Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка основ энергоэффективной технологии каталитической окислительной конверсии этана в этилен в системе с раздельной подачей сырья и окислителя

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
окислительная конверсия, конверсия этана, получение этилена, решёточный кислород, энергоэффективность, мономер, раздельная подача сырья и окислителя

Цель проекта:
Задачей проекта является разработка основ нового энергоэффективного каталитического процесса окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя, обладающего высокой производительностью и обеспечивающего безопасность его осуществления. Основное количество этилена в промышленности получают методом пиролиза в трубчатых печах углеводородного сырья. Необходимость расширения сырьевой базы, сокращения удельного расхода сырья, а также энергетических и материальных затрат заставляет вести поиск новых модификаций процесса. Применение катализатора позволяет снизить расход сырья и температуру процесса по сравнению с традиционным пиролизом, повысить выход целевых продуктов и снижает образование нежелательных продуктов. Однако с точки зрения практического применения этот метод конверсии также не лишен недостатков. Поскольку реакция обратима, выход продуктов конверсии ограничивается термодинамическим равновесием, и для получения этилена требуются довольно высокие температуры. Превращение углеводородов при таких температурах сопровождается термическим крекингом, что снижает селективность процесса. Интенсивное коксообразование на поверхности катализаторов в процессе реакции приводит к падению активности и селективности катализаторов и вызывает необходимость проведения окислительной регенерации, причем время регенерации и восстановления катализатора часто превышает время полезной работы. Указанные недостатки устраняются при использовании в процессе окислителя. Применение окислителя при конверсии низших алканов в олефины имеет ряд потенциальных преимуществ: снятие термодинамического ограничения на выход продукта, оперирование при более низких температурах в связи с экзотермичностью реакции, увеличение времени полезной работы катализатора в связи с возможным выгоранием кокса в процессе реакции. Однако и данный путь вызывает ряд технологических проблем: -высокая энергоемкость и капиталоемкость процесса; -при реализации окислительной конверсии этана в этилен с использованием кислорода в качестве окислителя требуются дополнительные капитальные затраты на выделение кислорода из воздуха и организацию взрывобезопасного производства, а при использовании воздуха в качестве окислителя в состав продуктов реакции входит балластный азот, который требует дополнительных затрат для его выделения; - взрывоопасность смеси этан-кислород. Поэтому современные способы окислительной конверсии должны включать в себя новую технологию получения этилена, технико-экономические показатели которой превосходят существующие. Представляется наиболее целесообразным и перспективным разработка новой энергоэффективной технологии окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя, которая позволила бы повысить эффективность производства этилена по сравнению с традиционными методами.

Основные планируемые результаты проекта:
Основным результатом ПНИ является комплекс научных данных о закономерностях окислительной конверсии этана в этилен, на основе которых разрабатывается проект технического задания на проведение ОКР/ОТР по теме «Разработка технологии каталитической окислительной конверсии этана в этилен в системе с раздельной подачей сырья и окислителя и катализатора для неё»
Проектом предусмотрено:
-разработка и изготовление следующих установок:
-лабораторная установка синтеза тестовых образцов катализаторов окислительной конверсии этана в этилен производительностью 12,5 г катализатора в сутки;
-лабораторная установка синтеза укрупнённых партий катализаторов окислительной конверсии этана в этилен;
-лабораторная микрокаталитическая установка окислительной конверсии этана в этилен для тестирования до 250 мг катализатора;
-экспериментальная установка каталитической окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя с загрузкой катализатора в количестве 2 л;
-наработка тестовых образцов катализатора, их физико-химические исследование и тестирование на лабораторной установке;
-наработка укрупнённой партии катализатора в количестве 2 л по разработанному регламенту;
-получение данных на экспериментальной установке с раздельной подачей сырья и окислителя по влиянию температуры, скорости подачи сырья, скорости циркуляции катализатора, условий регенерации катализатора, различных соотношений кислород/сырьё на показатели процесса каталитической окислительной конверсии этана в этилен.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Технология окислительной конверсии этана с раздельной подачей сырья и окислителя, на разработку которой направлен проект, будет иметь следующие экспериментально подтвержденные характеристики:
Селективность образования этилена: более 90%
Конверсии этана: не менее 55% (с учётом рецикла)
Температура в реакторе дегидрирования: не более 700 °С

