Изомеризация

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт металлургии и химической технологии им. С.Б. Леонова

Кафедра химической технологии

РЕФЕРАТ по дисциплине

Технология переработки нефти и газа

Изомеризация

Выполнил студент группы ОХПм-15 Е.М. Городнянская

Проверил О.В. Белозерова

Иркутск 2015

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Применение изомеризации

Изомеризация углеводородов

Виды изомеризации

Катализаторы изомеризации

Основные параметры процесса

Технология процесса изомеризации

Список использованных источников

изомеризация велер углеводород катализатор

Введение

Изомеризация - превращение одного изомера в другой. Изомеризация приводит к получению соединения с иным расположением атомов или групп, но при этом не происходит изменение состава и молекулярной массы соединения. В литературе изомеризацию часто называют перегруппировкой, в некоторых случаях, в соответствии с традицией, это именные реакции [1].

Исторически одним из первых принципиально важных примеров изомеризации было превращение неорганического вещества цианата аммония в органическое соединение мочевину, открытое в 1828 году немецким химиком Ф. Вёлером:

В наше время изомеризация широко используется в промышленности. Так, насыщенные углеводороды нормального строения при действии на них хлорида алюминия AlCl3 превращаются в углеводороды изостроения (например, бутан - в изобутан):

Эти превращения происходят при переработке нефтепродуктов и приводят, в частности, к получению бензинов с высоким октановым число [2].

Большая ценность процесса изомеризации заключается в том, что в качестве сырья используются низкооктановые компоненты - фракция н. к. - 62 °С и рафинаты каталитического риформинга. В этом сырье содержится в основном пентановая и гексановая фракции. Это сырье, а также фракции С₅ и С₆, получаемые с ГФУ, и ЦГФУ, изомеризуются в среде водорода в присутствии катализатора. Получают углеводороды со сравнительно высоким октановым числом изостроения. При изомеризации пентановой фракции получают продукт с более высоким октановым числом. Изомеризация н-пентана представляет интерес не только для нефтеперерабатывающей, но и для нефтехимической промышленности, так как изопентан дегидрированием можно превратить в изопрен - сырье для каучука. Таким образом, изомеризация может служить как для производства высокооктановых бензинов, так и для получения ценных синтетических каучуков.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение изомеризации

Переработка нефтяных продуктов (пиролиз, крекинг) обычно сопровождается изомеризацией линейных углеводородов в соединения с разветвленной цепью, которые имеют более высокое октановое число. Из продукта изомеризации хлорированного бутена получают бензостойкий каучук хлоропрен:

Перегруппировку Бекмана применяют для промышленного синтеза капролактама, из которого получают поликапролактам (капрон):

Бензидиновую перегруппировку используют для получения соединений, применяемых в производстве азокрасителей.

Реакция Арбузова позволяет получать соединения со связью С-Р, на основе которых производят пестициды [1]:

Изомеризация углеводородов

Изомеризация углеводородов возможна благодаря такому явлению как изомерия. Изомерия - это явление, которое заключается в существовании нескольких соединений с одинаковыми молекулярной массой, количественным и качественным составом, но различающимися физическими и химическими свойствами. Такие соединения называют изомерами. Например, существует 5 основных изомеров гексана, 3 конформационных изомера циклогексана, не считая метилциклопентана, 17 изомеров гексена. У октана насчитывается 18 изомеров, а у тетрадекана -- уже 1818.

Впервые термин «изомерия» введен в органическую химию Берцелиусом в 1830 году. Это явление впервые объяснил А.М. Бутлеров. Первая монография «Об изомерии органических соединений» В.В. Марковникова опубликована в 1865 году. Изомеризация циклоалканов изучалась В.В. Марковниковым, Н.М. Кижнером и Н.Д. Зелинским в конце XIX века. Впервые реакция изомеризации алкилароматических углеводородов описана Фриделем и Крафтсом (1882 г.), а каталитическая изомеризация бутиленов -- в начале XX века В.Н. Ипатьевым. Каталитическая изомеризация бутана описана Неницеску и Драганом (1933 г.), а также Б.Л. Молдавским.

