CC BY
2505.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий (технические науки) DOI: 10.25712ZASTU.2072-89212019.04.018 УДК 66.062.571.095.81
ПРИМЕНЕНИЕ МАЛОГАБАРИТНОЙ АППАРАТУРЫ ПЛЁНОЧНОГО ТИПА В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРИСАДКИ К ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУ
В.М. Загородников, М.С. Василишин, С.В. Лайлов, О.С. Иванов, А.Г. Карпов, А.А. Кухленко, Д.Б. Иванова, С.Е. Орлов
Сообщается о разработке перспективного аппаратурно-технологического оформления процесса получения присадки к дизельному топливу. Проанализированы некоторые эксплуатационные и экологические требования отечественного стандарта «Топливо дизельное. ЕВРО», в том числе, по величине цетанового числа. Отмечена перспективность использования для удовлетворения этих требований специальных присадок, главным образом, на основе алкилнитратов. Приведена информация, касающаяся аппаратурно-технологического оформления процесса промышленного получения 2-этилгексилнитрата (2-ЭГН) - эффективной цетаноповышающей присадки и механизма её действия в составе дизельного топлива. Отмечено несовершенство существующей технологии производства 2-ЭГН, связанное со значительной продолжительностью основных операций, низким уровнем безопасности при работе с взрывоопасным материалом. Сформулированы основные требования, предъявляемые к организации процесса нитрования 2-этилгексанола и нитрационному оборудованию. Отмечена перспективность использования для указанных целей малогабаритной аппаратуры плёночного типа. Приводится описание разработанной аппаратурно-технологической схемы полупромышленной установки получения 2-ЭГН, основного функционального узла - малогабаритного нитратора и некоторых его эксплуатационных характеристик. По результатам гидравлических испытаний аппарата на воде установлены предельные уровни подачи и напора. Приводится заключение о возможности его использования в процессе производства присадки 2-ЭГН на полупромышленной установке.
Ключевые слова: дизельное топливо, цетаноповышающие присадки, 2-этилгексил-нитрат, аппаратурно-технологическая схема установки, малогабаритный нитратор.
Основными направлениями развития нефтеперерабатывающей промышленности РФ до 2020 года [1] предусмотрен значительный рост производства дизельного топлива (ДТ), которое пользуется повышенным спросом, как на внутреннем рынке, так и имеет неплохой экспортный потенциал. Во многом, этому способствовало принятие нового стандарта «Топливо дизельное. ЕВРО» [2] - аналога европейского стандарта ЕЫ590: 2009. Документом предусматриваются жёсткие требования к эксплуатационным и экологическим характеристикам ДТ, в частности, к це-тановому числу (ЦЧ), которое не должно быть меньше 51 ед.
Доведение качества отечественных топ-лив до требований стандарта возможно при комплексном внедрении на нефтеперерабатывающих предприятиях достаточно затратных технологий гидрокрекинга и гидроочистки [3]. В то же время, альтернативой им является использование различного рода присадок, в том числе, и цетаноповышающих.
Механизм действия таких присадок заключается в ускорении предпламенных реакций, а также в образовании окислительных цепей и новых реакционных центров в топливе. Отечественной промышленностью выпускаются цетаноповышающие присадки на ос-ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 2019
нове алкилнитратов, в частности, -2-этилгексилнитрат (2-ЭГН). Присадки этого класса вводятся как в летние, так и в зимние сорта ДТ. Следует отметить, что получение зимних сортов топлива, соответствующих классу ЕВрО, без применения цетаноповышающих присадок невозможно.
Промышленный процесс получения 2-ЭГН основывается на нитровании спирта (2-этилгексанола) смесью азотной и серной кислот, имеющей следующий состав (%масс.): Н1\Юэ-20-30%; 42804-55-60%; Н20-10-20% [4,5]. Получающийся продукт отделяют от отработанной кислоты, промывают сначала водой, а затем - раствором щёлочи. Процесс осуществляется по периодической технологии в крупногабаритной емкостной аппаратуре с перемешивающими устройствами. При этом продолжительность только операции нитрования достигает 2 часов.
Тепловой эффект реакции оценивается в 18,3 кДж/моль [б], что, с учётом низкой химической стабильности нитромассы, предъявляет специфические требования к обеспечению технологической безопасности процесса и конструкции основного оборудования.
