Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме icon

Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме


Скачать 174.83 Kb.
НазваниеЛабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме
страница1/4
Размер174.83 Kb.
ТипЛабораторная работа
  1   2   3   4

ВВЕДЕНИЕ


Нефтехимический синтез – производство химических продуктов на основе нефтяного углеводородного сырья – получил огромное развитие во второй половине XX века. Использование нефтяного сырья привело к большому прогрессу в химической промышленности, и особенно в производстве полимеров, на выработку которых расходуется основная масса углеводородного сырья. В промышленности основного органического и нефтехимического синтеза сосредоточены важнейшие производства мономеров, исходных и вспомогательных продуктов, различных добавок для полимерных материалов. При этом технологии производства этих соединений во многом отличаются от технологий производства высокомолекулярных соединений. Будущим инженерам и руководителям производств синтетических каучуков и других полимеров необходимо знание процессов нефтехимического синтеза еще и потому, что в последнее время наблюдается тенденция размещения в рамках одного предприятия производств мономеров и полимеров на их основе.

В настоящих методических указаниях дается основа для обучения экспериментальным методам нефтехимического синтеза. Включены работы, охватывающие наиболее распространенные процессы – дегидрирование, конденсация, алкилирование, эпоксидирование, окислительные методы. В каждой работе приведены краткие теоретические основы способа, описание экспериментальной установки, порядок выполнения, методики контроля и анализа образующихся продуктов, расчет показателей процесса.

Основной целью практикума является освоение студентами способов и приемов, используемых в нефтехимическом синтезе, методов управления и контроля процессами, расчета материальных балансов и показателей процесса.


^ Лабораторная работа 1

Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме


Процессы каталитического дегидрирования углеводородов являются важнейшим источником таких мономеров, как бутадиен, изопрен, изобутилен, стирол.

В настоящее время при дегидрировании парафиновых углеводородов в олефиновые используются алюмохромовые катализаторы. Отечественный промышленный алюмохромовый катализатор ИМ-2201 имеет полидисперсную структуру пор. Удельная поверхность катализатора 30-50 м2/г.

Механизм процесса каталитического дегидрирования парафинов в олефины основан на взаимодействии молекулы углеводорода с активными центрами алюмохромового катализатора. На катализаторе существует два типа активных центров: одни ведут реакцию дегидрирования, а другие- крекинга. При этом протекают следующие реакции:








Активность алюмохромовых катализаторов зависит от вида и содержания оксида хрома. Наиболее активной модификацией является аморфная форма оксида трехвалентного хрома Сг2О3, содержащая некоторое количество соединений шестивалентного хрома СгО3. Аморфный оксид хрома в чистом виде уже при 350-400 °С быстро переходит в значительно менее активную кристаллическую форму α-Сг2О3, низкая каталитическая активность которой определяется ее сравнительно малой поверхностью. В присутствии оксида алюминия процесс кристаллизации резко замедляется. При дегидрировании катализатор периодически подвергается действию восстановительной и окислительной сред. Поэтому хром на поверхности катализатора может находиться в различных валентных состояниях.

Оксид алюминия - основной компонент алюмохромовых катализаторов, выполняет несколько функций. Являясь носителем, он влияет не только на механические и физические свойства катализатора, увеличивая его удельную поверхность или предохраняя от спекания, но и на каталитические свойства. Присутствие Аl2O3 стабилизирует электронное состояние хрома, что имеет важное значение для его каталитической активности. В то же время кислая природа поверхности оксида алюминия является основной причиной крекирующей и изомеризующей активности катализатора.

Для нейтрализации кислотных центров в алюмохромовые катализаторы вводят производные щелочных и щелочноземельных металлов, наиболее часто используют оксиды калия, натрия, бериллия.

Алюмохромовые катализаторы обладают высокой чувствительностью к влаге, содержание которой в сырье не должно превышать 0,01%, и к сернистым соединениям, максимально допустимая концентрация которых 0,005%.

