Промышленная технология производства катализатора дегидрирования изоамиленов в изопрен марки КИМ (стр. 1 из 12)
Введение
Одним из основных направлений развития химической промышленности является создание мощного современного производства пластических масс и каучуков. Особо важное значение приобретают мономеры, одним из которых является изопрен.
В настоящие время известно несколько способов синтеза изопрена. В целом в промышленности внедрены два метода:
синтез изопрена из формальдегида и изобутилена;
двух стадийное дегидрирование изопентана в изоамилены и далее в изопрен.
Оба метода реализованы на ОАО «Нижнекамскнефтехим».
Вторая стадия каталитического дегидрирования изоамиленов в изопрен ранее осуществлялась в присутствии катализатора марки КИМ-1. Производителем катализатора являлся завод «Окиси этилена» (цех № 2410) Нижнекамского нефтехимического комбината. Катализатор характеризовался хорошими эксплуатационными показателями, достаточной активностью и селективностью, высокой механической прочностью.
В данной работе на проектирование представлена промышленная технология производства катализатора дегидрирования изоамиленов в изопрен марки КИМ-1 в присутствии водяного пара в адиабатических реакторах с неподвижным слоем катализатора на заводе СК.
Катализатор дегидрирования КИМ-1 производится на территории цеха № 2410 завода «Окиси этилена» ОАО «Нижнекамскнефтехим». В целях уменьшения капитальных затрат при проектировании для производства катализатора КИМ-1 предусматривается максимально возможное использование существующего технологического оборудования, применяемого ранее для производства катализатора ИМ-603, с сохранением его обвязки технологическими трубопроводами. Процесс производства катализатора дегидрирования КИМ-1 является периодическим. Количество технологических потоков - два.
1. Характеристика сырья и готовой продукции
1.1. Характеристики производимой продукции
Таблица 1.1 - Характеристики производимой продукции
| № п/п | Наименование изготовляемой продукции | Номер ГОСТ, ТУ, регламент | Показатели качества, обязательные для проверки | Регламентируемые показатели с допустимыми отклонениями |
| 1 | Готовый катализатор КИМ-1 | ТУ 2173-002-12988979-95 | - внешний вид - размер гранул, мм длина диаметр - насыпная плотность г/смі не менее -механическая прочность, %, не менее кг/гранулу, не менее - каталитические свойства выход изопрена на пропущенные изоамилены, % мас, не менее выход изопрена на разложенные изоамилены, % мас, не менее - однородность: массовая доля комков, представляющих слепки более чем трех гранул, %, не более массовая доля пыли размером менее 1 мм, %, не более | гранулы красно-коричневого цвета 3-20 3.0-4.0 0.95 96,0 10 35,0 85,0 4,0 1,0 |
1.2 Характеристика сырья, материалов, реагентов, полупродуктов
Таблица 1.2- Характеристика сырья
| № п/п | Наименование сырья, материалов, катализатора, изготовляемой продукции | Номер ГОСТ, ТУ, регламент | Показатели качества, обязательные для проверки | Регламентируемые показатели | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||
 1 | Пигмент желтый железо-оксидный | ТУ 38. 503286-91 или ГОСТ 1817.2-80 | массовая доля - железа в пересчете на Fe2O3, %, не менее - ионов натрия в пересчете на Na2CO3, %, не более - хлоридов, %, не более | 84,0 0,007 0,01 | ||||
| 2 | Калий углекислый технический 1 сорт | ГОСТ 10690-73 | массовая доля - К2СО3, %, не менее - ионов натрия в пересчете на Na2CO3, %, не более -хлоридов, %, не более | 98,0 0,6 0,05 | ||||
| 3 | Циркония двуокись сорт 2 | ГОСТ 21907-76 | Содержание суммы двуокисей циркония и гафния, %, не менее | 99,0 | ||||
| 4 | Хрома окись техническая ОХП-1,ОХП-2 | ГОСТ 2912-79 | массовая доля - общего хрома в пересчете на Cr 2 O3, %, не менее | 99,0 | ||||
| 5 | Калия гидрат окиси технический марки ОКП 21, сорт высший | ГОСТ 9285-78 | массовая доля - едких щелочей в пересчете КОН,%, не менее - натрия в пересчете на NaOH, %, не более | 98,0 1,5 | ||||
| 6 | Оксид алюминия активный | ТУ 38. 10216-78 или ГОСТ 8136-85 | массовая доля - натрия в пересчете на оксид натрия,%, не более | 0,025 | ||||
| 7 | Силикагель технический марки КСМГ сорт высший или сажа белая марки БС-120 | ГОСТ 3956-76 ГОСТ 18307-78 | По паспорту поставщика По паспорту поставщика | |||||
| 8 | Вода обессоленная 3 ступени очистки (спец очищенная) | Требования регламента | содержание - хлор ионов, мг/л, не более - ионов натрия, мг/л, не более | 3,0 1,0 | ||||
| 9 | Топливный газ | Требования регламента | Теплотворная способность, ккал/Вмі, не менее | 8000 | ||||
| 10 | Воздух технологический | ГОСТ 24484-80 | - температура точки росы | - 60С | ||||
| 11 | Азот газообразный технический, повышенной чистоты, 2 сорт | ГОСТ 9293-74 | объемная доля - азота, %, не менее - кислорода, %, не более | 99,95 0,05 | ||||
1.3 Физико-химические свойства сырьевых компонентов [1-8]
В качестве сырья для производства экспериментального железо-оксидного катализатора синтеза изопрена дегидрированием изоамиленов используются следующие сырьевые компоненты:
Пигмент железо-оксидный – порошок желтого цвета, молекулярный вес 159,69, а.е., температура плавления – 1565°С, в воде не растворим.
