Настоящая статья посвящена моделированию и оптимизации системы выделения изопрена из углеводородов фракции C5 пиролиза методом экстрактивной ректификации. Моделирование процесса происходило в среде программного комплекса Honeywell Unisim Design с использованием модели активности UNIQUAC.
Смоделированы предполагаемые способы выделения изопрена: традиционная ректификация, жидко-жидкостная экстракция и экстрактивная ректификация. Рассмотрены ограничения процесса традиционной ректификации. На базе жидкостной экстракции исследованы зависимости эффективности процесса от различных факторов, построена многостадийная схема проведения процесса, позволяющая достигать чистоты изопрена 90 %. Синтезированы две схемы выделения изопрена экстрактивной ректификацией с ДМФА, включающие одну и две колонны экстрактивной ректификации. Для полученных схем проведена постадийная оптимизация ректификационных колонн с учётом технологических и конструкционных особенностей с целью снижения общей тепловой нагрузки при ограничениях на потери изопрена. В рамках оптимизации рассмотрено влияние числа теоретических тарелок, положения питающей тарелки, давления в дефлегматоре, концентрации примесей в целевом потоке, флегмового числа, соотношения растворителя к сырью. Определена рабочая конфигурация статической модели, позволяющая проводить выделение изопрена чистотой равной 99,77 % при общей потере целевого продукта 1,9 %.
Видео №3. Как составить изомеры
экстрактивная ректификация
экстракция
моделирование процесса
фракция C5 пиролиза
1. Огородников С.К., Идлис Г.С. Производство изопрена. Л., 1973. 296 с.
2. Суровцев А.А., Добровинский В.Е., Комаров С.М., Беспалов В.П., Суровцева Э.А., Чуркин В.Н. Способ получения изопрена // Патент РФ № 2341508. Патентообладатель ОАО НИИ «Ярсинтез». 2008. Бюл. № 35.
3. Журавлева К.А., Назаров А.А., Паникаров С.И. Синтез изопрена из изобутилена и формальдегида // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 23. С. 36–38.
4. Способ получения изопрена // Патент РФ № 113674. Патентообладатель ООО «Научно-производственное объединение ЕВРОХИМ». 2012. Бюл. № 28.
5. Лапидус А.Л., Голубева И.А., Жагфаров Ф.Г. Газохимия. М., 2008. 450 с.
6. Моисеев И.И., Бусыгин В.М., Гильманов Х.Х., Дыкман А.С., Федорцева Е.В. Эффективность производства изопренового каучука // Экономика и управление. 2011. № 8 (70). С. 29–35.
8. UniSim Design Suite – Free Trial of Simulation Software Now Available. URL: https://www.honeywellprocess.com/en-US/explore/products/advanced-applications/unisim/Pages/unisim-design-suite.aspx (дата обращения: 01.11.2018).
9. Никольский Б.П. Справочник химика: Изд. 2-е: Т. 6: Сырье и продукты промышленности органических веществ. М., 1967. 1011 с.
10. Биттрих Г.-Й., Гайле А.А., Лемпе Д., Проскуряков В.А., Семенов Л.В. Разделение углеводородов с использованием селективных растворителей. Л., 1987. 192 с.
11. Ануфриев А.В., Реутов В.А., Кривошеев В.П., Заболотная А.М., Лим Л.А. Выделение изопрена из углеводородов фракции C5 пиролиза // Шестой технологический уклад: механизмы и перспективы развития. Ч.1: материалы III Международной научно-практической конференции (Ханты-Мансийск, 13–14 ноября 2015 г.). Ханты-Мансийск: Ред.-изд. отд. ЮГУ, 2015.
Изопентан. Зимний бензин. Вспенивающий агент. Растворитель.
С. 93–95.
Одним из важнейших продуктов нефтехимической промышленности является изопрен, который используется в качестве мономера для производства синтетического каучука, наиболее схожего по структуре и свойствам с натуральным каучуком.
В промышленности освоено шесть основных способов получения изопрена [1]. Наиболее распространен метод химического синтеза, основанный на получении 4,4-диметилдиоксана-1,3 из формальдегида и изобутилена с последующим его разложением до изопрена [2–4]. Основным недостатком методов химического синтеза изопрена является образование побочных продуктов. На заключительных этапах синтеза обычно проводится очистка продукта до товарного качества (чистота выше 99 % [5]), что связано с проведением полимеризации в присутствии комплексных катализаторов.
