Исследование и повышение эффективности процесса дегидрирования высших парафинов
Объектом исследования является установка получения олефинов.
Цель работы – оптимизация режима работы установки путем подбора оптимального режима подачи воды с целью сбережения ресурса платинового катализатора и повышения эффективности процесса. Методы исследования – метод математического моделирования, термогравиметрический метод анализа. В процессе исследования проводились мониторинг нескольких сырьевых циклов работы реактора дегидрирования, анализ термограмм образцов катализаторов, моделирование процесса, оптимизационные расчеты. В результате исследования была определена структура образовавшегося на поверхности катализатора кокса, а также был рассчитан рекомендуемый режим подачи воды в реактор, позволяющий сохранить ресурс катализатора и увеличить длительность сырьевого цикла.
Введение 15
1 Обзор литературы 18
1.1 Катализаторы процесса дегидрирования высших парафинов 18
1.2 Дезактивация катализаторов дегидрирования высших парафинов 26
1.3 Восстановление активности катализаторов дегидрирования высших
парафинов 31
1.4 Постановка цели и задач исследования 37
2 Объект и методы исследования 39
2.1 Объект исследования 39
2.2 Методы исследования 41
3 Расчеты и аналитика 45
3.1 Исследование влияния технологических условий, состава, свойств и
структуры катализатора на процесс дегидрирования высших 45
парафинов
3.2 Определение структуры образовавшегося кокса на поверхности
катализатора
3.3 Методика расчета оптимального количества воды для подачи в
реактор дегидрирования высших парафинов
3.4 Мониторинг работы установки получения олефинов 59
3.5 Сравнительный анализ сырьевых циклов работы катализатора 61
4 Результаты разработки: оптимизация рекомендуемого режима подачи
воды в реактор
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 70
6 Социальная ответственность 88
Заключение 102
Список публикаций студента 104
Список используемых источников 105
Приложение А Компьютерная моделирующая система процесса
дегидрирования высших парафинов
Приложение Б Сравнительный мониторинг сырьевых циклов работы
катализаторов дегидрирования
Приложение В Экономическая оценка проекта 115
Приложение Г Literature review 118
Практически для всех каталитических процессов характерны проблемы, связанные с многокомпонентностью и непостоянством состава сырья, непрерывно меняющимися технологическими условиями, сложными взаимосвязями стадий процесса и др. Все эти факторы, несомненно, оказывают влияние на состоянии загруженного в реактор катализатора, на поверхности которого протекают химические реакции.
Для сохранения ресурса катализатора каталитические процессы нуждаются в оптимизации и прогнозировании, что подразумевает решение задач энерго- и ресурсоэффективности. Прогнозирование является сложной задачей, при решении которой необходимо учитывать регламентируемые требования к количеству и качеству продукции. Каталитические процессы представляют собой сложные системы, оптимизация которых осуществляется методом математического моделирования.
Производство высших олефинов, необходимых для получения органических ПАВ, остается до сих пор актуальным производством в нефтехимической промышленности. Производство ПАВ в России в 2017 году составило 125 139,4 тонн [1].
Получение олефинов в настоящее время осуществляется в результате двух последовательных процессов – дегидрирование парафинов и гидрирование образовавшихся в результате дегидрирования ди- и триолефинов.
Математическое моделирование учитывает основные кинетические и термодинамические закономерности процесса, а также позволяет получить рекомендации по оптимальной выработке целевого продукта требуемого качества и по сохранению ресурса платинового катализатора.
Исследование процесса дегидрирования высших парафинов изучается коллективами научной школы отделения химической инженерии Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета,
15
Казанского технологического университета, Уфимского государственного технического университета, проектного института ОАО «ВНИПИнефть» (г. Москва) и др.
Основные трудности, возникающие при проведении исследований, связаны с постоянно изменяющимися составом сырья и технологическими условиями процесса, а также с явлением дезактивации катализатора.
Целью данной работы является оптимизация режима работы установки путем подбора оптимального режима подачи воды с целью сбережения ресурса платинового катализатора и повышения эффективности процесса.
Объектом исследования является промышленная установка получения олефинов.
Предметом исследования являются кинетические и термодинамические особенности процесса дезактивации катализатора дегидрирования (коксообразование), а также изучение влияния технологических условий процесса и компонентного состава катализатора на процесс образования кокса с помощью компьютерной моделирующей системы.
Научная новизна
1. Определено разное соотношение Н/С в молекуле кокса, образующегося в различных сырьевых циклах на поверхности разных катализаторов. Так для катализатора марки КД-1 характерное соотношение равное 0,65; для катализатора КД-2 – 0,6; для катализатора КД-3 – 0,5-0,6.
2. Определена пространственная структура данных молекул кокса и составлены уравнения реакций взаимодействия воды с коксогенными структурами, вероятность протекания которых оценена по значению изменения энергии Гиббса (∆G ≈ –50,80 кДж/моль).
3. В математическую модель процесса заложены новые уравнения взаимодействия кокса с водой, благодаря которым определен рекомендуемый расход подачи воды в реактор дегидрирования для различных катализаторов и
16
при различных технологических условиях (температура, давление и мольное соотношение).
