instalaȚia de obȚinere a tame din fracȚia c5 ÎmbogĂȚitĂ de la cracare cataliticĂ...

Upload: sava-bogdan

Post on 01-Jun-2018

350 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    1/149

    UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI

    Facultatea de Chimie Aplicată și Știința Materialelor

    Departamentul de Inginerie Chimică și Biochimică 

    LUCRARE DE LICENȚĂ

     

    INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DINFRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE

    CATALITICĂ 

    COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    Prof dr.ing. Valentin PLEȘUEng. Bertram MUCHAN

    ABSOLVENT:

    Oli i A C I PEREDERIC

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    2/149

    UNIVERSITATEA "POLITEHNICA" BUCUREŞTIFACULTATEA DE CHIMIE APLICATĂ ŞI ŞTIINŢA MATERIALELORDepartamentul Inginerie Chimică şi Biochimică 

    A P R O B A TDirector Departament,

    Prof.dr.ing. Grigore BOZGA

    T E M A

    Proiectul de diplomă  Instalația de obținere a TAME  din fracția C5 îmbogățită de la cracare

    catalitică. 

    STUDENTĂ  Olivia Ana C.I. PEREDERIC  

    1. Tema  Dezvoltarea unui proces sustenabil de obținere a TAME utilizând fracțieîmbogățită în C5 (LCN – light cracking naphtha) de la instalația de cracarecatalitică (FCC).

    2. Date iniţiale  Capacitatea de producție este de 30.000 tone/an TAME de puritate 99% (8.000 h de funcționare anual).Se va aproxima că fracția îmbogățită în C5 de la FCC (LCN) conține: iC5,2M2B, 2M1B. Se va analiza posibilitatea de recirculare a materiei primenereacționate. 

    Tabel 1. Compoziția alimentării și a produsului (%masă) 

    Component iC5 2M2B 2M1B MeOH TAME

    Compozițiematerie primă 

    Fr C5

    (FCC)80.22% 13.27% 6.51% - -

    Metanol - - - 100.00% -

    Compoziție produs  0.91% 0.08% 0.00% 0.00% 99.00%

    3. Predimensionarea•  Modelarea, simularea și integrarea termică a instalației (secția de reacție și secția de

    separare) utilizând instrumente informatice adecvate.•  Predimensionarea utilajelor principale.

    4 C l l t h i i

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    3/149

    UNIVERSITATEA "POLITEHNICA" BUCUREŞTIFACULTATEA DE CHIMIE APLICATĂ ŞI ŞTIINŢA MATERIALELORDepartamentul Inginerie Chimică şi Biochimică 

    A P R O B A TDirector Departament,

    Prof.dr.ing. Grigore BOZGA

    SUBJECT

    Project diploma:  TAME production plat from enriched C5 fraction from catalytic cracking 

    STUDENT Olivia Ana C.I. PEREDERIC  

    1. Subject  The development of a new sustainable process to produce TAME utilizing

    as raw material enriched C5 fraction (LCN – light cracking naphtha) from

    catalytic cracking (FCC).

    2. Initial data  the production capacity is de 30.000 tones/year of 99% pure TAME

    (considering 8.000 h of work per year).It is considered that the enriched C5 fraction from FCC contains: iC5,

    2M2B, 2M1B. It will be studied the possibility of recirculation of

    unreacted raw material.

    Table 1. Composition of raw material and product (%wt.)

    Component iC5 2M2B 2M1B MeOH TAME

    Raw material

    composition

    Fr C5

    (FCC)80.22% 13.27% 6.51% - -

    Methanol - - - 100.00% -

    Product composition 0.91% 0.08% 0.00% 0.00% 99.00%

    3. Predimensioning

    •  Modeling, simulation and thermal integration of the plant (reaction section and separating

    section) useing adequate informatics tools.

    •  Predimensioning of the most important equipment.

    4. Estimation of technical and economic cost

    5 G hi t i l

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    4/149

    Abstract

    This work presents the development of a new sustainable process to produce Tert-

    Amyl-Methyl-Ether (TAME) using as raw material enriched C5  fraction (LCN – light

    cracking naphtha) from catalytic cracking (FCC). TAME is an oxygenated additive used to

    improve gasoline quality. Different improvements of separation section are proposed to be

    implemented for this process as: using column distillation units and L-L separation vesselsinstead of absorption columns, raw material recycling, energy savings by flowsheet thermal

    integration, according to economic and environmental analysis of this process.

    General information about the chemical compounds involved in the process, about

    existing industrial technologies for TAME production and thermodynamic and kinetic models

    is identified from literature survey. Four thermodynamic ( Mao, Rihko, Ferreire and Sayed )

    and kinetic models (simplified LHHW, complex LHHW, Eley-Rideal,  Al-Arfaj) are tested

    within a process simulator and compared with experimental data from literature. This

    analysis showed that Sayed   thermodynamic model and   Eley-Rideal  kinetic model predict

    good results (65% reactor conversion, 99% TAME purity).

    TAME process flowsheet structure was established after the conceptual design

    analysis: reaction section (two adiabatic reactors) and separation section (three distillationcolumns with two L-L vessels). Three case studies are developed and analyzed for TAME

     process simulation, for different topologies and operating parameters. Based on the

    consumption of raw material, energy and environmental impact, the third case study flowheet

    is considered as a good solution for this work from sustainability point of view (23,1% raw

    material improvement by removal T-103 column purge, 100% energy recovery by changing

    separation pressure and 43% as environmental impact using coal as fuel).

    Mass and energy balance, equipment sizing and economic analysis are developed for

    improved TAME process, with 1,02 as profitability index. Tables and graphical materials are

     presented in Annexes.

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    5/149

    `

    Cuprins

    1. Introducere ................................................................................................................. 4 

    1.1.  Chimismul reacțiilor pentru scheme alternative ................................................ 7 

    1.2.  Materii prime-surse .......................................................................................... 10 

    1.3.  Procese unitare alternative ............................................................................... 11 

    1.4.  Tehnologii de sinteză ....................................................................................... 14 

    1.5.  Proprietăți termodinamice ................................................................................ 19 

    1.6.  Termodinamica procesului ............................................................................... 24 

    1.7.  Mecanisme de reacție și modele cinetice ......................................................... 25 

    Bibliografie ..................................................................................................................... 33 

    2.  Limite ideale ale proceselor ..................................................................................... 35 

    2.1.  Simularea sistemelor de reacție în condiții ideale ............................................ 35 

    2.2.  Evaluarea mecanismelor de reacție și a modelelor cinetice ............................. 37 

    2.3.  Analiza posibilităților de separare ................................................................... 40 

    2.4.  Concluziile analizei conceptuale ...................................................................... 45 

    Bibliografie ..................................................................................................................... 46 

    3.  Studii de caz. Simularea și analiza........................................................................... 47 

    3.1. Cazul 1 .............................................................................................................. 48 

    3.2. Cazul 2 .............................................................................................................. 49 

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    6/149

    `

    6.  Dimensionarea utilajelor .......................................................................................... 99 

    6.1. Dimensionarea schimbătoarelor de căldură ..................................................... 99 

    6.2. Dimensionarea coloanelor de distilare ........................................................... 109 

    Bibliografie ...................................................................................................................... 111 

    7. Considerații privind impactul asupra mediului ........................................................... 112 

    Bibliografie ...................................................................................................................... 115 

    8. Analiza economică ...................................................................................................... 116 

    Bibliografie ...................................................................................................................... 118 

    Concluzii ......................................................................................................................... 119 

    ANEXA 1. Informații privind riscul substanțelor: TAME, MeOH, 2M1B, 2M2B ........ 120 

    ANEXA 2. Raportul simulării rețelei de schimbătoare de căldură ................................ 123 

    ANEXA 3. Clasif icarea şi codificarea TEMA ............................................................... 124 

    ANEXA 4. Informații privind impactul asupra mediului ............................................... 127 

    ANEXA 5. Raport privind analiza economică ................................................................ 130 

    MATERIA GRAFIC:

      PFD schemă proces 

     

    PFD Cazul 1 Aspen HYSYS   PFD Cazul 2 și 3 Aspen HYSYS

      Schema de amplasare

      Rețeaua de schimătoare de căldură 

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    7/149

    `

    Conținutul CD-ului

      Simulări Aspen HYSYS V.7.2 și V.8.0. (Cazul 1-3)

      Simulare Coloană (Cazul 2) în Aspen Plus V.7.2. și Aspen Dynamics V.7.2.