Изопрен также можно получать извлечением из побочных продуктов пиролиза. Например, фракция C5 пиролиза нефти обычно содержит 15–20 % изопрена [3, 6]. Однако компоненты этой фракции имеют близкие температуры кипения, поэтому их трудно и экономически невыгодно разделять традиционной ректификацией [1].
Разделение подобных близко кипящих смесей возможно с помощью экстрактивной ректификации или жидко-жидкостной экстракции. Принципиальные схемы выделения изопрена из фракции C5 пиролиза методами экстрактивной ректификации и экстракцией описаны еще в 1970-х гг. [1]. В России подобная схема выделения изопрена с использованием ДМФА в качестве экстрактивного агента реализована в виде пилотной установки в научно-исследовательской лаборатории № 7 ОАО НИИ «Ярсинтез» [7].
Цель работы: синтез схем выделения изопрена из фракции углеводородов C5 пиролиза.
Метод исследования
Моделирование процессов проводилось в среде Honeywell Unisim Design [8] с использованием модели активности UNIQUAC. Сырьем для схем является смесь углеводородов C5 пиролиза, поступающая при температуре кипения смеси (49,14 °C), абсолютном давлении 150 кПа и расходом 13200 кг/ч. Состав потока принят в виде усредненных проектных данных о фракции С5 пиролиза для нефтехимического завода, строительство которого планируется на Дальнем Востоке (табл. 1).
Состав фракции C5 пиролиза, поступающей на разделение
Температура кипения, °C [9]
Источник: fundamental-research.ru
Производство бутандиена и изопрена. Двухстадийное и Одностадийное Дегидрирование бутана. Технологическая схема процесса
Бутадиен — второй после изопрена крупнотоннажный продукт, используемый в качестве мономера для производства каучуков. При нормальных условиях – это бесцветный газ с характерным запахом, плохо растворим в воде, но хорошо в органических растворителях. .
Процесс получения из бутана – основной. Может быть одностадийным и двухстадийным.
® Одностадийное дегидрирование н-бутана.
При одностадийном дегидрировании н -бутана упрощается схема производства, так как исключается одна стадия дегидрирования и разделение продуктов 1-ой стадии. Выход бутадиена-1,3 на израсходованный бутан при одностадийном дегидрировании с учетом всех потерь составляет около 50 %.
Одностадийное дегидрирование основано на том, что при повышенных температурах и низких давлениях равновесие реакции дегидрирования н -бутана сдвигается в сторону образования бутадиена-1,3.
Одностадийное дегидрирование н- бутана проводят при пониженном давлении 0,015—0,02 МПа и несколько более высокой температуре, чем дегидрирование н -бутана в бутены (610—630°С). Процесс проводят на алюмохромовом катализаторе, который содержит 18—20 % оксида хрома.
Одностадийное дегидрирование н- бутана проводится в реакторах регенеративного типа. Поскольку процесс идет на алюмохромовом катализаторе, разбавление водяным паром исключается.
Наряду с бутадиеном образуется значительное количество н -бутенов, которые вновь возвращаются в процесс.
Поскольку на дегидрирование поступает смесь н- бутана с н -бутенами, для процесса существенно, чтобы количество н -бутенов в контактном газе было не меньше содержания их в смеси, поступающей на дегидрирование.
Достоинствами процесса одностадийного дегидрирования н- бутана являются упрощение схемы производства, снижение расходного коэффициента по сырью и уменьшение энергетических затрат. Недостатки процесса заключаются в коротких периодах контактирования, что требует сложной автоматики, и в низком выходе бутадиена за проход. Однако экономика процесса одностадийного дегидрирования н- бутана благоприятнее, чем двухстадийного. Катализатор для одностадийного дегидрирования, помимо высокой активности, должен обладать повышенной прочностью и стабильностью и хорошей регенерационной характеристикой.
Принципиальная схема одностадийного дегидрирования н -бутана.
1—трубчатая печь; 2—реакторы; 3—топки под давлением; 4— газовая турбина; 5— компрессор; 6—теплообменник; 7 — котел-утилизатор.
Сырье—бутан-бутеновая фракция, содержащая от 25 до 35 % н -бутенов, перегревается в печи 1 до 600—620°С и поступает в часть реакторов 2, где контактирует с катализатором. Температура колеблется от 630 до 590°С в начале и конце цикла дегидрирования. Разрежение в реакторах создается при помощи вакуум-компрессоров.
