Методические указания по выполнению лабораторнойработы

Термический пиролиз углеводородсодержащего сырья

Пиролиз — это процесс разложения углеводородного сырья, протекающий при высоких температурах (°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 (°С), минимально возможном времени контакта (0,01 - 0,8с) и минимально возможном парциальном давлении углеводородного сырья. Для снижения последнего пиролиз осуществляется в присутствии водяного пара, количество которого зависит от используемого сырья и составляет% (для газообразного сырья) и% (для жидкого).

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

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 Qп

Где: Vз. р. – объем зоны реакции

t - 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, SNi (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, SN

SN= 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°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 процессеопыта 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 созданияизбыточного 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 внейтральное 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 вхолодильники 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.

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

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/ч

Расход воды, см3/ч

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