      Simulări Sprint (Cazul 2-3)

      Dimensionări Schimbătoare de căldură în EDRC 

     

    Analiza Economică APEA   Rezultatele Analizei Economice

      Model Reactor MATLAB

      Model Dimensionare Coloană 

      Scheme de amplasare

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    8/149

    `

    1.Introducere

    Preocuparea din ce în ce mai crescută pentru protecția mediului din ultimii ani a dus la

    apariția unor noi legislații de mediu. Amendamentele din 1990 ale Clean Air Act din SUA și

    Directiva 98/70/EC a Uniunii Europene prevăd înlocuirea compușilor organo-metalici (tetra-

    etil-plumbul) din benzine, fapt care a condus la reformularea carburanților prin înlocuirea tetra-

    etil plumbului cu compuși oxigenați. 

    Conform normativelor europene o benzină reformulată trebuie să reducă emisiile gazelor

    de ardere și a vaporilor  prin micșorarea presiunii de vapori RVP (Reid Vapor Pressure). RVP

    trebuie să aibă o valoare de maxim 60 kPa iarna și maxim 70 kPa vara. (RVP se determină la

    37.8 °C prin testul ASTM-D-323).

    Dintre compușii oxigenați utilizați ca aditivi în benzine pentru reducerea emisiilor toxice

    în gazele de ardere (reducerea cantității de CO și hidrocarburi vaporizate), dar și pentru creșterea

    cifrei octanice se numără: alcoolii și eterii terțiari. 

    Marele dezavantaj  al alcoolilor este solubilitatea acestora în apă. Aceasta poate cauza

    amestecarea benzinei cu apa, fapt care ar determina înghețarea pe timp de iarnă a  benzinei. Unalt dezavantaj este dezvoltarea microorganismelor la interfața apă- benzină, care  pot modifica

     proprietățile benzinei.

    Comparativ cu alcoolii, eterii au o solubilitate mai redusă, iar aceasta scade cu creșterea

    masei moleculare. Datorită temperaturii de solidificare foarte scăzute, eterii terțiari scad punctul

    de înghețare al benzinei. Presiunea de vapori mai scăzută a eterilor este avantajoasă deoarece

    scade poluarea prin vaporizare.

    Dintre compușii oxigenați cel mai folosit a fost MTBE datorită costurilor de producție

    foarte scă te acesta fiind prod s din i ob tenă și metanol În SUA s a constatat apariția

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    9/149

    `

    În Tabelul 1.1.  sunt prezentate proprietățile  diferiților compuși oxigenați  și ale unor

    olefine care se regăsesc în benzine.

    Tabelul 1. 1. Proprietăți ale alcoolilor, eterilor și alchenelor  (Paakonen, 2003)

    Substanța Cifraoctanică 

    Cntitateade oxigen,

    %

    Solubilitatea în apă*

    Presiunea de vaporila amestecare RVP,bar

    Reactivitatea în condițiiatmosferice**

    Metanol 120 50 solubil 4,1 1,0

    Etanol 115 35 solubil 1,2 3,4

    MTBE 110 18 4,3 0,6 2,6

    ETBE 111 16 1,2 0,3 8,1

    TAME 106 16 1,2 0,1 7,9

    Izobutenă  90 0 0,03 4,6 55,0

    2M1B 88 0

     parțial

    solubil/insolubil

    1,3 70,0

    2M2B 91 0

     parțial

    solubil/

    insolubil

    1,0 85,0

    *solubilitatea se exprimă în g compus/100g H2O

    ** Viteza de reacție a grupării hidroxil HO-: 1012 ∙cm3mol-1s-1 

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    10/149

    `

     Fig. 1. 1. Producția în Europa a eterilor aditivi de benzine pentru anul 2011.

    Principalii producători de instalații pentru obținerea de TAME sunt CDTech (procedeul

    CDEtherol), UOP (procedeul EtherMax), Neste Jacobs (NexTame, NexEthers) și Phillips

    Petroleum Co. (procedeul Philips).

    Principala utilizare a TAME este ca aditiv pentru benzine. Acesta este utilizat și ca

    intermediar de reacție în sinteza metil- butenei de înaltă puritate. În  Fig. 1.2.  este prezentatăvalorificarea TAME la nivel european în anul 2002.

    Utilizări TAME 

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    11/149

    `

    1.1.  Chimismul reacțiilor pentru scheme alternative 

    O metodă de obținere a eterilor terțiari este reacția dintre un alcoxid și   un compus

    halogenat: iod, brom sau clor. Alcoxidul este obținut din reacția sodiului sau potasiului metalic

    cu un alcool. În cazul sintezei TAME acesta poate fi obținut dintr-un alcoxid terțiar și o

    halogenură de alchil primar, iar mecanismul reacției este de tip SN2 sau dintr-un compus

    halogenat terțiar și metoxid (mecanism SN1).

    (C2H5)-(CH3)2C-O-K +  + CH3Br → TAME

    (C2H5)-(CH3)2C -Br + CH3O-K +  → TAME

    Metoda nu este fezabilă pentru obținerea la scară industrială deoarece obținerea

    alcoxidului trebuie realizată in situ și manipularea de Na sau K me talic care sunt foarte reactivi

    crește riscul de apariție al accidentelor .

    Eterii pot fi obținuți și din alcooli prin deshidratare intermoleculară în cataliză acidă 

    omogenă (H2SO4) sau cataliză eterogenă (Al2O3) . Dezavantajul metodei este că se obțin

    amestecuri de eteri. (Avram, 1983).

     R-OH + R’OH → R-O- R + R’ -O- R’ +R-O- R’

    O altă metodă de obținere este eterificarea reductivă. Reacția are loc între un alcool și ocetonă: (Portal, 2012)

     R-OH + R-CO- R → R-COR-R

    Obținerea TAME se poate realiza și utilizând izoamilene (2-metil-1- butena și 2-metil-2-

     butena) și metanol în fază lichidă în prezența unui catalizator , aceasta fiind metoda utilizată la

    nivel industrial. În cadrul sintezei TAME trebuie considerate trei reacții: două reacții de

    eterificare ale amilenelor cu metanolul și o reacție de izomerizare între cele două izoamilene. 

    Pe lângă cele trei reacții principale se pot lua în calcul și reacții secundare cum ar fi:

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    12/149

    `

     Reacții principale 

    OH   CH3

    CH3

    CH3

    CH3

    CH3

    CH3

    CH2

    OCH3

    CH3

    CH3CH3

    OCH3

    CH3

    CH3   CH3

    +

    +   OH   CH3

    CH3

    CH3

    CH2

    CH3

    CH3CH3

     

     Reacții secundare 

    CH3

    CH3

    CH3

    CH3

    CH3

    CH2

    +

    +

    OH2OH

    CH3

    CH3

    CH3

    OH2OH

    CH3

    CH3

    CH3

    H3

    C-OH +   HO-CH3

      OCH3CH3

    2C5

    H10

      C10

    H20

     

    Catalizatorii utilizați sunt rășini  sulfonice schimbătoare de ioni, obținute prin

    copolimerizarea stirenului cu divinilbenzenul. Catalizatorii utilizați  la nivel industrial sunt:

    Amberlyst 15, 35, 36 ( Rohm and Hass), Lewatit SPC 18 (Bayer A. G., Germany), Putolite CT-

    175 sau CT-275. Câteva specificații pentrul catalizatorii Amberlyst, care sunt cel mai des

    utilizați sunt prezentate în continuare. (DOW, 1993-2013)

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    13/149

    `

    Tabelul 1. 2. Caracteristici ale catalizatorilor Amberlyst.

