دانلود مقاله طراحی واحد تولید

1 روش تولید صنعتی MTBE به روش واکنش در فاز مایع بین ایزوبوتن و متانول

چکیده:

در مقاله حاضر متیل ترشری بوتیل اتر (ام. تی. بی. یی) از واکنش میان متانول و ایزوبوتیلن موجود در 1 برش مخلوط ایزوبوتیلن و 1 بوتن (دارای 45 تا 47 درصد جرمی ایزوبوتیلن, مشابه خوراکهای حاصل از واحدها کراکینگ با بخار آب) بر روی کاتالیست رزین تبادل یونی اسیدی امبرالیست 15 در فاز مایع تهیه شده است.

یک سیستم آزمایشگاهی (Bench Scale) مناسب, جهت انجام واکنش, ابداع و نصب گردیده که قادر به تولید تقریباً 5 کیلوگرم در روز (ام. تی. بی. یی) می‌باشد.

راکتور مورد استفاده در این سیستم یک راکتور لوله‌ای با بستر آکنده و جریان رو به پایین به حجم 220 میلی‌لیتر بوده که حدود 100 میلی‌لیتر از آن به بستر کاتالیز اختصاص داده شده و به خاطر گرمازا بودن واکنش, دمای جداره راکتور در این قسمت توسط آب گردشی کنترل گردیده است آزمایشها به صورت مداوم و در شرایط حرارتی غیر ایزوترمال غیر آدیاباتیک انجام گرفته و محدوده شرایط عملیاتی موردنظر صنعت را در برمی‌گیرد.

به منظور آنالیز محصول مایع و گاز, روش مناسبی با استفاده از گاز کروماتوگراف بکار برده شده و دقت مطلوب به این روش توسط نمونه‌های پیش ساخته تایید گردیده است. در این سیستم عوامل موثر و واکنش نظر دمای خوراک, دمای آب گردشی در جداره راکتور, نسبت مولی ترکیب‌شوندگان و سرعت عبور خوراک به ترتیب در محدوده‌های 30 تا 80 درجه سانتیگراد, 30 تا 70 درجه سانتیگراد, 1 تا 2/1 و 1 تا 10 طی شصت آزمایش, مورد بررسی قرار گرفته و میزان تبدیل بیش از 90 درصد (مشابه میزان تبدیل در راکتور اول واحدهای صنعتی) حاصل شده است.

مقدمه

واکنش اتری کردن کاتالیستی اولفینها با الکلها, اولین بار در سال 1907 توسط ریچلر[1] کشف شد و 23 سال بعد آلدرین[2] به بالا بودن اکتان اترهای حاصله خصوصاً ام. تی. بی. یی پی برد.(1) لیکن تا دهه هفتاد میلادی که اثرات سوء استفاده از بنزین سرب‌دار برای اولین بار مورد تردید قرار گرفت, کاربردی پیدا نکرد.

تولید صنعتی ام. تی. بی. ئی در دهه هفتاد میلادی با تاسیس اولین واحدها توسط شرکتهای آنتیک[3] ایتالیا (1973), هولز[4] آلمان و آرکو[5] آمریکا (1978) شروع شد.(1) این ماده در دهه هشتاد میلادی خصوصاً در نیمه دوم آن سریعترین رشد تولید را بین محصولات پتروشیمی داشته به طوری که میزان رشد متوسط آن در چهار سال منتهی به سال 90, در حدود 30 درصد بوده است. تولید جهانی آن در سال 1990 به میزان 9 میلیون تن در سال بوده و پیش‌بینی می‌شود که با میزان رشد متوسط سالیانه حداقل 15 درصد در دهه نود تا سال 2000, به 30 میلیون تن در سال برسد و این میزان, حداقل رشد تولید آن خواهد بود.(2)

تا سال 89 مجموعاً 54 واحد تولید ام. تی. بی. ئی. در دنیا فعال بوده(3) و هم‌اکنون طرحهای گوناگونی برای تولید ام. تی. بی. ئی. در جهان در دست احداث و راه‌اندازی می‌باشد. مجموع ظرفیتهای مجتمعهای در دست اجرا حدوداً 150000 بشکه در روز می‌باشد. بسیاری از تحلیلگران معتقدند که حتی با وجود این طرحها, توازن میان عرضه و تقاضا در بازا جهانی ام. تی. بی. ئی تا قبل از سال 1995 برقرار نخواهد شد.(4) از دلایل اصلی رشد تولید این ماده پس از سال 1980 کاهش قیمت متانول و توجه بیشتر به امر مبارزه با آلودگیهای ناشی از انتشار گازهای خروجی اگزوز اتومبیل‌ها بوده است.

شیمی واکنش

ام. تی. بی. ئی از واکنش میان متانول و ایزوبوتیلن موجود در برشهای چهار کربنه در حضور یک کاتالیست اسیدی تولید می‌گردد. واکنش تولید آن به صورت زیر است:

متیل ترشری بوتیل اتر

این واکنش برگشت‌پذیر و گرمازا بوده و در فاز مایع در حضور یک رزین تبادل یونی به عنوان کاتالیست و در محدوده شرایط زیر انجام می‌گردد(5).

