Разработка технологии фракционирования продуктов термического крекинга высокомолекулярных органических соединеий

УДК 665.71

А. И. Новожилова, Т. С. Линькова, Д. Н. Земский, С. К. Курлянд

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ТЕРМИЧЕСКОГО

КРЕКИНГА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕИЙ

Ключевые слова: получение моторных топлив из ненефтяного сырья, переработка некондиционных каучуков в моторные топлива, моделирование узла фракционирования углеводородов.

Рассмотрена возможность переработки некондиционных каучуков, подвергаемых захоронению на полигонах, методом термокрекинга. Разработана математическая модель узла разделения углеводородных продуктов переработки некондиционных высокомолекулярных органических соединений. Рассчитаны конструктивные параметры колонны и подобраны рабочие условия проведения процесса фракционирования. Показано, что получаемые при фракционировании исходной углеводородной фракции продукты будут соответствовать следующим требованиям: - фракция «бензин крекинга» ТУ 0251-001-47073029-2003; фракция «топливо дизельное» ГОСТ 305-2013; фракция «топливо печное» ГОСТ 10585-99.

Keywords: production of motor fuels from non-oil raw materials, processing of sub-standard rubbers in motor fuels,

modeling hydrocarbon fractionation unit.

The possibility of processing sub-standard rubber subjected to disposal in landfills by thermal cracking. A mathematical model of the atmospheric column separation of hydrocarbon processing products substandard high molecular weight organic compounds. Calculated design parameters are selected columns and operating conditions of the fractionation process. It is shown that obtained by fractionation of the hydrocarbon fraction of the products will meet the following requirements: - fraction "cracked gasoline" TU 0251-001-47073029-2003; fraction "diesel fuel" GOST 305-2013; fraction "heating oil" GOST 10585-99.

Введение

Процессы переработки природных и синтетических высокомолекулярных органических соединений под действием высоких температур широко освещены в работах [1-4].

Наибольшее распространение процессы термического разложения высокомолекулярного углеводородного сырья получили в нефтеперерабатывающей отрасли, что способствует значительному увеличению глубины переработки нефти за счет уменьшения количества гудронов, а также вовлечения в качестве сырья природных битумов.

Продукты термического разложения - углеводороды, обобщенные понятием «синтетическая легкая нефть», выкипающая в диапазоне от 40 до 350 0С подается на узел фракционирования, где выделяются узкие целевые углеводородные фракции. Использование различного сырья и, как следствие, изменение рабочих параметров работы узла термического разложения значительно усложняет работу установки фракционирования.

В работе [5] была показана возможность термического разложения некондиционных высокомолекулярных соединений ВМОС-И с получением углеводородной фракции выкипающей в диапазоне температур от 40 до 350 0С, помимо образования данных фракций образуется до 5 % твердого остатка и 7-10 % горючих газов, которые выделяются перед подачей «легкой синтетической нефти» на узел фракционирования.

Промышленная реализация разработанного данного процесса позволит значительно улучшить экологическую обстановку на близлежащих к биологическим очистным сооружениям территориях.

Основной сложностью, возникающей при эксплуатации установок по переработке данного вида сырья - неоднородность по фракционному со-

ставу образующихся продуктов. В работе поставлена задача по определению параметров работы установки инвариантной составу сырья.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования использовались углеводородные фракции, синтезированные на опытной установке термическим разложением исходного сырья некондиционного каучука СКИ-3 при различных технологических параметрах работы установки. Блок-схема процесса разложения представлена на рисунке 1.

Рис. 1 - Блок-схема процесса термокрекинга некондиционного каучука

Состав и физико-химические свойства продуктов переработки некондиционного каучука при различных температурах представлены в таблице 1.

Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т.18, №3 Таблица 1 - Физико-химические свойства продуктов переработки ВМОС-И

Наименование параметров Температура процесса термокрекинга, 0С Метод испытаний

300 350 400 500

10% перегоняется при температуре, °С 197 190 182 176 ГОСТ 2177

50% перегоняется при температуре, °С 271 270 270 262

90% перегоняется при температуре, °С 293 281 319 298

Вязкость, мм2/с 3,34 3,41 3,46 3,48 ГОСТ 33

Плотность, кг/м3 848 851 853 855 ГОСТ Р 51069-97

Температура вспышки, 0С 52 25,5 22,5 20 ГОСТ Р 53717-2009

Показатель преломления 1,478 1,479 1,481 1,479 ГОСТ 18995.2-73

Получаемые при фракционировании исходной углеводородной фракции продукты должны соответствовать следующим требованиям:

- фракция «бензин крекинга» ТУ 0251-00147073029-2003;

- фракция «топливо дизельное» ГОСТ 3052013;

- фракция «топливо печное» ГОСТ 10585-99

Обсуждение результатов

Образующиеся в процессе термического разложения углеводородные фракции по своему химическому составу схожи с углеводородными фракциями, образующимися при атмосферной перегонке девонской нефти.

Рис. 2 - Кривые разгонки углеводородных фракции процесса термического разложения ВМОС-И, соответствующие различным температурам крекинга

Создание математической модели процесса фракционирования углеводородов осуществляли с помощью программы UniSim Design, позволяющей создавать и анализировать статические модели, применяемые для реализации проектных решений, мониторинга эксплуатационных характеристик, поиска и устранения неполадок, повышения эффективности эксплуатации и планирования деятельности предприятия [6].

Для процесса фракционирования углеводородов использован пакет свойств Пенга-Робинсона, который содержит модифицированные параметры бинарного взаимодействия для всех библиотечных

пар углеводород-углеводород, а также для большинства пар углеводород-неуглеводород.

Для небиблиотечных компонентов и псевдокомпонентов параметры взаимодействия углеводород-углеводород могут генерироваться автоматически системой UniSim Design с целью уточнения расчета парожидкостного равновесия [7, 8].

Объектом моделирования является колонна фракционирования углеводородов производительностью 10 тысяч тонн в год по сырью. В качестве исходных данных для моделирования приняты экспериментально определенные кривые разгонки, представленные на рисунке 2.

Проверку полученной математической модели на адекватность осуществляли сравнением расчетных показателей, полученной модели с показателями работы и достигнутых параметров реальной установки ЭЛОУ-АВТ.

Процесс создания математической модели можно разбить на два этапа.

1. Начальный - выбор термодинамического пакета и создание списка компонентов. Список компонентов содержит индивидуальные компоненты (от С до С4) и псевдокомпоненты, представляющие жидкие углеводороды (от С5 и выше). Процедура характеризации продукта термического разложения преобразует лабораторные данные разгонки и псевдокомпоненты.

2. Моделирование схемы - атмосферной колонны разделения углеводородных фракций.

Пакет свойств в программе UniSim Design объединяет всю информацию, необходимую для расчета фазового равновесия и физических свойств, что позволяет задать всю информацию внутри единого пакета.

Схема материальных потоков колонны фракционирования углеводородов, представлена на рисунке 3.

Рис. 3 - Схема материальных потоков углеводородной фракции процесса термического разложения

Результаты подбора рабочих параметров процесса разделения и материальный баланс колонны, приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры процесса разделения и материальный баланс колонны

Поток Расход, кг/ч Расчетные значения

Диапазон кипения фракции, 0С Плотность, кг/м3 при 15 0С

Температура процесса термического разложения углеводородов 300 0С

Отдувки 70,8 100-140 767,6

Фракция 1 63 138-170 793

Фракция 2 215,5 194-239 828,7

Фракция 3 382 246-261 847,5

Фракция 4 531,7 281-285 863,4

Температура процесса термического разложения углеводородов 400 0С

Отдувки 7,3 72-114 723,6

Фракция 1 83,5 120-161 764

Фракция 2 200 188-243 800

Фракция 3 344,4 244-263 820

Фракция 4 564,8 283-297 839

Температура процесса термического разложения углеводородов 500 0С

Отдувки 7,5 63-79 739,3

Фракция 1 158,7 98-164 794,4

Фракция 2 253,9 196-240 840,8

Фракция 3 345,9 250-265 857

Фракция 4 434 280-287 871,6

Из проведенного расчета физико-химических свойств и анализа нормативной документации можно сделать вывод о том, что фракция 1 по своим свойствам соответствует фракции бензи-

на крекинга, фракция 3 - фракции дизельного топлива, фракция 4 - печному топливу.

