4.3.1. Основы управления процессом о-алкилирования метанола изобутиленом
Установка алкириования изобутана бутиленом предназначена для производства высокооктанового изокомпонента бензинов С- алкилированием изобутана бутиленами и пропиленом. Целевой продукт процесса - алкилат, состоящий практически нацело из изопарафинов, имеет высокое октановое число (90…95 по моторному методу). Октановое число основного компонента алкилата - изооктана (2,2,4-триметилпентана) - принято, как известно, за 100.
Важными оперативными параметрами, влияющими на материальный баланс и качество продуктов С-алкилирования, являются: давление, температура, объёмная скорость сырья, концентрация кислоты, соотношения изобутан : олефин, кислота : сырье и интенсивность перемешивания сырья с катализатором.
Давление. При сернокислотном жидкофазном С-алкилировании изменение давления не оказывает существенного влияния на процесс. Давление должно ненамного превышать упругость паров углеводородов сырья при температуре катализа. Обычно в реакторах с внутренней системой охлаждения при С-алкилировании изобутана бутиленами давление поддерживают 0,35 - 0,42 МПа. Если сырье содержит пропан-пропиленовую фракцию, то давление в реакторе несколько повышают.
Температура. При повышении температуры снижается вязкость кислоты и углеводородов и создаются условия более благоприятные для их перемешивания и диспергирования. Это обусловливает большую скорость сорбции углеводородов кислотой и, следовательно, большую скорость всех протекающих реакций. При этом снижаются затраты энергии на перемешивание сырья и катализатора, что улучшает экономические показатели процесса.
Однако повышение температуры выше 15°С интенсифицирует побочные реакции деструктивного алкилирования, полимеризации и сульфирования углеводородов в большей степени, чем целевую реакцию. При этом увеличивается содержание малоразветвленныхалканов, снижается избирательность реакций С-алкилирования, возрастает расход кислоты и ухудшается качество алкилата.
Снижение температуры в определённых пределах оказывает благоприятное влияние на селективность реакций, выход и качество алкилата. Лимитирующим фактором при снижении температуры реакции является чрезмерное повышение вязкости кислоты, что затрудняет создание эмульсий высокой поверхностью раздела фаз.
Концентрация кислоты. Для С-алкилирования бутан-бутиленовых углеводородов обычно используют серную кислоту, содержащую от 88 до 98 % моногидрата. Снижение ее концентрации в процессе работы происходит за счет накопления высокомолекулярных полимерных соединений и воды, попадающей в систему вместе с сырьём. Если концентрация кислоты становится ниже 88 %, усиливаются побочные реакции, приводящие к ухудшению качества алкилата.
В процессе алкилирования изобутана получаются:
Лёгкий алкилат – используется как компонент авиационного и автомобильного бензинов. Плотность алкилата: ρ204=0,698. ОЧИМ: 92-98. Давление насыщенных паров при 38 °С, мм рт. ст.: 155;
Тяжёлыйалкилат (плотность ρ204=0,780-0,810, выкипает в интервале 170-300 °С) – служит компонентом дизельного топлива;
Сжиженные газы – состоят в основном из предельных углеводородов нормального строения, используются как бытовой сжиженный газ
Материальный баланс
Схема установки
1, 15, 19, 24, 29, 34 — емкости; 2, 5, 9, 11, 12, 16, 20, 25, 30, 35 — насосы; 3 — реактор; 4 — сепаратор; 6 — теплообменник; 7 — смеситель; 8, 10 — отстойники; 13 — компрессор; 14, 18, 23, 28, 33 — конденсаторы-холодильники; 17, 22, 27, 32 — колонны; 21, 26, 31, 36 — ки¬пятильники.
I — сырье из отделения очистки; II — свежая серная кислота; III — отработанная сер¬ная кислота на регенерацию; IV — циркулирующий изобутан; V — аммиак; VI — пропан; VII — бутан-пентановая фракция; VIII — легкий алкилат; IX — тяжелый алкилат; X – свежий раствор щелочи; XI – вода.
Установка алкилирования состоит из отделений подготовки сырья, реакторного, обработки углеводородной смеси, фракционирования продуктов. В отделении подготовки сырья (на схеме не показано) щелочной и водной промывкой из бутан-бутиленовой фракции удаляются сероводород и меркаптаны. Здесь же сырье подвергается осушке от воды с помощью водоотделителей, отстойников, гравийных фильтров или электроотделителей. Для осушки применяются также адсорбенты — оксид алюминия и цеолиты.
Затем сырье поступает в реакторное отделение. В емкости 1 оно смешивается с циркулирующим изобутаном и насосом 2 подается через теплообменник и холодильник в реактор контактного типа 3. Одновременно с сырьем в реактор вводится серная кислота, которая вступает в контакт с бутан-бутиленовой фракцией.
Продукты реакции из 3 направляются в сепаратор 4, где отделяются от серной кислоты. Серная кислота насосом 5 возвращается в реактор, а углеводороды через теплообменник 6 подаются в отделение обработки углеводородной смеси. Здесь углеводородная смесь освобождается от капелек серной кислоты и эфиров с помощью щелочной и водной промывки. Для осуществления щелочной и водной промывки предназначен смеситель 7, отстойники 8, 10 и циркуляционные насосы 9, 12. На новых установках алкилирования продукты реакции очищаются от эфиров серной кислоты на блоках бокситной очистки.
При взаимодействии изобутана с бутиленами выделяется теплота в количестве 750—1100 кДж на 1 кг алкилата, для съема которой применяется искусственное охлаждение. Хладагентом служит аммиак, который циркулирует в охлаждающей системе. Сжатый компрессором 13 аммиак конденсируется в конденсаторе-холодильнике 14, собирается в емкости 15, а затем насосом по¬дается в трубный пучок реактора 3, где испаряется за счет снижения давления и повышения температуры. Испаряясь, аммиак снимает избыточную теплоту реакции. Газообразный аммиак вновь подается на компрессию.
Очищенная углеводородная фракция поступает на блок ректификации. В колонне 17, которая называется изобутановой, из продуктов реакции выделяются пропан и избыточный, не вступив¬ший в реакцию изобутан. Затем в пропановой колонне 22 изобутан отделяется от пропана и возвращается на смешение со свежим сырьем. С низа колонны 17 смесь бутана, пентана и алкилата подается в бутановую колонну 27. Верхним продуктом этой колонны является бутан-пентановая фракция, а нижним — суммарный алкилат, который затем в колонне вторичной перегон¬ки 32 разделяется на легкий и тяжелый алкилат.