درجه حرارت: کمتر از 90 (30 تا 90) درجه سانتیگراد

نسبت مولی متانول به ایزوبوتیلن: 1 تا 2/1.

سرعت عبور خوراک: 1 تا 10

رزینهای تبادل یونی اسیدی که در بیشتر فرایندهای صنعتی تولید ام. تی. بی. ئی موررد استفاده قرار می‌گیرند, دارای ساختمانی سه‌بعدی که از طریق عرضی به هم متصل شده‌اند. این رزینها, مواد پلیمری هستند که توسط سولفوناسیون یک پلیمر متشکل از استایرین و دی وینیل بنزن حاصل گشته‌اند. این رزینها نسبت به دما حساس بوده و در دماهای بالاتر از 120 درجه سانتیگراد تدریجاً فعالیت خود را از دست میدهند. کاهش فعالیت این رزینها توسط ترکیبات قلیایی و کاتیونی صورت می‌گیرد. ترکیبات مذکور, گروههای اسیدی فعالی رزین را خنثی می‌نماید(6).

امبرلیست 15 که جزء این دسته از رزیتها می‌باشد, رایج‌ترین کاتالیست تجارتی در فرایندهای تولید ام. تی. بی. ئی محسوب می‌گردد. در فرایندهای صنعتی, ایزوبوتیلن به صورت مخلوط با سایر هیدروکربورهای چهارکربنه به عنوان خوراک استفاده می‌گرد. به دلیل فعالیت بیشتر یون کربونیوم نوع سوم واکنش ترکیب ایزوبوتیلن و متانول از جهت تبدیل به ام. تی. بی. ئی از گزینش‌پذیری بالایی برخوردار بوده و سایر چهارکربنه‌های موجود در خوراک به صورت بی‌اثر عمل می‌کنند.

میزان تشکیل ترشری بوتیل الکل بستگی به مقدار آب موجودر در خوراک دارد که در شرایط عادی بسیار کم است و هیچگونه اثر نامطلوبی بر روی اکتان محصول (ام. تی. بی. ئی) ندارد. گزینش‌پذیری واکنش در جهت تشکیل دی متیل اتر و دی ایزوبوتیلن نیز ناچیز بوده و اثری بر روی اکتان محصول نمی‌گذارد.

ملاحظات سینتیکی و ترمودینامیکی

واکنش سنتز ام. تی. بی. یی تحت فرمان تعادل ترمودینامیکی می‌باشد و در دمای پایین در جهت تشکل ام. تی. بی. ئی میل می‌نماید. در نتیجه کاهش دما باعث ازدیاد میزان بالاتر تامین می‌گردد. بنابراین طراحی راکتور تولید ام. تی. بی. ئی بر مبنای بهینه‌سازی بین شرایط ترمودینامیکی و سینتیکی واکنش می‌باشد.[V]

برای نمونه, میزان تبدیل ایزوبوتیلن و پروفیل دما در طول راکتور در یک راکتور لوله‌ای ایزوترمال در شکل (21) آورده شده است.

  پروفیل نمونه دما و میزان تبدیل برحسب طول راکتور

واکنش با سرعت بسیار زیادی شروع شده و سرعت آزاد شدن گرما در این مرحله زیاد است. بخشی از گرمای آزاد شده به صورت گرمای محسوسه[6] به مخلوط واکنش انتقال می‌یابد و گرمای آزاد شده مازاد می‌بایست توسط آب خنک‌کننده گرفته شود. از

طراحی برخی از واحد: روش تهیه صنعتی براساس PFD موجود

روش تهیه صنعتی MTBE براساس PFD موجود:

در لاین 1, متانول از تانک T-151 به منبع یا ظرف تحت فشار V-101 وارد می‌شود.

در لاین 2, خوراک C4 از تانک T-152 می‌آید.

هر دو خوراک بالا برای انجام واکنش به پیش گرم‌کن E101 رفته و تا دمای 540C (1300F) گرم می‌شود. برای این منظور در پیش گرم‌کن از بخار با فشار 165psia استفاده می‌شود.

در لاین 4, مخلوط خوراک در جریان رو به پایین وارد راکتور بستر ثابت اولیه R101 میشود. فشار خوراک ورودی 180psia و دمای ورودی نیز 540C (1300F) می‌باشد.

لازم به تذکر است که لاین 4 در نقطه‌ای با لاین 5 که مواد واکنش نداده را مجدداً به راکتور اولیه باز می‌گرداند در محل ورود به راکتور اول برخورد دارد.

مقداری از مواد یا خوراک اولیه که در راکتور اولیه واکنش نداده‌اند به پمپم چرخشی کمک کننده E102 رفته و بعد از انتقال حرارت و خنک شدن, توسط لاین 5 مجدداً به راکتور اولیه وارد می‌شود.

