birmaga.ru
добавить свой файл

1
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4


Термический пиролиз углеводородного сырья
Пиролиз — это процесс разложения углеводородного сырья, протекающий при высоких температурах (750 - 900°С), и предназначенный для получения разнообразных продуктов, в первую очередь этилена и пропилена, для промышленности органического и нефтехимического синтеза.

В качестве углеводородного сырья для процесса пиролиза используются газообразные углеводороды: этан, пропан, бутан, а также жидкие нефтяные фракции, наиболее часто — прямогонная бензиновая фракция (н.к. — 180°С). В условиях пиролиза при высоких температурах протекают разнообразные реакции: крекинг, дегидрирование, конденсация и др., что приводит к получению газообразных ненасыщенных углеводородов, жидких продуктов (смола пиролиза) с высоким содержанием ароматических углеводородов и кокса, отлагающегося на внутренней поверхности труб печи пиролиза.

Наиболее благоприятным сырьем для пиролиза являются н-парафиновые углеводороды, наименее — ароматические. По мере увеличения молекулярной массы исходного сырья уменьшается выход газообразных продуктов и увеличивается выход жидких и кокса.

Основными факторами, влияющими на процесс пиролиза, являются температура, время контакта и давление. Для увеличения выхода низших олефинов (этилена и пропилена) процесс пиролиза необходимо проводить при максимально высоких температурах (850 - 900°С), минимально возможном времени контакта (0,01 - 0,8 с) и минимально возможном парциальном давлении углеводородного сырья. Для снижения последнего пиролиз осуществляется в присутствии водяного пара, количество которого зависит от используемого сырья и составляет 30 - 50 % (для газообразного сырья) и 50 - 100 % (для жидкого).


Цель работы

Вариант I

Проведение процесса пиролиза при заданных преподавателем условиях процесса (температура, соотношение Н2О : сырье, время проведения опыта), составление материального баланса.


Вариант 2

Изучение влияния параметров процесса (температура, соотношение Н2О : сырье, условное время контакта) на выход целевых продуктов пиролиза. В этом случае работа выполняется при трех различных значениях изменяемого параметра (при неизменных значениях других) в течение трех лабораторных дней. При этом составляются материальные балансы каждого опыта и строятся графики зависимости выходов целевых продуктов пиролиза от температуры, соотношения Н2О : сырье или условного времени контакта

Проведение опыта

Реактивы

Сырье: фракция прямогонного бензина 37-187°С;

Дистиллированная вода;

Охлаждающая смесь — жидкий азот в смеси с изопропиловым спиртом, (В отсутствие жидкого азота используют «мокрый лед» с поваренной солью).

После получения задания от преподавателя студент рассчитывает:

1. Суммарный объем паров сырья и воды в зоне реакции Q
п

Где: Vз.р. – объем зоны реакции

 - условное время контакта

К – порозность (пустой объем между гранулами катализатора). Порозность определяется экспериментально.


2. Общее количество бензина и водяного пара, подаваемое в реактор за 1 час,
Ni (моль/час)

где: t – температура реакции, оС


3. Мольное соотношение (n) вода:сырье, исходя из того, что массовое соотношение вода:сырье=0,7:1 (для взятой фракции прямогонного бензина М=100 г/моль)

т.е., на 3,88 моля воды приходится 1 моль бензина


4. Общее количество молей сырья, подаваемое в реактор, N

N= 1+3,88=4,88 молей


5. Расход бензина и воды на входе в реактор

а) расход бензина (моль/час):


б) расход воды (моль/час):



6. Расход бензина и воды на входе в реактор (мл/час)

а) расход бензина:



б) расход воды:



На основе проведенных расчетов подбирают шкивы для подачи сырья и воды по данным таблиц 6 и 7.

Таблица 6

Зависимость скорости подачи сырья от диаметра шкива

(объем шприца 100 см3).


№ дорожки шкива (в порядке увеличения диаметра шкива)

Расход бензина, мл/ч

1

25,8

2

36,6

3

40,8

4

52,8

5

64,2

6

90,6

7

122,4

Таблица 7

Зависимость скорости подачи воды от диаметра шкива (объем шприца

50 см3).



№ дорожки шкива (в порядке увеличения диаметра шкива)

Расход воды, мл/ч

1

24,0

2

34,8

3

46,8

4

55,8

5

67,2

6


81,0

После проверки всех расчетов преподавателем студенты приступают к проведению опыта.

Установка термического пиролиза углеводородного сырья
Термический пиролиз углеводородного сырья проводят в проточной установке с кварцевым реактором при атмосферном давлении.

Схема установки термического пиролиза углеводородного сырья представлена на рис. 4.

Включают электрообогрев печей 7, 10, 23, подачу воды в холодильники 12 и 15. Устанавливают заданную температуру в реакторе 10 (на 50°С выше, чем температура пиролиза), в испарителе бензина 7 (400°С) и испарителе воды 23 (500°С), Температуру замеряют измерителями - регуляторами температуры 6, 8, 27 и термопарами 18, 9, 22.