Эти параметры определяют существенные преимущества технологии окислительной конверсии этана с раздельной подачей сырья и окислителя перед традиционными и вновь разрабатываемыми способами получения этилена:
-снижение капитальных и энергетических затрат;
-снижение расходных показателей на 5-10% по сравнению с традиционным пиролизом;
-изготовление основного реакционного оборудования из простых или малолегированных марок стали;
-высокая взрывобезопасность производства вследствие проведения реакции и регенерации параллельно в разных аппаратах (раздельная подача сырья и окислителя);
-использование кислорода воздуха для окисления катализатора при отсутствии балласта в виде азота в этилене;
-дополнительное получение технического азота.

В научной литературе, как правило, процесс селективного окисления этана изучают в проточных системах с совместной подачей сырья и окислителя, и цель работ заключается в исследовании свойств применяемых катализаторов и изучении кинетических и термодинамических аспектов реакции. Внедрение в промышленность процесса окислительной конверсии предельных углеводородов с совместной подачей сырья и окислителя сдерживает ряд проблем, главная из которых - взрывоопасность смеси кислорода и алкана при повышенных температурах. Кроме того, существует необходимость разделения либо кислорода (от воздуха) на входе в реактор, либо отделение азота на выходе из реактора, что вызывает существенное увеличение стоимости таких проектов. Существует несколько подходов к решению вышеописанных проблем. Например, с целью достижения раздельной подачи сырья и окислителя окисляют этан в этилен в периодическом режиме путем последовательной подачи в реактор в начале углеводорода, затем после кратковременного продувания реактора газом-носителем введением в реактор требуемого количества воздуха (или кислорода), что обеспечивает безопасное осуществление процесса окислительной конверсии этана. Каталитическое окисление с их применением проходит следующим образом: сначала решеточный кислород оксида захватывается адсорбированной на поверхности оксида молекулой углеводорода, при этом происходит окисление углеводорода, затем оксид регенерируется, взаимодействуя с кислородом воздуха, и возвращается в исходное состояние. Для непрерывного осуществления циклов дегидрирование - реокисление необходимо использование нескольких аппаратов, что вызывает сложности по технологическому оформлению процесса.
В настоящем проекте применено новое технологическое решение: каталитическую окислительную конверсию этана в этилен проводят при раздельной подаче сырья и газа-окислителя, в результате чего обеспечивается как взрывобезопасность процесса, так и его высокая технологичность. Дополнительным существенным преимуществом является значительный опыт использования подобных систем в широко используемом в нефтеперереработке процессе каталитического крекинга вакуумного газойля. В качестве катализатора используется как основа оксид пятивалентного ванадия, являющийся активной фазой, с добавлением модифицирующих добавок для повышения селективности, и нанесенный на микросферический оксид алюминия. Превращение насыщенного углеводорода в олефин происходит за счет окисления атомов углевода решеточным кислородом оксиднометаллического катализатора. Преимуществом такой системы является относительная простота приготовления катализатора. Предложенные и разработанные катализаторы и технические решения обеспечивают получение результатов, способных к правовой охране.
Достижение заявленных результатов обеспечивается путём выполнения всего плана проекта с выдачей лабораторных технологических регламентов каталитической окислительной конверсии этана в этилен на экспериментальной установке и получения катализатора, технических требований и предложений по производству продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики, проекта технического задания на проведение ОКР/ОТР по теме «Разработка технологии каталитической окислительной конверсии этана в этилен в системе с раздельной подачей сырья и окислителя и катализатора для неё» Окончательная проработка технологии предполагается в дальнейшем на стадии ОКР/ОТР. Среди возможных ограничений и рисков возможны низкий уровень спроса со стороны нефтехимических предприятий на новые технологии, не примененные на практике, ухудшение макроэкономической ситуации, ограничение импорта ключевых материалов и оборудования.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проекта могут быть использованы для проведения опытно конструкторских и опытно технологических работ, направленных на создание новой конкурентоспособной технологии получения крупнотоннажного полупродукта нефтехимического синтеза — этилена, имеющего большое практическое значение.
Технология получения этилена с раздельной подачей сырья и окислителя может быть рекомендована для внедрения на предприятиях нефтегазохимического комплекса России, имеющих производство полиэтилена, стирола, хлорвинила, ацетальдегида, оксида этилена.
В результате реализации проекта в промышленности следует ожидать народнохозяйственный эффект, выражающийся в создании энергоэффективной технологии окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя, отличающейся минимальными капитальными и энергетическими затратами по сравнению с другими методами, повышении эффективности использования углеводородных ресурсов с получением продуктов с высокой добавленной стоимостью.
Предварительная оценка показывает, что предлагаемая технология окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя газа, может достичь экономических результатов, превосходящих результаты традиционных промышленных процессов. Низкая капиталоемкость, невысокое энергопотребление, высокая степень взрывобезопасности показывают перспективность данной разработки. Дополнительно образуется технический азот, что существенным образом снижает себестоимость целевой продукции.