Контактный газ из реактора 2 поступает на охлаждение, после чего направляется на разделение. После окончания цикла дегидрирования поток сырья переключается на следующие реакторы, а реакторы, бывшие в работе, переключаются на продувку для удаления углеводородных паров. После продувки реакторы переключаются на регенерацию топочными газами, содержащими небольшое количество кислорода. Затем производится эвакуация продуктов сгорания пароструйным эжектором, после чего в реакторы вновь начинает поступать поток сырья.
Большое значение для экономики процесса одностадийного дегидрирования н -бутана имеет рациональное использование тепла газов регенерации. Воздух для регенерации поступает на прием компрессора 5, где компримируется до 0,6 МПа, нагревается в теплообменнике 6 до 520—540°С и в топке 3 до 630 °С за счет сжигания небольшого количества топлива и направляется в реактор 2. Газы регенерации, выходящие из реактора 2, дополнительно нагреваются в соответствующей топке до температуры, отвечающей рациональному режиму работы газовой турбины 4. Из газовой турбины 4, являющейся приводом компрессора 5, газы, охлажденные за счет совершенной работы до температуры 450°С, поступают в топку, нагреваются за счет дополнительного сжигания топлива и отдают часть тепла воздуху в теплообменнике 6. После дополнительного подогрева газов регенерации в следующей топке, они используются для генерации водяного пара в котле-утилизаторе 7. Такая схема позволяет работать без потребления водяного пара и электроэнергии со стороны, но требует повышенного давления в реакторе в процессе регенерации.
® Двухстадийное дегидрирование н-бутана.
При двухстадийном производстве сначала дегидрируют бутан в бутены:
алюмохромовый с промоторами – оксидами металлов.
Затем идет разделение контактного газа первой стадии абсорбцией и ректификацией с выделением бутан-бутиленовой фракции.
Дальше идет разделение ббф экстрактивной дистилляцией с возвратом бутана на стадию дегидрирования.
Вторая стадия заключаются в дегидрировании бутиленов в бутадиен по схеме:
оксид железа, меди, магния, цинка.
Выход бутадиена на бутены – 35%, селективность до 87%.
Бутадиен применяют для производства стереорегулярного цис-бутадиенового каучука; бутадиен-стирольного каучука и бутадиен-нитрильных каучуков.
ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОПРЕНА
Изопрен (2-метил-1,3-бутадиен) – это легковоспламеняющаяся бесцветная жидкость с характерным запахом, нерастворима в воде, но растворима в органических растворителях.
Изопрен является мономером для получения стереорегулярного цис -полиизопренового каучука, почти не уступающего по свойствам натуральному каучуку. Некоторые количества изопрена используются для производства бутилкаучука и многих резинотехнических изделий.
Синтез изопрена может быть осуществлен разнообразными методами. Промышленное применение получили следующие методы:
Дегидрирование изопентана и изопентенов.
Синтез из 2-метилпропена (изобутилена) и формальдегида.
Синтез из пропилена.
Синтез из ацетона и ацетилена.
¯ Дегидрирование изопентана и изопентенов. Процесс состоит из 2 стадий:
Ø Пентан изомеризуется в изопентан по схеме:
Ø Дегидрирование изопентана:
Очистка изопрена осуществляется ректификацией.
¯ Синтез из изобутилена и формальдегида. Процесс состоит из 3 стадий:
Ø Конденсация в присутствии серной кислоты с образованием 4,4-диметил-1,3-диоксана:
Ø Каталитическое расщипление:
Ø Из побочного продукта (3-метилбутандиола-1,3) в тех же условиях образуется изопрен:
¯ Синтез из пропилена. Синтез состоит из 3 стадий:
Ø Пропилен димеризуется в 2-метил-1-пентен:
Ø Изомеризация в 2-метил-2-пентен:
¯ Синтез из ацетона и ацетилена. Так же состоит из 3 стадий:
Ø Конденсация ацетилена и ацетона с образованием метилбутинола:
Ø Гидрирование метилбутинола в метилбутенол:
Ø Дегидратация метилбутенола:
Источник: infopedia.su
Физические свойства изопрена кратко
Физические и химические свойства изопрена. Промышленные способы его получения. Типичный сопряжённый диен, вступающий в реакции присоединения, замещения, циклизации, комплексообразования и теломеризации. Синтез полимеров и терпенов, синтетическая схема.