Применительно к практике нитрования спиртов [7,8], эти требования сводятся к
необходимости осуществления межфазного взаимодействия в непрерывном режиме. При этом, движущая сила процесса должна быть, по-возможности, максимальной, а контакт продуктов реакции с веществами в неё вступающими - исключаться. В свою очередь, технологическое оборудование должно быть малогабаритным и обеспечивать интенсивное перемешивание фаз при оптимальном времени их контакта.
Указанным требованиям соответствуют аппараты роторно-плёночного типа [9-11]. При проведении процессов нитрования в таком оборудовании один из реагентов подаётся непрерывным потоком во внутреннюю полость быстровращающегося ротора, образуя при этом движущуюся плёнку. Второй реагент диспергируется в неё тем или иным способом. Получаемая при этом реакционная смесь характеризуется оптимальным соотношением фаз в микрообъёмах, что, в дальнейшем, благотворно влияет на выход целевых продуктов. Такие аппараты способны играть роль самостоятельного транспортирующего средства (насоса), что обеспечивает их применение в непрерывно действующих технологических схемах.
По результатам предварительных исследований, выполненных на лабораторной
установке с центробежным массообменным аппаратом плёночного типа, нами была показана принципиальная возможность получения 2-ЭГН в подобном оборудовании с выходом 70-75% при чистоте продукта до 99%. В целях детального изучения процесса разработана аппаратурно-технологическая схема полупромышленной установки получения 2-ЭГН, представленная на рисунке 1.
Исходные реагенты (2-этилгексанол и нитросмесь) из мерников 1 и 2 при помощи плунжерных насосов-дозаторов 3 и 4 в требуемом соотношении подаются во внутреннюю полость тарели малогабаритного нитратора 5. В аппарате спирт вступает в реакцию с нитросмесью, после чего нитромасса поступает в змеевиковый теплообменник 6. Здесь, в режиме, близком к идеальному вытеснению, создаются условия для обеспечения полноты химического взаимодействия фаз, при этом из зоны реакции отводится основное количество выделяющегося тепла. Отработанная кислота и 2-ЭГН разделяются в гидроциклоне 7, после чего продукт направляется на водную промывку и нейтрализацию щелочным раствором, а отработанная нитро-смесь - на укрепление.
1,2-мерники; 3,4-насосы-дозаторы; 5-нитратор; 6-змеевиковый теплообменник; 7-гидроциклон
Рисунок 1- Аппаратурно-технологическая схема полупромышленной установки
получения 2-ЭГН
ПРИМЕНЕНИЕ МАЛОГАБАРИТНОЙ АППАРАТУРЫ ПЛЁНОЧНОГО ТИПА В ПРОИЗВОДСТВЕ
ПРИСАДКИ К ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУ
Основным функциональным узлом установки, обеспечивающим эффективное взаимодействие фаз, является специально разработанный малогабаритный нитратор [12]. Принципиальная схема аппарата представлена на рисунке 2.
1-корпус; 2-крышка; 3-тарель; 4-диск;
5-заборная трубка; 6,7-трубки для подачи
нитросмеси и спирта; 8-отбойник
Рисунок 2 - Принципиальная схема малогабаритного нитратора
Вращение тарели нитратора осуществляется от электродвигателя переменного тока мощностью N=0,55 кВт через клино-ременную передачу (на рисунке не показана). Рабочие числа оборотов п=1600 и 2000 об/мин. Внутренний диаметр тороидальной части тарели й=180 мм, диаметр отверстия заборной трубки d=6 мм.
Работа нитратора производится в следующей последовательности. Нитросмесь и спирт подаются в полость тарели 3 по трубкам 6 и 7, соответственно. Нитросмесь по кольцевому зазору между диском 4 и поверхностью тарели отбрасывается к её периферии в торовое пространство. Туда же поступает спирт. Нитромасса выводится из аппарата через заборную трубку 5. Разбрызгивание нитромассы предотвращается за счёт наличия отбойника 8.
Гидравлические испытания аппарата, выполненные на воде, показали, что при рабочих числах оборотов тарели подача О составляет 7,110-5 и 9,310-5 м3/с, соответственно. Напор Н, развиваемый на выходе из аппарата, составляет 0,16-0,18 МПа.
Таким образом, по уровню напорно-расходных параметров разработанный малогабаритный нитратор может быть рекомендован к испытаниям в составе полупромышлен-
ной установки в производстве цетаноповы-шающей присадки 2-этилгексилнитрата.
Предлагаемый вариант аппаратурно-технологического оформления фазы нитрования 2-этилгексанола позволит интенсифицировать процесс при значительном повышении уровня безопасности за счёт его проведения в непрерывном режиме и уменьшения разовой загрузки оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Галиев, Р.Г. О задачах российской нефтепереработки / Р.Г. Галиев, В.А. Хавкин, А.М. Данилов // Мир нефтепродуктов.- 2009.- №2.- С.3-7.
