МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ по дисциплине «Химическая технология (спецпрактикум)» «ПИРОЛИЗ НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ» ВВЕДЕНИЕ Цель работы: изучение процесса пиролиза углеводородного сырья в зависимости от условий с определением выхода и состава продуктов. Задачи: 1. Установить необходимые расходы сырья и воды. 2. Установить температуру в печи. 3. Провести эксперимент, фиксируя показания газового счетчика. 4. По окончании опыта провести расчеты материального баланса процесса пиролиза. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Высокотемпературный термический крекинг нефтяного сырья – пиролиз осуществляется обычно с целью получения газообразных олефинов, в первую очередь этилена, а также пропилена и бутадиенов. Наиболее распространенной формой промышленного процесса является пиролиз в трубчатых печах. Наиболее освоенное сырье – газообразные предельные углеводороды (этан, пропан, н-бутан) и низкооктановые бензиновые фракции газоконденсатов дают наибольшие выходы целевых олефинов при ограниченном коксообразовании (закоксовывании труб печи). Наилучшие результаты достигаются при сочетании высокой температуры и малой длительности контактирования. Это объясняется более эффективным действием температуры на скорость реакций разложения, чем на скорость реакций уплотнения (энергия активации последних значительно ниже). Температурный режим пиролиза в промышленных трубчатых печах зависит также от вида перерабатываемого сырья: газообразное сырье подвергают пиролизу при более высоких температурах (870 0С и выше на выходе из реакционного змеевика при пиролизе этана). Температуры пиролиза даже однотипного сырья – бензиновых фракций в зависимости от их группового химического состава колеблются от 830 до 8700С при продолжительности контактировании от 1 до 0,3 с. Увеличению выхода этилена способствует разбавление сырья водяным паром, снижающим парциальное давление углеводородных паров и тем самым препятствующим реакциям уплотнения. С целью расширения ресурсов сырья исследуется возможность пиролиза в трубчатых печах более тяжелых нефтепродуктов – керосиногазойлевых фракций. Предложены также различные варианты термоконтактного пиролиза сырой нефти, например пиролиз в потоке газового теплоносителя – водяного пара при 2 0000С и длительности контактирования от 0,001 до 0,003 с. Для контроля за работой промышленных трубчатых установок пиролиза используют лабораторные печи-реакторы, которые с довольно большой степенью точности позволяют определить материальный баланс этих установок. Как правило, пиролиз в промышленных трубчатых печах и на лабораторной трубчатой установке проводят в присутствии водяного пара. Расход пара при пиролизе газообразного сырья составляет 20-30% масс. на сырье, при пиролизе бензиновых фракций – 50 –70% масс. В присутствии водяного пара, естественно, увеличивается объем паров, поступающих в реактор, и пирогаза, выходящего из реактора. 2. ИНСТРУКЦИЯ ПО РАБОТЕ С ПРОГРАММОЙ 2.1. Активные клавиши клавиатуры Для работы в этой лабораторной работе применяются следующие клавиши: W – движение вперед; S – движение назад; A – шаг влево; D – шаг вправо; F – действия с объектом; Z – приближение сцены; C – присесть; Tab – открытие меню, закрытие открытых окон; F1 – открытие методички; F2 –открытие окна настроек; F5 – открытие инвентаря; F10 – выход из лабораторной работы; F12 – полноэкранный режим. Рис. 2.1. Активные клавиши клавиатуры 2.2. Активные клавиши манипулятора При движении мыши можно смотреть по сторонам, вверх и вниз (рис. 2.2). Левая клавиша мыши (ЛКМ) - при нажатии объект помещается в руку иливыполняется действие с ним. Средняя клавиша мыши (СКМ) –дополнительные действия с объектами. Правая клавиша мыши (ПКМ) – при нажатии появляется курсоруказатель и положение камеры фиксируется (при повторном нажатии курсор исчезает). Рис. 2.2. Функции манипулятора