Катализатор работает переменными циклами 15 мин. при дегидрировании в восстановительной среде при 570-590 °С и около 30 мин. при регенерации (выжигание углеродистых отложений и кокса, образующихся при дегидрировании) в окислительной среде при 640-650 °С. Выход бутиленов составляет 31 % мас., селективность 75 %.

^ Цель работы: проведение дегидрирования н-бутана на алюмохромовом катализаторе в импульсном режиме; оценка активности и селективности катализатора дегидрирования бутана.

Реактивы:

1) катализатор ИМ-2201;

2) фракция углеводородов, содержащая н-бутан;

3) гелий (в баллоне).

Описание установки

Установка собрана на основе препаративного хроматографа ПАХВ-05. Принципиальная схема установки приведена на рис. 1.


Рис. 1. Принципиальная схема микрокаталитической установки дегидрирования в импульсном режиме:

1,3 - вентили тонкой регулировки; 2 - манометр образцовый; 4 - автоматический объемный дозатор; 5 - шестиходовой газовый дозирующий кран; 6 - испарители; 7 - реактор; 8 -хроматографические колонки; 9 - детектор по теплопроводности (ДТП)


Гелий из баллона подается в систему вентилей тонкой регулировки 1,3. Общее давление газа-носителя на входе фиксируется манометром 2. При помощи вентиля 3 гелий подается в дозатор, который служит для дозирования жидкого сырья. Вентиль 3’’ подает гелий на сравнительную линию хроматографа, которая состоит из испарителя 6’ и хроматографических колонок 8’. Из колонки 8’ гелий попадает в сравнительную камеру ДТП 9. Вентиль 3’ регулирует поток гелия в рабочую линию хроматографа, которая состоит из образцового манометра 2’, шестиходового дозирующего крана 5, испарителя 6, реактора 7 и хроматографической колонки 8. Из колонки 8 гелий попадает в рабочую камеру ДТП 9. Реактор 7 представляет собой трубку из титана длиной 216 мм и внутренним диаметром 5 мм. В реактор загружается кварцевая насадка фракции 0,16-0,5 мм, которая удерживается асбестовыми пробками. Затем загружается 0,4 г катализатора фракции 0,2-0,5 мм (слой катализатора находится в плато печи). Реактор обогревается трубчатой электрической печью, температура которой регулируется ЛАТРом и фиксируется термопарой, которая помещена между реактором и печью. Шестиходовой кран 5 служит для дозирования импульса сырья (бутана).

Хроматографические колонки 8 наполнены диамитовым кирпичом (фракция 0,15-0,25 мм), пропитанным 15%-ным бутиратом триэтиленгликоля. Длина колонок 7 метров.

^ Выполнение работы

1. Загрузить катализатор. Открутив гайки, снять реактор, предварительно вынуть термопару. Загрузить в реактор 0,4 г катализатора ИМ-2201 фракции 0,2-0,5 мм. Подсоединить реактор, подтянуть гайки и вставить термопару до середины печи.

2. Открыть газ-носитель (гелий) и установить необходимое давление на манометрах (2) и (2') ( 43-45 делений ).

3. Проверить установку на герметичность: разница показаний на манометрах (2) и (2') не должна превышать 3-4 деления. Если разница в показаниях манометров превышает 3-4 деления, значит, гайки на реакторе надо затянуть потуже.

4. Включить обогрев реактора. Для этого включить в сеть ЛАТРы и милливольтметр. Положение стрелки милливольтметра на 150 В, затем 170 В и через 30 минут 180-190 В, что соответствует 630-650 °С.

Температура в термостате должна быть 35-45 °С - контролируется по термометру. Общее время выхода на режим 1-1,5 часа.