    Nr.

    Crt.

    Proprietate Amberlyst 15 wet Amberlyst 35 wet Amberlyst 36 wet

    1 Forma fizică  particule sferice

    opace

     particule sferice

    opace

     particule sferice

    opace

    2 Forma ionică la livrare  hidrogen hidrogen, min 98% hidrogen

    3

    Concentrația de centri

    activi eq/Leq/kg

    ≥ 1,7≤ 4,7

    ≥ 1,9≤ 5,2

    ≥ 1,95≤ 5,4

    4

    Cantitatea de

    umiditate pe care o

     poate deține (pentru

    forma H+), %

    52-57 51-57 51-57

    5Densitatea la livrare,

    g/L770 800 800

    6Dimensiunea

     particulelor, mm0,600-0,805 0,700-0,950 0,600-0,850

    7 Aria superficială, m /g 53 50 33

    8Dimensiunea medie a

     porilor, Å300 300 240

    9Volumul total al

     porilor, ml/g0,4 0,35 0,22

    10

    Micșorarea volumului,

    % apa-MeOH

    % apa-MTBE

    % apa-uscat

    5

    9

    37

    4.5

    10.5

    40

    -

    -

    54

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    14/149

    `

    Se obține din

    copolimerizarea

    stirenului cudivinilbenzenul.

    Recomandată

     pentru diferite

    reacții organice

    (esterificare,eterificare-MTBE,

    ETBE,TAME,

    hidratare. Datorită

    dimensiunii porilor,

    catalizatorul esterecomandat pentru

    sisteme care

     prezintă

    depuneri/fouling).

    sinteza MTBE și

    TAME. Activitatea

    catalizatorului estecrescută, iar

    alimentarea poate fi

    mărită cu 20-40 %

    menținând

    conversiaolefinelor crescută.

    Durata de viață a

    catalizatorului este

    mai mare datorită

    numărului decentrii activi mai

    mare și a stabilității

    termice mai

    crescute.

    același grad de

    reticulare. Este

    recomandat pentrucataliza eterogenă,

    în special

    hidratarea

    olefinelor.

    *1 BV=1 m3 amestec de reacție pe m3 de rășină 

    Obținerea TAME se poate realiza și pornind de la alcool amilic și metanol în fază lichidă,

    catalizată omogen cu acid sulfuric sau eterogen cu catalizatori de tipul rășinilor schimbătoare de

    ioni ca cei amintiți anterior. Această reacție poate decurge atât în fază de vapori cât și în fază lichidă 

    în prezență de catalizator . (reacția de eterificare a alcoolilor) 

    OH

    CH3

    CH3

    CH3   +   OHCH3

    OCH3

    CH3

    CH3   CH3   OH2+

     

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    15/149

    `

    Tabelul 1. 3. Compoziția fracției C 5 de la Cracare catalitică 

    Fracție C5 Cracare

    catalitică 

    Procente masice, %

    Min Mediu Max

    Izoamilene 14,58 17,30 18,61

    MeOH 7,44 9,35 11,61

    Fr C4 0,00 4,31 6,83

    Fr C5 45,41 52,70 59,40

    Fr C6+ 0,00 16,32 27,44

    THxME* 0,00 0,01 0,01

    TAME 0,00 0,01 0,01

    *THxME –  2-metil-2-metoxi-pentan

    Metanolul este obținut industrial din gaz de sinteză. 

    1.3.  Procese unitare alternative

    Reacția de sinteza a TAME poate fi realizata în diferite utilaje. În continuare vor fi prezentate avantajele și dezavantajele ale câtorva tipuri de reactoare și ale coloanei de distilare

    reactivă.

     Reactor cu amestecare continuă tip autoclavă. În acest tip de reactor catalizatorul se află

    în suspensie în faza lichidă. Datorită amestecării degradarea mecanică a catalizatorului are loc

    foarte rapid. Raportul dintre cantitatea de catalizator și cea de lichid este mult mai m are decât lareactorul tubular, acest lucru determinând necesitatea unui volum mai mare al reactorului și a

    unei cantități mai mari de catalizator comparativ cu reactorul tubular. De asemenea, dacă există

    foarte mult catalizator suspendat viscozitatea amestecului crește, fapt care determină creșterea 

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    16/149

    `

     Fig.,1. 3. Reactor cu amestecare perfectă.

     Rectorul cu tubular. Catalizatorul se află fixat în interiorul reactorului prin intermediul adouă grătare aflate la intrarea și ieșirea din reactor, iar amestecul de reacție curge prin golurile de

    catalizator. Acest tip de reactor prezintă mai multe avantaje: degradarea mecanică a

    catalizatorului are loc mai lent decât la reactorul cu amestecare perfectă, conversia mai mare 

    comparativ cu un reactor tip autoclavă având același volum, nu este necesară separarea

    amestecului de reacție de catalizator. 

     Alimentare   Efluent

     

     Fig. 1. 4. Reactor cu deplasare.

     Distilarea reactivă are la bază combinarea etapei de reacție și a celei de separare într -un

    singur utilaj care are integrat un reactor multifuncțional în care reacția și separarea au loc

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    17/149

    `

    rolul de a îndepărta reactantul B din faza de vapori, lăsând să plece din coloană doar produs C. În

    zona de stripare se separă prin blaz produs D, iar reactantul A rămas în faza de vapori se întoarce

    în zona de reacție. Deoarece îndepărtarea produșilor de reacție are loc continuu, echilibrul estedeplasat spre dreapta asigurând conversii mar i și prevenind reacțiile secundare. În cazul obținerii

    TAME într-o coloană de distilare reactivă prin blazul coloanei se separă TAME, iar prin vârful

    acestuia hidrocarburi și metanol. (Taylor, 2000)

     Avantajele aplicării distilării reactive în sinteza TAME sunt (Aspi K. Kolah, 2004):

      Conversie ridicată. Deoarece reacțiile de obținere a TAME sunt reacții de echilibru, iar

    conversia este dependentă de echilibrul din sistem, prin îndepăr tarea produsului de

    reacție o dată ce acesta se formează, echilibrul este deplasat spre dreapta (sensul formării

     produsului), iar conversia obținută este mult mai mare Dacă  proiectarea coloanei este

    foarte bună conversia poate fi și de 100%. 

      Utilizarea căldurii de reacție  pentru separare. Reacțiile implicate în proces sunt reacții

    exoterme, iar căldura degajată este utilizată pentru a separa produsul de reacție.

      Selectivitate ridicată. Datorită îndepărtării din mediul de reacție a produșilor și

    menținerii unuia dintre reactanți la concentrații scăzute ponderea reacțiilor secundare

    este redusă. 

      Evitarea formării amestecurilor azeotrope 

      Scăderea costului de investiție prin simplificarea sistemului de reacție și a celui de

    separare

      Utilizarea unei cantități  mai mici de catalizator  pentru același grad de conversie 

    comparativ cu un reactor tubular.

      Evitarea zonelor fierbinți în stratul de catalizator prin vaporizarea parțială a lichidului 

     Dezavantajele procesului:

      Temperatura și presiunea la care au loc reacția și separarea trebuie să fie apropiate.