Калий углекислый – порошок белого цвета, молекулярный вес 138 а.е., температура плавления -891°С, в воде растворим.
Циркония двуокись – порошок белого цвета или сероватым с желтоватым оттенком, молекулярный вес 123 а.е., температура плавления -2680 °С, в воде не растворим.
Хрома окись – порошок темно – зеленого цвета, молекулярный вес 152 а.е., температура плавления -2275°С в воде не растворим.
Гидроксид калия – чешуйки зеленого, сиреневого или серого цвета, молекулярный вес 56 а.е., температура плавления- 380°С.
Оксид алюминия – гранулы белого цвета, молекулярный вес 102 а.е., температура плавления
Сажа белая – порошок белого цвета.
1.4 Термодинамические свойства сырьевых компонентов
Таблица 1.3 - Термодинамические свойства сырьевых компонентов
| Название компонентов | Теплоемкость, Дж/(моль×К) | Энтропия, Дж/(моль×К) | Тепловой эффект, кДж/моль |
| Пигмент желтый железо-оксидный | 104.6 | 90.00 | 822.1 |
| Окись хрома | 113,8 | 81,1 | 1128,4 |
| Двуокись циркония | 56,5 | 50,34 | 1080,31 |
| Калий углекислый | 115,7 | 156,3 | 1146,1 |
| Оксид алюминия | 79 | 50,92 | 1669,8 |
| Гидроксид калия | 65,60 | 59,41 | 425,34 |
| Сажа белая | 859,4 | 41,9 | 859,4 |
1.5 Физико-химические характеристики конечного продукта
Катализатор дегидрирования КИМ-1 представляет собой железо-калиевую оксидную систему, промотированную оксидами металлов. Имеет следующий химический состав:
Fe2O3-53.5 %, Cr2O3-3,8%, ZrO2-3,0%, K2CO3-31,1%, AI2O3-1,75 %, KOH-2,3%, сажа белая-4,6%.
2. Физико-химические основы технологического процессаПроцесс двух стадийного дегидрирования изопентана в изопрен является вторым, после синтеза изобутилена и формальдегида, промышленным методом синтеза изопрена, разработанным и внедренным в России [9,10].
Сущность процесса двух стадийного дегидрирования изопентана состоит в последовательном превращении изопентана в изоамилены, а смеси последних – в изопрен. На практике эти операции осуществляются в различных условиях, на разных катализаторах и самостоятельных технологических установках.
Схема основных и побочных химических превращений, протекающих при дегидрировании изопентана и изоамиленов [11]:
(2.1)Вопрос о фазовом составе промотированных железно-оксидных катализаторов, находящихся в атмосфере паров углеводородов и воды при температурах 770-870 К, является ключевым для определения механизма реакции дегидрирования, протекающей на этих контактах, разработки научно обоснованных методов синтеза данного класса катализаторов,оптимизации технологических процессов. Эта проблема привлекает пристальное внимание исследователей с момента появления первых железо-оксидных катализаторов, промотированных оксидами калия и хрома [12].
Одной из первых попыток исследования фазового состава железохрокалиевого катализатора в условиях разработки и дегидрирования в присутствии водяного пара явились работы советских ученых [13-16]. Для интерпретации фазового состава катализатора,выяснение природы его каталитической активности и роли отдельных компонентов авторы [13,14] методами рентгенофазового, термографического анализа и ИК спектроскопии изучили поведение индивидуальных компонентов, а также их двойных и тройных композиций в условиях окислительной и восстановительной сред, при разогреве до температуры реакции и охлаждении катализатора. Используя высокотемпературную рентгеновскую камеру, исследователи изучили фазовый состав железохромкалиевого катализатора в условиях реакции дегидрирования олефинов и установили,что фазовый состав контакта при комнатной и в условиях реакции существенно различается. Авторы работ [13,15] убедительно показали, что индивидуальный карбонат калия не активен в реакции дегидрирования, индивидуальный оксид железа
- основной компонент катализатора – в начальный момент режима дегидрирования имеет достаточно высокую активность однако, через 10-15 мин. Работы происходит быстрое снижение степени превращения и избирательности процесса, обусловленное зауглероживанием поверхности.