Реакции изомеризации углеводородов в присутствии кислотных катализаторов протекают по карбоний-ионному механизму. Рассмотрим изомеризацию н-бутана. Для инициирования реакции достаточно присутствия в сырье следов олефинов. Протон катализатора образует с олефином карбоний-ион:

Карбоний-ион вступает во взаимодействие с молекулой н-бутана, в результате чего происходит образование нового карбоний-иона из н-бутана:

Этот карбоний-ион далее превращается в устойчивый третичный карбоний-ион:

Третичный карбоний-ион может образовываться и через стадию промежуточного циклического углеводорода:

Циклический углеводород разрывается по связи между метиленовыми группами, и к освободившейся связи присоединяется - протон:

Образовавшийся тем или другим путем третичный карбоний-ион продолжает цепную реакцию с новыми молекулами н-бутана; при этом получается изобутан:

Виды изомеризации

В настоящее время разработано три типа промышленных процессов изомеризации:

- высокотемпературная изомеризация (360-440 °С) на алюмоплатиновых фторированных катализаторах;

- среднетемпературная изомеризация (250-300 °С) на цеолитных катализаторах;

- -низкотемпературная изомеризация на оксиде алюминия, промотированный хлором (120-180 °С) и на сульфатированных оксидах металлов (180-210 ° С)

Катализаторы изомеризации

Катализаторы изомеризации можно разделить на пять основных групп:

1. катализаторы Фриделя - Крафтса;

2. сульфид вольфрама;

3. бифункциональные катализаторы;

4. синтетические цеолиты с благородными металлами (включая добавки редкоземельных металлов);

5. комплексные катализаторы (комбинирование бифункциональных и цеолитсодержащих катализаторов с катализаторами Фриделя - Крафтса).

Катализаторы Фриделя-Крафтса в большинстве случаев содержат безводный хлористый алюминий (иногда с треххлористой сурьмой) в виде комплекса с углеводородами, активированного хлористым водородом. Изомеризацию с использованием катализаторов Фриделя - Крафтса можно осуществлять при 20 ат и 40 - 120 °С и даже при 24-50 °С (катализаторы на основе хлористого брома). Недостатками катализаторов Фриделя-Крафтса являются чрезмерная их реакционная способность, которая приводит к плохой селективности, большая коррозионность и увеличение интенсивности побочных реакций, значительно возрастающих по мере использования сырья с большим молекулярным весом.

Сульфид вольфрама из сульфидных катализаторов оказался наиболее активным и избирательным при умеренных температурах реакции (около 400 °С). Для обеспечения стабильной работы катализатора в системе необходимо поддерживать давление не ниже 40 ат. Применение водорода, несмотря на то что он тормозит реакцию изомеризации на сульфиде вольфрама, необходимо, так как он препятствует закоксовыванию катализатора.

Бифункциональные катализаторы относятся к типу катализаторов риформинга - это платина или палладий на окиси алюминия. Однако иногда в качестве носителя берут алюмосиликат или смесь алюминия и окиси бора. Эти катализаторы обладают достаточной селективностью для изомеризации парафиновых углеводородов С₅-С₆, что отличает их от катализаторов Фриделя-Крафтса, но активность их очень низкая, поэтому приходится повышать температуру.

Синтетические цеолиты с благородными металлами - платиной или палладием, а также с добавками редкоземельных металлов основаны на применении кристаллических алюмосиликатов - цеолитов. Эти катализаторы очень активны при изомеризации н-пентана и н-гексана. Платина или палладий, нанесенные на цеолит типа Y, позволяют вести процесс изомеризации при 315-343 °С, т.е. примерно на 150 °С ниже, чем при использовании окиси алюминия в качестве носителя. Применение же платины позволяет поддерживать такую же активность катализатора при еще более низкой температуре (260 °С).