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    18/149

    `

      Controlul și reglarea procesului se realizează foarte greu. E posibil ca bucla de reglare a

    temperaturii pentru separare să acționeze în sens opus buclei de reglare a temperaturii

     pentru reacție.

     Fig. 1. 5. Coloană de distilare reactivă.

    1.4.  Tehnologii de sinteză 

    La ora actuală există mai multe tehnologii de sinteză a TAME, iar câteva dintre acestea vor fi

     prezentate în continuare.

    1.4.1.  Procedeul CDEtherol (CDTECH, 2005-2010)

    TAME este obținut prin eterificarea catalitică a izoamilenelor cu metanol. Secția de

    reacție este constituită din două reactoare și o coloană de distilare reactivă. Primul reactor este un

    reactor cu catalizator trifuncțional cel de al doilea reactor este tot un reactor catalitic având

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    19/149

    `

    reacțiilor în condiții optime temperatura reactorului este reglată prin recircularea în alimentarea

    reactorului a unor reactanți răciți.

    Al doilea reactor operat la punctul de fierbere al amestecului de reacție este proiectat catemperatura să fie ajustată prin setarea presiunii sistemului. Deoarece temperatura amestecul de

    reactanți nu poate depăși temperatura de fierbere se asigur ă  astfel un control precis al

    temperaturii din reactor. Rolul acestui reactor este de a transforma o parte din reactanți în

     produși astfel încât conversia din coloana de distilare reactivă să nu fie foarte mare. O conversie

    ridicată determină eliberarea unei călduri de reacție foarte mari și un control mai greu altemperaturii. 

    Coloana de distilare reactivă combină reacț ia și fracționarea într-un singur utilaj,

     permițând o conversie  finală  a izoamilenelor mai mare decât cea impusă de limitările

    termodinamice. Deoarece produșii sunt separați de reactanț i, echilibrul este deplasat către

    obținerea de produși și astfel se pot obț ine conversii foarte mari ale izoamilenelor. Distilarea

    catalitică are de asemenea și avantajul unei cinetici îmbunătățite datorită temperaturii mai mari,

    fără a afecta conversia de echilibru. Controlul avansat al procesului maximizează activitatea și

    viața catalizatorului. Schema procesului este prezentată în Fig.1.6.

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    20/149

    `

    1.4.2.  Procedeul Ethermax (Krupa et al., 2003)

    Acest proces este licențiat de către UOP și este asemănător cu cel oferit de CDTech.

    Ethermax poate fi folosit pentru producerea de TAME, dar și a altor eteri cum ar fi MTBE sauETBE.

    Schema de proces este prezentată în Fig. 1.8. Cea mai mare parte a reacției are loc 

    în reactorul de eterificare. Acesta prezintă  pat fix de catalizator și este operat adiabat. Efluentul

    reactorului alimentează coloana de distilare catalitică, unde eterul este separat de materia primă

    nereacționată. Componenții nereacționați se vaporizează pătrunzând în zona catalitică a coloaneiunde are loc conversia acestora. Zona catalitică a coloanei de distilare reactivă folosește

    umplutură tip KataMax care  permite fixarea catalizatorului, desfășurarea reacției și separarea

     produșilor. 

    Distilatul coloanei este direcționat spre secția de recuperare alcool. Separarea

    alcoolului de hidrocarburi se realizează într -o coloană de extracție cu apă operată încontracurent. Din extract, alcoolul este recuperat prin distilare și este recirculat către secția de

    reacție. Rafinatul C5 este în general trimis spre o unitate de alchilare sau poate fi amestecat direct

    la parcul de benzină, dacă are o presiune de vapori adecvată. 

    Distilarea reactivă combină reacția și distilarea într -o singură operație unitară. Aceasta

    este utilizată pentru creșterea conversiei finale. Plasarea coloanei de distilare reactivă dupăreactor asigură controlul mai ușor al procesului, deoarece efectele termice ale reacției sunt mai

    scăzute. Căldura eliberată de reacții poate cauza vaporizare excesivă în zona de mijloc a

    coloanei, ceea ce conduce la degradarea catalizatorului și la scăderea conversiei . O altă

     provocare la distilarea reactivă este menținerea unui raport adecvat alcool/alchenă în faza lichidă

    în contact cu catalizatorul. Raportul metanol-amilene depinde de compoziția azeotropului și presiunea de operare și prezintă o influență majoră asupra  volatilității relative, echilibrului

    chimic și a vitezei de reacție afectând în mod direct conversia. 

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    21/149

    `

     Fig. 1. 8. Diagrama de proces a tehnologiei Ethermax.

    1.4.3.  Procedeul NexTAME (NESTE, 2013)

    În procedeul NexTAME secția de reacție este constituită din două prereactoare a căror

    temperaturi de alimentare sunt coborâte succesiv cu scopul de a maximiza conversia totală.

    Factorul cheie al procesului îl constituie configurația reactorului lateral coloanei de fracționare.

    Curentul lateral al coloanei care alimentează reactorul este evacuat deasupra punctului de

    alimentare al coloanei și este ajustat la temperatura de reacție  prin intermediul unui schimbător

    de căldură. Efluentul reactorului este introdus înapoi în coloană sub punctul de alimentare al

    acesteia permițând optimizarea profilelor de concentrație de-a lungul coloanei. Metanolul seconcentrează în reactorul lateral neputând părăsi coloana nici prin blaz, nici prin vârf. Astfel nu

    mai este nevoie de o secție de separare a alcoolului. 

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    22/149

    `

     Fig. 1. 9. Diagrama de proces a tehnologiei NexTAME.

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    23/149

    `

    1.5.  Proprietăți termodinamice

    Vor fi prezentate în continuare proprietățile substanțelor și modele termodinamice pentru

    reacțiile implicate în proces. 

    1.5.1.  Proprietățile substanțelor pure 

    În Tabelele 1. 4.  și 1.5. sunt prezentate proprietățile compușilor studiați. Datele au fost

    extrase din programul Simulis Thermodynamics. Câteva din datele privind riscul pe care aceste îl

     prezintă sunt prezentate în Anexa 1. 

    Tabelul 1. 4. Proprietăț i punctuale ale componenților implicati (Simulis Thermodynamics)

    Mărimea fizică  SimbolUnitatea

    demăsură 

    MeOH 2M1B 2M2B TAME

    Masa molară  M kg/kmol 32,04 70,14 70,14 102,17

    Temperatura normală defierbere

    Tf   K 337,85 304,305 211,705 359,51

    Temperatura critică  Tc  K 512,64 465 470 534

    Presiunea critică  pc  MPa 8,09 3,45 3,45 3,25

    Volum critic Vc  cm3/mol 118 304,8 306,9 376Presiunea de saturare Ps  kPa 17 81,5 62,2 10,1

    Entalpia de formare Δf H0298  kJ/mol -239,1 -60,96 -68,7 -338,96

    Entalpia liberă de formare Δf G0298  kJ/mol -166,9 66,52 60,24 -119,4

    Entalpia de vaporizare ΔvH0  kJ/mol 37,52 26 27 35,3

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    24/149

    20

    Tabelul 1. 5. Proprietăți dependente de temperatură (Simulis Thermodynamics)

    Proprietatea

    Unitea

    deMăsură 

    Compus Formula

    Coeficienți  Domeniul de

    valabilitate

    al ecuației A B C D E

    (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)

    Călduraspecifică 

    J/mol/K

    MeOH

    32 TD+TC+TB+A=Y    

    105800 -362,23 0,9379 - - 175,47-400K

    2M1B 149510 -247,63 0,9185 - -135,58-304,31K

    2M2B 151600 -266,72 0,90847 - -139,39-311,71K

    TAME

    52

    432

    22

    15

    12

    13

    )1(121

    r r r 

    r r 

    T  D

    T  DC 

    T C 

    T  D AT C  A BT 

     AY 

     

