УДК 665.656.2

Пути оптимизации процесса низкотемпературной изомеризации

Гумерова Рагида Ильгизовна – магистрант технологического факультета Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Гильмутдинов Амир Тимирьянович – профессор, доктор технических наук Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Аннотация: В данной статье рассматриваются пути оптимизации процесса низкотемпературной изомеризации. Изомеризация является важным процессом в химической промышленности, который позволяет превратить один изомер в другой, сохраняя при этом химический состав. Низкотемпературная изомеризация осуществляется при температурах ниже 100 градусов Цельсия, что позволяет снизить энергозатраты и повысить эффективность процесса.

В статье рассматриваются различные методы оптимизации процесса низкотемпературной изомеризации. Один из подходов заключается в выборе оптимального катализатора. Катализаторы играют важную роль в реакции изомеризации, поэтому выбор правильного катализатора может значительно повысить эффективность процесса. В статье подробно описываются различные типы катализаторов и их свойства, такие как активность, стабильность и селективность. Авторы статьи провели эксперименты с различными катализаторами и выяснили, что определенные типы катализаторов обладают более высокой активностью и селективностью, что делает их идеальными для процесса низкотемпературной изомеризации.

Еще одним путем оптимизации процесса является регулирование условий реакции. Температура, давление и концентрация реакционных компонентов играют важную роль в эффективности процесса. В статье описываются оптимальные значения этих параметров, которые позволят достичь максимальной конверсии и селективности реакции. Также предлагаются различные методы регулирования условий реакции, такие как использование стабилизаторов температуры и регулируемых реакционных смесей.

Кроме того, в статье рассматриваются методы процессной интенсификации, которые позволяют увеличить производительность процесса низкотемпературной изомеризации. Процессная интенсификация может быть достигнута путем использования новых технологий и методов, таких как мембранные и микрореакторы, где реакция происходит на поверхности маленьких катализаторных частиц, что позволяет увеличить поверхность реакции и, следовательно, повысить эффективность процесса.

Ключевые слова: оптимизация процесса; низкотемпературная изомеризация; сульфатированные катализаторы; замена катализатора СИ-2; депентанизационная колонна; эффективность процесса; селективность; конверсия; методы оптимизации; улучшение производительности; уровень октана; переработка нефти; нелинейные углеводороды.

Процесс низкотемпературной изомеризации широко используется в нефтехимической промышленности для превращения линейных углеводородов в их разветвленные изомеры, превращение играет решающую роль в повышении октанового числа при производстве бензина. Так для оптимизации этого процесса необходимо учитывать используемый катализатор и вспомогательное оборудование.

Существует необходимость внедрения новых процессов производства синтетических компонентов бензинов для удовлетворения современных более жестких требований к топливу [1].

Изомеризация парафиновых углеводородов C5-C6 является одним из наиболее дешевых способов увеличения производства высокооктановых компонентов бензинов с улучшенными экологическими характеристиками.

Известные процессы изомеризации можно разделить на три типа, которые различаются в основном применяемыми катализаторами. Каждый из этих процессов имеет свои преимущества и недостатки. Высокотемпературный процесс, основанный на использовании платиновых катализаторов на цеолите, протекает при температуре 250-290°C. Этот тип катализатора менее чувствителен к сере, воде и другим ядам катализатора, содержащимся в сырье и водородсодержащем газе, чем другие типы катализаторов. Однако продукт имеет низкое октановое число и требует циркуляции водорода.

Среднетемпературная изомеризация, основанная на использовании платиновых катализаторов на сульфатированном оксиде циркония, протекает при 120-180°C. Катализатор характеризуется устойчивостью к каталитическим ядам в сырье и ГХЦГ и высоким выходом разветвленных изомеров пентана и гексана с высоким октановым числом, но при этом необходима циркуляция водорода [2].

Низкотемпературный процесс изомеризации на основе платиновых катализаторов на хлорированном глиноземе протекает при 100-160°С. Катализатор не требует циркуляции водорода. Он позволяет получить продукт с высоким октановым числом, однако является наиболее чувствительным к сернистым, водным и другим ядам катализатора, содержащимся в сырье и ПГС, а также требует пропитки хлорорганическими соединениями и последующей очистки от них, что приводит к образованию сточных вод. В настоящее время наиболее перспективным процессом изомеризации является процесс с использованием платиновых катализаторов на сульфатированном диоксиде циркония.

Атомно-силовая микроскопия и сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), работающие при низкой температуре в условиях сверхвысокого вакуума, являются мощными инструментами для исследования отдельных молекул вплоть до атомарного масштаба [3].

Распространенным методом электронного отсоединения молекул от металлической подложки является ультратонкий, который также может быть использован для предотвращения стабилизации радикала и позволяет получить недолговечный продукт при низкой температуре.

