Спосіб одержання етилену

Реферат: Спосіб одержання етилену шляхом термокаталітичного розкладання вуглеводневої сировини в реакторі при підвищеній температурі в умовах аерозольного нанокаталізу в режимі безперервної механохімактивації у віброзрідженому шарі каталітичної системи, яка складається з каталізатора та інертних частинок. Режим безперервної механохімактивації створюють шляхом примусової зміни напрямку руху реактора. Термокаталітичному розкладанню піддають пропан-бутанову суміш при температурі 650-750 °C. Реактор здійснює примусові обертальні рухи у вертикальній площині зі швидкістю 2-4,5 об./с. UA 121716 U (54) СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ ЕТИЛЕНУ UA 121716 U UA 121716 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонована корисна модель належить до способу одержання етилену каталітичним піролізом пропан-бутанової суміші і може знайти застосування в сфері основного органічного синтезу. В даний час основними джерелами одержання етилену є процеси термічного піролізу вуглеводневої сировини в трубчастих печах. Перспективним напрямом вдосконалення процесу одержання етилену є каталітичний піроліз, який дозволяє знизити температуру і збільшити селективність процесу. Недоліками сучасної технології каталітичного піролізу є: - розробка наукоємних та виробництво дорогих носіїв для каталітичних систем піролізу; - руйнування структури носія під дією високих температур та механічних впливів; - неминуче закоксовування поверхні застосовуваного каталізатора; - необхідність постійної регенерації каталізатора; - великі капітальні витрати на спорудження установок піролізу з рециркуляцією каталітичної маси. Найбільш близьким технологічним рішенням є спосіб одержання етилену шляхом термокаталітичного розкладання пентанової фракції при підвищеній температурі. Розкладанню піддають нафтову фракцію С5 при температурі 450-600 °C за технологією аерозольного нанокаталізу у віброзрідженому шарі інертних частинок та каталізатора. Каталізатор піддають безперервній механохімактивації шляхом примусових механічних коливань реактора у реакторі, який здійснює зворотно-поступальні рухи у вертикальній площині з частотою 1,2-4,5 Гц та амплітудою 8 мм. Як каталізатор використовують оксиди заліза, міді, нікелю. Концентрація -3 3 каталізатора становить 5-25·10 кг/м реакційного об'єму (Патент України № 17532, С07С 11/00, опубл. 15.09.2006) - прототип. Недоліком відомого способу є: - використання дорогої сировини; - низька енергоефективність режиму механохімактивації каталітичної системи; - наявність труднощів з масштабуванням реактора до розмірів, необхідних для впровадження в промисловість. В основу корисної моделі поставлено задачу створення такого способу одержання етилену, в якому буде існувати можливість використання більш дешевої сировини, який буде відрізнятися більшою енергоефективністю режиму механохімактивації каталітичної системи, а також реалізація процесу в реакторі, який більш придатний до впровадження його в промисловість. Поставлена задача вирішується тим, що в способі одержання етилену шляхом термокаталітичного розкладання вуглеводневої сировини в реакторі при підвищеній температурі в умовах аерозольного нанокаталізу в режимі безперервної механохімактивації у віброзрідженому шарі каталітичної системи, яка складається з каталізатора та інертних частинок, при цьому режим безперервної механохімактивації створюють шляхом примусової зміни напрямку руху реактора, згідно з корисною моделлю, термокаталітичному розкладанню піддають пропан-бутанову суміш при температурі 650-750 °C, при цьому реактор здійснює примусові обертальні рухи у вертикальній площині зі швидкістю 2-4,5 об./с. Як каталізатор використовують оксиди хрому, ванадію або каталізатор Nexus-345p. Особливістю запропонованого методу є новий спосіб механохімактивації частинок каталізатора. Механохімактивація каталітичної системи здійснюється за допомогою обертання реактора в вертикальній площині (в прототипі - за допомогою зворотно-поступальних рухів у вертикальній площині), а також нова конструкція реактора, що дозволяє не відступати від базових принципів технології аерозольного нанокаталізу: створення в реакційному об'ємі аерозолю з наночастинок каталізатора, безперервна механохімактивація наночастинок каталізатора за допомогою їх механічної взаємодії з інертними