    50,125 289280 1642,7 -1905,1 - 300-500 K

    Presiune devapori

    Pa

    MeOH

      E T  DT C T 

     B AY      lnln  

    81,768 -6876 -8,7078 7,19E-06 -175,47-512,64K

    2M1B 93,131 -5525,4 -11,852 0,014205 - 135,58-465K

    2M2B 83,927 -5640,5 -9,6453 1,11E-05 - 139,39-470K

    TAME 62,342 -5911,7 -5,8464 1,61E-17 6 160-534K

    Entalpia devaporizare

    J/mol

    MeOH

     Br T  AY      1  

    52390000 0,3682 - - - 175,47-512,64K

    2M1B 39091000 0,39866 - - - 135,58-465K

    2M2B 39248000 0,36173 - - - 139,39-470K

    TAME 47237000 0,38594 - - - 160-534 K

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    25/149

    21

    (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)

    Viscozitatelichid

    Pas

    MeOH

      E T  DT C T 

     B AY      lnln  

    -25,317 1789,2 2,069 - -175,47-337,85K

    2M1B -8,4453 639,21 -0,38409 - - 139,39-1000K

    2M2B -10,755 705,48 -0,011113 - - 135,58-304,3K

    TAME -11,276 991,96 -0,018892 - - 160-359 K

    Viscozitate gaz Pas

    MeOH

     

      

     

    21

     D

    T  AY 

     B

     

    3,07E-07 0,69655 205 - - 240-1000K

    2M1B 5,06E-07 0,55258 199,82 - - 135,58-1000K

    2M2B 8,54E-07 0,47389 239,34 - - 139,39-1000K

    TAME 3,85E-06 0,3408 965,8 -28490 160-1000K

    Densitate

    lichidkg/m3

    MeOH

     

      

     

      DC 

     B

     AY 11

     

    2,29E+00 0,2685 512,64 0,2453 -175,47-512,64K

    2M1B 9,16E-01 0,26752 465 0,28164 - 135,58-465K

    2M2B 9,34E-01 0,27275 470 0,2578 - 139,39-470K

    TAME 0,68851 0,26576 534 0,27068 160-534 K

    Tensiuneasuperficiala

     N/m

    MeOH 32 TD+TC+TB+A=Y     3,51E-02-7,04E-

    06-1,22E-07 - -

    273,15-503,15K

    2M1B  Br T  AY      1  

    5,67E-02 1,2419 - - - 135,58-465K

    2M2B 5,65E-02 1,2027 - - - 139,39-470K

    TAME 0,06445 1,2045 - - - 160-534 K

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    26/149

    `

    1.5.2.  Modele termodinamice ale amestecurilor

    Ecuațiile de stare (ecuații cubice) sunt utilizate în industria chimică și petrochimică

     pentru modelarea amestecurilor complexe. Apariția regulilor de amestecare a condus la creșterea

    acurateței rezultatelor și la creșterea domeniului de valabilitate al ecuațiilor cubice/de stare. 

    Pentru a putea aplica ecuațiile de stare la un amestec nepolar sau ușor/puțin polar trebuie să fie

    aplicate regulile de amestecare specifice teoriei fluidului singular.

    În teoria fluidului singular (a lui Van der Waals) se consideră că proprietățile amestecului

    sunt cele ale unui fluid pur ipotetic, iar în ecuațiile de stare parametrii sunt calculați în funcție de

    fracțiile molare ale componenților din amestec.

    În cazul amestecurilor puternic neideale regulile de amestecare de tip cubic nu mai sunt

    valabile. Acestea trebuie înlocuite cu alte reguli dependente de compoziție sau de densitatea

    amestecului. Regulile de amestecare de pendente de densitate sunt formulate astfel încât să se

    obțină valori bune ale proprietăților la valori extreme ale densităților. Pentru limita inferioară de

    densitate (densitate scăzută) este reprodusă corect dependența de compoziție a celui de al doilea

    coeficient virial (funcție pătratică de fracția molară). Pentru limita superioară de densitate

    (presiune infinită) regulile de amestecare trebuie să țină cont de energia liberă Gibbs. Multe din

    regulile de amestecare nu respectă condiția teoretică la limită care consideră că cel de al doilea

    coeficient virial să fie funcție pătratică de fracția de moli. 

    Regulile de amestecare sunt de două feluri, depinzând de tipul de ecuație de stare la care

    se aplică: ecuație virală sau cubică. 

    Forma generală a unei ecuații de stare cubice este prezentată în ecuația: 

    22

    )(

    wbubvv

    T a

    bv

     RT  P 

      (1. 1.)

    Parametrii u, w specifici fiecărei ecuații de stare cubice sunt prezentați în Tabelul 1. 

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    27/149

    `

    Parametrul b al fiecărui tip de ecuație se calculează conform regulii de amestecare uzuale 

    i

     Nc

    i

    ib xb  

    1   (1. 2.)

    În cazul ecuațiilor de stare cubice definirea regulilor de amestecare din punct de vedere

    termodinamic se face în aceleași fel ca și ecuațiile de stare 

     P  z  P T  z  z  P T  f iii

      ),,(),,(      (1. 3.)

       I 

     P T ii   H  H  P T  H  z  z  P T  H  ,*

    0

    *)(),(),,(

      (1. 4.)

    Pentru calculul parametrului a  se calculează întâi energia liberă a sistemului

    considerându-se presiunea egală cu zero: 

    )(ln iiex

     Ln x RT G       (1. 5.)

    0 P   eex GG  mod0    

    Alegerea presiunii de referință egală cu zero permite utilizarea coeficienților de

    interacțiune binară existenți deja în literatură. Deoarece o ecuație de stare e capabilă să utilizeze

    reguli de amestecare complexe pentru calculul energiei libere, când modelul este de tip predictiv(de exemplu UNIFAC), ecuația de stare devine predictivă, iar utilizarea acesteia nu mai este

    limitată de natura componenților sau temperatura și presiunea din sistem. 

    Regula MHV1. Această regulă de amestecarea a fost propusă de către Michelsen et al . și

    calculează parametrul α implicit: 

     

    i

    i

    i

    e

    iib

    b Ln x

     RT 

     x P T G

    qa x

    ),0,(1     

      (1. 6.)

    Unde:

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    28/149

    `

         

    i

    i

    i

    e

    iiiib

    b Ln x

     RT 

     x P T Ga xqa xq

    ),0,(2221

       

      (1. 9.)

    Unde α și αi se calculează cu ecuațiile (1.10.). 

    PSRK a fost dezvoltată de către Gmheling et al.  pe baza modelului UNIFAC PSRK

    utilizând ca ecuație de stare ecuația SRK. Însă poate fi utilizată cu orice ecuație cubică de stare

    sau orice model cu activități. 

      ii

    i

    e

    i

    iib

    b Ln x RT 

     x P T G

    qa x

    ),0,(1     

      (1. 10.)

    1.6.  Termodinamica procesului

    Diferenţa de polaritate dintre componenţii sistemului analizat duce la apariția unor abateri

     puternice de la modelul soluţiilor ideale. Din acest motiv pentru calculul constantei de echilibru areacţiei se vor utiliza activităţile în fază lichidă a fiecăru i component. Valoarea constantei de

    reacție K ai va fi dată de relația (1.11):

     xii

    n

     j

     je

    n

     j

     je

    n

     j

     jeiT 

    ai   K  K  xa RT 

    Gexp K   

             

      

      

      

     

     

      

         

      111

    0

      (1. 11) Unde:  - fracția molară la echilibru a componentului j, 

     activitatea speciei j la echilibru,

      reprezintă coeficienții de activitate calculați prin metoda Wilson.

    Deoarece fracțiile molare ale produșilor secundari sunt mici (sub 2%), influența acestora poate fi neglijată. (F. H. Sayed, 2000).

