способ разделения фракций углеводородов с5

Формула изобретения

Способ разделения углеводородов C₅ разной степени насыщенности экстрактивной ректификацией в колонне экстрактивной ректификации с использованием диметилформамида в качестве экстрагента с дальнейшей десорбцией из последнего пентенов или пентадиенов и подачей десорбированного экстрагента в колонну экстрактивной ректификации, отличающийся тем, что перед подачей в колонну часть горячего десорбированного экстрагента подают на смешение с исходными углеводородами, смешение проводят в жидкой фазе при интенсивном перемешивании и полученную смесь вводят в колонну в жидком виде.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к разделению углеводородов C₅ разной степени насыщенности, в частности пентанов, пентенов и пентадиенов, содержащихся во фракциях различного происхождения (дегидрирования, пиролиза углеводородов и т.д.), в присутствии полярных органических экстрагентов и может найти широкое применение в промышленности синтетического каучука в производстве основного мономера - изопрена.

Известен способ разделения углеводородов C₅, полученных дегидрированием углеводородного сырья путем последовательного отделения от целевой углеводородной фракции легких (C₁-C₄) и тяжелых (С₆ и выше) углеводородов ректификацией с последующим выделением изоамиленов и (или изопрена) экстрактивной ректификацией [1].

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ разделения фракций углеводородов C₅ , заключающийся в отделении легких и тяжелых углеводородов в колоннах обычной ректификации и разделении остатка в присутствии полярного органического экстрагента (диметилформамида) путем двухстадийной экстрактивной ректификации (э.р.) и десорбции [2]. Полученные таким образом C₅ фракции: изопентан - изоамиленовая после первой стадии дегидрирования – направляют на разделение экстрактивной ректификацией.

Изопентан - изоамиленовую фракцию разделяют на изопентан, возвращаемый на первую стадию дегидрирования, и изоамиленовую фракцию, направляемую на вторую стадию дегидрирования. Изоамилен - изопреновую фракцию разделяют на возвратные изоамилены, возвращаемые на вторую стадию дегидрирования, и изопрен, направляемый на очистку. При этом содержание изоамиленов в возвратном изопентане составляет 1,8 вес.%, а содержание изопрена в возвратных изоамиленах составляет до двух вес.%. Концентрация экстрагента (ДМФА) на тарелках на обеих стадиях э.р. достигает 60-80 вес.%.

Ввиду высокой концентрации экстрагента температура в кубах колонн достигает 100 и более °С, что в сочетании с использованием углеводородного рецикла приводит к образованию термополимеров (образование которых начинается на поверхности конденсации жидкости) [3], а также к необходимости использовать для обогрева кубов колонн пара с высокой температурой.

ЦЕЛЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ:

Снижение расхода энергоресурсов и повышение эффективности процесса разделения за счет изменения способа нагрева исходных фракций углеводородов C₅.

Поставленная цель достигается тем, что часть горячего десорбированного экстрагента (ДМФА) с температурой не менее 124°С смешивают с исходной фракцией С₅ в жидком состоянии в соотношении 3,0:1,0 на первой и второй стадии э.р. при интенсивном перемешивании образующихся смесей под давлением 6-6,5 ата перед вводом в колонну. Недостающий до соотношения 4-8:1 с сырьем ДМФА подается на верх колонн.

В производстве разделения фракций углеводородов C₅ используют способ нагрева и испарения углеводородов в теплообменниках водяным паром, недостатком которого является отложение полимеров на трубках аппаратов и необходимость их удаления при снижении эффективности их работы.

Способ нагрева и испарения углеводородов C₅ горячим десорбированным экстрагентом ДМФА в теплообменниках имеет уже три недостатка, так как на стенках теплообменников с одной стороны происходит отложение смол из экстрагента, а с другой отложение термополимеров из сырья при увеличенной поверхности теплообмена, что еще более усложняет проблему чистки теплообменников (испарителей).

Наиболее эффективным является предлагаемый способ нагрева сырья, в котором вторичное тепло горячего десорбированного экстрагента ДМФА используется в большей степени, что позволяет полностью исключить использование водяного пара на нагрев и испарение сырья и аппараты-испарители. Предлагаемый способ лишен недостатков используемых способов нагрева сырья и заключается в следующем.

Для нагрева (без испарения до ввода в колонну) исходную фракцию углеводородов С₅ необходимо подавать на прямое смешивание (типа жидкость - жидкость) с горячим экстрагентом ДМФА. Сырье необходимо подавать на смешивание через конусную головку, снабженную большим количеством отверстий диаметром до 4 мм (так как сырье всегда чище по сравнению с экстрагентом ДМФА). Экстрагент для нагрева исходной фракции углеводородов С₅ необходимо подавать в таком количестве, чтобы температура образовавшейся смеси оказалась в пределах 100°С и равна количеству тепла вносимого в колонну испаренным сырьем. При этом за счет интенсивного перемешивания жидкой смеси произойдет процесс жидкостной экстракции под давлением до 6,5 ата и большая часть исходной фракции углеводородов С₅ оказывается связанной с экстрагентом ДМФА.

