CC BY
195
УДК 66.001.121/18
И. Х. Бикбулатов (д.х.н., проф., зав. каф.)1, Р. Р. Кадыров (к.т.н., доц.)2 , П. Н. Чариков (к.т.н., доц.)2, В. Р. Бухаров (асп.)
Технология получения бензина из остатков производств
метил-трет-бутилового эфира с использованием СВЧ-излучения в специальном производственном здании
Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Стерлитамаке, 1 кафедра экологии и рационального природопользования, 2кафедры автоматизированных технологических и информационных систем 453118, г. Стерлитамак, Проспект Октября, 2; тел. (3473) 243574, факс (3473) 242408, e-mail: [email protected], [email protected]
I. H. Bikbulatov, R. R. Kadyrov, P. N. Charikov, V. R. Buharov
Technique of benzene production from residue of methyl-tret-butyl ether synthesis with application
of microwave radiation in a special industrial building
Sterlitamak Branch of Ufa State Oil Technical University 2, October av., 453H8, Sterlitamak, Russia; ph. (3473) 243574, fax (3473) 242408, e-mail: [email protected], [email protected]
Получение бензина из отработанной бутан-бути-леновой фракции (ББФ) с установки по производству метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) через олигомеризацию является одним из путей повышения экономичности и экологичности производства МТБЭ. Безопасность и экологич-ность данного процесса можно значительно улучшить, если разместить установки и оборудование в специальном производственном здании, а для проведения реакции использовать энергию СВЧ-излучения.
Ключевые слова: бутан-бутиленовая фракция; безопасность; метил-трет-бутиловый эфир; специальное производственное здание; функциональные блоки; компактность; экология.
Benzene derivation from used butane-butylene fraction from installation for methyl-tret-butyl ether through oligomerization is one of ways to increase efficiency and ecological compatibility of methyl-tret-butyl ether production. Safety and ecological compatibility of this process may be significantly improved with the installations and equipment placed in special production building also as with microwave radiation used during reactions.
Key words: butane-butylene fraction; methyl-tret-butyl ether; special production building; functional units; compactness; safety; ecology.
МТБЭ как модификатор качества все шире применяется при производстве товарных автомобильных бензинов, а объемы его мирового производства непрерывно увеличиваются.
Путем олигомеризации отработанной бутан-бутиленовой фракции (ББФ) с установки по производству метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) также можно получить бензин.
Рассмотрим существующую промышленную технологию олигомеризации ББФ (рис. 1).
изобутановая
Рис. 1. Принципиальная традиционная схема олигомеризации
Дата поступления 14.03.11
Это совмещенный процесс получения из ББФ диенов и их димеризация. В результате этих реакций происходят также ароматизация насыщенных и непредельных углеводородов и алкилирование ароматических углеводородов. Совокупность реакций может быть представлена следующим образом:
С4Н
к1
к2
4П10
гк4
СН4 + С3Н6
к-1
С4Н8
С8Н16' | к5
к3
к-2
СбН4(СНз)2
С3Н6 + С5Н10
где к1, к>2, — константы скоростей соответственно реакций дегидрирования, димеризации и ароматизации;
кт, к2 — константы скоростей соответствующих обратных реакций;
£4, — константы скоростей реакций крекинга.
Согласно этой схеме, скорость дегидрирования должна быть выше скорости димеризации (£1>£з). Кроме того, должно соблюдаться условие £3>£2 и, что особенно важно, ароматизация должна протекать гораздо быстрее крекинга (£5<£3>£2).
Сырьем служит отработанная бутан-бути-леновая фракция, представляющая собой бесцветный газ тяжелее воздуха, нерастворимый в воде. Пары образуют с воздухом взрывоопасные смеси, которые могут распространяться далеко от места утечки.