Поворотом кранов 5 и 28 сообщают шприцы 4 и 26 с бюретками 1 и 29. Ослабляют стопорные гайки шкивов-дозаторов 2 и 24 и осторожно заполняют шприцы 4 и 26 соответственно сырьем и водой. После заполнения шприцев затягивают стопорные гайки шкивов и поворачивают краны 5 и 28. Убедившись, что кран 21 газометра 19 закрыт (а сам он заполнен водой), переводят трехходовой кран 20 в положение сброса газа и включают дозатор подачи воды. При этом под действием силы тяжести груз 25 должен опускаться (при неправильной намотке тросика он будет подниматься) и приводить в действие поршень шприца 26. После появления конденсата в приемной колбе 13 включают дозатор подачи сырья.

В связи с тем, что после включения подачи сырья и воды установленная температура в реакторе всегда снижается, первые 5-15 мин газ пиролиза не собирают, а направляют в линию сброса газа. В это время ловушка 7 находится вне сосуда Дьюара. После стабилизации режима открывают кран 14 и сбрасывают из приемной колбы 13 водный конденсат и смолу, открывают кран 21, быстро закрывают кран 14, включают секундомер, замеряют начальные объемы сырья и воды в шприцах 4 и 26 и опускают ловушку 16 в сосуд Дьюара 17 с охлаждающей смесью. Во время опыта следят за режимом работы установки.

По окончании опыта, продолжительность которого определяется временем, необходимым для сбора 15-20 л газа пиролиза, выключают дозаторы, закрывают кран газометра 20, переведя в положение сброса газа. Затем сливают содержимое приемника 13 в колбу с притертой пробкой, по возможности предварительно слив основную массу водного конденсата. Колбу и ловушку 16 (предварительно взвешенную) с жидкими продуктами реакции взвешивают, по разности их масс после и до опыта определяют суммарное количество образовавшихся жидких продуктов реакции Gж, собранных в колбе и ловушке 16.

Замеряют конечные объемы сырья и воды в шприцах 4 и 26 и количество собранного газа V. По разности объемов в начале и конце опыта находят количества пропущенных сырья и воды в мл, после чего рассчитывают количества сырья и воды в граммах:


; = ;

Рис. 4. Схема установки пиролиза углеводородного сырья

1,29 - бюретки; 2,24 - шкивы-дозаторы; 3,25 - грузы; 4,26 - шприцы; 5,14,21,28,30 -краны; 6,8,27 - измерители-регуляторы; 7 - испаритель бензина; 9,18,22 -термопары, 10 - реактор; 11 - холодильник; 12,15 - холодильники водяные; 13 -приемная колба; 16 - ловушка; 17 - сосуд «Дьюара»; 19 - газометр; 20 - трехходовой кран, 23 - испаритель воды.

Объем полученного газа приводят к нормальным условиям. Для этого в процессе опыта необходимо замерить температуру и давление окружающей среды.

Собранный газ пиролиза отбирают в стеклянную бюретку с напорной склянкой для анализа. Для этого в газометр 19 подают воду открытием крана 30 для создания избыточного давления. Затем кран 20 переводят на линию сброса газа и быстро присоединяют к линии сброса газа стеклянную бюретку с напорной склянкой. После того, как напорная склянка заполнится водой, а бюретка газом, переводят кран 20 в нейтральное положение. Оставшийся газ пиролиза выпускают под тягу, а газометр заполняют водой.

С целью выжига кокса со стенок реактора включают дозатор подачи воды в испаритель 4 и подают водяной пар в течение 10 минут. Затем через отвод крана подают в реактор воздух со скоростью 20 л/ч при температуре не выше 800°С. Газы регенерации, выходящие из реактора собирают в тот же газометр, что и газы пиролиза в количестве 20 л. Когда 20 л газов регенерации собрано, проверяют полноту регенерации. Для этого шланг на линии сброса газа в атмосферу погружают в раствор с баритовой водой. Если вода помутнеет, то регенерация прошла. Выключают дозатор подачи воды. Воздух подают в реактор еще в течение 1 мин. После этого выключают электрообогрев печей и подачу воды в холодильники 5. Собранный газ регенерации отбирают на анализ в бюретку с напорной склянкой. Методика отбора газов регенерации такая же как газов пиролиза.

Пример обработки экспериментальных данных
При подготовке к лабораторной работе студент оформляет таблицу 8, которая заполняется данными по мере их получения во время опыта.

Таблица 8



Условия опыта и результаты наблюдений

Сырье

Фракция прямогонного бензина 37-187оС

Молекулярная масса сырья

100

Плотность сырья при 20 оС, г/см3

702

Температура пиролиза, оС

800-850 оС

Условное время контакта, с

0,4

Массовое соотношение вода:сырье

1:1

Свободный объем зоны реакции, см3

20

Расход сырья, см3




Расход воды, см3




Продолжительность опыта, мин




Количество поданного сырья за время опыта, г



Количество поданной воды за время опыта, г





Объем газа пиролиза, л




Температура окружающей среды, оС




Атмосферное давление, мм. рт. Ст.



Материальный баланс опыта по пиролизу прямогонного бензина представлен в таблице 9.


Таблица 9

Материальный баланс процесса термического пиролиза бензина


Приход

Расход

вещество

количество, г

вещество

количество, г

бензин




Газообразные продукты




вода




Жидкий конденсат










кокс









вода




потери




Итого

Итого


Важным этапом при выполнении работы получения олефиновых углеводородов термическим пиролизом является анализ состава газа пиролиза, который осуществляют хроматографическим методом.