Примечание: При появившемся курсоре невозможно приблизить и перевести взгляд вверх и в стороны. Если нажать на ПКМ при приближенной камере, то положение камеры зафиксируется. Двери шкафов и краны открываются удерживанием ЛКМ и движением мыши в сторону. Для более удобного выполнения этих действий необходимо переключить режим нажатием ПКМ. 2.3. Инструментарий для выполнения лабораторной работы В лабораторной работе при выполнении действий с предметами будут отображаться следующие курсоры: появляется при возможности выполнения действий объектами (применения одних объектов к другим); с появляется при наведении на стол, обозначает возможность поставить предмет на стол; появляется при наведении на предмет, если есть возможность его взять; появляется при наведении на кнопку для нажатия на нее. Примечание: если курсор на объекте не появляется, или при нажатии на объект ничего не происходит, подойдите ближе к объекту и попробуйте выполнить действие снова. При нажатии на объект он оказывается в руке и отображается в левом нижнем углу. Если в руке уже есть предмет, то при нажатии на следующий предмет, первый отправится в инвентарь(рис. 2.3). Инвентарь – хранилище предметов, которые в процессе выполнения лабораторной работы необходимо взять в руку и с которыми возможно выполнить какое-либо действие. Рис. 2.3. Инвентарь Все предметы в инвентаре можно просмотреть, предмет в руке отмечен галочкой в нижнем правом углу. Для выбора другого предмета нажмите на кнопку с его названием, а затем на кнопку «Выбрать». Для того, чтобы воспользоваться инвентарем, нажмите F5 или зайдите в меню (с помощью кнопки Tab) и нажмите в нем кнопку «Инвентарь»(рис. 2.4). Рис. 2.4. Меню 3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ 3.1. Приборы и материалы для проведения опыта Для проведения лабораторной работы потребуются приборы и материалы, представленные на рис. 3.1, рис. 3.2, рис. 3.3. Рис. 3.1. Схема лабораторной установки пиролиза: 1 – мерная бюретка для воды; 2 – мерная бюретка для сырья; 3 – насос для подачи воды и сырья в реактор; 4 – испаритель; 5 – печь (реактор) пиролиза; 6 – закалочный холодильник; 7 – приемник для сбора продуктов пиролиза; 8 – конденсатор – холодильник; 9 – газовый счетчик; 10 – приемник для слива жидких продуктов 7 6 5 4 3 2 1 Рис. 3.2. Лабораторная установка пиролиза: 1 – мерная бюретка для воды; 2 – мерная бюретка для сырья; 3 – испаритель; 4 – печь (реактор) пиролиза; 5 – дозировочный насос для подачи воды; 6 – дозировочный насос для подачи сырья; 7 – кран для подачи воды в холодильники 10 7 8 9 6 5 4 3 2 1 Рис. 3.3. Лабораторная установка пиролиза и дополнительные приборы и материалы: 1 – конденсатор-холодильник; 2 – закалочный холодильник; 3 – приемник для сбора продуктов пиролиза; 4 – газовый счетчик; 5 - приемник (стакан) для слива жидких продуктов; 6 – мерный цилиндр на 100 мл; 7 – коническая колба; 8 – мерный цилиндр на 50 мл; 9 – бутыль с сырьем; 10 – технические весы 3.2. Порядок выполнения работы 1. Подойти к столу с техническими весами (стол справа). Взять мерный цилиндр на 100 мл (он заполнен водой) и перелить его содержимое в бюретку на 150 мл, поставить цилиндр на стол. Взять цилиндр на 50 мл и также перелить его содержимое (воду) в бюретку на 150 мл. Поставить цилиндр на стол. 2. Взять бутыль с сырьем и налить 100 мл раствора в мерный цилиндр на 100 мл. Поставить бутыль на стол. 3. Взять мерный цилиндр на 100 мл и перелить его содержимое в бюретку на 100 мл, поставить цилиндр на стол. 4. Включить нагрев печи: нажать черную кнопку в левой части печи, нажать кнопку «Задание» (в правой части печи на термоконтроллере) и установить заданную температуру (заданная температура указана на стене). Переключение температуры осуществляется при помощи стрелок вверх вниз (увеличивает/уменьшает температуру на 1000С) и стрелок влево-вправо (уменьшают/увеличивают температуру на 100С). 