Методические указания по выполнению лабораторной работы

Каталитический пиролиз углеводородсодержащего сырья

Каталитический пиролиз является разновидностью процесса термического пиролиза.

В настоящее время в промышленности используется процесс термического пиролиза, основными недостатками которого являются;

- низкая селективность процесса;

- высокие температуры (900 - 950°С).

Поэтому одним из перспективных направлений развития процесса пиролиза является применение гетерогенных катализаторов, позволяющих увеличить скорость реакций разложения исходных углеводородов и образования низших олефинов, бутадиена-1,3 и других ценных продуктов. В условиях гетерогенно-каталитического пиролиза достигается повышенная селективность процесса по олефинам и более высокие, чем при термическом пиролизе, выходы этилена за  проход. Кроме того, за счет ускорения скорости реакций разложения углеводородов применение катализаторов позволяет достигать при равных по сравнению с термическим пиролизом температурах более высоких степеней превращения. Благодаря этому снижается удельное потребление энергии.

Из множества разработанных и предложенных катализаторов пиролиза наиболее исследованы и оптимальны следующие каталитические системы:

метаванадат калия, оксиды индия, кальция и магния, некоторые цеолиты. Интерес представляют также железохромовые катализаторы с добавлением оксида калия. Наибольшую активность из исследованных катализаторов показали ванадат калия и оксид индия. Высокий выход этилена, достигающий 38-40% масс. на прямогонный бензин, может быть получен при температуре 780°С. Суммарный выход низших олефинов С2-С4 при этом составляет 60-63%, в то время, как термический пиролиз в жестких условиях (температуре 830-840°С) позволяет получить суммарный выход этилена, пропилена и бутенов — 52,9%.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Цель работы

Вариант 1

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 и при неизменных значениях других параметров 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 оC;

Дистиллированная вода;

катализатор: ванадат калия на муллито - корунде;

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:

Суммарный объем паров сырья и воды в зоне реакции (см3/с), учитывая порозность - К — пустой объем между гранулами катализатора. Порозность определяется экспериментально. В данном случае К = 0,38, объем зоны реакции — 15 см3, а условное время контакта — 0,15 с; Общее количество бензина и водяного пара, подаваемое в реактор (моль/час); Мольное соотношение вода : сырье для взятой фракции прямогонного бензина и общее количество молей воды и бензина, подаваемое в реактор; Расход бензина и воды на входе в реактор (г-моль/час); Расход бензина и воды на входе в реактор (мл/час).

На основе проведенных расчетов подбирают шкивы для подачи сырья и воды по данным таблиц 16 и 17.

Таблица 16

Зависимость скорости подачи сырья от  диаметра шкива

(объем шприца 100 см3).

№ дорожки шкива (в порядке увеличения диаметра шкива)

Расход бензина, мл/ч

1

24,0

2

36,0

3

42,8

4

45,0

5

60,6

6

87,6

7

118,2


Таблица 17

Зависимость скорости подачи воды от  диаметра шкива

(объем шприца 50 см3).

№ дорожки шкива (в порядке увеличения диаметра шкива)

Расход воды, мл/ч

1

22,6

2

27,6

3

40,2

4

50,0

5

59,1

6

81,0

После проверки всех расчетов преподавателем, студенты приступают к проведению опыта.

Установка каталитического пиролиза углеводородного сырья

Каталитический пиролиз углеводородного сырья проводят в проточной установке с кварцевым реактором при атмосферном давлении.

Схема установки каталитического пиролиза углеводородного сырья идентична установке термического пиролиза (см. рис. 4).

В кварцевый реактор 10 загружают 15 см3 катализатора с фракционным составом 0,2 - 0,3 мм.

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 подач 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 16 находится вне сосуда Дьюара 17. 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:

; = * ;

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 регенерации катализатора и выжига кокса включают дозатор подачи воды в испаритель 23, а через отвод крана 5 подают в реактор воздух со скоростью 20 л/ч (высота столбика жидкости в реометре 10 см) 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, выключают дозатор. Воздух подают в реактор еще в течение I мин. После этого выключают электрообогрев печей и подачу воды в холодильники 12 и 15. Собранный газ регенерации отбирают на анализ в бюретку с напорной склянкой. Методика отбора газов регенерации такая же, как и газов пиролиза.

Полученная пиросмола сливается в мензурку с делениями, замеряется объем водной и тяжелой части, после чего наливается в делительную воронку и разделяется водная часть от углеводородной. Углеводородная часть сушится CaCl2 и взвешивается для составления материального баланса.

Пример обработки экспериментальных данных

При подготовке к лабораторной работе студент оформляет таблицу 18, которая заполняется данными по мере их получения во время опыта.

Таблица 18

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

760-780 оС

Условное время контакта, с

0,15

Массовое соотношение вода:сырье

1:0,7

Свободный объем зоны реакции, см3

15

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.

После расчета состава пирогаза приступают к расчету материального баланса опыта (табл. 19)

Таблица 19

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