    Determinarea constantelor de echilibru se poate face în două moduri: pe baza funcțiilor

    termodinamice –modelul Gibbs (1 2) sau prin integrarea ecuației (1 13)

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    29/149

    Tabelul 1. 7. Modele termodinamice

    lnK i  A B C D E F Referința 

    ln K 1  -29,065 5018,61 4,6866 0,00773 -2,60E-05 1,55E-08(Sayed, 2000)ln K 2  -34,798 3918,02 3,9168 0,01293 -3,10E-05 1,81E-08

    ln K 3  -4,159 1100,69 0,7698 -0,0052 4,86E-06 -2,60E-09

    ln K 1  129,9 1190 -25,801 0,07599 -4,40E-05 -(Ferreira,

    2007)ln K 2  125,5 291,6 -24,942 0,07356 -4,30E-05 -

    ln K 3  4,4 898,4 -0,859 0,00243 -1,90E-06 -ln K 1  -8,3881 4041,2 - - - -

    (Rihko, 1995)ln K 2  -8,2473 3225,3 - - - -

    ln K 3  -0,188 833,3 - - - -

    ln K 1  -10,301 4747,278 - - - -(Mao, 2008)

    ln K 2  -9,091 3527,151 - - - -

    1.7.  Mecanisme de reacție și modele cinetice

    Primele mecanisme de reacție propuse au fost cele de tip putere, iar pe parcurs acestea au

    devenit din ce în ce mai complexe. Comportamentul neideal al amestecului a condus la utilizarea

    în expresiile de viteză a coeficienților de activitate în locul concentrațiilor sau a fracțiilor molare.

    În continuare vor fi prezentate câteva mecanisme și cinetici de reacție, iar apoi metodele

    UNIFAC și UNIQUAC de calcul a coeficienților de activitate. 

    1.7.1. 

    Cinetica simplă tip putere Unul dintre cele mai simple modele cinetice este cel de tip putere. Acesta a fost obținut

    de către Kiviranta-Paakkonen (Al Arfaj M. A., 2004) și presupune că reacția are loc doar în fază

    lichidă, fără adsorbția reactanților pe catalizator. Concentrația speciilor este dată ca fracție

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    30/149

     B M  B M    x RT 

     E  A x

     RT 

     E  Ar 

    22

    3

    312

    3

    33

    'exp'exp  

     

      

      

     

      

      

      (1. 16.)

    Tabelul 1. 8. Valorile coeficienților A și E ale modelului tip putere (Al Arfaj M. A., 2004)

    Reactia

    Sens

    Direct Invers

    A, kmol∙s-1∙kg-1  E, kJ∙mol-1  A’, kmol∙s-1∙kg-1  E', kJ∙mol-1 

    1 1,3263∙10

    8

      76,1073 2,3535∙10

    11

      110,54092 1,3718∙1011  98,2302 1,5414∙1014  124,9940

    3 2,7178∙1010  96,5226 4,2933∙1010  104,1960

    1.7.2.  Cinetica de tip Langmuir-Hinshelwood (LH)

    Mecanismul LH prezintă următoarele ipoteze: adsorbția  instantanee și  competitivă a

    tuturor speciilor participante la reacție (metanol, izoamilene și TAME), etapa determinantă de

    viteză este dată de reacția pe suprafața catalizatorului. Mecanismul reacției prezintă următoarele

    etape:

     

     

     

     

     

     

    Sa  –  fracția de centri activi liberi 

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    31/149

    T T  B B B B M  M 

     B B B

    a K a K a K a K 

     K aa K k r 

    2211

    321133

    1

      (1. 19)

    Unde: k i  –  constanta cinetică a reacției i 

    K  j  –  constanta de adsorbție a speciei j 

    a j  –  activitatea speciei j

    Dacă se consideră o variantă simplificată a mecanismului (Paakonen, 2003), în care se ia

    în considerarea doar adsorbția metanolului pe centrii activi, expresiile vitezelor de reacție vor fi

    următoarele: 

       

      

     

    1

    12

    2

    1

    11   K 

    aaa

    a K 

     K k r    T  B M 

     M  M 

     M  ,ap

      (1. 20)

       

      

      2

    22

    2

    2

    21   K 

    aaa

    a K 

     K k r    T  B M 

     M  M 

     M  ,ap

      (1. 21)

       

      

     

    3

    21

    3

    31   K 

    aa

    a K 

     K k r    B B

     M  M 

     M  ,ap

      (1. 22)

    1.7.2. Cinetică de tip Eley-Rideal

    Ipotezele care stau la baza modelului sunt: echivalența energetică a tuturor centrilor activi

    și adsorbția competitivă a speciilor . Se consideră că are loc doar absorbția MeOH și a TAME și

    se neglijează adsorbția izoamilenelor. Izoamilenele din faza lichidă reacționează cu MeOH

    adsorbit formând TAME. Parametrul care controlează viteza de reacție este suprafața pe care are

    loc reacția. (Su W.B., 2000)

       

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    32/149

    Modelul cinetic este dat de ecuațiile de mai jos: 

     

      

     

     

     

     

     

     M T 

     M 

     B M 

    T  B M 

    aa K 

     K aa K 

    aaak 

    r    1111

    1

    1

      (1. 23)

      

      

     

      

     

     M T 

     M 

     B M 

     B M 

    aa K  K 

    aa K 

    aaak 

    r   22

    22

    2

    1

      (1. 24)

     

      

     

    3

    2133

     K 

    aak r    B B

      (1. 25) 

    Parametrii cinetici ai modelului sunt următorii: 

    110

    1

    768001023

       

      

        skg mol 

     RT exp.k    1-cat    (1. 26)

    113

    2

    997001004

       

      

        skg mol 

     RT exp.k    1-cat    (1. 27)

    1103 817001057  

      

         skg mol 

     RT exp.k    1-cat    (1. 28) 

     

      

     

    ..exp K   343824891   (1. 29)

     

      

     

    ..exp K   33520

    1792   (1. 30)

    213   K  K  K     (1. 31)

     

      

     

    ..exp K  K   M T 

    029121310   (1. 32)

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    33/149

    carbocationul. În același timp are loc și izomerizarea dintre cele două izoamilene. În continuare

    este prezentat mecanismul de reacție descris:

    OH   CH3

    CH3

    CH3

    CH3

    +

    CH3

    CH3

    CH3

    P-SO3H   [P-SO3

    -  H2+O-CH3]

    [P-SO3-  H

    2+O-CH

    3]+ (lent)

    CH3   C+

    CH3

    CH3

    OH   CH3+

    CH3   C+

    CH3

    CH3

    O   CH3CH3

    CH3

    CH3

    P-SO3-  + H+ P-SO3H

    (rapid)

     

    1.7.4. Metoda UNIFAC de calcul a coeficienților de activitate 

    Metoda UNIFAC  propusă de către  Fredenslund et al.,  este o metodă semiempirică de

    calcul a activităților componenților dintr -un amestec neideal în care nu există electroliți. Pentru a

    calcula activitățile metoda utilizează grupuri funcționale. Activitatea soluției se  calculează

    utilizând coeficienți de interacțiune ai fiecărei grupări din molecule, dar și coeficienți de

    interacțiune binară. (Simulis, 2012)

    Pentru calculul activității, metoda împarte coeficientul de activitate în doi componenți: un

    component combinatorial, γc, și un component rezidual, γr .

    i

    c

    ii   lnlnln           (1. 33)Modelul necesită trei parametri pentru calculul activității fiecărei molecule: aria

    suprafeței grupului, R, și volumul acestuia, V, valori care se obțin din suprafața și volumul Van

    der Waals. Acești parametri depind de fiecare tip de grup. Cel de al treilea parametru este

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    34/149

      n

     j

     j j

    iii

    r  x

    r  x

    1

        (1. 36)

    12

      iiii   r qr  z 

     L   (1. 37) 

    10 z    (1. 38) 

    n

    k k i   Rr 1

        (1. 39) 

    n

    k k i   Qq1

        (1. 40) 

    i –  numărul moleculei din sistem 

      –  segmentul molar ponderat

      –  fracția de arie a componentului 

      –   parametru al compusului care depinde de coordonatele r, z și q; s-a observat că

    modelul este foarte puțin sensibil la parametrul z (numărul de coordinare al sistemului care de

    cele mai multe ori se consideră constant și egal cu 10. 