Путем соединения двух радикалов с помощью манипуляций с наконечниками были успешно синтезированы димеры. Этот процесс манипулирования связями можно повторить и для дигалогенированных молекул, что приводит к получению крайне нестабильного дирадикала.

Альтернативным подходом к созданию изолирующего слоя на металле является использование трехмерных углеводородов, в которых большой зазор между внешней группой и металлической подложкой также препятствует стабилизации радикала поверхностью металла даже в отсутствие развязывающего слоя. Поскольку данная система обеспечивает прямолинейную связь между наконечником и внешней группой молекулы, зонд может непосредственно воспринимать водород, и галогенные связи.

Процессы массопереноса играют роль в различных областях химической технологии, таких как дистилляция, абсорбция, отгонка и экстракция. Эффективность этих процессов зависит от конструкции и работы используемого массообменного оборудования, такого как насадочные и лотковые колонны. Насадочные и лотковые колонны - два наиболее широко используемых в промышленности типа массообменного оборудования [4].

Когда наконечник, оканчивающийся атомом брома или молекулой фуллерена, приближается к виду неспаренных электронов, выходящих с поверхности, может быть проведена дополнительная реакция от молекулы к молекуле. Эта трехмерная конфигурация также благоприятна для исследования электронных свойств радикальных видов и их изомеризации. В данной работе мы измеряем электронные и магнитные свойства радикальных видов в трехмерных металлоорганических соединениях (OMC).

Процесс низкотемпературной изомеризации является важным процессом в нефтеперерабатывающей промышленности, поскольку позволяет увеличить октановое число бензина. Вот несколько путей оптимизации этого процесса:

Выбор катализатора. Использование подходящего катализатора является ключевым фактором для оптимизации процесса изомеризации. Это может быть катализатор на основе платины или других металлов. Выбор правильного катализатора может повысить активность и селективность процесса.
Оптимизация условий реакции. Регулировка температуры, давления и расходов реагентов может значительно улучшить процесс изомеризации. Низкая температура обеспечивает лучшую селективность реакции, но снижает скорость реакции. Таким образом, оптимальные условия реакции могут быть достигнуты путем балансирования этих факторов.
Сепарация продуктов. Процесс изомеризации производит несколько продуктов, включая перекись метил-тертиарного бутила и изомеры октана. Оптимизация схемы сепарации и очистки может улучшить эффективность процесса, позволяя извлечь максимальную стоимость из всех сырьевых материалов.
Использование дополнительных реагентов. Иногда добавление дополнительных реагентов может существенно повысить эффективность процесса изомеризации. Например, добавление хлорида натрия может увеличить активность катализатора и селективность процесса.
Улучшение стабильности катализатора. Низкотемпературная изомеризация может привести к деградации катализатора. Повышение стабильности катализатора может быть достигнуто путем добавления ингибиторов или изменением состава питательного раствора.
Контроль процесса. Регулярный мониторинг и контроль важных параметров, таких как концентрации реагентов, температура и давление, являются неотъемлемой частью оптимизации процесса. Это позволяет операторам реагировать на изменения и корректировать параметры, чтобы максимизировать производительность и качество продукта.

Оптимизация процесса низкотемпературной изомеризации может быть сложной задачей, требующей детального анализа и опыта. Комбинирование этих путей оптимизации может помочь улучшить эффективность и экономическую целесообразность процесса.

Катализатор СИ-2 традиционно использовался в низкотемпературной изомеризации благодаря своей превосходной стабильности и селективности, последние достижения в технологии катализаторов привели к появлению альтернативных сульфатных катализаторов, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с СИ-2. Данные преимущества включают более высокую степень конверсии, улучшенную селективность по отношению к желаемым изомерам и более длительный срок службы катализатора, катализаторы показали многообещающие результаты в ходе обширных лабораторных испытаний и опытно-промышленных установок [6].

Катализатор СИ-2 демонстрирует исключительные показатели эффективности конверсии и селективности, демонстрирует повышенную устойчивость к примесям сырья, таким как сера, азот и следовые металлы, уникальный химический состав и площадь поверхности обеспечивают повышенную каталитическую активность, что приводит к улучшению степени конверсии и выхода продукта.

Катализатор AOK-72-55 известен своей превосходной селективностью изомеризации, особенно при превращении обычного пентана в изо-пентан, специализированный состав и структура пор способствуют желаемому превращению, что приводит к получению высококачественных продуктов с повышенным октановым числом. Катализатор AOK-72-55 также обладает повышенной устойчивостью к образованию нагара и отложению кокса, что позволяет продлить срок службы катализатора и сократить время простоя в обслуживании.

Помимо оптимизации катализатора, внедрение колонны депентанизации может значительно повысить производительность установки изомеризации. Колонна депентанизации эффективно отделяет фракцию, богатую пентанами, от стоков реактора изомеризации, повышая тем самым эффективность процесса и чистоту продукта, удаляя избыток пентанов, депентанизационная колонна позволяет лучше контролировать реакцию изомеризации, что приводит к повышению конверсии и улучшению качества продукта.