Практическая значимость результатов ВКР
Результаты работы, а именно рекомендуемые режимы подачи воды в реактор дегидрирования используются на одном из российских нефтеперерабатывающих предприятий. Программа используется в рамках учебной работы в отделении химической инженерии Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета.
Реализация и апробация работы
Результаты магистерской диссертации представлены на XXI Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.A. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2017 г.); XVIII Международной нaучнo-прaктичecкой конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» студентов и молодых ученых имени профессора Л.П. Кулeвa (г. Томск, 2017 г.); XIX Международной нaучнo- прaктичecкой конференции «Химия и химическая технология в XXI веке» студентов и молодых ученых имени профессора Л.П. Кулeвa (г. Томск, 2018 г.).
Обзор литературных источников показал, что компонентный состав
катализатора (носитель, активный металл, промоторы), а также способ его
приготовления непосредственно влияют на процесс образования кокса на
поверхности катализатора и его структуру (аморфный и графитообразный).
Также было выявлено, что для катализатора дегидрирования характерно
явление саморегенерации. Дезактивация катализатора является частично
обратимым процессом, и восстановление активности катализатора возможно
осуществить подачей деминерализованной воды в реактор.
При выполнении работы был проведен сравнительный анализ работы
нескольких сырьевых циклов работы катализаторов, по результатам которого
было выявлено влияние технологических условий на процесс образования
кокса и его структуру. Так в совокупности высокие температуры, низкое
давление и мольное соотношение способствуют образованию
графитообразного кокса (соотношение Н/С – менее 0,2), а количество
подаваемой воды в реактор влияет лишь только на количество образовавшегося
кокса.
В ходе проведения исследований были изучены результаты
термогравиметрического анализа образцов катализаторов, участвующие в
рассмотренных сырьевых циклах. Во всех сырьевых циклах образовывался кокс
только аморфной структуры, пик на кривых изменения теплового потока
находился в области температур 400-600 оС. По значениям теплового эффекта
реакции горения кокса были определены соотношения Н/С в молекулах кокса.
Для полученных соотношений Н/С были подобраны пространственные
структуры молекул кокса. Выявлено, что реакции конверсии полученных
структур водой являются термодинамически возможными. Для этих реакций
были получены уравнения расчета констант равновесия.
По результатам исследования были внесены изменения в компьютерную
моделирующую систему, описывающие методику расчета рекомендуемого
режима подачи воды в реактор дегидрирования.
В рамках данной работы был произведен мониторинг сырьевого цикла
2016-2018 гг., а также сравнительный анализ по основным показателям с
предыдущим циклом. Длительность цикла 2016-2018 гг. составила 503 суток,
что на 100 суток больше предыдущего.
С помощью моделирующей системы был определен оптимальный
режим подачи воды при различных температурах, давлении, мольном
соотношении и для разных катализаторов. Начальное количество воды,
подаваемой в реактор дегидрирования, составило 4 л/ч, верхний предел
количества подаваемой в реактор воды в зависимости от условий находится в
интервале 15-19 л/час. Поддержание оптимального режима подачи воды в
реактор дегидрирования позволит сохранить ресурс катализатора, продлить
срок его службы и повысить производительность установки в целом.
Оптимальный режим подачи воды позволит повысить температуру окончания
процесса примерно до 495 оС, что соответственно позволит увеличить
длительность сырьевого цикла на 15-20 % (примерно 70-100 суток).
Список публикаций студента
1. Ivashkina E.N., Ivanchina E.D., Frantsina E.V., Kozlov I.A., Platonov
V.V., Fefelova K.O. Simulation of the catalytic hydrocarbons dehydrogenation
reactor under reduced H2 pressure [Electronic resources] // XXII International
Conference on Chemical Reactors (CHEMREACTOR-22): Abstracts, London,
September 19-23, 2016. – Novosibirsk: Boreskov Institute of Catalysis SB RAS,
2016 – p. 244-246.
2. Фефелова К.О. Регулирование режима подачи воды в промышленный
реактор дегидрирования углеводородов // Проблемы геологии и освоения недр:
труды XXI Международного симпозиума имени академика М.А. Усова
студентов и молодых ученых, посвященного 130-летию со дня рождения
профессора М.И. Кучина, Томск, 3-7 апреля 2017. – Томск: ТПУ, 2017 – Т. 2 –
C. 362-363.
3. Фефелова К.О. Оптимизация работы установки получения олефинов
путем определения рекомендуемого режима подачи воды в промышленный
реактор // Химия и химическая технология в XXI веке: материалы XVIII
Международной научно-практической конференции студентов и молодых
ученых имени профессора Л.П. Кулёва, Томск, 29 мая-1 июня 2017. – Томск:
Изд-во ТПУ, 2017 – C. 336-337.
4. Фефелова К.О. Мониторинг работы катализаторов дегидрирования в
различных сырьевых циклах производства высших олефинов / К.О. Фефелова,
Н.С. Белинская, Е.В. Францина // Химия и химическая технология в XXI веке:
материалы XIX Международной научно-практической конференции студентов
и молодых ученых имени профессора Л.П. Кулёва, Томск, 21-24 мая 2018. –
Томск: Изд-во ТПУ, 2018 – C. 393-394.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (428 отзывов)
5 (18 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.2 (25 отзывов)
4.7 (82 отзыва)
5 (49 отзывов)
4.5 (9 отзывов)
