Производство изопрена методом двухстадийного дегидрирования

В теплотехнологии получения изопрена методом двухстадийного дегидрирования исходным сырьем является н-пентановая фракция, выделяемая из прямогонного бензина, или изопентановая фракция, поступающая с нефтеперерабатывающих заводов на заводы-производители изопрена. При использовании н-пентановой фракции в производственный комплекс включается дополнительная стадия изомеризации пентана в изопентан. Основные этапы получения изопрена методом двухстадийного дегидрирования представлены на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Основные этапы получения изопрена методом двухстадийного дегидрирования.

Наиболее энергоемкими стадиями этого процесса являются изомеризация пентана, дегидрирование изопентана в изоамилены и дегидрирование изоамиленов в изопрен. Эффективное использование тепловой энергии влияет на рентабельность всего технологического комплекса и себестоимость выпускаемой продукции, так как здесь сосредоточены основные потребители водяного пара и топливного газа.

Изомеризация пентана в изопентан. Принципиальная схема высокотемпературного процесса изомеризации пентана в изопентан приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Принципиальная схема изомеризации пентана в изопентан: КВ – компрессор; X1 – холодильник; С3 – сепаратор.

Исходное сырье предварительно проходит стадию осушки в колонне К1, обогреваемой водяным паром через выносной кипятильник Кк1. Содержащаяся в сырье влага выделяется в дефлегматоре колонны Д1 и конденсируется в процессе охлаждения оборотной водой. Часть выделенного конденсата орошает колонну, остальное количество собирается в емкости Е1 и направляется на отпаривание углеводородов.

Осушенный пентан из нижней части колонны К1 собирается в емкости Е5, куда также поступает возвратный продукт из ректификационной колонны К4, после чего смешивается с циркулирующим в системе газом, содержащим приблизительно 85 % водорода. Молярное соотношение «пентан : водород» равно 1 : 2.

В регенеративном теплообменнике РТ1 пентан испаряется и нагревается до 300 °С, охлаждая газы реакции изомеризации до 150 °С. Далее пары пентана нагреваются в трубчатой печи ТП до 450 °С и направляются в реактор Р.

Реакция изомеризации ведется над платиновым катализатором в присутствии водорода, циркулирующего в системе при температуре 400–450 °С и давлении 4 МПа.

По структурной организации и режимным характеристикам высокотемпературные процессы стадий дегидрирования имеют много общего. Принципиальная схема отделения дегидрирования изоамиленов в изопрен представлена на рис. 3.5. Производительность системы составляет 16 т/ч.

Рис. 3.5. Принципиальная схема отделения дегидрирования изоамиленов: ОС – окружающая среда; ХЗК – химически загрязненная канализация.

Дегидрирование изоамиленов. Сырье – изоамиленовая фракция (давление 0,6 МПа, температура 20 °С) со склада направляется на станцию испарения (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Принципиальная схема станции испарения сырья: 1 – подогреватель; 2 – сепаратор; 3, 4 – испарители; 5 – пароперегреватель.

В теплообменнике 1 производится предварительный подогрев сырья паровым конденсатом, поступающим из испарителей 5, 4 от перегревателя 5 и при необходимости от внешних установок. Затем сырье через сепаратор 2 подается в теплообменники, где испаряется при температуре 80–97 °С за счет теплоты конденсации водяного пара давлением 0,6 МПа, поступающего из общезаводского паропровода.

Пары изоамиленовой фракции проходят через сепаратор и перегреваются до температуры 105 °С в теплообменнике-пароперегревателе в целях предотвращения конденсации паров при их транспорте в общем коллекторе и распределительной системе трубопроводов на входе трубчатых печей. Греющей средой в теплообменнике является водяной пар давлением 0,6 МПа.

Сырье давлением 0,25 МПа из общего коллектора в начале поступает в отделение дегидрирования, затем направляется в конвекционные змеевики трубчатой печи и нагревается до температуры 450–500 °С.

Перед подачей изоамиленов производится смешивание сырья с нагретым до температуры 700–750 °С водяным паром в целях пре-дотвращения коксообразования на поверхности теплопередающих трубок в радиантной зоне трубчатой печи. При этом насыщенный водяной пар забирается из общезаводского парового коллектора и последовательно перегревается до расчетной температуры в конвекционных и радиантных змеевиках печи.

В качестве топлива в трубчатой печи используется топливная смесь, в состав которой входит абсорбционный газ (абгаз).

Предварительный подогрев топливной смеси перед подачей в трубчатую печь системы дегидрирования производится на отдельной станции, принципиальная технологическая схема которой приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Принципиальная схема станции подогрева топливной системы.

Топливный газ давлением 0,6 МПа поступает на станцию из заводской сети через сепаратор 2, где отделяются тяжелые углеводороды и капли воды. Выделенный конденсат по мере накопления выдавливается из сепаратора на узел отстаивания под влиянием избыточного давления топливного газа. Затем топливный газ направляется в подогреватель 7, в межтрубное пространство которого подается продувочный конденсат из котлов-утилизаторов системы дегидрирования. Здесь он нагревается до температуры 80 °С. По общему коллектору топливный газ подается на горелки трубчатой печи.

Для подогрева абсорбционного газа используется такая же система. Абгаз давлением 0,3 МПа и температурой 20 °С поступает на станцию через сепаратор 4, откуда направляется в подогреватель 3, нагревается до температуры 80 °С и подается в трубчатую печь. Греющей средой теплообменника 3, как и в предыдущем случае, является теплота продувочного конденсата котлов-утилизаторов.