      - se calculează din aria suprafeței, R, și volumul grupului, Q, și numărul de apariții

    ale grupului conform ecuațiilor (1.39) și (1.40).

    Componenta reziduală  este determinată de interacțiunile dintre grupurile din sistem.

    Pentru o moleculă i cu n grupări funcționale componenta reziduala este dată de ecuația (1.41) 

    ik k n

     j

     j

    i

    i   lnln Lln   1

         (1. 41)

      m m

    n

    nmn

    kmmmk mk k    lnQln 1   (1. 42) 

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    35/149

      –   activitatea unui singur grup într-o soluție formată doar din molecule de tip i.

    Pentru cazul limită activitatea componentului va fi 1.   –  fracția ariei totale grupului de tip m raportat la aria totală a celorlalte grupuri 

      –  parametrul de interacțiune al grupului m 

       – fracția molară a grupului 

      –  energia de interacțiune între grupul m și grupul n 

    1.7.5. Metoda UNIQUAC de calcul a coeficienților de activitate 

    Metoda UNIQUAC (UNIversal QUAsi Chemical) are la bază un model celular care a

    derivat din aproximarea de ordinul întâi a suprafețelor de interacțiune moleculară din

    termodinamica statistică. Din punct de vedere termodinamic, modelul nu este foarte consistent

    deoarece consideră ipoteza de compoziție locală. Aceasta presupune constantă valoarea

    concentrației în jurul unei molecule centrale independentă de compoziția locală din jurul unei

    alte molecule de natură diferită. Comparând cu rezultatele obținute pentru cazul concentrațiilor

    locale diferite în funcție de tipul moleculei centrale s-a observat că ipoteza influențează foarte

     puțin valorile coeficienților de activitate. 

    Coeficientul de activitate se obține din suma a doi termeni: combinatorial (γc,) și rezidual

    (γr ). Termenul combinatorial este dat de diferențele de formă și mărime ale moleculelor din

    amestec, iar termenul rezidual este dependent de interacțiunile dinte molecule. 

    i

    c

    ii   lnlnln           (1. 47.)

    n

     j

     j j

    i

    ii

    i

    ii

    i

    ic

    i   L x x

     Llnq z 

     xlnln

    12

     

     

          (1. 48.)

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    36/149

     

      

       

     RT 

    uu iiijij   exp    1   jjii        (1. 52.)

    n

     j

     j j

    ii

    i

     xq

     xq

    1

        (1. 53.)

    n

     j

     j j

    ii

    i

     xr 

     xr 

    1

      (1. 54.)

     T uuuuuu   T iiijiiijiiij     0  

    r i  –  volumul van der Waals

    qi  –  aria van der Waalsuij  –  coeficienți de interacțiune binară 

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    37/149

    Bibliografie1.  Al Arfaj M. A., L. W., Plantwide Control for TAME Production Using Eactive

    Ditllation, AIChE Journal, 2004, 50(7), 1462-1473.2.  Aspi K. Kolah, L. K. R.-S. a. K. S.,. Catalytic Distillation Technology Applied to

    Ether Production. In: H. Hamid & M. A. Ali, eds. Hendbook of MTBE and Other

    Gasoline Oxygenates. New York: CRC Press, Cap. 8, 2004.

    3.  Avram, M., 1983. Chimie Organică. In: Chimie Organică. București: Ed.

    Academiei Republicii Socialiste România.4.  Ferreira, M., Experimental and simulation Studies of TAME Synthesis in a Fixed

    Bed Reactor. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2007, 46, 1150-

    1113.

    5.  Krupa, S., Meister, J. & Luebke, C., UOP Ethermax Process for MTBE, ETBE

    and TAME Production. In: R. A. Mayers, ed. Handbook of petroleum refining

     processes. 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 2003, 772-776.

    6.  Libert V., Hector T., Ghmeling J., Chemical Equilibrium Conversion of the tert-

    Amyl-methyl-ether Synthesis in the presence of n-Pentane, Tetrahydrofuran, or

    Benzene, Industrial and Engineering Chemistry Research, 2010, 49, 4412 – 4419.

    7.  Mao, W., Thermodynamic and kinetic study of tert-amyl. Chemical Engineering

    and Processing, 2008, 47, 761 – 769.

    8.  Paakkonen, P., Comparison of the Various Kinetic Models of TAME Formation

     by Simulation and Parameter Estimation. Chemical Engineering & Technology,

    1998, 21, 4140-4147.

    9.  Paakonen, P., Kinetic studies on the etherification of C5-Alkenes to fuel ether

    TAME. In: Helsinki: Industrial Chemistry Publication Series, 2003, 7-8.

    10. Rashed J., Model-based Retrofit Design and analysis of petrochemical processes,

    DTU, 2009.

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    38/149

    14. Walter R.M., Bioethers. The advent of coblending. Harvesting the ETBE EtOH

    synergy, 2nd Green Refining & Petrochemicals Forum, 2011.

    15. Simulis, T., 2012. Thermodynamic properties and phase equilibria calculation

    server. In: Thermodynamic Models v.1.4.. Toulouse: s.n., pp. 50-59.

    16. http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/283096?lang=en&region=

    RO accesat la 19.05.2013.

    17. CDTECH, 2005-2010. CDTECH, http://www.cdtech.com/techProfilesPDF/

    TAME-RefC5Feeds-CDETHEROL.pdf accesat la 05.03.2013.18. The Dow Chemical Company http://www.dow.com/ accesat la 05.03.2013.

    19. The European Fuels Oxigenated Association. http://www.efoa.eu/ accesat la

    02.03.2013.

    20.  NESTE JACOBS, http://www.nestejacobs.com/default.asp?path=111,360,13763,

    13774,13823,13825 accesat la 05.03.2013.21. Organic Chemistry Portal, http://www.organic-chemistry.org/synthesis/ C1O/

    ethers.shtm accesat la 02.03.2013.

    22. http://www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9927227 accesat la 08.03.2013.

    23. http://www.mathesongas.com/pdfs/msds/MAT27800.pdf accesat la 08.03.2013.

    24. 

    http://www.cdms.net/LDat/mp558006.pdf accesat la 08.03.2013.25. http://www.mathesongas.com/pdfs/msds/MAT27800.pdf accesat la 08.03.2013.

    26. http://www.mathesongas.com/pdfs/msds/MAT15350.pdf accesat la 08.03.2013.

    27. https://fscimage.fishersci.com/msds/89790.htm accesat la 08.03.2013.

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    39/149

    2. Limite ideale ale proceselor

    În acest capitol vor fi evaluate modele termodinamice și cinetice prezentate în Capitolul1, iar apoi se vor arăta posibilitățile de separare a amestecului rezultat în urma obținerii a TAME

    din fracția C5 de la cracare catalitică 

    2.1.  Simularea sistemelor de reacție în condiții ideale 

    Reacțiile de obținere a TAME sunt reacții reversibile, iar conversia finală este limitată de

    valoarea de echilibru a acesteia. Singura posibilitate de creștere a conversiei este deplasarea

    echilibrului prin acțiunea unor factori externi: temperatură, presiune (pentru reacții în fază

    gazoasă) sau prin îndepărtarea din sistem a produsului. În Tabelul 2.1. sunt prezentate valorile

    entalpiilor de reacție ale obținerii TAME din izoamilene.