Насадочные колонны широко используются в химической промышленности для различных процессов разделения и очистки, включая дистилляцию, абсорбцию, стриппинг и экстракцию. Колонна состоит из вертикального цилиндрического сосуда, заполненного насадочным материалом, который обеспечивает большую площадь поверхности для массообмена между двумя фазами. Эффективность колонны зависит от типа насадочного материала, конструкции колонны и условий эксплуатации.

Насадочные материалы, используемые в насадочных колоннах, можно разделить на два типа: случайная насадка и структурированная насадка. Случайная насадка состоит из небольших кусочков инертных материалов, таких как стеклянные бусины или металлические кольца, которые беспорядочно набиваются в колонну. Структурированная насадка состоит из специально разработанных листов или трубок, которые собираются в узорчатую структуру, обеспечивая более четкий путь потока жидкости.

Существует три основных механизма массопереноса, которые происходят в насадочных колоннах: теория пленки, теория проникновения и теория обновления поверхности. Пленочная теория основана на концепции, согласно которой массоперенос происходит через тонкую жидкую пленку, окружающую материал насадка. Молекулы растворителя диффундируют из газовой фазы в жидкую пленку, а затем в объемную жидкую фазу.

Теория проникновения основана на концепции, согласно которой массоперенос происходит за счет проникновения газовой фазы в жидкую. Молекулы растворителя диффундируют в жидкую фазу по мере проникновения газа в упаковочный материал. Теория обновления поверхности основана на концепции, согласно которой массоперенос происходит за счет постоянного обновления поверхности раздела жидкость-газ. По мере того, как молекулы растворителя диффундируют в жидкую фазу, поверхность раздела обновляется, обеспечивая дальнейший массоперенос.

Эффективность массопереноса в насадочных колоннах зависит от нескольких факторов, включая скорость потока, размер и форму насадки, свойства жидкости и газа, а также температуру и давление [7]:

Скорость потока. Скорость потока жидкой и газовой фаз через насадочную колонну может существенно повлиять на скорость массопереноса, более высокая скорость потока может увеличить скорость массопереноса. Существует предел, за которым увеличение скорости потока не приведет к значительному улучшению скорости массопереноса.
Размер и форма насадки. Размер и форма нассадочного материала влияют на скорость массопереноса, более мелкий материал насадки обеспечивает большую площадь поверхности для массопереноса, но это также может привести к более высокому перепаду давления в колонне.
Свойства жидкости и газа. Физические и химические свойства жидкой и газовой фаз могут влиять на массоперенос, так вязкость жидкой фазы может влиять на толщину жидкой пленки, что влияет на скорость массопереноса. Коэффициент диффузии растворителя в газовой фазе может влиять на проникновение газовой фазы в жидкую.

Оптимизация процесса низкотемпературной изомеризации включает различные стратегии, в том числе замену катализатора СИ-2 и AOK, а также использование депентанизационной колонны, методы дают ряд преимуществ, таких как повышение степени конверсии, улучшение селективности, увеличение срока службы катализатора и получение более качественных продуктов, внедряя эти методы оптимизации, нефтехимические компании могут добиться более высокой эффективности, снижения эксплуатационных расходов и повышения рентабельности своих установок изомеризации.

Список литературы

Алюмооксидный носитель для катализатора низкотемпературной изомеризации углеводородов / Н. Тагандурдыева, Н. В. Мальцева, Т. А. Вишневская [и др.] // Тонкие химические технологии. – 2020. – Т. 15, № 3. – С. 58-69.
Соболева Е. В. Автоматизация процесса деизогексанизации установки низкотемпературной изомеризации / Е. В. Соболева, И. И. Белоглазов // Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2021. – С. 201-203.
Прохоренко В. С. Низкотемпературная изомеризация пентан-гексановых фракций как способ получения высокооктанового компонента бензинов. Кемерово: Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 2022. – С. 73.
Термокаталитические процессы глубокой переработки нефти: в 2 ч. Ч. 2: учеб. пособие / Б. В. Поляков, Н. В. Андриевская; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. - Красноярск, 2020. - 94 с.
Редько К. В. Блок. Низкотемпературной. Изомеризации. Установки. Каталитического. Риформинга. На. Процессе. “Изомалк-2.” / Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре государственный университет, 2021. – С. 135-136.
Автоматизация процессов нефтепереработки [Текст]: уч. пос. / А. Д. Ермоленко, О. Н. Кашин, Н. В. Лисицын и др.; под. общ. ред. д-ра техн. наук В. Г. Харазова. - СПб.: Профессия, 2015. - 163 с.
Хайрулинна Г.Р. Моделирование системы управления в программной среде ASPEN HYSYS [Текст] / Г.Р. Хайрулинна // Международный научный журнал "Научные вести". - 2019. - Т. 6. - № 11. - С. 148