Курсовая работа (т): Анализ процесса термоконтактного крекинга на примере установки непрерывного коксования в псевдоожиженном слое

Анализ процесса термоконтактного крекинга на примере установки непрерывного коксования в псевдоожиженном слое

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательно учреждение

высшего профессионального образования

"Пензенский государственный технологический университет"

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: "Химия и технология нефти и газа"

Тема: "Анализ процесса термоконтактного крекинга на примере установки непрерывного коксования в псевдоожиженном слое"

Студентки

Дендеря Екатерины Юрьевны

обучающейся в группе 10/2н

по специальности: 240404.51 "Переработка нефти и газа"

Пенза, 2014

Оглавление

Введение

.        Технологическая часть

.1 Назначение и характеристика процесса

.2 Теоретические основы процесса

.3 Характеристика сырья и готовой продукции

.4 Описание технологической схемы

.5 Устройство и принцип работы оборудования

. Охрана окружающей среды

.Охрана труда

Заключение

Список используемых источников

Введение

Под термическими процессами подразумевают процессы химических превращений нефтяного сырья - совокупности реакций крекинга (распада) и уплотнения, осуществляемые термически, то есть без применения катализаторов.

Коксование - длительный процесс термолиза тяжелых остатков или ароматизированных высококипящих дистиллятов при невысоком давлении и температурах 470 - 540 °С. Основное целевое назначение коксования - производство нефтяных коксов различных марок в зависимости от качества перерабатываемого сырья. Побочные продукты коксования - малоценный газ, бензины низкого качества и газойли.

Процесс замедленного коксования является одним из самых динамично развивающихся в мировой нефтепереработке. В настоящее время мировые мощности коксования нефтяных остатков составляют 252,9 млн. тонн в год и за последние 6 лет они возросли на 47,3 млн. тонн в год.

В мировой практике наибольшим производственным потенциалом процессов коксования обладает Северо-Американский регион, и в частности промышленность Соединенных Штатов Америки - 53,9 % мировых мощностей коксования. С 1999 г. по 2005 г. мощности коксования в США возросли с 117,7 млн. тонн в год до 136,3 млн. тонн в год, при этом выработка кокса составляет 54 млн. тонн в год. Следует отметить, что мировое потребление кокса в алюминиевой промышленности и электрометаллургии находится на уровне 14 млн. тонн в год, поэтому в настоящее время основным назначением процесса замедленного коксования является получение в качестве целевого продукта газойлей для производства моторных топлив и углубление переработки нефти.

Помимо США, ведущие позиции среди стран мира занимают также: Китай - 15,4 млн. тонн в год (или 7,4% от мировых мощностей), Венесуэла - 8,8 млн. тонн в год (3,5%), Германия - 5,7 млн. тонн в год (2,3%), Япония и Россия по 5,3 млн. тонн в год (2,1%).

Доля процессов коксования нефтяных остатков по отношению к первичной переработке нефти в целом по миру в настоящее время составляет 6,1% и за последние 6 лет возросла на 0,9%. С 1999 г. по 2005 г. мировые мощности коксования возросли на 23,0% и их темпы роста значительно опережают темпы роста мощностей первичной переработки нефти (3,4%), что естественно приводит к экономии сырой нефти для производства моторных топлив.

Популярность замедленного коксования во всем мире связана с тем, что наряду с получением нефтяного кокса в процессе реализуется целый ряд технологий, которые и обеспечивают его широкое применение в производстве моторных топлив:

. В процессе замедленного коксования обеспечивается высокоэффективная термодеасфальтизация нефтяных остатков. Если исходное сырье имеет коксовые числа 25-30% и более, то продукты коксования не более 0,3-0,5%.

. На установках происходит деметализация нефтяного сырья. При исходном содержании металлов до 300 и более ppm, в продуктах коксования содержание их не превышает 3-5 ppm, а 95-98 % переходит в кокс.

. Процесс замедленного коксования является самым мощным "санитаром" на НПЗ. Многие образующиеся нефтешламы и другие отходы перерабатываются на установках, при этом получается топливный кокс, газообразные и жидкие продукты коксования, пригодные для производства моторных топлив.

. Наличие установки высокой производительности в схеме завода позволяет наиболее быстро адаптироваться к изменению состава перерабатываемой нефти, поскольку коксовые числа продуктов коксования и содержание в них металлов практически одинаковы как при переработке мазутов так и при переработке асфальтов, как малосернистых так и высокосернистых нефтей.

. При использовании нефтяного кокса в качестве энергетического топлива резко снижается загрязнение окружающей среды. Например, при сжигании 6 млн. тонн топочного мазута с содержанием серы 3% масс. в окружающую среду выбрасывается 360 тыс. т/год сернистых соединений. При коксовании такого же количества мазута образуется около 700 тыс. т/год нефтяного кокса с содержанием серы ~3,5% масс., при сжигании которого образуется 49 тыс. т/год сернистых соединений, что значительно ниже объема выбросов в окружающую среду при сжигании мазута. Это обстоятельство используется заводами и многие строят собственные энергетические установки используя кокс в качестве топлива.