5. Провести регенерацию катализатора. После установления температуры 630-650 °С дозировочный кран 5 установить в положение 2 (сброс на воздух), отсоединить кран от баллона с бутаном (снять резиновую трубку), продуть грушей и перевести в положение 1. В положении 1 подать грушей 20-25 импульсов воздуха с интервалом 20-30 секунд.

6. Провести дегидрирование бутана. Подсоединить кран 5 к баллону с бутаном и перевести его в положение 2. Охладить реактор до 570 °С (убавить напряжение на ЛАТРе до 165-170 В). Одновременно, не дожидаясь охлаждения, включить тумблер 2 на блоке детектора и самописец. По достижении температуры реактора 570 °С и температуры термостата колонок 35-40 °С установить точный расход газа носителя по МПР. Расход гелия -50 мл в минуту (10 мл за 11-12 секунд). Ручками "грубо" и "точно" установить нулевую линию самописца при положении чувствительности 3 (ручка 13).

Открыть баллон с бутаном и по пробулькиванию пузырьков газа в воде контролировать подачу бутана в дозирующий кран 5 (положение 2).

Включить ленту самописца и перевести кран 5 в положение 1 (выдержка ~1 минута). Пока выписывается хроматограмма, баллон с бутаном можно закрыть. При выписывании первых пяти пиков ручка 13 находится в положении 3, после пятого пика ручка 13 переводится на 6 масштаб, в этом положении выписывается один пик (бутан), затем переключаем на 5 масштаб - выписывается еще 4 пика, и ручка 13 снова ставится в положение 3. После выхода на нуль вводим новый импульс бутана. Всего вводится 10 импульсов.

7. Отключить обогрев реактора. После охлаждения его для определения состава исходного углеводородного сырья провести хроматографирование бутан-содержащего газа в описанных выше условиях.

8. Выключитъ тумблеры КСП и тумблер 11 на блоке детектора. Отключить щиток. Закрыть баллон с гелием.

^ Анализ продуктов дегидрирования

При дегидрировании в импульсном режиме продукты реакции непосредственно попадают в хроматографические колонки и после разделения регистрируются детектором по теплопроводности.

Для оценки показателей процесса необходимо знание состава исходной бутансодержащей смеси. Поэтому до проведения регенерации катализатора необходимо провести хроматографирование исходного углеводородного сырья.

^ Условия анализа:

Температура термостата 35- 40 °С;

Скорость газа-носителя - 50 мл/мин;

Скорость движения диаграммной ленты – 600 мм/ч;

Объём пробы - 2 мл.

Площадь хроматографического пика (S) определяют как площадь треугольника:

S=h · d1/2,

где h-высота пика, мм; d1/2 - ширина пика на половине высоты, мм.

Ширину пика замеряют с помощью измерительной лупы с учетом толщины линии - от внешнего контура линий одной стороны до внутреннего контура другой.

Для нахождения количественного содержания контактного газа используется метод нормирования. Концентрацию каждого компонента находят по формуле:




где: xi -содержание компонента в смеси, % мас; Si - площадь пика i-го компонента; ki - калибровочный коэффициент, учитывающий чувствительность детектора к данному компоненту, ∑Siki - сумма площадей всех пиков с учетом калибровочных коэффициентов.







Образец хроматограммы продуктов дегидрирования н-бутана


^ Показатели процесса определяют по формулам:

Конверсия К ( в %) бутана:


Суммарный выход (в %) бутиленов и бутадиена (выход на пропущенное сырье):





Селективность %) (выход на разложенное сырье):




где: Хисх С4Н10 - содержание бутана в исходной смеси, % мас.;

Хпол С4Н10 - содержание бутана в продуктах дегидрирования, % мас;

Хпол С4Н8 - содержание изобутиленов и н-бутиленов в продуктах дегидрирования, % мас;

Хпол С4Н6 - содержание бутадиена в продуктах дегидрирования, % мас.

^ Оформление результатов опыта (табл.1)

Марка катализатора -

Навеска катализатора -

Г= 50 мл/мин.