Для получения требуемого качества продуктов при условии инвариантности конструктивных параметров установки от состава сырья были

рассчитаны конструктивные характеристики колонны и подобраны рабочие условия проведения процесса фракционирования (табл. 3, 4).

Таблица 3 - Конструктивные характеристики колонны фракционирования

Характеристика аппарата Показатель

Диаметр, мм 600

Тип тарелок клапанные

Число тарелок, шт. 20

Поточность 1

Расстояние между тарелками, мм 350

Проведенные расчеты по подбору конструктивных характеристик аппарата и рабочих условий проведения процесса фракционирования показывают возможность осуществление данного процесса при условии инвариантности от состава сырья.

Увеличение температур крекинга приводит к возрастанию количества легких углеводородов с 5% до 13%, несмотря на изменение компонентного состава сырья, представленные конструктивные характеристики колонны позволяют эффективно разделять продукты термического крекинга некондиционных высокомолекулярных углеводородов.

Таблица 4 - Рабочие параметры колонны фракционирования

Параметры Температура процесса термического разложения углеводородов, 0С

300 400 500

Температура, 0С: верха куба 181 311 179 310 175 310

Давление, кгс/см2: верха куба 1,4 2,0 1,4 2,0 1,4 2,0

Флегмовое число 1 1 1

Энергетическая нагрузка, кВт: конденсатор кипятильник 12,9 208,1 18,0 218,1 39,2 215,6

Максимальное «захлебывание» аппарата, % 56,17 61,50 55,75

Выводы

В работе рассмотрен процесс фракционирования продуктов термического разложения некондиционных высокомолекулярных органических соединений.

Создана математическая модель процесса фракционирования углеводородов и определены оптимальные параметры ведения процесса. Подобраны конструктивные характеристики колонны фракционирования углеводородов, синтезированных термическим крекингом некондиционных кау-чуков.

Литература

1. Х.М. Кадиев, А.М. Гюльмалиев, С.Н. Хаджиев, М.Х.

Кадиева, Нефтехимия,. Т 50, №6, с.476-479, 2010.

2. Б.А. Догадкин, Химия и физика каучука, Государственное научно-техническое издательство химической литературы, Москва-Ленинград, 1947. 423с.

3. С. Мадорский. Термическое разложение органических полимеров, Мир, Москва, 1967. 328 с.

4. Б.Б. Бобович, Переработка промышленных отходов, СП Интермет Инжиниринг, Москва, 1999. 445с.

5. А.И. Новожилова, Д.Н. Земский, С.К. Курлянд, Б.Р. Садыков, Г.А. Калабин, Зашита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, № 6, с.22-26, 2014.

6. С.И. Сидельников, А.Г. Лопатин, Моделирование систем, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, 2003. 100с.

7. С.И. Дворецкий, А.Ф. Егоров, Д.С. Дворецкий, Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования, Изд-во ТГТУ, Тамбов, 2003. 224 с.

© А. И. Новожилова - ст. препод. каф. химической технологии органических веществ НХТИ КНИТУ, Aliya.n-kamsk@mail.ru; Т. С. Линькова - ст. препод. той же кафедры, Tatiana-Linkova@yandex.ru; Д. Н. Земский - зав. каф. химической технологии органических веществ НХТИ КНИТУ, zemski08@pochta.ru; С. К. Курлянд - зав. лаб. №5 ФГУП «НИИСК», г. Санкт-Петербург.

© A. Novozhilova - Lecturer of the Department of Chemical technology of organic substances NCHTI KNRTU, Aliya.n-kamsk@mail.ru; T. Linkova - Lecturer in the same department, Tatiana-Linkova@yandex.ru; D. Zemski - Head of the Department of Chemical technology of organic substances NCHTI KNRTU, zemski08@pochta.ru; S. Kurliand - Head of laboratory №5 «Scientific research Institute of synthetic rubber», St. Petersburg, Russian Federation.