Типичный углеводородный состав сырья, % (мас.): изобутан — 65 — 75; н-бутан — 1.5—5; н-бутилен — 17—20; изобутилен — 4—5; транс-бутен — 3—7; цис-бутен — 0.5—2.5; УС5 — следы. Содержание серы в сырье не превышает 0.002% (мас.).
Реакция олигомеризации — экзотермическая, следовательно необходим отвод тепла во избежание перегрева реактора.
Синтез олигобензина осуществляется в основном на катализаторе БАК-70 м — цеолите, модифицированном цинком и галлием.
При увеличении объемной скорости подачи сырья до 3 ч-1 температура в нижних слоях катализатора повышается до 470 оС. Такая высокая температура, не изменяя общего выхода катализата, приводит к возрастанию доли в
нем ароматических углеводородов. Температуру по слою катализатора удается снизить до 420 оС за счет снижения температуры на входе в слой катализатора, что позволяет регулировать содержание ароматических углеводородов в олигобензине.
Реакторный блок установки (рис. 1) состоит из четырех реакторов, работающих попарно. Одновременно проводятся два цикла — реакция олигомеризации и регенерация катализатора. Разделение продуктов реакции осуществляется ректификацией.
Таким образом, традиционная технология получения олигобензина основывается на том, что тепловая энергия, необходимая для реакции олигомеризации, передается через теплообменники при сжигании твердого или газообразного топлива в печах.
Особенности получения бензина в СВЧ-реакторах. В отличие от традиционной технологии нагрева реакционной массы применение энергии СВЧ-излучения предполагает разогрев только катализатора, который будет контактировать с ББФ. Это связано с различными способностями газообразной фракции и твердого катализатора поглощать электромагнитную энергию СВЧ диапазона. Катализатор в данном случае будет передавать реакционной массе тепло, аккумулированное внутри себя после преобразования энергии поля.
На рис. 2 представлена схема электродинамического СВЧ-реактора для процесса получения бензина.
Рис. 2. Схема электродинамического СВЧ-реактора для процесса получения бензина
Предлагаемый способ воздействия на среды с помощью электромагнитного поля создает целый ряд преимуществ.
Нагрев веществ осуществляется только в реакторе, что позволяет исключить из технологии часть сложных схем теплообменников и печь, сжигающую топливо. Это приведет к экономии затрат на производство, а также улучшит его экологические показатели.
Скорость нагрева катализатора определяется только скоростью распространения электромагнитной волны в среде, диэлектрическими свойствами среды и мощностью излучения.
Бесконтактный способ передачи энергии сразу по всему объему катализатора, обладающий высокой скоростью, обуславливает мало-инерционность при регулировании температуры нагрева вещества.
Располагая математическим описанием процесса, можно оценить режимы работы реактора, оптимизировать протекающие процессы, выработать установки для автоматического управления. Для процесса олигомериза-ции, протекающего в электродинамическом СВЧ-реакторе, можно составить систему дифференциальных уравнений с частными производными, характеризующую теплообменные процессы. Полученная система уравнений имеет вид:
дТ д 2Т скРк~;г = -ае/а(Тк -Т/)-(1 -> (1)
дг
дг2
дТ{ д2Т_ дТ{
,__ _ 1 __ г- С__
-= А-^--СО-
_ _ дг
С_Р дг _ дг +а_а(Тк - Т_ ) + АН
(2)
д_
д
1 - х
с / р
_)
Бе д2 X
"О/РР "дг2
дХ дг
гРк
ОС
(3)
) о
Тр, Тк — температуры ББФ и катализатора соответственно;
Х — конверсия;
ср — изобарная теплоемкость газа; Ск — теплоемкость твердой фазы; е — пористость;
Лр — эффективная теплопроводность ББФ; Лк — эффективная теплопроводность катализа-
тора;
О — массовая скорость;
— объемная мощность тепловых источников.
На основании данной математической модели (1—3) при использовании численных методов ее решения можно оценить показатели процесса олигомеризации в статическом и динамическом режимах.