Т термостата -

Т дегидрирования -

Таблица 1. Результаты эксперимента

№ п/п

С1

С2

С3Н8

С3Н6

i-C4H10

н-C4H10

-α-С4Н8

-С4Н8

транс

-С4Н8

цис

С4Н6

К

β

α











































Калибровочные коэффициенты:

Метан

-0,55

С2

-0,72

Пропан

-0,83

Пропилен

-0,83

Изобутан

-0,93

н-бутан

-0,90

Бутен-1

-0,88

Транс-бутен-2

-0,88

Цис-бутен-2

-0,86

Бутадиен

-0,90

^ Техника безопасности

Лабораторная работа на установке дегидрирования в импульсном режиме относится к взрыво-, пожаро- и электроопасным, поскольку используемое сырье – бутан и получаемые продукты – бутадиен и бутилены – являются легковоспламеняющимися веществами, а пары их с воздухом могут образовывать смеси, взрывающиеся при соприкосновении с источником воспламенения (искра, пламя, нагретая поверхность).

Работу на установке дегидрирования следует проводить только на исправном оборудовании в строгом соответствии с методическими указаниями при полной герметичности системы.

^ Не допускать утечки паров и газа!

Работающую установку не оставлять без наблюдения, во время работы необходимо осуществлять контроль за работой электрической схемы. Все электроприборы должны иметь защитное заземление.

По окончании работ установка должна быть отключена от источников питания.

В случае аварийного состояния оборудования немедленно отключить установку от сети и прекратить подачу сырья. В случае возникновения пожара немедленно эвакуировать баллон с бутаном из помещения, после чего принять меры по тушению пожара с помощью асбестового одеяла, песка и углекислотного огнетушителя.


^ Лабораторная работа 2

Дегидрирование этилбензола в стирол


Стирол относится к числу важнейших мономеров. Из мономеров для производства каучука общего назначения стирол как сомономер по объему производства находится на третьем месте, уступая изопрену и бутадиену. Он производится в крупных масштабах и используется для получения разнообразных материалов: полистирола, синтетических каучуков, латексов и др.

Одним из промышленных способов получения стирола является процесс каталитического дегидрирования этилбензола (ЭБ). Реакция дегидрирования ЭБ по своей природе является эндотермической; ее обычно проводят при высоких температурах (600 °С) и низких парциальных давлениях ЭБ, т.е. при условиях, которые термодинамически способствуют образованию стирола:




Из нескольких возможных методов уменьшения парциального давления ЭБ на практике, как правило, применяют разбавление водяным паром. В качестве катализаторов используют железооксидные катализаторы, промотированные оксидом калия. Промышленный катализатор фирмы «Шелл» имеет следующий состав: Fe2O3 - 75-80 %, K2CO3 - 15-20 %, Cr2O3 - 2-3 %, SiO2 - 0,1-0,5 %. Процесс проводят при температуре 580-620 °С, мольном отношении этилбензола к воде, равном 1:10, и объемной скорости подачи этилбензола 0,20-0,50 ч-1. При степени конверсии этилбензола 40-50 % селективность процесса составляет около 90 %.

Побочные продукты процесса (бензол, толуол, этилен, метан, смолистые вещества и др.) образуются в результате реакций термического распада, гидрогенолиза и уплотнения как этилбензола, так и стирола:



Железооксидные катализаторы обладают способностью саморегенерации, так как они катализируют частично и реакцию водяного пара с коксом и смолистыми веществами, которые отлагаются на катализаторе:



^ Цель работы: проведение реакции дегидрирования этилбензола на железооксидном катализаторе и изучение влияния различных факторов (температуры, активности катализатора, объемной скорости подачи этилбензола) на степень конверсии этилбензола и селективность.

