 112
15 - + + + 70 106
16 + + + + 86 118
108 М.Р.БАЙРАМОВ и др.
На основе рассчитанных по указанной программе коэффициентов регрессии уравнения (3) определили приближенные зависимости функций отклика от технологических факторов:
\у = 71.18 + 5.062х1 + 0.682х2 - 0.438% + 6.562х4, т
\у2 = 106.56 +10.625% + 5.801 % +1.05(5 х + 1.721%. (4)
Задача определения оптимальной области осуществления реакции формулировалась как определение условий реакции, при которых выход ЭТБЭ у\ достигает максимума при значениях октанового числа у2 в пределах требуемой области 101-118.
Для решения этой задачи были построены контурные линии функции отклика у 1 и у2 при сочетании значений факторов х1= ±1, х2= ±1 и х3 =х4=0 (рис. 1, 2).
n x1 5:1 1
1:1 -1
Рис.1. Контурные линии функции отклика y1=f(x1, x2) - выход ЭТБЭ (х3 =х4=0).
n x1 5:1 1
120У / / 1(ж/
98 101
1 x1
20
8 0 t
1:1 -1
Рис.2. Контурные линии функции отклика у2=Дхь х2) - октановое число продукта (х3 =х4=0).
Аналогично были анализированы функции y1=fx1, x2) и y2=fxb x2) при условиях (х3 =1, х4=1)
и (х3 = -1, х4= -1).
Анализ контурных диаграмм показывает, что оптимальными являются значения х3 =0, х4=0, т.е. продолжительность реакции т=1.0 ч и объемная скорость подачи - 0.6 ч-1. При этих значениях у2 находится в требуемой области. Аналогично найдены оптимальные значение фактора х1=0, при котором n=3:1, а фактор х2 может принимать любое значение в диапазоне t =20-500C.
Таким образом, применение метода многомерного анализа процесса позволило установить оптимальные условия реакции алкилирования этанола изобутиленом, при которых выход ЭТБЭ составляет 78-86% при октановом числе 101-118.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зейналов Н.Ю., Байрамов М.Р., Алиева Ф.Дж. // Хим. проблемы. 2008. № 1.С. 144.
2. Красных Е.Л., Леванова С.В., Карасева С.Я. и др. // Нефтехимия. 2005. Т. 45. № 2. С. 111.
3. Зейналов Н.Ю., Байрамов М.Р., Махмудов С.Г. // Тез. докл. научн. конф., посвящ. 85-летному юбилею Г.Алиева. БГУ. 2008. С. 58.
4. ЭВМ помогает химии / Под ред. Вернена Г., Шанона М. Л.: Химия, 1990. 384 с.
5. Акромов Т.А., Беленоев В.С., Зеленяк Т.И. и др. // Теор. основы хим. технол. 2006. Т. 34. № 3. С. 235.
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА АЛКИЛИРОВАНИЯ ЭТАНОЛА ИЗОБУТИЛЕНОМ 109
ETANOLUN iZOBUTILENLO ALKiLLaSMOSi PROSESiNiN COXOLCULU ANALiZ METODU
iLO OPTiMALLA§DIRILMASI
M.R.Bayramov, N.Y.Zeynalov, S.M.Musayev, M.a.Cavadov
Motor yanacaqlari ugun yuksak oktan adadli komponent kimi istifada olunan etil-uglu-butil efirinin (ETBE) sintezi ugun optimal ¡jarait muayyanlajdirilib. Proses yeni heterogen katalizator ijtirakinda etanolun i-butilenla alkillajmasi asasinda reallajdinlib. Tacrubanin goxolgulu analiz metodu asasinda muayyan olunur ki, maqsadli mahsulun maksimum giximini tamin edan temperatur 20-500C va etanol:i-butilen = 3:1 mol nisbati proses ugun optimal ¡jarait kimi qabul oluna bilar.
Agar sozfor: alkilh§m3, etanol, izobutilen, yeni katalizator - 0.3% Pt[ZSM][H+], optimalla§ma.
OPTIMIZATION OF THE PROCESS OF ALKYLATION ETHANOL WITH ISOBUTYLENE BY METHOD OF MULTIDIMENSIONAL ANALYSIS
M.R.Bayramov, N.Y.Zeynalov, S.M.Musayev, M.A.Javadov
Optimization of synthesis of ethyl-tret-butyl ether used as high octane additives to motor fuels was implemented. Process has been realized on the basis of alkylation reaction of ethanol with isobutylene in presence of new heterogeneous catalyst. By method of multidimensional analysis the best conditions for obtaining a target product have been found out target: temperature - 20-500C and ratio ethanol:isobutylene - 3:1.
Keywords: alkylation, ethanol, isobutylene, new catalyst - 0.3% Pt [ZSM][H+], optimization.