| Рубрика | Химия |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.09.2014 |
| Размер файла | 148,7 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
1. Физические свойства
2. Химические свойства
3. Способы получения
Аналитическая химия — наука об определении химического состава веществ и, в некоторой степени, химического строения соединений. Аналитическая химия развивает общие теоретические основы химического анализа, разрабатывает методы определения компонентов изучаемого образца, решает задачи анализа конкретных объектов. [1,cтр. 15]
Физико-химические методы, отличающиеся высокой чувствительностью и экспрессностью выполнения, дают возможность автоматизировать химико-аналитические определения и являются незаменимыми при анализе малых и ультрамалых количеств неорганических и органических веществ. Химико-физическим методам принадлежит ведущая роль в аналитическом контроле производства на больших предприятиях химической промышленности, и особенно в контроле производства, использующих в технологических процессах высокие температуры и давления, огнеопасные, ядовитые, взрывчатые и радиоактивные вещества. [2, стр. 18]
1. Физические свойства
При стандартных условиях изопрен представляет собой бесцветную летучую жидкость. Изопрен практически не растворяется в воде (0,029 мол. %), но смешивается во всех соотношениях с этанолом, диэтиловым эфиром, ацетоном и бензолом. Изопрен образует азеотропные смеси с рядом органических растворителей [1] .
(2-метил-1,3-бутадиен) CH2=C(CH3)CH=CH2, мол. м. 68,11; бесцв. жидкость с характерным запахом; температура плавления -145,95°С, температура кипения 34,067 °С; d4 20 0,68095; nD 20 1,4219; С 0 p.>154 Дж/(моль. К); DH 0 обр — 49,40 кДж/моль, DH 0 пл — 4,83 кДж/моль, DH 0 исп — 26,3 кДж/моль, DH 0 сгор — 3186,58 кДж/моль; S 0 298 315,64Дж/(моль.
К); h0,216 мПа. с (20°С); g 18,22 мН/м (20 °С); р крит3,85 МПа, t крит 211 o С, d крит 0,247 г/см 3 ; давление пара (в МПа): 0,0015 (-50°С), 0,0263 (0°C), 0,0605 (20 °С) и 0,5999 (100 °С). Хорошо растворим в органических растворителях, не растворим в воде. Образует азеотропные смеси с метанолом (94,8% по массе И.; т. кип. 29,57 °С), этанолом (97%; 32,65 °С), ацетоном (80%; 30,5 °С), изопентаном (8%; 27,7°С).
По химическим свойствам изопрен — типичный представитель диеновых углеводородов. В промышленности его получают тремя способами.
1.Из изобутилена и формальдегида:
2. Дегидрированием изопентана.
На второй стадии изоамилены, разбавленные перегретым водяным паром, дегидрируют в стационарном слое хромкальцийникельфосфатного катализатора при 550-650 °С; выход 32-34%. изопрены и изоамилены после первой стадии выделяют экстрактивной ректификацией с ДМФА или другими экстрагентами.
3. Из фракции С 5 пиролиза жидких нефтепродуктов (содержит 15-20% изопрена), получаемой при производстве этилена. Изопрен выделяют двухступенчатой экстрактивной ректификацией с ацетонитрилом, ДМФА или др. Выход по этилену 2-5%. Этим способом (он наиболее экономичен) за рубежом производят более 70% изопрена.
В лаборатории чистый изопрен может быть получен разложением b-метилпирролидина. Химические методы идентификации изопрена основаны на определении продуктов его взаимодействия с малеиновым ангидридом (т. пл. 63-64 °С), роданом (температура плавления 76-77 °С) или другими соединениями.
Применяют изопрен для синтеза изопреновых каучуков (> 95%), бутилкаучука, изопрен-стирольных термоэластопластов, транс -полиизопрена, в производстве душистых и лекарственных средств. Изопрен легко воспламеняется, взрывоопасен, КПВ 1,7-11,5%, температура самовоспламенения 220 °С, температурные пределы взрываемости от Ч17 до Ч 49 °С.
В высоких концентрациях вредно действует на нервную систему, угнетает кроветворение, в малых — раздражает слизистые глаз и дыхательных путей. ПДК в воздухе 0,04 мг/л, в воде водоёмов 0,005 мг/л. Изопрен хранят в присутствии ингибиторов — 4- трет -бутилпирокатехина, гидрохинона, древесносмольного антиоксиданта. Транспортируют его в стальных цистернах. Мировые мощности по производству изопрена более 1 млн. т/год.