частинками (скляними кульками). Каталізатор піддають безперервній механохімактивації шляхом примусових обертальних рухів реактора у вертикальній площині зі швидкістю 2-4,5 об./с, внаслідок чого відбувається -8 -10 постійне здрібнення частинок каталізатора до наноразмірів (10 -10 м) та підтримання їх активності протягом необмеженого часу. Як каталізатор застосовується каталітична система, що складається з двох компонентів інертних частинок та каталізатора. Інертними частинками служать скляні кульки діаметром 0,81,2 мм. Використовувані каталізатори - оксид хрому Сr2О3, оксид ванадію V2O5 та каталізатор Nexus-345p. Були вибрані саме такі каталізатори, тому що вони є більш доступними в порівнянні з каталізаторами, які використовувались в прототипі. Концентрація каталізатора становила -3 3 510 кг/м реакційного об'єму. 1 UA 121716 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонований спосіб одержання етилену здійснюється за принциповою схемою, зображеною на рисунку, яка містить наступні елементи: Пропан-бутанова суміш з балона 1 через ротаметр 2 подається в блок введення сировини 3. Потім по подавальному патрубку 4 суміш рухається в піч 6, всередині якої поміщений циліндричний обертовий реактор 7, який в свою чергу герметично з'єднаний з подавальним патрубком 4. Нагрівання корпусу реактора 7 здійснюється за допомогою електронагрівальної спіралі 12, на яку надіті керамічні кільця. Для мінімізації тепловтрат в навколишнє середовище поверх печі розташований шар теплоізоляційного матеріалу 11. Реактор 7 разом з подавальним патрубком 4 обертається за допомогою електродвигуна 10 і передавального механізму 5, за рахунок чого створюється віброзріджений шар інертного матеріалу та каталізатора. Напруга мережі, яка подається для роботи електродвигуна та електронагрівальної спіралі, регулюється за допомогою лабораторних автотрансформаторів 8, 9. Зміна напруги дозволяє регулювати швидкість обертання реактора та температуру в реакторі в залежності від цілей конкретного експерименту. Швидкість обертання реактора вимірюється спеціальним пристроєм (на схемі не показано). Температура в реакційній зоні контролюється по показаннях термопари, яка вміщена в термокарман 13. Для хромотаграфічного аналізу продуктів реакції на установці по одержанню етил єна розташована точка відбору проб 14. Запропонований спосіб пояснюється таблицями (1, 2). Приклад 1 (порівняльний), таблиця 1 Перед початком експерименту завчасно готують каталітичну систему. Для цього на скляні кульки наносять каталізатор. Спочатку операцію ведуть при кімнатній температурі, а потім при робочій температурі. Кульки просівають, в них додають наважку каталізатора оксиду нікелю NiO -3 3 в кількості 0,001 г. Концентрація каталізатора становить 5·10 кг/м реакційного об'єму. Систему із кульок та каталізатора завантажують в реактор. Н-пентан подають в реактор аерозольного нанокаталізу, який здійснює зворотно-поступальні рухи у вертикальній площині з частотою 4,5 Гц та амплітудою 8 мм. Температура процесу становить 500 °C. Газоподібні продукти реакції відбирають на хроматографічний аналіз. Приклади 2-16. Перед початком експерименту відміряється необхідна кількість інертного матеріалу (скляні кульки) та каталізатора. Потім кульки запилюються каталізатором. Спочатку операцію ведуть при кімнатній температурі, а потім при робочій температурі. Скляні кульки просівають, тим самим відокремивши надмірну кількість порошкоподібного каталізатора, а потім в них додають наважку каталізатора (Cr2O3, V2O5 або Nexus-345p) в кількості 0,001 г. Готова каталітична система завантажується в реактор. Реактор нагрівають до необхідної температури (від 650 до 750 °C) та включають електродвигун. Швидкість обертання реактора становила від 2 до 4,5 об./с. Як видно із таблиці 2 саме при таких показниках швидкості обертання реактора відбувається режим механохімактивації у віброзрідженому шарі каталітичної системи. При заданих умовах експерименту, найбільшої селективності і, як наслідок, швидкості реакції по етилену, вдалося досягти при швидкості обертання реактора 3 об./сек. Зниження змісту етилену в пробі при збільшенні оборотів більше 4,5 за секунду пояснюється дією відцентрових сил, які притискають каталітичну систему до стінок реактора. Оптимальними параметрами ведення процесу є: - температура - 750 °C; - швидкість