Методичка: Комплексная переработка углеводородного сырья

Задание: Провести опыт по каталитическому крекингу вакуумного газойля в кипящем слое катализатора и исследовать влияние (1 %) ароматизированной добавки к сырью на выход целевых продуктов крекинга в следующих условиях:

- температура в реакторе - 490°С;

- температура подачи сырья в реактор - 500°С;

- массовая скорость подачи сырья в реактор - 4 час^-1;

- отношение катализатора к сырью - 3:1;

- катализатор микросферической марки КМЦР с индексом активности не более 50.Полученные результат представить в виде таблиц, сводных материальных балансов процесса.

Таблица 3.1 Суммарный материальный баланс процесса.

Лабораторная работа №4. Изучение влияния основных факторов на процесс каталитического риформинга с целью получения высококачественного топлива

Теоретические основы

Назначение каталитического крекинга является получение компонента бензина с октановым числом 90-92 (по исследовательскому методу). На ряду с бензиновой получают дизельную фракцию, которую можно использовать как компонент товарного продукта, тяжелый газойль, а также газ с большим содержанием бутан-бутиленовой фракции, используемой для выработки высококачественного компонента бензина - алкилата. Количество кокса, образующиеся в процессе каталитического крекинга и отлагающегося на поверхности катализатора, зависит от фракционного и химического состава сырья и принятой глубины процессов

Наиболее типичным сырьем промышленных установок каталитического крекинга являются вакуумные газойли, менее широко применяют газойли коксования, деасфальтизация нефтяных остатков. Для получения компонентов авиационных бензинов каткрекингу чаще подвергают легкие газойли предпочтительно нефтяного происхождения. Выход бензина при использовании аморфного алюмосиликатного катализатора колеблется от 27 до35%. Применение кристаллических алюмосиликат» (цеолитов), обладающих большой селективностью, позволило повысить выход бензина до 40-50 % за один проход. Активность катализатора определяется индексом активности, т.е. выходом бензиновой фракции (в % масс, на эталонное сырье), полученной при стандартном режиме на специальной установке. Для увеличения выхода бензина каткрекинга иногда проводят с рециркуляцией тяжелых газойлевых фракций. Внедрение цеолитсодержащих катализаторов ограничило коэффициент рециркуляции на промышленных установках каталитического крекинга, так как катализаторы этого типа, с одной стороны способствуют повышению ароматизированности газойля, а с другой малоэффективен для этого процесса и для подобного сырья.

Промышленные установки каткрекинга бывают двух типов: с движущимся слоем катализатора (крупногранулированного) (с частицами среднего размера 2-5 мм); с псевдооожиженным кипящим слоем порошкообразного катализатора (с частицами максимального размера - диаметром 120-150 мкм). Все более широкое распространение получают реакторы лифтного типа, где контакт сырья с катализатором осуществляется в трубе - пневмоподъёмнике. При этом длительность контакта составляет 2-4 сек, температура 540-500°С, с применением цеолитсодержащих катализаторов. Их регенерируют в псевдосожиженном слое также при более высокой температуре (650-б70°С) аморфные катализаторы старого типа (590-620°C).

Установки со стационарным слоем катализатора уже почти не применяется, однако в лабораторных условиях такой процесс наиболее доступен и позволяет изучить влияние основных параметров на выход и качество получаемых продуктов.

Продукты распада олефинов также подвергаются вторичным процессам изомеризации и дегидрогенизации с образованием ароматических углеводородов. В результате, при каталитическом крекинге происходят передвижение кратной связи, изменение строение углеводородного скелета, насыщение двойных связей, циклизация и алкилирование.

Большое значение в процессе крекинга имеет температура, определяющая степень и скорость каталитического разложения углеводородов. Обычно средняя температура крекинг-процесса 425-475°С. Повышение ее углубляет процесс разложения углеводородов. Повышение давления также несколько увеличивает глубину разложения.

Объемная скорость подачи сырья при каталитическом крекинге обычно изменяется в пределах от 0,1 до 10 л/час, наиболее употребительны 0,5 - 2,0 л/час, чем меньше объемная скорость, тем больше глубина крекинга. Вследствие отложения кокса активность катализатора со временем падает и его необходимо регенерировать.

Регенерация катализатора производится продуванием через него воздуха при 550-680°С, причем кокс сгорает. Продолжительность непрерывного крекинга между регенерациями катализатора весьма существенно отражается на результатах процесса, практически в заводских условиях она составляет от 10 до 30 мин.

Продуктами крекинга является: газ, бензин, газойль и кокс. Выход газа в среднем 4-7%, бензина 40-45%.

Примерный состав бензина: нафтеновых углеводородов 20-25%; непредельных - 5-6%, парафиновых - 40-45%; ароматических 20-25%. Благодаря высокому содержанию изоалканов и углеводородов, октановое число каталитического бензина около 80. Малое содержание непредельных углеводородов придает бензину высокую стабильность; газойль каталитического крекинга представляет собой продукт парафинового характера и с успехом применяется в качестве дизельного топлива или подвергается термическому крекингу. Количество кокса, отлагающегося на катализаторе в зависимости от сырья и температурного режима процесса, обычно составляет от 1 до 5%. Ниже приводится схема лабораторной установки каталитического крекинга со стационарным слоем катализатора (рис. 5).

Цель работы

Определить выход основных продуктов в процессе каталитического крекинга в зависимости от параметров процесса: объемная скорость подачи сырья, температура крекинга, качество сырья, время проведения процесса и т.д.

Оборудование, технические и инструментальные средства

Аппаратура: установка каталитического крекинга, стаканы стеклянные - приемники, цилиндры на 100мл, 50мл, 25мл, нефтеденсиметры, термометры.

Рисунок 5 - Схема лабораторной установки каталитического крекинга со стационарным слоем катализатора: 1 - насос; 2 - сырьевой мерник; 3 - фарфоровая насадка; 4 - реактор; 5 - печь; 6 - потенциометр; 7 - катализатор; 8 - термопара; 9 - холодильник; 10 - приемник; 11 - абсорбер; 12- газовые часы; 13 - газометр.

Реактивы: керосино-газойлевая фракция, вакуум-газойль, растворители.

Порядок выполнения работы

Предварительно взвесить приёмник, промежуточную колбу и адсорбер, записать показания газового счётчика. Эти данные необходимы для определения выхода продуктов процесса. Собрать лабораторную установку, проверив плотность соединений. Включить обогрев и довести температуру до заданной. Регулировку температуры произвести ЛАТРОМ. Рассчитать объемную скорость подачи сырья, для чего в длительную воронку с помощью цилиндра заливают 100 мл вакуумного газойля и определяют количество капель сырья в 1 мл в 1 минуту, соответствующее заданной скорости подачи сырья, только после этого подключить насос. Когда в реакторе установится необходимая температура (на 15-20°C) выше заданной температуры опыта, начать подавать сырье, определить плотность сырья ареометром.

Во время опыта необходимо:

а) Следить за температурой и поддержать ее на заданном уровне с помощью ЛАТРа.

б) Следить за скоростью подачи сырья (по делительной бюретке).

Правила оформления работы

Запись режима процесса записать, а материальный баланс свести в таблицу.

Таблица 4.1 Материальный баланс установки

Задание

1. Сделать следующие анализы:

На исходное сырье - плотность, коксуемость, фракционный состав.

На полученные продукты:

а) Крекинг-газ - плотность пикнометром.

б) Бензин - плотность, йодное число, сульфируемость.

в) Легкий газойль - плотность, йодное число и температуру застывания, анилиновая точка.

г) Тяжелый газойль - плотность, содержание серы.

Результаты исследований свести в таблицу и представить в виде графиков. В первый рисунок включить зависимость материального баланса - выход газа, бензина, газойля, кокса и потерь от переменного параметра. Во второй - кривые качества полученных продуктов (% ароматических и непредельных в бензине, плотность в бензине, плотность бензина и газа). Составить выводы.

2. Провести каталитический крекинг при температуре 470^оС и объемных скоростях 0,7; 1,2 и 2,0 ч^-1; 2. Составить материальный баланс;

3. Построить график - длительность реакции от глубины превращения.

Указание мер безопасности

Персонал, допущенный к работе с аппаратом должен:

1. Знать аппарат в объеме настоящего технического описания и инструкции по эксплуатации.

2. Пройти инструктаж по правилам техники безопасности и пожарной безопасности при работе с электрическими установками.

3. При подготовке аппарата к работе, ремонту, регулировке, наладке и эксплуатации необходимо убедиться в том, что розетки к которым подключен аппарат надежно заземлены.

4. После окончания работы аппарат должен быть отключен от электрической сети.

5. При проведении перегонки нефти и нефтепродуктов должны соблюдаться правила противопожарной безопасности и правила техники безопасности.