5. Нажать кнопку «Нагрев». Начнется нагревание печи от комнатной до заданной температуры. После запуска печи открыть кран и подать воду в холодильники (нажать ЛКМ на кран, рис. 3.4). Рис. 3.4. Кран для подачи воды в холодильники 6. Включить насосы: нажать черные кнопки на панели приборов. Установить на насосах требуемые расходы сырья и воды (расход веществ также отображается на стене), расход задается стрелочками вверх-вниз на панели насоса. 7. По достижении температуры в печи, включить дозировочные насосы (кнопка старт/стоп на панели), зафиксировать время начала эксперимента (запускается секундомер на стене) и записать начальное значение на табло газового счетчика. 8. Проводят эксперимент в течение заданного времени (от 0,5 до 2 часов в зависимости от типа сырья), фиксируя значения температуры в печи и показания газового счетчика в таблице 3.1 с интервалом 10 минут. Время фиксируется на стене. 9. По окончании опыта остановить подачу реагентов в печь (выключить насосы, нажав на черные кнопки) и выключить печь (нажать на черную кнопку). 10. По бюреткам замерить объемы израсходованного сырья и воды для последующего расчета фактической скорости подачи сырья и воды (в мл/мин) и степени разбавления водяной пар: сырье в % масс. 11. Через пару минут после окончания эксперимента отметить показания газовых часов (на электронном табло) для определения количества выделившегося в процессе газа и скорости газовыделения (мл/мин). 12. После разделения жидких продуктов в приемнике на два слоя – водный и углеводородный (через 2 минуты после завершения опыта), слить нижний водный слой в стакан (открыть кран приемника нажатием ЛКМ, рис. 3.5). Рис. 3.5. Кран для слива жидких продуктов пиролиза 13. Взять стакан с водой и поставить его на стол рядом с мерными цилиндрами. 14. Взять коническую колбу и поставить на весы. Включить весы кнопкой «Вкл». Взять колбу с весов и поставить под приемник для слива жидких продуктов пиролиза. Открыть кран приемника и слить продукты пиролиза в колбу. 15. Взять колбу с продуктами пиролиза и поставить на весы. Определить массу жидких продуктов и зафиксировать в таблице 3.1 (без учета массы колбы). 16. Отключить подачу воды в холодильник (закрыть кран). 17. Провести расчет материального баланса (таблица 4.1). 18. Провести еще один эксперимент с другой температурой и расходами сырья и воды (выйти из лабораторной работы, нажав на кнопку F10 и запустить снова) и оформить результаты двух экспериментов в сводной таблице (таблица 4.2). Таблица 3.1 Таблица экспериментальных данных Сырье Время от начала опыта, Температура в печи, 0 С Объем исходных веществ в бюретке, мл Расход исходных веществ, мл/мин Показания газового счетчика, л, Колво жидких продуктов пиролиза, мин 0 … Конец опыта Сырье * * * * Вода Сырье Вода Опыт № 1 * * * ** * * ** * мл г * * Продолжение таблицы 3.1 Итоговые показатели процесса: Температура процесса (0С) – Соотношение вода : сырье (масс.) – Продолжительность опыта (мин) – Количество сырья / воды (мл) – Количество газообразных продуктов пиролиза (л) – Количество жидких продуктов (пиролизата) (мл / г) – * - фиксируемые параметры ** - фактические расходы по п.10 4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ Для составления материального баланса процесса по каждому опыту (таблица 4.1) необходимо найти массу исходного сырья (г), зная объем израсходованного сырья и его плотность (в зависимости от вида сырья) по формуле: , (4.1) где ρ – плотность сырья, г/см3; V – объем израсходованного сырья, мл. Аналогично найти количество газообразных продуктов пиролиза (г), зная их объем (по показаниям газовых часов) и принимая плотность газов пиролиза ρ=1,5610-3 г/см3; при этом учитывают, что в состав газа входят углеводороды С1–С4 (преимущественно С3) и молекулярная масса М=35. Количество жидких продуктов пиролиза определено в процессе работы путем взвешивания (см. п.15). Таблица 4.1 Материальный баланс процесса пиролиза Плотность г/см3 Продукты 1. Исходное сырье (изооктан, гептан, гексан) 2. Вода 3.