Согласно характеру насыщаемости ДИМЕТИЛФОРМАМИДОМ пентадиены стоят впереди пентенов, а пентены стоят впереди пентанов и при вводе жидкой смеси в колонну э.р. и снижении давления до 2 ата и ниже испаряться сначала начинают те компоненты углеводородов C₅, которые имеют коэффициент относительной летучести наибольший, т.е. получается то, что в паровой фазе на тарелке ввода смеси в колоннах э.р. первой стадии содержится меньшее количество пентенов, а в колоннах э.р. второй стадии в паровой фазе выше тарелки ввода содержится меньшее количество пентадиенов, что и приводит к снижению потерь их [4-6].

На фиг. 1 и 2 представлены схемы осуществления предлагаемого способа.

ПРИМЕР 1

Определить необходимое количество тепла для нагрева 500 грамм углеводородов С₅ до 100°С и необходимое количество экстрагента ДМФА для нагрева способом смешивания при температуре ДМФА не менее 124°С. Согласно формуле теплового баланса имеем:

Q=Gx·Cx(t₂ -t₁)-Gг·Cг·(T₁-T₂),где:

Gx и Gг - количество нагреваемой (холодной) и горячей жидкости, г;

Сх и Cг - средняя теплоемкость холодной и горячей жидкости, кал/г °С;

Т₁ и Т ₂ - начальная и конечная температура греющей жидкости, °С;

t₁ и t₂ - начальная и конечная температура нагреваемой жидкости, °С.

Тогда: Qi=Gi·Ci(t ₂-t₁)=500·0,4·(100-10)=18000 кал.

G₂=Q_i/C2·(T₁ -T₂)=18000/0,5·(124-100)=1500 г.

ПРИМЕР 2

В аппарат емкостью 3 л заливается 1500 г ДМФА, включается мешалка и производится нагрев до температуры не менее 124°С. Обогрев отключается и в аппарат вводится 500 г углеводородов С₅ первой стадии дегидрирования. Производится перемешивание смеси в течение трех минут. В аппарате устанавливается температура 98°С и давление 4 ата. При остановленной мешалке и трех минутном отстое отбирается жидкая проба, а паровая фаза отбирается до снижения давления в аппарате до 2 ата. В ловушку собирается 39,7 г углеводородов C₅. Составы жидкой и паровой фазы проанализированы и сведены в таблицу 1.

ПРИМЕР 3

В аппарат емкостью 3 л заливается 1500 г ДМФА, включается мешалка и производится нагрев до температуры не менее 124°С. Обогрев отключается и вводится 500 г углеводородов C₅ второй стадии дегидрирования. Производится перемешивание (60 оборотов в минуту) мешалкой в течение трех минут. В аппарате устанавливается температура 100°С и давление 3,6 ата. Без остановки мешалки отбирается жидкая и паровая фазы. В паровую фазу переходит 18 г продукта. После остановки мешалки и снижении давления до 2 ата отбирается жидкая проба. Составы проб проанализированы и сведены в таблицу 1.

Таким образом, достигается экономия тепла водяного пара и происходит связывание целевых продуктов в жидкой фазе до ввода в колонны э.р.

ПРИМЕР 4

Сконденсированная и выделенная изопентан - изоамиленовая фракция направляется на разделение по схеме, приведенной на фигуре 1. Углеводороды C ₅ первой стадии дегидрирования изопентана по линии 1 подаются на нагрев способом прямого смешивания с горячим десорбированным экстрагентом (ДМФА), который подается по линии 9 с температурой не менее 124°С. Полученная жидкая смесь в соотношении 1:3 с температурой 100°С после перемешивания в линии 2 подается в колонну 3 в карман 18 тарелки. На 48 (56) тарелку по линии 4 подается ДМФА остальной до соотношения 4-6:1 и температурой 50°С.

Колонна 3 имеет 150 колпачковых тарелок и работает с флегмовым числом 1,2. Температура верха колонны 44°С, а в кубе - 136°С. С верха колонны 3 по линии 5 отбирают изопентан с содержанием изоамиленов до 1 вес.%. Из куба колонны 3 по линии 6 отбирают насыщенный пентен - пентадиенами экстрагент и подают в колонну 7 на десорбцию ДМФА. С верха колонны 7 по линии 8 отбирают пентен - пентадиеновую фракцию и направляют на вторую стадию разделения. Из куба колонны 7 десорбированный экстрагент ДМФА снова подают по линии 9 на прямое смешивание с сырьем в соотношении 3:1, а остальной ДМФА по линии 4 поступает снова на процесс разделения.

ПРИМЕР 5

Сконденсированная и выделенная изоамилен - изопреновая фракция первой стадии дегидрирования и изоамилен - изопреновая фракция второй стадии дегидрирования направляются в соотношении 1:2 или 1:1 на разделение по схеме, приведенной на фигуре 2.