Лабораторная работа №5. Исследование процесса пиролиза олефинсодержащего углеводородного сырья

Краткие сведения о процессе

Высокотемпературный крекинг (термический) нефтяного сырья - пиролиз осуществляется обычно с целью получения газообразных олефинов в первую очередь этилена, а также пропилена и бутадиенов. Наиболее распространенной формой промышленного процесса является пиролиз в трубчатых печах. Наиболее освоенное сырье - газообразные предельные углеводороды (этан, пропан, н-бутан) и низкооктановые бензиновые фракции прямой перегонки нефти, рафинат риформинга, легкие фракции газоконденсатов дают наибольший выход целевых олефинов при ограниченном коксовании (закоксовывания труб печи).

Наилучшие результаты достигаются при сочетании высокой температуры и малой длительности контактирования. Это объясняется более эффективным действием температуры на скорость реакции разложения, чем на скорость уплотнения (энергия активации последнего значительно ниже).

Температурный режим пиролиза в промышленных трубчатых печах зависит oт вида перерабатываемою сырья: газообразное сырье подвергается пиролизу при более высоких температурах (870°С и выше на выходе из реакционного змеевика при пиролизе этана) Температура пиролиза даже однотипного сырья - бензиновых фракции в зависимости от их группового состава колеблется от 830°С до 870°С при длительности контактирования от 1 до 0,3 сек. Увеличение выхода этилена способствует разбавление сырья водяным паром, снижающим парциальное давление углеводородных паров и тем самым препятствующим реакциям уплотнения. С целью расширения ресурсов сырья исследуется возможность пиролиза в трубчатых печах более тяжелых нефтепродуктов - керосино-газойлевых фракций. Предположены различные варианты термоконтактного пиролиза сырой нефти, например, пиролиз в потоке газового теплоносителя - водяного пара при 2000°С и длительности контактирования от 0,001 до 0,003 сек,

Для контроля за работой промышленных трубчатых установок пиролиза используют лабораторные печи реакторы, которые с довольно большой степенью точности позволяют определить материальный баланс этих установок. Как правило, пиролиз в промышленных трубчатых печах и на лабораторной трубчатой установке проводят в присутствии водяною пара. Расход пара при пиролизе газообразного сырья составляет 20-30% (масс) на сырье при пиролизе бензиновых фракции - 50-75% (масс), в присутствии водяного пара, естественно, увеличивается объем паров, поступающих в реактор, и пирогаза, выходящего из реактора.

Общие принципы расчета длительности контактирования или пребывания паров в зоне реакции в непрерывных процессах пли циркулирующим теплоносителем (катализатором) определяется объемной скоростью подачи сырья. Для термических процессов, протекающих в реакционных змеевиках трубчатых печей (пиролиз) этот параметр можно вычислить более или менее точно.

Для трубчатого лабораторного реактора, длина которого, как правило невелика, можно принять, что объем паровой фазы изменяется от входа сырья в зону реакции до выхода продуктов реакции по линейной зависимости. При этом за длину реакционной зоны принимают участок трубы, в начале которой температура равна условной температуре начала разложения, а по основной его длине практически постоянна, приближаясь к заданной. 'Гак, при осуществлении в лабораторных условиях пиролиза на установке трубчатого типа длительность контактирования определяемся с учетом того, что объем конечных продуктов процесса вследствие большого выхода газа (70-80%) в несколько раз больше объема паров сырья (например, бензина), Таким образом, средний объем паров в реакторе составляет (л/с)

Vср = (Vo - Vк) / 2

Где Vо - объем паров сырья при условной температуре начала разложения, л/с. Vк - объем паров конечных продуктов пиролиза, л/с.

При объеме реакционной зоны длительность (с) пребывания паров в реакторе можно вычислить по формуле

ф = 2 х Vp / (Vo + Vк)

Поскольку при подготовке копыту выход газа, и, следовательно, конечный объем паров неизвестны, этой величиной предварительно задаются и затем корректируют полученное значение.

Если задан режим пиролиза температура, длительность контактирования и расход пара, то для данного реактора можно найти требуемый расход сырья. В частности, Линденом предложена формула (применимая только для жидкого сырья - С₅ и выше).

G = 26,532 х Мс х Vp / Т х ф х (1 + Wвых/Wвх) (185s + Mc + Sв)

Где G - расход сырья, г/мин, 26,532 -константа; М_с - молекулярная масса сырья; Vp - объем реакционном зоны, см, Т - абсолютная температура в реакторе; К, -длительность контактирования , с; 18 - молекулярная масса водяного пара, Sd, Sе - соответственно массовые доли водяного пара и сырья, W_вых, Vex - соответственно скорости потока на выходе из реактора и на входе в него.