Непревращенное сырье и жидкие продукты пиролиза 4. Газ пиролиза 5. Потери Итого Приход: мл. г. %масс мл. Расход: г. %масс. 1,0 0,7 1,5610-3 100 100 Примечание: материальный баланс считают по массовым количествам (г); при этом сумма прихода должна быть равная сумме расхода с учетом потерь Таблица 4.2 Влияние температуры процесса на выход продуктов пиролиза ТЕМПЕРАТУРА, 0С t1 Статьи баланса масса, г объем газа, л t2 выход жидких на сырье, %мас. масса, г объем газа, л выход жидких на сырье, %мас. Приход: нефтяное сырье Расход: газ пиролиза пиролизат потери Примечание: аналогично оценивается влияние других параметров на выход продуктов пиролиза. 5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Характеристика процесса пиролиз. Условия проведения процесса, сырье и получаемые продукты. 2. Химизм и механизм реакций, протекающих при пиролизе. 3. Влияние различных факторов на процесс пиролиза. 4. Различные способы подвода тепла в зону реакции. 5. Технологическая схема пиролиза бензина. 6. Подготовка пирогаза к разделению. 7. Разделение пирогаза по двум вариантам: конденсационнореакционному и абсорбционно-реакционному. 8. Выделение ароматических углеводородов из смолы пиролиза. 6. ОТЧЕТ Название работы________________________________________________ _______________________________________________________________ Цель работы____________________________________________________ Используемые оборудование и реактивы: (перечислить оборудование и реактивы, привести эскиз установки)________________________________ ________________________________________________________________ 1.______________________________________________________________ 2.______________________________________________________________ 3.______________________________________________________________ и т.д.___________________________________________________________ Ход работы: (краткий конспект)___________________________________ 1._____________________________________________________________ 2._____________________________________________________________ 3._____________________________________________________________ 4._____________________________________________________________ и т.д.__________________________________________________________ Экспериментальные данные по опыту (привести таблицу экспериментальных данных) ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ Обработка экспериментальных данных (привести результаты расчета, заполнить таблицу материального баланса; в случае изучения влияния различных параметров на процесс, заполнить сводную таблицу или построить графические зависимости выхода газообразных и жидких продуктов пиролиза при различных значениях варьируемого параметра) ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ Выводы по работе________________________________________________ 1.______________________________________________________________ 2.______________________________________________________________ Ответы на контрольные вопросы ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ Работу выполнил__________________________________________ Отчет принял_____________________________________________ «____»______________20___г. 7. ЛИТЕРАТУРА 1. Ахметов С.А., Ишмияров М.Х. и др. Технология переработки нефти, газа и твердых горючих ископаемых. Уч.пособ. Под ред. С.А. Ахметова. – СПб.: Недра, 2009. – 832с. 2. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. 4-е издание, перераб. и доп. – М.: Химия, 1972г. – 360с. 3. Черножуков Н.И. Технология переработки нефти и газа, ч.3. Очистка и разделение нефтяного сырья, производство товарных нефтепродуктов. М.: Химия, 1978г. – 424с. 4. Таранова Л.В., Халин А.Н. Химическая технология органических веществ. Лабораторный практикум под.ред. Агаева В.Г. Тюмень: ТюмГНГУ, 2004г. – 85 с.