В результате ориентировочных расчетов по вышеприведенной модели при применении СВЧ-нагрева было установлено, что происходит интенсификация процесса олигомериза-ции, снижаются энергетические затраты.
Безопасность работы данного реактора дополнительно обеспечивается адаптивным управлением, оперативно следящим за нагревом веществ, что особенно важно для экзотермической реакции.
Размещение технологии в специальном производственном здании. Как нам представляется, размещение оборудования в зданиях традиционной конструкции не всегда позволяет обеспечить достаточно высокую безопасность персонала, упростить его перемещения, создать комфортные условия, ограничить зоны вероятного вредного воздействия производства и т. д.
Нами предлагается новый подход к повышению безопасности производств при их размещении в специальном производственном здании (СПЗ), по форме представляющем собой прямоугольную призму 1. Внутри призма разделена на блоки, образуемые в результате сечения по уровням внутреннего несущего цилиндра и радиально направленных от цилиндра стеновых перегородок. В несущем цилиндре преимущественно размещены системы управления, а в функциональных блоках вокруг — него технологическое и вспомогательное оборудование. Основными задачами данной конструкции являются сбор и утилизация различного рода потерь технологического процесса, повышение безопасности производства.
На рис. 3 представлено размещение технологии олигомеризации в СПЗ.
Аппараты размещены в изолированных функциональных блоках и связь этих помещений с местами пребывания персонала отсутствует, поскольку двери герметично закрыты, а помещения отделены перегородками.
Само оборудование размещено вокруг несущего цилиндра и, следовательно, находится на расстоянии не более радиуса здания, поэтому персонал при обслуживании отдельных аппаратов будет перемещаться только по уровням (вертикально) и в пределах радиуса (горизонтально). Поэтому, околотехнологическое пространство, то есть воздушное пространство в пределах здания, расположено таким образом, что для работающего персонала создаются более новые благоприяные условия.
На развертке (рис. 3) представлена схема размещения технологии получения бензинов
Рис. 3. Развертка функциональных блоков СПЗ с размещением в нем технологии получения бензинов из кубовых остатков: А, В, С, О, Е, Г, О, Н — секции здания; I, II, III, IV, V, VI, VII — уровни здания; 02 — ось уровней здания; ОЬ — ось периметра здания; Д — сбор и очистка газов; Т— сбор и переработка сливов; О — оборудование инженерных систем; — помещения отдыха
из кубовых остатков. Как видно, на схеме имеются свободные функциональные блоки, которые предназначены для размещения вспомогательного оборудования: сбора и очистки газов, сбора и переработки сливов, аппаратов инженерных систем. На схеме свободные помещения в зависимости от назначения отмечены соответствующими значками.
Мы считаем, что применение СВЧ-излу-чения существенно позволяет повысить экологическую чистоту производства, его безопасность, снизить энергозатратность. Использование технологии бесконтактного нагрева с помощью энергии СВЧ диапазона в комплексе с современными системами управления позволяет исключить многие негативные стороны существующих производств, улучшая производственные показатели и качество продукции 2.
Размещение данной технологии в специальном производственном здании с безопасно
организованным околотехнологическим пространством создает базу для эффективных решений в области безопасности, экологичности, экономичности химических производств, так как СПЗ обладает универсальностью и целым набором необходимых качеств: компактность, простая технология монтажа и демонтажа оборудования и систем управления зданием, повышенная безопасность персонала, в том числе в аварийных ситуациях, и комфортность рабочих мест, низкие эксплуатационные расходы.
Литература
1. Бикбулатов И. Х., Кадыров Р. Р., Бахонина Е. И. и др. // Баш. хим. ж.- 2002.- Т.9, №1.-С. 63.
2. Кадыров Р. Р. Безопасные производства с электродинамическими реакторами, адаптивным регулированием, размещенные в специальных зданиях (на примерах получения бутадиена и извести): Дис. ... канд. техн. н.- Уфа, 2002.130 с.
