Синтез системы разделения продуктов дегидрирования изопентана в изопрен

Хамидуллин Раушан Расихович – студент магистратуры по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств» Казанского национального исследовательского технологического университета.

Усманова Асия Айтугановна – кандидат технических наук, доцент кафедры Систем автоматизации и управления технологическими процессами Казанского национального исследовательского технологического университета.

Аннотация: Исследованы методы одностадийного и двухстадийного дегидрирования изопентана в изопрен с дальнейшим выбором наиболее перспективного метода. Подобрано программное обеспечение для построения компьютерной модели, а также метод расчета фазового равновесия.

Ключевые слова: Дегидрирование, изопентан, изопрен.

Введение

На сегодняшний день одним из главных направлений развития химической индустрии считается формирование мощного производства пластических масс и каучуков. Особенно существенную роль играют мономеры, одним из которых является изопрен.

При определении перспективности одного из множества методов синтеза изопрена главным условием является наличие ресурсов и стоимость применяемого сырья. С химической точки зрения наиболее естественным путем получения изопрена считается дегидрирование изопентана.

Двухстадийное дегидрирование изопентана из-за большой энергозатратности считается устаревшим процессом, поэтому проводятся работы по созданию новейших способов получения изопрена.

Экспериментальная часть

Каталитическое дегидрирование предельных, непредельных или алкилароматических углеводородов является основным промышленным способом производства бутадиена, изопрена и стирола. Существует два способа дегидрирования: одностадийное дегидрирование и двухстадийное дегидрирование. При двухстадийном дегидрировании, на первом этапе получают изопентан-изоамиленовую фракцию из изопентана с последующим выделением изоамиленов, а на втором этапе полученные изоамилены дегидрируют в изопрен:

Выгодным отличием одностадийного дегидрирования предельных углеводородов в диены от двухстадийного дегидрирования является упрощенная технологическая схема, так как нет необходимости разделения продуктов после стадий и, соответственно, более низкими капитальными затратами на тонну продукции и низкой энергоемкостью. [1]

Блок-схема установки одностадийного дегидрирования изопентана в изопрен представлена на рисунке 1:

Рисунок 1. Блок-схема установки одностадийного дегидрирования изопентана в изопрен.

Для решения задачи математического моделирования и анализа модели выбрана универсальная моделирующая программа (УМП) UniSim фирмы Honeywell. Это связано с возможностями УМП UniSim Design моделировать процессы нефте-, газопереработки и нефтехимии. Имеется возможность создания статических и динамических моделей технологических объектов. Модель технологического процесса составляется из моделей библиотеки технологических объектов, параметры которых задаются пользователем в соответствии с решаемыми задачами исследования, интенсификации, управления существующих и проектированием вновь создаваемых производств.

УМП UniSim Design обеспечивает точный расчет теплофизических свойств, транспортных свойств и фазового равновесия. UniSim Design содержит обширную базу данных компонентов и возможность добавления пользовательских компонентов. UniSim Design поддерживает моделирование техпроцессов ректификации, реакций, теплообмена, динамического оборудования и логических операций в режимах статического и динамического моделирования. Эти модели гарантированно обеспечивают качественные и реалистичные результаты.

Для построения компьютерной модели системы разделения продуктов одностадийного дегидрирования изопентана необходим выбор метода расчета фазового равновесия и энтальпии многокомпонентной смеси поступающей на разделение, термодинамических свойств этих веществ, математических моделей ректификационных колонн, теплообменного оборудования, компрессоров, насосов, делителей и смесителей потоков из библиотеки УМП UniSim Design.

Выбор метода расчета фазового равновесия и энтальпии определяется компонентным составом разделяемой смеси. Катализат одностадийного дегидрирования изопентана, который поступает на разделение, включает в себя следующие компоненты [2]:

1. Изопентан
2. Изоамилены
3. Изопрен
4. Лёгкие углеводороды
5. Водород
6. Кокс

В данной работе выбран метод NRTL - ideal.(Non-RangdomTwoLiquids – две несмешивающиеся жидкости), так как математическая форма уравнений обеспечивает модели NRTL большую гибкость, способность описывать самые различные типы зависимости коэффициентов активности от состава. Правильность выбора данного метода подтверждается исследованиями, проведенными в работе [3].

Этот метод является расширением метода Вильсона. Это уравнение используется для многокомпонентных систем пар-жидкость и пар-жидкость-жидкость. Уравнение NRTL дает самые лучшие результаты для водных систем, хотя во многих случаях вполне пригодны уравнения Вильсона и Маргулеса для этих систем (1-4).

(1)

(2)

(3)

(4)

Параметры модели: где i,j – номера компонентов; N – число компонентов в системе; B – избыточная энергия Гиббса; - константа, принимаемая за характеристику заданной смеси;  - энергия Гиббса взаимодействия между молекулами компонентов.[4]

Ректификационные колонны используют для разделения жидких смесей на чистые компоненты или на фракции.

Структурная схема парожидкостных и тепловых потоков обычной тарелки представлена на рисунок 2:

Рисунок 2. Структурная схема парожидкостных и тепловых потоков обычной тарелки.

где- состав жидкости и пара соответственно; - расход жидкости, которая покидает j-ю тарелку и пара, который поступает соответственно на j-ю тарелку;- энтальпия жидкости и пара на j-й тарелке соответственно; - давление и температура в питании, соответствующей j-й тарелке; - давление и температура на j-й тарелке.

Математическая модель ректификационной колонны содержит уравнения материального и теплового баланса, фазового равновесия.

Для расчёта ректификационной колонны используется двухконтурный метод Inside-Out. В этом алгоритме использовали две термодинамические модели. Первая – это простая приближённая модель, которая применяется при решении системы уравнений MESH на внутреннем итерационном контуре. А вторая – точная, она обновляет параметры простой приближенной модели на внешнем итерационном контуре, но только на редких интервалах. Двухконтурный метод Inside-Out способствует значительному сокращению времени расчёта термодинамических свойств.

На основе существующего оборудования технологической установки разделения продуктов двухстадийного дегидрирования изопентана построена технологическая схема и компьютерная модель в среде универсальной моделирующей программы UniSim процесса разделения продуктов одностадийного дегидрирования изопентана.

Список литературы

1. Литвин О.Б. Основы технологии синтеза каучуков / Химия, 1972.
2. Курбатов В.А. «Конверсия двухстадийного процесса дегидрирования изопентана в одностадийный» - Вестник технологического университета, 2016.
3. Рыжов Д.А. Структурно-параметрическая оптимизация действующей установки разделения изопрен-изоамиленовой фракции / КГТУ 2011.
4. Короленко Н.А., Игумнов С.Н., Головина Н.Б., Богачев А.Г. Применение модели NRTL для расчёта равновесия жидкость-жидкость в трехкомпонентных системах вода-спирт-18-краун-6.