Текущие результаты проекта:
Разработаны основы технологии получения катализатора окислительной конверсии этана в этилен, включающие полное постадийное технологическое описание процесса. Разработан лабораторный технологический регламент получения катализатора окислительной конверсии этана в этилен.
Разработана эскизная конструкторская документация, инструкция по эксплуатации установки синтеза укрупнённых партий катализаторов окислительной конверсии этана в этилен производительностью 125 г катализатора в сутки. ЭКД включает в себя сборочный чертёж автоклава гидротермального синтеза, чертежи деталей автоклава, сборочный чертёж установки синтеза укрупнённых партий катализаторов.
По разработанной ЭКД изготовлена установка синтеза укрупнённых партий катализаторов окислительной конверсии этана в этилен производительностью 125 г катализатора в сутки.
На изготовленной установке по разработанному регламенту синтезирована укрупнённая партия катализатора окислительной конверсии этана в этилен в количестве 2 л.
Разработана новая методика исследований каталитической окислительной конверсии этана в этилен. Методика содержит характеристику сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов; описание технологического процесса; материальный баланс; нормы расхода основных видов сырья, материалов и энергоресурсов; контроль и управление технологическим процессом.
Проведены исследования на вновь созданной уникальной экспериментальной установке с раздельной подачей сырья и окислителя по влиянию условий регенерации катализатора на показатели каталитической окислительной конверсии этана в этилен. Выбран оптимальный режим регенерации катализатора на экспериментальной установке с раздельной подачей сырья и окислителя: отношение «окислитель:сырьё» O2/C2H6 = 0,5, температура в реакторе окисления 600-650 °С. При данных условиях селективность по этилену превышает 90%.
Проведены исследования каталитической окислительной конверсии этана в этилен при кратностях циркуляции катализатора от 7,7 до 18,0 на экспериментальной установке с раздельной подачей сырья и окислителя. Найдены условия циркуляции микросферического катализатора, при которых достигаются высокие (более 90%) селективности образования этилена: кратность циркуляции в диапазоне от 12 до 14 кг катализатора/кг этана при температурах в реакторе дегидрирования и реакторе окисления 600 °С и 650 °С соответственно.
Определены оптимальные скорости подачи сырья и температура в реакторе дегидрирования, построена статистическая математическая модель каталитической окислительной конверсии этана с раздельной подачей сырья и окислителя.