قسمتیی دیگر از محصول که شامل چند درصدی MTBE می‌باشد از انتهای برجی به خنک‌کننده میانی E-103 رفته و به دمای 380C (1000F) رسیده و با فشار 180psia در لاین 6 وارد راکتور دوم R102 می‌شود. در این راکتور ثانویه, ایزوبوتن 96% به محصول MTBE با خلوص 99% تبدی میشود.

محصول MTBE به دتس آمده توسط لاین 7 وارد مخزن ذخیره V-102 می‌شود و همواره با مواد جانبی به مبدل حرارتی E-104 رفته و برای جداسازی MTBE و خوراک ایزوبوتن و متانول به برج جداسازی دی بوتانایزر C-101 می‌رود. در این برج MTBE از متانول و ایزوبوتن واکنش نداده جدا شده و از پایین برج در لاین 8 با دمای 1430C خارج و دوباره به مبدل حرارتی E-104 رفته و بعد از خنک شدن به مبدل تسویه‌کننده E-105 رفته و با دمای 380C به تانک T-101 و از آنجا جهت نگهداری به منبع ذخیره‌سازی T-154 می‌رود.

متانول و ایزوبوتن نیز از بالای برج خارج و ابتدا به کندانسور E-106 می‌روند و از آن قسمت به ظرف تحت فشار V-103 رفته و با دمای 660C و با فشار 130psia به دو خط انشعاب می‌یابد, یکی که مجدداً به دی بوتانایزر می‌رود و Recycle است و دیگری که ابتدا به خنک‌کننده و تصفیه‌کننده E-108 و از آنجا در لاین 9 مواد موردنظر به ستون یا برج شستشوی آبی C-102 می‌رود. بعد از عملیات شستشوی آبی برای استفاده مجدد, C4 ریفینیت یا ایزوبوتن با دمای 380C و فشار 120psia از دیگر مواد جدا شده و از بالای برج در لاین 10 به ظرف نگهداری تحت فشار V-104 و از آنجا برای استفاده مجدد به تانک ذخیره T-153 می‌رود.

لازم به توضیح است که مواد خروجی پایین برج دی بوتانایزر به ریبویلر B-107 برای عمل جداسازی مواد و ایجاد گرمای لازم وارد می‌شود.

مخلوط آب و متانول از پایین برج شستشو با دمای 380C, وارد لاین 12 شده و وارد ظرف V-105 می‌شود و از آنجا به مبدل حرارتی E-109 می‌شود. مقداری از آب جدا شده و دوباره به چرخش افتاده از این مبدل حرارتی به ظرف V-106 می‌رود که برای استفاده در برج آب‌شویی به C-101 می‌شود.

مخلوط جزئی آب متانول از مبدل حرارتی E-109 به برج تقطیر C-103 می‌رود. متانول در اثر عمل تقطیر از آب جدا شده و از بالای برج با دمای 770C و فشار 25psia به کندانسور E-112 رفته و بعد با دمای 380C به ظرف برگشتی آب متانول V-107 وارد شده و قسمتی از آن دوباره به برج برگشت داده می‌شود. (Recykle)

و متانول خالص بازیافت شده برای استفاده مجدد در لاین 3 به چرخه باز می‌گردد.

از پایین برج نیز مخلوط آب متانول خیلی ناچیز در لاین 13 خارج می‌شود که مقداری از آن به دوباره جوش‌آور یا ریبویلر, E-111 برای تامین حرارت لازم برج تقطیر وارد می‌شود. و در مسیری دیگر, آب با دمای 1160C برای تامین حرارت مبدل E-109 می‌رود.

نقشه کلی کار در شکل زیر موجود است:

فصل چهارم

بررسی فنی و اقتصادی طرح صنعتی متیل ترشری بوتیل اتر (MTBE)

چکیده

در طی دهه 1980, MTBE[7] به عنوان بهترین جایگزین ماده ضد ضربه (TEL)[8] در بنزین شناخته و تولید آن آغاز شد. براساس آمار به دست آمده مصرف بنزین در تهران برابر 9 میلیون لیتر در روز است که روزانه بالغ بر 2025 کیلوگرم سرب به هوای آلوده تهران می‌کند. (MTBE) از واکنش بین متانول و ایزوبوتیلن در مجاورت یک کاتالیست از نوع رزین‌های تبادل یونی اسیدی به نام آمبرلیست 15, تولید می‌شود. در کنار این فعالیتها راکتور با بستر ثابت به صورت ریاضی مدل شده و با اتصال به نرم‌افزار "Hysim" کل فرایند در مقیاس صنعتی شبیه‌سازی شده است. براساس محاسبات اقتصادی طرح مقرون به صرفه بوده و مکان اجرای طرح با وجود خوراک C4 در پتروشیمی اراک, 15000 تن و FCCU آبادان 30000 تن در سال انتخاب شده است.