Реактивы:

1) этилбензол ММ-106,2, Ткип = 136 °С, d420 = 0,867, nd20 =1,4959;

2) дистиллированная вода;

3) катализатор К-24, размер частиц 2x3 мм, 10 см3;

4) инертная насадка (кварц), размер частиц 2x3 мм.

Описание установки

Дегидрирование этилбензола в стирол проводят на установке, схема которой представлена на рис. 2.



Рис. 2. Установка для дегидрирования этилбензола:

1 - электронагревательная печь; 2 - реактор; 3 - бюретка для воды; 7,4 - микронасосы; 5 - испарители; 6 - бюретка для сырья; 8 - холодильник; 9 - приёмник; 10 -термопара; 11 - потенциометр; 12 - охлаждающая баня со льдом


Установка состоит из системы дозирования и испарения сырья, реакторного блока и узла конденсации. Реактор 2 изготовлен из нержавеющей стали, представляет собой трубку диаметром 22x2 мм, нижняя часть которой переходит в узкий канал диаметром 10 мм. В верхней части реактора имеются штуцера для ввода перегретого пара, сырья и воздуха. В реактор вставляют решетку, которая обеспечивает нахождение катализатора в плато печи в зоне максимальной и относительно постоянной температуры. Решетка изготовлена из нержавеющей стали. В центр реактора вставлен карман, в котором размещена термопара ХА (хромель-алюмелевая).

Для определения плато печи проводят предварительные эксперименты. Для этого печь разогревают до 600 °С и дают выдержку 2 часа. После чего промеряют температуру через 1 см по высоте печи при подаче водяного пара в количестве 70-80 мл/ч. Плато печи составляет 5 см.

Испаритель 5 представляет собой трубку диаметром 40x2 мм, длиной 250 мм, изготовленную из стали Х18Н9Т. Испаритель помещен в электронагревательную печь. Обогрев печи реализуется с помощью ЛАТРа. С внешней стороны испаритель изолирован асбестом. Микронасосы 4,7 предназначены для подачи сырья и воды в реактор. Производительность насоса 0-240 мл в час.

^ Выполнение работы

Для дегидрирования этилбензола используется промышленный катализатор К-24 фракции 2÷3 мм. Объём загрузки катализатора составляет 10 см3. Реактор заполняют катализатором и инертной насадкой (кварц), как показано на рис.2. Свежезагруженный катализатор перед контактированием подвергается активизации паровоздушной смесью. Для этого катализатор нагревается в токе воздуха со скоростью 200 °С в час до 400 °С. Подача воздуха поддерживается 700 л/л катализатора в час (0,28 л/мин). Начиная с 400 °С подаётся вода со скоростью в 2 раза меньшей, чем при контактировании. При температуре 600 °С катализатор выдерживается 1 час в токе паровоздушной смеси, после чего проводится дегидрирование.

Исходный зтилбензол и вода заливаются в бюретки, и отмечается их уровень. При достижении заданной температуры в течение 10 мин подаётся вода из бюретки с помощью микронасосов, а затем этил бензол.

Водяной пар вводится в реактор в строго дозированном количестве. Для этого дистиллированная вода из бюретки 3 насосом 4 подаётся в испаритель 5, испаряется и образующийся пар перегревается. Далее перегретый пар поступает в реактор. Температуру контактирования измеряют термопарой, работающей в комплекте с потенциометром ЭПВ 2-11 А.

Смесь этилбензола и водяного пара проходит по реактору до слоя катализатора, нагревается до температуры реакции и поступает на катализатор. На неподвижном слое катализатора проходит эндотермическая реакция дегидрирования. Смесь контактного газа с водяным варом, выходящая из реактора 2, охлаждается, конденсируется в холодильнике 8 и поступает в приемник 9. Несконденсировавшаяся часть контактного газа выбрасывается через воздушку. Отбор пробы реакционной массы для анализа начинают после 15 мин. стабильной работы установки на заданном режиме. Органический слой (печное масло) отделяют от водного в делительной воронке, взвешивают его, сушат над безводным хлоридом кальция и анализируют на хроматографе, определяя количественный и качественный составы. Хроматографическая колонка длиной 1,0 м заполнена 15%-ным гексакис-β-цианэтоксигексаном на кирпиче фракции 0,16-0,25. Оптимальные условия работы хроматографа: Т колонки- 100 °С, Т испарителя - 200 °С, скорость диаграммной ленты - 600-720 мм/ч.

