Лабораторна робота №5

Каталітичний крекінг

5.1 Мета і задачі роботи

Мета: засвоєння і закріплення теоретичних положень з процесу каталітичного крекінгу; набуття експериментальних навичок проведення каталітичного крекінгу вакуумного газойлю на лабораторній установці.

В результаті виконання лабораторної роботи студент повинен

знати:

- призначення, суть і механізм реакцій процесу каталітичного крекінгу;

- характеристику сировини і одержуваних продуктів;

- вплив параметрів на процес каталітичного крекінгу;

вміти:

- правильно вибирати параметри для одержання продуктів необхідної якості і в заданій кількості;

- оцінювати результати проведення процесу на лабораторній установці.

 

5.2 Теоретичні основи

 

5.2.1 Призначення, суть і механізм процесу

К аталітичний крекінг служить для одержання компонентів моторних палив, сировини для нафтохімії, виробництва технічного вуглецю і коксу із важких нафтових фракцій з межами википання 350...500⁰С.

Суть процесу полягає в тому, що сировина в реакторі змішується з гарячим каталізатором. Молекули сировини при контакті з поверхнею каталізатора розриваються (крекуються) з утворенням більш легких продуктів порівняно з вихідною сировиною. В умовах каталітичного крекінгу (температура 450...510⁰С, тиск 0, 1...0, 3 МПа, каталізатор-аморфний або кристалічний алюмосилікатний) протікає велика кількість реакцій, серед яких визначаючими є: розрив вуглець-вуглецевого зв’язку, перерозподіл водню, ароматизація, ізомеризація, розрив і перегрупування вуглеводневих кілець, конденсація, полімеризація і коксоутворення. Механізм більшості реакцій каталітичного крекінгу найбільш задовільно пояснюється карбокатіонною теорією, згідно якої активними проміжними частинками є карбокатіони. Вони утворюються при гетеролітичному розриві зв’язків у молекулі вуглеводнів під впливом каталізатора або при приєднанні до вуглеводню електрондефіцитних кислотних груп каталізатора.

У схематичному вигляді основні напрями перетворення вуглеводнів при каталітичному крекінгу можна представити наступним чином:

 

Таким чином, найбільш активними вуглеводнями в умовах контакту з алюмосилікатним каталізатором є олефінові. Це пояснюється в першу чергу їх високою адсорбційною здатністю по відношенню до каталізатора. Реакції перерозподілу водню нарівні з розщепленням та ізомеризацією в значній мірі визначають якість продуктів крекінгу.

 

5.2.2 Сировина і одержувані продукти

Основною сировиною каталітичного крекінгу є вакуумні дистиляти парафінових відносно смолистих і сірчаних нафт з межами википання 350 - 500 (540)⁰С. В окремих випадках до сировини додають більш легкі прямогонні фракції, гасово-газойлеві фракції термічних процесів і коксування, напівпродукти виробництва олив, мазути нафт з невисоким вмістом металів.

Продуктами установки каталітичного крекінгу є наступні:

- вуглеводневий газ C₁-C₄, який містить 25...35% пропан-пропілену і 30...50% бутан-бутиленів. Він направляється на ГФУ. Після розділення сухий газ С₁-С₂ використовується в якості палива для заводських печей, пропан-пропіленова і бутан-бутиленова фракції (ППФ і ББФ) – в якості сировини для установок полімеризації і алкілювання;

- бензинова фракція з межами википання n.к.-195⁰С має октанове число 87...95 за дослідним методом (78...85 за моторних методом), використовується як базовий компонент автомобільних бензинів;

- фракції, які википають вище 195⁰С розділяються на фракції 195-350⁰С і залишок вище 350⁰С при роботі установки за паливним варіантом або на фракції 195-270⁰С; 270-420⁰С і залишок вище 420⁰С при роботі установки за нафтохімічним варіантом;

- гасова фракція 195-270⁰С використовується як флото-реагент або як сировина для одержання ароматичних вуглеводнів;

- фракція легкого газойлю 195-350⁰С має цетанове число 35...40, температуру застигання -20...-50⁰С. Використовується як компонент дизельних палив;

- газойлева фракція 270-420⁰С використовується як сиро-вина для виробництва технічного вуглецю;

- фракції важкого газойлю, що википають вище 350⁰С і вище 420⁰С мають температуру застигання 10...25⁰С, коксуємість 5...10%. Використовуються як компоненти котельного палива або як сировина для одержання високоякісного коксу.

 

5.2.3 Каталізатор

Сучасні каталізатори крекінгу представляють собою складні системи, які складаються з 10...25% цеоліту типу У в рідкоземельній обмінній формі, яка рівномірно розподіляється в 75...90% аморфного алюмосилікатного каталізатора. Хімічний склад цеолітвмістного каталізатора можна записати у вигляді емпіричної формули:

Ме_2/nО·Aℓ ₂О₃·mSiО₂·xН₂О,

де Ме – метал; n – валентність катіона; m = 2...15. Каталізатор випускається у вигляді мікросферичних частинок діаметром (6...6, 5) ·10 ^-5м або кульок діаметром (3...5) ·10 ^-3м. Вміст окремих компонентів у каталізаторі наступний, % мас.: оксид алюмінію – 35...40; оксиди рідкоземельних металів – 2...4; оксид натрію – 0, 3...0, 4. Насипна густина цеолітних каталізаторів складає 800...900 кг/м³, стабільна активність - 55...60%. Активним компонентом в каталізаторах є цеоліт. Аморфна матриця забезпечує оптимальну межу міцності, стабілізуючу дію на цеоліт, оптимальну пористу структуру для дифузії реакційної суміші при крекінгу і регенерації, відвід теплоти від цеолітного компоненту.

В результаті крекінгу вуглеводневої сировини поверхня каталізатора покривається смолисто-коксовими відкладами. Для відновлення активності ці відклади випалюють шляхом контакту гарячого каталізатора з киснем повітря при температурах 630...670⁰С в апаратах-регенераторах.