Процесс дегидрирования (см. рис. 3.5), сопровождающийся эндотермической реакцией, происходит в слое катализатора при температуре °С с образованием контактного газа. Тепловой эффект реакции зависит от структуры исходного сырья (изомера) и температурного режима дегидрирования. В среднем тепловой эффект реакции дегидрирования составляет 130 кДж/моль, или 1800 кДж/кг пропущенных изоамиленов. Благодаря эндотермической реакции температура в слое катализатора снижается на 30–40 °С.

Выход изопрена при двухстадийном дегидрировании изопентана примерно 30–35 % (мас.) на пропущенный и 70–80 % (мас.) на разложенный изопентан. Расход изопентана составляет 2,42 т на 1 т вырабатываемого изопрена. Контактный газ на выходе из реактора 7.6 представляет собой парогазовую смесь температурой 530 °С, теплота которой используется в котлах-утилизаторах 8а.6, 8б.6 для получения пара давлением 0,6 МПа. В котле газ охлаждается до температуры 250 °С.

Выработанный в котлах-утилизаторах водяной пар из паросборника (8п) направляется на перегрев в трубчатую печь 6.6. Для уменьшения содержания солей в паровом конденсате производится его постоянный дренаж с зеркала испарения паросборника и из нижней части котлов-утилизаторов в емкость Е2.

Отведенный из котлов контактный газ поступает в систему скрубберов для отделения водяного конденсата. В первом скруббере 9.6 осуществляются его охлаждение и отмывка. Скруббер разделен глухой тарелкой на две части. В нижней части скруббера происходят очистка парогазовой смеси от пыли, захваченной при прохождении через слой катализатора, и охлаждение до температуры 120 °С за счет циркуляции конденсата контактного газа. Охлаждение конденсата производится в холодильниках 10а.6, 10б.6 оборотной водой.

В верхней части скруббера парогазовая смесь охлаждается до температуры 118 °С. Охлаждающей средой является конденсат, вы-деленный из контактного газа. Он подается из емкости Е4 насосом НЕ4 через аппараты воздушного охлаждения 17а.6, 17б.6. Конденсат направляется в верхнюю часть скруббера, а затем с глухой тарелки скруббера самотеком возвращается в емкость. Избыточный конденсат контактного газа, образующегося в процессе охлаждения парогазовой смеси отводится в емкость Е2.

Дальнейшее охлаждение контактного газа производится в скруббере 13.6. Охлаждающей средой является промышленная вода.

Снижение температуры промышленной воды, возвращаемой в систему технического водоснабжения, от 86 до 60 °С происходит в холодильниках 14а.6, 14б.6, 14в.6, 14г.6, 14д.6 оборотной водой (ОВ) из градирни. Теплоноситель направляется в верхний и нижний маточники скруббера, где происходит контактный теплообмен с парогазовой смесью. Промышленная вода нагревается до 95–100 °С, при этом к ее объему присоединяется часть конденсата водяного пара, содержащегося в парогазовой смеси. Промышленная вода в смеси с конденсатом контактного газа подается в систему утилизационного теплоснабжения на технологические нужды.

На выходе из скруббера 13.6 парогазовая смесь имеет температуру меньше 90 °С, после чего доохлаждается в скруббере 13а.6 за счет циркуляции конденсата контактного газа. Система циркуляции конденсата организована по следующей схеме: нижняя часть скруббера 13а.6 → насос Н13а.6 → холодильник 14е.6 → холодильник 14ж.6 → холодильник 14з.6 → верх скруббера 13а.6. Со всех ступеней охлаждения выделившийся конденсат отводится в емкость Е2, откуда при температуре 90 °С насосом НЕ2 подается в холодильник 16, где охлаждается до температуры 40 °С оборотной водой, а затем сбрасывается в химически загрязненную канализацию. Конечная температура очищенного контактного газа 60 °С.

Выделение, разделение и очистка продуктов реакции производятся в системах, объединяющих десятки ректификационных колонн (см. рис. 3.2). Температура, поддерживаемая в нижних частях колонн различного назначения, установленных на этих стадиях, варьируется в пределах от 180 до 55 °С. Температура в верхних частях колонн изменяется в пределах от 90 до 40 °С. Кроме этого для конденсации продуктов и полупродуктов используются оборотная вода, охлажденная до 7 °С, аммиачный и пропановый холод температурой –12, –20, –35 °С.

В качестве греющих сред на этих стадиях используются водяной пар давлением 0,45; 0,6 и 1,3 МПа и горячая промышленная вода.

Структура энергозатрат представлена в табл. 3.3.

Таблица 3.3.

Структура энергозатрат на производство 1 т изопрена.

Энергоресурс	Доля в структуре общих энергозатрат, %	Доля энергоресурсов в фактической себестоимости изопрена, %
Топливо
Пар	56,19
Горячая вода	3,23
Холод пропановый	4,37
Холод аммиачный	2,22
Вода оборотная	12,61
Вода осветленная	0,26
Очистка стоков	1,52
Электроэнергия	13,6
Всего

Таким образом, производство изопрена является крупным потребителем тепловой энергии, электроэнергии и холода.

Контрольные вопросы

1. Сырье для получения изопрена методом двухстадийного дегидрирования.

2. Основные этапы получения изопрена методом двухстадийного дегидрирования.

3. Технология изомеризации пентана в изопентан.

4. Процессы дегидрирования изопентана в изоамилены и изоамилена в изопрен.

5. Обработка сырья (изоамиленовой фракции) при дегидрировании изоамилена.

6. Предотвращение коксообразования в трубчатой печи.

7. Топливо, используемое в трубчатой печи. Подогрев топливной смеси.

8. Характеристика процесса дегидрирования.

9. Полезный выход изопрена при двустадийном дегидриовании изопентана в изоамилены.

11. Процессы отделения водяного конденсата из контактного газа.

12. Выделение, разделение и очистка продуктов реакции.

13. Структура энергозатрат при производстве изопрена.