В США около 30 тепловых электростанций переведено на сжигание нефтяного кокса в смеси с каменным углем, что полностью решает проблему сбыта нефтяного кокса, гарантирует круглогодичную бесперебойную работу заводов, так как кокс может храниться долго и проблема вывоза не столь актуальна по сравнению с проблемой вывоза мазута, когда при заполнении резервуарных парков приходится снижать производительность завода. Для отгрузки можно организовать склад, обеспечивающий годичный объем хранения кокса.

. На установках замедленного коксования можно перерабатывать сырье с широким диапазоном свойств от дистиллятов до гудронов, крекинг-остатков, асфальтов, битуминозных песков, продуктов нефтехимии, углехимии и ожижения углей.

Все вышеперечисленное и делает процесс перспективным, наиболее дешевым и экономически привлекательным в производстве моторных топлив из тяжелых нефтяных остатков, хотя существует еще ряд процессов, позволяющих перерабатывать нефтяные остатки в моторные топлива.

1.      Технологическая часть

1.1    Назначение и краткая характеристика процесса

Среди термических процессов наиболее широкое распространение в нашей стране и за рубежом получил процесс замедленного коксования, который позволяет перерабатывать самые различные виды ТНО с выработкой продуктов, находящих достаточно квалифицированное применение в различных отраслях народного хозяйства. Другие разновидности процессов коксования ТНО - периодическое коксование в кубах и коксование в псевдоожиженном слое порошкообразного кокса - нашли ограниченное применение.

Основное целевое назначение УЗК - производство крупнокускового нефтяного кокса. Наиболее массовыми потребителями нефтяного кокса в мире и в нашей стране являются производства анодной массы и обожженных анодов для алюминиевой промышленности и графитированных электродов для электросталеплавления. Широкое применение находит нефтяной кокс при изготовлении конструкционных материалов, в производствах цветных металлов, кремния, абразивных (карбидных) материалов, в химической и электротехнической промышленностях, космонавтике, в ядерной энергетике и др.

Кроме кокса, на УЗК получают газы, бензиновую фракцию и коксовые (газойлевые) дистилляты. Газы коксования используют в качестве технологического топлива или направляют на ГФУ для извлечения пропан-бутановой фракции - ценного сырья для нефтехимического синтеза. Получающиеся в процессе коксования бензиновые фракции (5 -16% масс.) характеризуются невысокими октановыми числами (=60 по м.м.) и низкой химической стабильностью, повышенным содержанием серы (до 0,5 % масс.) и требуют дополнительного гидрогенизационного и каталитического облагораживания. Коксовые дистилляты могут быть использованы без или после гидрооблагораживания как компоненты дизельного, газотурбинного и судового топлив или в качестве сырья каталитического или гидрокрекинга.

.2 Теоретические основы процесса

Термолиз углеводородов происходит по гомолетическому механизму. При гомолитическом разрыве пара электронов, принадлежащая ранее двум связываемым атомам, поровну распределяется между ними:

Y - X →Y' + 'X

где Y-X - валентно-насыщенная молекула; Y', 'X - два свободных радикала.

СН₃°- СН₃°↔ СН₃° + СН₃°

СН₃ -СН₂°°Н ↔ СН₃-СН₂° + °Н

Гомолитический разрыв происходит чаще всего при термических превращениях углеводородов.

Радикалы, являясь химически ненасыщенными частицами, обладают исключительно высокой реакционной способностью и мгновенно вступают в различные реакции.

Радикалы высокой молекулярной массы термически нестабильные и распадаются с образованием низкомолекулярного более устойчивого радикала, в том числе водородного:

Концентрация радикалов в реакционной системе обычно невелика, и вероятность их столкновения между собой ничтожно мала. При термолизе более значительно преобладают взаимодействия между радикалом и молекулами исходного сырья. Поскольку радикал имеет свободный неспаренный электрон, то его реакция с молекулами, все электроны которых спарены, должна в силу принципа неуничтожимости свободной валентности привести к образованию нового вторичного радикала. Если последний не является малоактивным, то он, в свою очередь, вступит в реакцию с новой молекулой сырья и т.д.Так как число радикалов, могущих образоваться при термолизе, велико, на некоторой стадии образуется радикал, принимавший участие в одной из предыдущих стадий, и возникает регулярное чередование двух или более последовательно параллельных элементарных реакций с образованием конечных продуктов. Этот процесс продолжится до тех пор, пока радикал не "погибнет". Реакции такого типа называются цепными.