Сырье (смесь бедного+богатого сырья в соотношении 1:1) подается по линии 1 на нагрев способом прямого смешивания с горячим десорбированным экстрагентом ДМФА в соотношении 1:3 с температурой не менее 124°С, который поступает по линии 9. Полученная жидкая смесь по линии 2 с температурой 100°С подается в колонну 3 на 85 (55) карман тарелки. При встрече с верхним, жидким потоком температура смеси снижается от 100°С до 72°С. На 120 (105) тарелку по линии 4 подается экстрагент ДМФА остальной до соотношения с вводимым сырьем 5-8:1 и температурой 50°С. Колонна 3 имеет 150 колпачковых тарелок и работает с флегмовым числом 1,6.

Температура верха колонны 3 равна 37°С, а в кубе колонны до 120°С (в зависимости от подачи рециклового изопрена). С верха колонны 3 по линии 5 отбирают пентеновую фракцию с содержанием изопрена до 0,5 вес.%. Из куба колонны 3 отбирают насыщенный пентадиенами экстрагент ДМФА и по линии 6 направляют в десорбционную колонну 7. С верха колонны 7 по линии 8 отбирают изопрен - сырец, который далее направляют на четкую ректификацию. Из куба колонны 7 по линии 9 выводят десорбированный ДМФА, который снова направляют в процесс смешивания, нагревания и связывания целевых компонентов исходного сырья, а по линии 4 на верх колонны 3.

Использование предлагаемого способа нагрева сырья позволяет:

1. За счет изменения способа нагрева исходного сырья исключить из схемы испарители сырья и использование водяного пара на испарение сырья. Это приводит к экономии тепловой энергии не только на стадии испарения сырья, но и на стадии разделения в колоннах э.р.

2. Снизить потери изоамиленов с откачиваемым изопентаном, а также снизить потери изопрена с откачиваемыми изоамиленами как на стадии нагрева сырья, так и на стадии разделения в колоннах э.р.

3. Нагрев экстрагентом ДМФА сырья новым способом прямого смешивания приводит к насыщению экстрагента целевыми компонентами сырья и связыванию их до ввода в колонну э.р., что позволяет поднять тарелку питания на более высокую на первой стадии и снизить тарелку питания на второй стадии, а также разгрузить колонны э.р. от избытка верхнего продукта (флегмы) с меньшими энергозатратами, что и приводит к улучшению результатов.

Используемые источники информации.

1. Огородников С.К., Идлис Г.С. sec;Производство изопрена.sec; Л.: Химия. 1973, с.129.

2. Авторское свидетельство SU 803343 А1, 20.12.2000.

3. Авторское свидетельство №642322, 1979.

4. а) Огородников С.К., Коган В.В., Немцов М.С. sec;Равновесие между жидкостью и паром смеси диметилформамид - изопрен - триметилэтилен.sec; ЖПХ 34, №11, 2441 (1961).

б) Карев В.Г., Баранов А.В. Сборник материалов конференции Сибирского технологического института по итогам работ 1962 г. Выпуск 2, Красноярск, 49 (1963) sec;Равновесие между жидкостью и паром диметилформамид-изопентан-триметилэтиленsec;.

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. sec;Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологииsec;. Л.: Химия. 1970, с. 212.

6. Павлов С.Ю. и другие. Выделение изопрена из фракции C₅ пиролиза бензина. sec;Химическая промышленность.sec; 1971, №4.

ТАБЛИЦА 1 СОСТАВЫ ПРОБ ИЗ ОПЫТА №1 и ОПЫТА №2 вес%
№п/п	Наименование продукта	Проба 1	Проба 2	Проба 3	ДМФА	Проба 4	Проба 5	Проба 6
		Кат. 1 ст.	ДМФА	Ловушка 1	Десорбирован.	Кат 2ст.	ДМФА	Ловушка 2
		сырье	насыщенное			сырье	насыщенное
1.	Углеводороды С4	0,3	0,02	2,79		0,5	0,09	3,9
2.	Изопентан	65,5	14,86	91,4		0,9	0,08	16,3
3.	2Метил - 1бутен	2,7	0,68	0,60		3,9	0,93	5,9
4.	нПентан	3,1	0,73	3,02		2,8	0,67	4,6
5.	1Пентен	0,5	0,12	0,25		1,8	0,42	3,9
6.	3Метил - 1бутен	8,8	2,23	0,63		18,9	4,47	33,3
7.	2Пентен	1,9	0,47	0,5		4,8	1,14	7,3
8.	2Метил - 2бутен	14,5	3,69	0,5		35,8	8,83	22,7
9.	Изопрен	2	0,51	0,2		27,4	6,9	1,5
10.	1,3Пентадиен	0,4	0,1	0,1		1,8	0,45	0,1
11.	Циклопендадиен	0,2	0,05	0,02		1	0,25
12.	Углеводороды С6	0,1	0,02			0,4	0,1
13.	ДМФА		76,52				75,67	0,5
Величина пробы	500,0	1960,3	39,7	1500,0	500,0	1982,0	18,0