Процесс дегидрирования проводится при следующих условиях:

Т = 580 °С , 600 °С , 620 °С (указывается преподавателем).

Массовое соотношение ЭБ: Н2О =1:3.

Скорость подачи ЭБ - 0,5 ч-1, 1,0 ч-1 (0,2 мл/мин, 0,4 мл/мин).

После каждого опыта при температуре контактирования проводится регенерация катализатора пропусканием паровоздушной смеси. Для этого сначала подаётся вода, скорость подачи которой при регенерации равна скорости воды при контактировании, затем подаётся воздух. Скорость подачи воздуха регулируется таким образом, чтобы температура в реакторе не превышала 650 °С. Регенерацию ведут в течение 30 мин, затем прекращают подавать воздух, воду продолжают подавать в течение 30 мин, после чего можно вновь проводить контактирование. Результаты опытов записывают в табл. 2.


Таблица 2. Результататы экспериментов



п/п

Темпе-ратура, °С

Объемная скорость подачи ЭБ, ч -1

Состав жидких продуктов реакции, %мас.

Конверсия, %


Селективность, %










бензол

толуол

ЭБ

стирол


































































Образец хроматограммы продуктов дегидрирования стирола

^ Техника безопасности

Стирол имеет молекулярную массу 104,14, температуру кипения 145,2 °С, плотность 0,9060 г/см3.

Стирол представляет собой бесцветную прозрачную сильно преломляющую свет жидкость с характерным запахом. Смешивается во всех отношениях с метиловым и этиловым спиртами, ацетоном, диэтиловым эфиром, бензолом, толуолом, четырёххлористым углеродом. Он является хорошим растворителем для многих соединений. В воде растворяется плохо.

Стирол характеризуется высокой реакционной способностью. На воздухе легко окисляется с образованием альдегидов и кетонов, придающих ему неприятный запах. Стирол является довольно летучим и легко воспламеняющимся веществом с низкими пределами взрываемости смеси его паров с воздухом.

Пределы взрываемости с воздухом - 1,1-5,2 % об.

Токсичен. Жидкий стирол раздражает кожные покровы и при длительном воздействии вызывает воспалительные процессы. Пары стирола раздражают слизистые оболочки глаза и носа, интенсивность раздражения увеличивается с увеличением концентрации.

Предельно допустимая концентрация стирола в воздухе производственных помещений 5 мг/м3. Все работы со стиролом проводить обязательно в вытяжном шкафу.

  1   2   3   4

Похожие:

Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме
Будущим инженерам и руководителям производств синтетических каучуков и других полимеров необходимо знание процессов нефтехимического...
Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа №29 Тема: Зачетная работа по теме: «Учет с подотчетными лицами»

Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа №1 по курсу: на тему
Лабораторная работа №1 по курсу
Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа №6-1 Тема: Работа над созданием презентации программы Microsoft Power Point
Распечатываю рамку стандартного образца где вместо названия документа впечатываю Ф. И. О
Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа №1 Тема : «Отладчик debug»
Краткая аннотация: данная работа посвящена знакомству с отладчиком debug, который позволяет
Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа№2

Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа № На тему

Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа №3 Интерполяция функций

Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа №9 Изучение свойств нтмl(часть 1)

Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа по макроэкономике на тему "индексы цен"

Лабораторная работа 1 Дегидрирование н-бутана в импульсном режиме iconЛабораторная работа №1 оценка нагруженности группового болтового соединения

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы