Синтез ХТС

Синтез ХТС. Обоснование эффективной ХТС Производство бутадиена Впервые промышленное производство бутадиена из этилового спирта было осуществлено в СССР в 1933 г. по разработанному С. В. Лебедевым методу. В основе процесса лежат превращения этанола в присутствии бифункционального катализатора, обеспечивающего одновременное протекание реакций дегидрирования (ZnO) и дегидратации (А12О3, промотированный К2О), при тем¬пературе не выше 400 "С: 2С2Н5ОН → СН2=СН-СН=СН2 + 2Н2О + Н2 В настоящее время этот и другие методы практически полностью вытеснены одно- или двухстадийным дегидрированием насыщенных углеводородов. Каталитическое дегидрирование насыщенных углеводородов стало основным источником производства не только бутадиена, но и таких крупнотоннажных продуктов как изопрен, изобутилен, стирол.

На основе этих мономеров, получаемых в близких условиях, вырабатываются многочисленные виды синтетических каучуков, в том числе хлоропренового, нитрильного, бутадиено¬вого, бутилкаучука, изопренового, бутадиен-стирольного, бутадиен-нитрильного и др. Спрос на бутадиен обусловлен также его использованием для производства адипонитрила и получением на его основе найлона.

Двухстадийный процесс Большинство промышленных установок получения дивинила из бутана работает по двухстадийной схеме.

Первая стадия дегидрирования бутана заключается в превращении его В бутилен, а вторая — это процесс получения дивинила из бутилена- Дегидрирование бутана в бутилен на хромооксидном промотированном катализаторе, нанесенном на оксид алюминия, протекает по реакции С3Н10↔С4Н8+Н2; ΔН= 131 кДж В промышленных реакторах протекают и побочные реакции: обратная реакция гидрирования бутилена, крекинг бутана и бутилена, изомеризация бутана и бутилена, реакции углеобразования.

На советских промышленных установках по дегидрированию бутана применяют системы с кипящим слоем мелкозернистого алюмохромового катализатора марки К 5. В процессе дегидрирования бутана катализатор покрывается углеродистыми отложениями и изменяет свой химический состав.

Активность катализатора при этом резко снижается.

С целью реактивации катализатор непрерывно отводят из реактора и обжигают в токе воздуха в регенераторе с кипящим слоем. Углеродистые соединения при этом выгорают, а низшие оксиды хрома окисляются до Сг2О3. Дегидрирование бутилена до дивинила протекает на хром-кальций-фосфатном катализаторе по реакции С4Н8↔С4Н6 + Н2, ΔН= 119 кДж Бутадиен при повышенных температурах разлагается, поэтому для сохранения достаточно высокой селективности по бутадиену на практике приходится прибегать к снижению парциального давления реакционных газов за счет применения перегретого водяного пара или вакуума.

Оптимальная температура сырья на входе в реактор 860—910 К. Степень конверсии регулируется объемной скоростью, которая колеблется для разных катализаторов в пределах 150—600 ч™1. Двухстадийный процесс позволяет создать на каждой стадии оптимальные условия ее протекания, обеспечивающие максимальный выход продуктов и селективность.

Для проведения первой стадии широко используются аппараты кипящего слоя. Такие аппараты отличаются целым рядом преимуществ в сравнении с аппаратами, в которых катализатор неподвижно располагается на нескольких тарелках: 1) изотермичность слоя, которая достигается благодаря активному перемешиванию; 2) текучесть слоя, в результате которой появляется возможность транспортировки закоксованного катализатора из реактора в регенератор и обратно; 3) высокая поверхность межфазного обмена, обусловленная малым размером частиц катализатора, в результате — высокие скорость теплообмена и массопередачи; 4) низкое гидравлическое сопротивление слоя, обеспечивающее уменьшение энергозатрат и повышающее скорость процесса.

Таким образом, в конструкции реактора КС соблюдены все закономерности проведения гетерогенно-каталитических реакций.

Процессы дегидрирования и регенерации осуществляются в разных аппаратах одинаковой конструкции. В отличие от первой, вторая стадия протекает в адиабатических реакторах с неподвижным слоем катализатора. Необходимое для реакции тепло подводится с перегретым паром, смешиваемым с сырьем. Достоинство этих аппаратов — простота конструкции, недостатки — неравномерность распределения температуры в слое, высокое гидравлическое сопротивление аппарата, ухудшение показателей эффективности работы реактора по мере закоксовывания катализатора, периодичность работы аппарата, попеременно работающего то в режиме дегидрирования, то в режиме регенерации.