1.Зарождение цепи (образование свободных радикалов).

При термическом распаде всех алканов, начиная с этана, зарождение цепи происходит в результате разрыва связи С - С. При этом образуются свободные радикалы:

СН₃-СН₂- СН₃ → СН₃-СН₂^°+ СН₃^°

В случаи алканов с большими числом атомов углерода при не очень высоких температурах крекинга (350-450^°С), разрыв углеродной цепи происходит посередине, т.е. по наиболее слабым связям С - С. При более высоких температурах могут рваться и другие С - С связи. Значительно менее вероятен при зарождении цепи разрыв С-Н связей углеводородов, и он возможен только для низших алканов (этан, пропан) при соударении молекул со стекой реактора при высоких температурах. Так как молекулы атома водорода являются внешними атомами в молекулах, то при соударении со стенкой реактора может произойти отрыв атома водорода:

СН₃- СН₂│Н → СН₃-СН₂^° +Н°

. Продолжение цепи (реакции свободных радикалов).

Свободные радикалы обладают высокой реакционной способностью, так как содержат неспаренный электрон. Поэтому они стремятся стабилизироваться и подвергаются различным превращениям. Реакции радикалов с молекулами углеводородов являются основными, приводящими к развитию цепи.

Низшие свободные радикалы (атомарный Н, СН₃^°, С₂Н₅°) при столкновении с молекулами алканов отбирают у них атомы водорода.

СН₃^° + СН₃-СН₂- СН₃ → СН₄ + СН₃-СН^°- СН₃

СН₃-СН₂^° + СН₃-СН₂- СН₃ → СН₃- СН₃ + СН₃-СН^°- СН₃

СН₃-СН₂^° → СН₂ = СН₂ + Н^°

СН₃-СН^°- СН₃ → СН₃ = СН - СН₃ + Н^°

СН₃-СН₂- СН₃ + Н^° → СН₃-СН^°- СН₃ + Н₂

. Обрыв цепи. Квадратичный обрыв происходит при взаимодействии двух радикалов. Он характерен для жидкофазных реакций.

СН₃^°+ СН₃^° → СН₃ - СН₃

СН₃^° + СН₃-СН₂^° → СН₃-СН₂- СН₃

Линейный обрыв цепи чаще встречается при газофазных реакциях. Он происходит при адсорбции свободных радикалов на стенки или другой твёрдой поверхности либо на ингибиторах.

В случаи олефина стабилизация радикала происходит за счёт эффекта сопряжения двойной связи, а в случаи изопарафина - индукционного эффекта метильных групп.

Термолиз алканов приводит преимущественно к образованию более термостойких низкомолекулярных алкенов и алканов. Из алканов наибольшей термостабильностью обладает метан. Его термическая деструкция термодинамически возможна при температуре выше 560 °С. С заметной скоростью распад метана протекает при температуре выше 1000°С. Высокая термостабильность метана объясняется тем, что в его молекуле отсутствуют связи С-С, энергия разрыва которых меньше, чем для связей С-Н. При высокотемпературном пиролизе метана, кроме водорода (и пироуглерода), образуются этилен, этан, ацетилен и арены. Синтез этих продуктов можно выразить следующей схемой:

Ароматические углеводороды образуются в результате вторичных реакций синтеза из ацетилена и этилена.

Этан менее устойчив, чем метан: его деструкция начинается при температуре = 500°С. При пиролизе этана образуются преимущественно этилен и водород, а также метан и жидкие продукты, богатые аренами и алкенами.

Чередование элементарных реакций (3) и (4) даёт реакцию распад этан по стереохимическому уравнению:

Пропан и бутан термически менее устойчивы, чем этан. Пропан начинает разлагаться при 460 °С, а н-бутан и изобутан - около 435°С. Основные направления пиролиза пропана:

Начиная с бутана, при термолизе алканов преобладающим становится распад по связи С-С.

Относительная скорость их термолиза возрастает с увеличением молекулярной массы, что обусловливается уменьшением энергии разрыва С-С-связей по мере приближения к середине цепи и увеличения степени разветвленности молекул.

В процессе пиролиза н-бутана преобладают следующие 2 реакции его распада:

Характерно, что чем выше температура пиролиза бутана, тем больше отодвигается место его распада по С-С-связи к краю молекулы. На это указывает непрерывное возрастание содержания метана в газообразных продуктах реакции вплоть до 900°С. Аналогичные реакции распада характерны для термолиза более высокомолекулярных алканов. Для них при умеренных температурах (400 - 500 °С) наблюдается симметричный разрыв молекулы с образованием олефина и парафина приблизительно одинаковой молекулярной массы.При более высоких температурах в продуктах их термолиза обнаруживаются низшие алканы и высокомолекулярные алкены и арены, вероятно, как результат вторичных реакций.