Комплексные катализаторы сочетают преимущества бифункциональных и цеолитсодержэщих катализаторов (которые часто называют катализаторами гидроизомеризации) с достоинствами катализаторов Фриделя - Крафтса, позволяющих проводить процесс при более низких температурах. Комплексные катализаторы можно использовать при 90-200 °С. С их помощью достигаются почти равновесные выходы изопентанов и изогексанов. Входящий в состав комплексных катализаторов хлористый алюминий гигроскопичен; рано или поздно он гидролизуется, а образовавшаяся гидроокись алюминия осаждается внутри пор катализатора, уменьшая их объем и затрудняя регенерацию. В связи с этим комплексные катализаторы не нашли применения в процессах изомеризации, осуществляемых на нефтеперерабатывающих заводах. Лучше для изомеризации использовать цеолитсодержащие бифункциональные катализаторы.

Основные параметры процесса

Влияние олефинов на изомеризацию

Присутствие следов олефинов необходимо для протекания изомеризации. К этому открытию пришли Пайнс и Уекке в результате обширных исследований в области изомеризации парафиновых углеводородов. В таблице1 приведены закономерности, наблюдавшиеся в случае изомеризации н-бутана при 100 ⁰С и продолжительности реакции 12 часов. Без добавки олефина никакой реакции не происходило [3].

Таблица 1

Влияние олефинов на изомеризацию н-бутана, катализируемую AlCl₃ - HCl

Влияние температуры на изомеризацию

С повышением температуры интенсивность изомеризации возрастает, но до определенного предела. Дальнейшее повышение температуры приводит к усилению реакций гидрокрекинга с образованием легких углеводородов. Гидрокрекинг сопровождается увеличением расхода водорода; в продуктах реакции содержатся преимущественно компоненты нормального строения. С повышением температуры изомеризации н-пентана от 350 до 375°С выход изопентана возрастает более чем в 1,5 раза. Однако дальнейшее повышение температуры-до 400°С приводит к возрастанию реакций гидрокрекинга и снижению выхода изопентана.

Влияние давления. Теоретически давление не должно оказывать влияния на выход продуктов изомеризации н-пентана, так как реакция протекает без изменения объема реакционной смеси. Однако по некоторым данным с уменьшением давления в интервале от 30 ат до атмосферного выход изопентана возрастает. Наиболее отчетливо это проявляется при пониженных температурах. По мере повышения температуры влияние давления на реакцию ослабевает. При атмосферном давлении изомеризация практически не идет - происходит интенсивный крекинг. Отмечается, что продолжительная работа катализатора при пониженном давлении (15 ат) заметно снижает его активность вследствие отложений кокса; при давлении же 30 ат через 110 ч работы активность катализатора остается на прежнем уровне.

Влияние серы, воды и ароматических углеводородов. Лишь в редких случаях прямогонные пентан-гексановые фракции направляют на изомеризацию без предварительного обессеривания. Из некоторых видов сырья серу можно удалять относительно дешевыми способами, например щелочной или адсорбционной очисткой на молекулярных ситах. Вода, как и сера, является каталитическим ядом, поэтому в технологических схемах и на промышленных установках предусматривают осушку сырья перед изомеризацией. Если в сырье содержатся ароматические углеводороды (в частности, бензол), их можно предварительно выделить одним из имеющихся методов. Однако это не обязательно, так как при изомеризации они гидрируются с образованием циклогексана.

Актуальность установок изомеризации легких бензиновых фракций

Процесс изомеризации является одним из самых рентабельных способов получения высокооктановых компонентов бензинов с улучшенными экологическими свойствами. Актуальность установок изомеризации также возросла с введением новых сверхжестких ограничений на экологические свойства автомобильных бензинов, включая ограничение по фракционному составу, содержанию ароматических соединений и бензола. Установки изомеризации позволяют получить топливо с характеристиками, отвечающими жестким стандартам ЕВРО-4 и ЕВРО-5. Интенсивное наращивание мощностей процесса изомеризации осуществляется за счет реконструкции существующих и строительства новых установок. Одновременно проводятся модернизация и интенсификация действующих установок изомеризации под процессы с рециркуляцией непревращенных нормальных парафинов. Сырьём изомеризации являются легкие бензиновые фракции с концом кипения от 62 °С до 85 °C. Повышение октанового числа достигается за счёт увеличения доли изопарафинов. Процесс осуществляется, как правило, в одном или двух реакторах при температуре, в зависимости от применяемой технологии, от 110 до 380 °C и давлении до 35 атм [4].