Стадия осуществляется при более высокой температуре и пониженном парциальном давлении, которое достигается при разбавлении бутенов водяным паром. Температура для разных типов катализатора колеблется от 580 до 677 "С, разбавление паром — в соотношении 20 : 1. Охлаждение контактного газа (закалка) осуществляется впрыскиванием водяного конденсата, дальнейшее охлаждение газа происходит в котле-утилизаторе, затем газ направляется на промывку в скруббер и далее на разделение.

Выход бутадиена от массы исходного бутена составляет 20— 35 %. Селективность колеблется от 73 до 94 %. Одностадийное дегидрирование н-бутана Одностадийный процесс дегидрирования н-бутана до бутадиена-1,3 может быть описан суммарным уравнением: С4Н10 ↔ С4Н6 + 2Н2 + 247 кДж и складывается из двух последовательных реакций дегидрирования н-бутана до н-бутиленов и н-бутиленов до бутадиена-1,3 . В этом процессе н-бутилены не выводятся из сферы, реакции и в реакторе создается система «н-бутан — н-бутилены — бутадиен-1,3 — водород», равновесный состав которой зависит от температуры и давления.

Одностадийный процесс дегидрирования н-бутана осуществляется по регенеративному принципу, при котором затраты тепла на проведение эндотермической реакции дегидрирования в адиабатическом режиме возмещаются за счет тепла, уделяющегося на стадии регенерации катализатора при выжигании отложившегося на нем кокса. В этом процессе разогретый регенерированный катализатор используется как теплоноситель, а для повышения его способности аккумулировать тепло, к нему добавляется в отношении 1 : 3 инертный теплоноситель в виде гранул оксида алюминия, предварительно обожженных.

Жесткие условия чередующихся окислительно-восстановительных циклов дегидрирования и регенерации предъявляют к катализаторам повышенные требования.

В одностадийном процессе используется алюмо-хромовый окисный катализатор ДВ-3М состава Сг2О3∙А12Оз, активный при температуре около 6ОО°С, ускоряющий обе реакции дегидрирования, прочный и устойчивый в эксплуатации и хорошо регенерирующийся. Так как он отравляется парами воды, то понижение парциального давления углеводородного сырья в процессе достигается не Введением в систему водяного пара, а проведением дегидрирования в вакууме.

Технологическая схема производства бутадиена-1,3 одностадийным дегидрированием н-бутана в вакууме включает операции: — очистка сырья (бутановой фракции, попутного газа); — каталитическое дегидрирование н-бутана; — сжатие контактного газа и выделение из него фракции С4; — выделение бутадиена-1,3 из фракции С4; — отдувка углеводородов и регенерация катализатора. Реакторный блок установки, включает два (или больше) аппаратов, работающих попеременно на дегидрирование сырья и регенерацию катализатора.

Сырьем для производства бутадиена методом дегидрирования служит бутановая фракция попутного газа или бутан-бутиленовая фракция газов каталитического крекинга или пиролиза. Реакция дегидрирования бутана относится к классу сложных последовательных сильно эндотермических реакций, протекающих с увеличением объема: Кроме целевой реакции в этой системе протекает большое количество побочных процессов: реакции циклизации, крекинга, изомеризации, ароматизации, коксообразования и др. Вследствие этого в результате дегидрирования образуется сложная смесь углеводородов, разделение которой связано с существенными затратами энергии и вспомогательных материалов.

Процесс дегидрирования осуществляется в присутствии катализатора. Высокие температуры синтеза и повышенная реакционная способность продуктов приводят к его быстрому закоксовыванию. В результате катализатор работает на дегидрирование только 15—20 мин, затем реактор переключается на регенерацию.

Регенерация осуществляется с помощью выжигания кокса воздухом и длится 30 мин. Сравнительная характеристика Сопоставление технико-экономических данных показывает, что одностадийный процесс экономичнее двухстадийного ввиду отсутствия в нем промежуточной подсистемы разделения контактного газа после первой ступени и меньшей величины расход¬ных коэффициентов по сырью и энергии. Таблица 1. ТЭП производства бутадиена-1,3 Методы производства Капитальные затраты Энергоёмкость Себестоимость Одностадийное дегидрирование 47 34 39 Двухстадийное дегидрирование 72 77 53 Достоинствами одностадийного процесса дегидрирования н-бутана до бутадиена-1,3 являются: — значительное сокращение расхода технологического пара; — использование теплоты регенерации катализатора и проведение реакции дегидрирования в адиабатическом режиме и, как следствие, простота конструкции реактора и отсутствие сложного теплообменного оборудования; — исключение второй стадии дегидрирования и операций разделения бутан-бутиленой фракции. За счет этого относительно невысокие выход бутадиена-1,3 (12—14%) и степень конверсии н-бутана (не превышающая 0,2) компенсируются меньшими капитальными затратами и энергоемкостью производства и, как следствие, более низкой, чем в двухстадийном методе, себестоимостью бутадиена-1,3. 4.2