обертання реактора - від 2 до 4,5 об./с.; Були вибрані саме такі значення параметрів, так як в ході експериментів найбільшого виходу етилену вдалось досягти саме при цих значеннях температури і швидкості обертання. Вибір був здійснений на підставі експериментальних даних. Результати досліджень наведені в таблиці 1. Як видно з таблиці 1, в запропонованому способі вихід етилену вище на 3-16 % (приклади 4, 5, 6, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16) в порівнянні з прототипом. Однак запропонований спосіб передбачає проведення процесу при більш високих температурах. При заміні каталізатора Сr2О3 на V2O5 спостерігається збільшення виходу етилену (порівняння прикладів 2-6 та 7-11). Використання каталізатора Nexus-345p дозволило отримати найбільші виходи етилену (приклади 12-16). При збільшенні температури піролізу від 650 до 750 °C спостерігається збільшення виходу етилену. Однак зі збільшенням температури процесу на кожні 25 °C приріст виходу знижується. Дане явище спостерігається при використанні всіх досліджуваних каталізаторів. Найбільших виходів етилену вдалося досягти в 2 UA 121716 U Таблиця 1 № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Температура, °С 500 650 675 700 725 750 650 675 700 725 750 650 675 700 725 750 Сировина Каталізатор н-пентан пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш NiO Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 V2O5 V2O5 V2O5 V2O5 V2O5 Nexus-345p Nexus-345p Nexus-345p Nexus-345p Nexus-345p Вихід етилену, % мас. 28 22,9 27,2 35,3 39,6 40,7 23,6 29,6 35,8 41,3 43,2 26,3 31,4 37,2 42,6 44,4 Таблиця 2 № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Температура, °C 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 Каталі затор Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сr2О3 Сировина пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутановас суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш пропан-бутанова суміш Швидкість Вихід етилену, % обертання, об./с. мас. 1 28,8 1,5 31,5 2 38,1 2,5 39,3 3 40,7 3,5 39,8 4 39,1 4,5 38,4 5 32,1 5,5 31,3 6 29,6 6,5 27,3 7 26,7 *Примітка: отримані результати експериментів з іншими каталізаторами – аналогічні прикладам 5, 6, 10, 11, 15, 16, що на 11-16 % більше в порівнянні з прототипом. 5 10 15 Отже, в запропонованому способі спостерігається більш високий вихід етилену, ніж в прототипі. Запропонований спосіб відрізняється більш низькою ціною використовуваної сировини. Також запропонований спосіб за рахунок того, що примусова механохімактивація каталітичної системи, що відбувається за рахунок обертальних рухів реактора, потребує значно менше енергії для її здійснення в порівнянні з прототипом. Крім того, не виникає труднощів з масштабуванням реактора до розмірів, необхідних для впровадження в промисловості на відміну від реактора в прототипі, при масштабуванні якого виникали певні труднощі, пов'язані з коливанням реактора і великих мас каталітичної системи, що знаходяться всередині нього. На підставі вищесказаного можна зробити висновок, що сукупність істотних ознак достатня для того, щоб одержати необхідний технічний результат і використовуватися в промисловості для одержання етилену. Таким чином, запропонований спосіб відрізняється використанням дешевої сировини, більш енергоефективним режимом механохімактивації каталітичної системи і можливістю масштабування реактора до розмірів, необхідних для впровадження в промисловості. 3 UA 121716 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 1. Спосіб одержання етилену шляхом термокаталітичного розкладання вуглеводневої сировини в реакторі при підвищеній температурі в умовах аерозольного нанокаталізу в режимі безперервної механохімактивації у віброзрідженому шарі каталітичної системи, яка складається з каталізатора та інертних частинок, при цьому режим безперервної механохімактивації створюють шляхом примусової зміни напрямку руху реактора, який відрізняється тим, що термокаталітичному розкладанню піддають пропан-бутанову суміш при температурі 650-750 °C, при цьому реактор здійснює примусові обертальні рухи у вертикальній площині зі швидкістю 24,5 об./с. 2. Спосіб одержання етилену за п. 1, який відрізняється тим, що як каталізатор використовують оксиди хрому, ванадію або каталізатор Nexus-345p. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4