Технология процесса изомеризации

Технологическая схема установки изомеризации представлена на рис.1.

Установка изомеризации состоит из двух блоков -- ректификации и изомеризации. Блок ректификации предназначен для выделения из смеси сырья и изомеризата товарных продуктов -- изопентановой и изогексановой фракций, удаления из сырья углеводородов С₄ и ниже, подготовки к переработке сырья секции изомеризации -- пентановой фракции. В блоке изомеризации осуществляется превращение пентана в изопентан.

Поступающее в блок ректификации свежее сырье смешивается со стабильным изомеризатом. Смесь разделяется в изопентановой колонне 3 на верхний продукт -- смесь изопентана и бутана и нижний продукт -- смесь н-пентана и гексанов. В колонне 11 ректификат колонны 3 делится на бутаны и изопентан. В колонне 17 остаток колонны 3 разделяется на н-пентановую фракцию, направляемую в блок изомеризации, и смесь гексанов, подаваемую в колонну 23. В 23 проводится разделение смеси гексанов на изогексан и
н-гексан.

Конденсация и охлаждение верхних продуктов ректификационных колонн осуществляется в воздушных конденсаторах-холодильниках; теплота в нижнюю часть колонн подводится через кипятильники, обогреваемые паром.

Пентановая фракция, поступающая на блок изомеризации, забирается насосом 29 и подается на смешение с водородсодержащим газом. Смесь сырья и водородсодержащего газа нагревается в теплообменнике 30 и печи 31 до температуры реакции и поступает в реактор 32, где в присутствии алюмоплатинового катализатора происходит реакция изомеризации.

Газо-продуктовая смесь, выходящая из реактора, охлаждается в теплообменниках и холодильниках, после чего направляется на разделение в продуктовый сепаратор 35. Из 35 выходит циркулирующий водородсодержащий газ, который смешивается со свежим водородсодержащим газом, подвергается осушке цеолитами в адсорбере 46 и подается во всасывающую линию циркуляционного компрессора 47. Сжатый водородсодержащий газ смешивается с сырьем.

Нестабильный изомеризат из 35 нагревается до 85--90 °С в теплообменнике 36 и поступает в стабилизационную колонну 37. С верха 37 уходит жирный газ, с низа -- стабильный изомеризат, который направляется на блок ректификации.

Катализатор изомеризации периодически -- 1 раз в 5--6 мес. подвергается окислительной регенерации. Регенерация катализатора проводится так же, как на установках риформинга.

1, 6, 10, 14, 16, 20, 22--26, 28, 29, 40 -- насосы; 2 -- подогреватель; 3, 11, 17, 23, 37 -- колонны; 4, 12, IS, 24, 38 -- конденсаторы-холодильники; 5, 13, 19, 25, 39-- емкости; 7, 15, 21, 27, 41 -- кипятильники; 8, 9, 30, 36 -- теплообменники; 31 -- печь; 32 --реактор; 33, 34, 42--45 -- Холодильники; 35 -- сепаратор; 46 -- адсорбер; 47 -- компрессор; I -- сырьё; II -- свежий водородсодержащий газ; III -- бутаны; IV -- изопентан; V - изогексан; VI -- гексан; VII -- углеводородный газ.

Рис. 1 Технологическая схема процесса изомеризации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Список использованных источников

1. Реакции и методы исследования органических соединений. М., 1954.

2. Олехнович Л.П. Многообразие строения и форм молекул органических соединений. Соросовский Образовательный Журнал. 1997, № 2.

3. Энциклопедический словарь юного химика/Сост. В. А. Крицман, В. В. Станцо. 2-е изд., испр. М.: Педагогика, 1990. 320 с.

4. http://chem21.info/info/657497/.

5. http://nefthim.ru/node/protsess-izomerizatsii.

Размещено на Allbest.ru