2. ГОСТ Р 52368-2005. Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия.- 28 с.
3. Гуреев, А.А. Топливо для дизелей. Свойства и применение / А.А. Гуреев, В.С. Азев, Г.М. Камфер.- М.: Химия, 1993.- 336 с.
4. Пат. 2235118 Российская Федерация. МПК C10L1/22, C07C203/04. Цетаноповышающая присадка и способ её получения / Т.П. Порублева, А.Н. Заказов, С.В. Гусаров, И.Е. Кузора, В.П. То-мин, А.И. Ёлшин; заявл. 14.11.2002, опубл. 27.08.2004, б.и. № 24.
5. Пат. 2472771 Российская Федерация. МПК С07С203/04. Способ получения 2-этилгексилнитрата (варианты) / П.П. Переведенцев, О.М. Власов, О.Ю. Пляскин, С.А. Соловьёв; заявл. 01.08.2011, опубл. 20.01.2013, б.и. № 2.
6. Иванова, Д.Б. К оценке величины теплового эффекта реакции нитрования 2-этил-гексанола / Д.Б. Иванова, М.С. Василишин, А.А. Кухлен-ко, О.С. Иванов, А.Г. Карпов, С.Е. Орлов // ЮжноСибирский научный вестник.-2019.-№4(28).-С.55-57.
7. Питеркин, Р.Н. Технология нитроэфиров и нитроэфирсодержащих взрывчатых веществ / Р.Н. Питеркин, Р.Ш. Просвирнин, Е.А. Петров.-Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2012.- 268 с.
8. Генералов, М.Б. Химические реакторы производств нитропродуктов: учебное пособие для ВУЗов / М.Б. Генералов, В.С. Силин.- М.: ИЦК «Академкнига», 2004.- 392 с.
9. Пат. 2663038 Российская Федерация СПК B01J8/10, B01J14/00, В01F5/00; B01F7/16. Центробежный массообменный аппарат для систем «жидкость-жидкость» / Г.В. Сакович, М.С. Василишин, А.А. Кухленко, О.С. Иванов, А.Г. Карпов, Д.Б. Иванова, С.Е. Орлов; заявл. 01.12.2017, опубл. 01.08.2018, б.и. № 22.
10. Vasilishin, M.S. Setup with a centrifugal mass-transfer apparatus for the intensification of technological processes in a liquid system / M.S. Vasilishin, A.A. Kuchlenko, O.S. Ivanov, D.B. Ivanova, S.E. Orlov; A.G. Karpov // Chemical and Petroleum Engineering.- 2019.- vol.54.- № 11-12.-pp. 877-882.
11. Василишин, М.С. Аппаратура плёночного типа для процесса жидкофазного нитрования (обзор конструкций) / М.С. Василишин, А.А. Кухленко,
А.Г. Овчаренко, О.С. Иванов, А.Г. Карпов, Д.Б. Иванова, С.Е. Орлов // Ползуновский вестник.- 2018.- №4.- С.106-110.
12. Пат. 2603773 Российская Федерация. МПК С07С201/02, В01Л9/00, B01F5/00. Нитратор для получения жидких нитроэфиров / В.М. Заго-родников, Р.Н. Питеркин, Р.Ш. Просвирнин, А.С. Савицкий; заявл. 12.10.2015, опубл. 27.11.2016, б.и. № 33.
Загородников Виктор Михайлович -
начальник лаборатории АО «ФНПЦ «Алтай», г.Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, E-mail: post@frpc.secna.ru.
Василишин Михаил Степанович -д.т.н., доцент, начальник лаборатории ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, E-mail: ipcet@mail.ru.
Лайлов Сергей Владимирович -начальник лаборатории АО «ФНПЦ «Алтай», г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, E-mail: post@frpc.secna.ru.
Иванов Олег Сергеевич - к.т.н., старший научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, E-mail: ipcet@mail.ru.
Карпов Анатолий Геннадьевич -научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, Email: ipcet@mail.ru.
Кухленко Алексей Анатольевич -к.т.н., доцент, старший научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, E-mail: ipcet@mail.ru.
Иванова Дарья Борисовна - к.т.н., научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, Email: ipcet@mail.ru.
Орлов Сергей Евгеньевич - к.т.н., научный сотрудник ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, Email: ipcet@mail.ru.