Вацулик П., Химия мономеров, пер. с чеш., т. I, M., I960; Огородников С. К., Идлис Г. С., Производство изопрена, Л., 1973; Соболев В. М., Бородина И. В., Промышленные синтетические каучуки, М., 1977; Кирпичников П. А., Берсенев В. В., Попова Л. М., Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука, 2 изд.. Л., 1986; Башкатов Т. В., Жигалин Я. Л., Технология синтетических каучуков, 2 изд.. Л., 1987 Ф. Е. Куперман.
2. Химические свойства
Согласно данным спектроскопических исследований, при 50 °C большинство молекул изопрена находится в более устойчивой s-транс-конформации, и только 15 % молекул имеют s-цис-конформацию. Разность энергий между этими состояниями составляет 6,3 кДж/моль[14].
По химическим свойствам изопрен представляет собой типичный сопряжённый диен, вступающий в реакции присоединения, замещения, циклизации, комплексообразования и теломеризации. По сравнению с бутадиеном, он более активно реагирует с электрофилами и диенофилами за счёт донорного индуктивного эффекта метильной группы[14].
В изопрен или 2-метил-1,3-бутадиен, представляет собой органическое соединение, которое состоит из углеводорода, молекулярная формула которого C5ЧАС8. Несмотря на кажущуюся простоту, он представляет собой структурную основу натурального каучука и, что еще более важно, скелет биологических единиц, с помощью которых ферментативно синтезируются изопреноиды или терпены.
Следовательно, изопрен играет ведущую роль не только в органической химии, но и в биохимии. На нижнем изображении показана его структурная формула, которую можно линейно разбить как CH2= C (CH3) −CH = CH2. Из этой формулы понятно, почему его название по ИЮПАК — 2-метил-1,3-бутадиен, поскольку две двойные связи расположены у атомов углерода 1 и 3.
Изопрен — довольно распространенный углеводород в окружающей среде. Растения, водоросли, бактерии и животные способны синтезировать и испускать его, составляя даже самую значительную часть наших выдохов. Овощные массы являются основными производителями и источниками изопрена, которые используют его в механизмах, способных противостоять внешнему нагреву.
Биохимически изопрен в своей биологической единице используется организмами для синтеза различных типов терпенов, среди которых выделяются ланостерин и компоненты эфирных масел. Органически он используется для синтеза синтетических каучуков и других родственных полимеров.
Структура изопрена
На верхнем изображении мы видим молекулярную структуру изопрена. Как видно, черные сферы соответствуют атомам углерода, а белые — атомам водорода.
Молекула имеет плоскую геометрию, то есть все ее атомы расположены в одной плоскости, за исключением атомов водорода группы -CH.3 связан с углеродом 2. Эта геометрия обусловлена тем, что атомы углерода основной цепи 1,3-бутадиена имеют sp-гибридизацию. 2 , а углерод -CH3 имеет sp гибридизацию 3 .
Молекулы изопрена взаимодействуют друг с другом посредством лондонских дисперсионных сил, которые довольно слабы из-за их низких молекулярных масс. Однако они действительно обладают достаточной когезией, чтобы изопрен существовал в виде летучей жидкости при нормальных условиях.
Тот факт, что его молекулы плоские, облегчает их вставку между клеточными мембранами, способствуя их усилению в механизме, который растения используют для смягчения резких изменений температуры (40 ºC и более).
Молекулы изопрена способны образовывать кристаллы. Но этого не происходит с его полимерами, полизопренами, которые имеют тенденцию группироваться в аморфные твердые вещества, средние молекулярные массы которых намного больше, и перестают быть летучим веществом.
Свойства изопрена
Указанные здесь свойства соответствуют свойствам изопрена, а не натурального каучука, который состоит из полимера цис-1,4-полиизопрена. Некоторые библиографические источники могут даже использовать свойства латекса, только что извлеченного из деревьев, для характеристики изопрена, что является серьезной ошибкой, чтобы их спутать.
вид
Бесцветная летучая жидкость с запахом нефти.
Молярная масса
Температура плавления
Точка кипения
34,067 ° С. Следовательно, это довольно летучая жидкость.
Источник: obrazovanie-gid.ru