    Tabelul 2. 1. Valori ale entalpiilor de reacție pentru obținerea TAME  

    Nr. Reacție  ΔrG 298 kJ/mola  ΔrH 298 kJ/mol

    a  ΔrH 298  kJ/mol1 -6,56 -33,52 -70,512 0,04 -26,08 -64,273 -6,6 -7,44 -62,39

    a (F. H. Sayed, 2000)b Din simularea efectuată cu Aspen HYSYS 

    Modelele termodinamice prezentate în Tabelul 1.6. au fost implementate în simulator ca

    reacții de echilibru,  Fig. 2.1. Pentru studiul variației conversiei cu temperatura s-a utilizat un

    reactor de echilibru, Fig. 2.2. Datele necesare simulării reactorului sunt prezentate în  Fig. 2.2. a-

    d . Alimentarea reactorului conține izoamilene și MeOH în raport molar 1:1.18 și inert –  

    izopentan (iC5). S-a considerat geometria reactorului tip cilindru având volum de 50 m3.

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    40/149

     Fig. 2. 2. Reactor de echilibru

    a. b.

    c d.

     Fig. 2. 3. Simularea reactorului de echilibru

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    41/149

     Fig. 2. 4. Variația conversiei de echilibru cu temperatura 

    2.2.  Evaluarea mecanismelor de reacție și a modelelor cinetice 

    În vederea alegerii unui model cinetic pentru simulare s-au implementat și  testat însimulator o parte din modelele prezentate în Capitolul 1.

    Unitățile de măsură pentru viteza de reacție utilizate în simulator sunt kmol/(mfluid3∙s). În

    literatură viteza de reacție este prezentată ca variație a numărului de moli în timp pe cantitatea de

    catalizator, mol/(kgcatalizator ∙s). Transformarea în unitățile de măsură necesare în simulator se

    realizează prin înmulțirea cu ρcatalizator 10-3 (1-ε)/ε, unde ε reprezintă fracția de goluri din stratul de

    catalizator (m3 fluid/m3 strat) și ρcat densitatea catalizatorului solid, kg/m3. S-a considerat fracția

    de goluri ε=0,44 și ρcat=800 kg/m3.

    0,5

    0,55

    0,6

    0,65

    0,7

    0,75

    0,8

    45 55 65 75 85 95

       C   o   n   v   e   r   s   i   a

    Temperatura, °C

    Mao et al.

    Rihko et al.

    Ferreira et al.

    Syed et al

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    42/149

    a. b.

     Fig. 2. 5. (a) Reac ție cu cinetică pseudo-omogenă; (b) Reacție cu cinetică eterogenă 

    Pentru ca un model cinetic eterogen să poată fi implementat în simulator acesta trebuie

     prelucrat și adus la forma specifică conform celei din Fig. 2.5.b. În continuare va fi exemplificat

    modul de prelucrarea al ecuațiilor cinetice ale modelului Eley-Rideal (1.13-1.15)  pentru a

    respecta cinetica din Aspen HYSYS.

      Se dă factor comun la numitor aM obținându-se o nouă formă a ecuației.

     Numărătorul se desparte în doi termeni care reprezintă viteza reacției directe și

    viteza reacției inverse și se rearanjează constantele: 

     

      

     

     

      

     

     

      

     

     

      

     

     M 

     M 

     B M 

     B

     M 

     M 

    T  M 

     B M 

     B M 

    a

    a

     K 

     K 

    aa K 

    aak 

    a

    a

     K 

     K a

    aa K 

    aaak 

    1

    1

    1

    111

    11

    11

    11

    1

      (2. 1)

     B M 

    T  B M  B M 

     B M 

    T  B M 

    aa

    aaa

     K 

    k aak 

    aa K 

    aaak 

    1

    1

    1

    1

    11

    11

    11   1    

      

     

      (2. 2.)

      Deoarece constantele au o formă de tip Arrhenius, (2.2.), fiecare termen poate fi

    `

    EEA

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    43/149

     B M 

    T  B M 

    aa

    aaa

     RT 

     E  E 

     A

     Ar 

    1

    1

    11

    1

    1

    1

    'exp

      

          (2. 6.)

      Pentru termenul de adsorbție, numitorul, se procedează asemănător: 

    1exp1    

      

          T 

     M T 

     M 

    T T 

     M 

    T  a RT 

     E  E 

     A

     Aa

     K 

     K   (2. 7.)

    La fel se procedează și pentru ecuațiile cinetice ale reacțiilor doi și trei ( (1.11.), (1.12)).

    În urma calculelor se vor obține următoarele valori ale termenului preexponențial, A, și ale

    energiei, E, care vor fi introduse în simulator.

    Tabelul 2. 2. Valorile parametr ilor A și E ai cineticii tip Eley-Rideal

    Termen k   k' 

    A  E  A  E 1  3,20E+10  7,68E+04  2,01E+14  1,11E+05 2  4,00E+13  9,97E+04  1,52E+17  1,26E+05 

    3  7,50E+10  8,17E+04  1,02E+11  8,89E+04 K 

    T/K 

    M  A=4,01E-05  E=-24212 

    Alegerea modelului cinetic care reprezintă cel mai bine procesul de obținere a TAME s-a

    realizat în urma unui studiu de caz asupra un reactor tubular ideal (PFR), în care s-au utilizat mai

    multe cinetici ( Al Alfarj, LHHW complex, LHHW simplu și ER). Studiul de caz a urmărit variația

    conversiei finale a izoamilenelor în funcție de temperatura de alimentare a reactorului. 

    `

    LHHW complex nu este prezentat în grafic deoarece conversiile obținute cu acesta sunt de

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    44/149

    LHHW complex nu este prezentat în grafic deoarece conversiile obținute cu acesta sunt de

    ordinul 10-2  și nu par a fi realiste. În literatură conversiile raportate pentru intervalul de

    temperatură de 50-80°C variază între 0.50-0.65 (Ferreira & Loureiro, 2004). Din graficul de mai

     jos se observă că modelul care prezice cel mai bine procesul de sinteză a TAME este modelul

    Eley-Rideal.

     Fig. 2. 7 . Variația conversei cu temperatura pentru diferite modele cinetice

    2.3. Analiza posibilităților de separare 

    În vederea separării unui amestec care conține TAME, MeOH, amilene nereacționate și

    iC5 se poat considera următoarele amestecuri ternare: TAME-MeOH-iC5 și 2M2B-MeOH-iC5.

    Amestecul de reacție conține TAME, MeOH, amilene nereacționate și hidrocarburi,cele

    două din urmă putând fi considerate ca un unic component –  isopentan (iC5).

    P li h ă d i î âi b i di l

    0

    0,1

    0,2

    0,3

    0,4

    0,5

    0,6

    0,7

    50 55 60 65 70 75 80

       C   o   n   v   e   r   s   i   a

    Temperatura de alimentare, °C 

    Al-Arfaj

    LHHW simplu

    Eley-Rideal

    `

    curbelor reziduale ale amestecului ternar considerat la presiunea de 6 bar Din figură se observă

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    45/149

    curbelor reziduale ale amestecului ternar considerat la presiunea de 6 bar. Din figură se observă

    că punctul de origine al curbelor reziduale –  nodul instabil - îl constituie azeotropul dintre MeOH

    şi iC5, care este un azeotrop pozitiv și prezintă cel mai scăzut punct de fierbere din sistem ( Fig.

    2.8.), 73,71°C. Nodurile stabile sunt reprezentate de două din vârfurile triunghiului: MeOH și

    TAME pure, care au cele mai mari puncte de fierbere, 160,06°C, respectiv 117,66°C. Punctul

    constituit de azeotropul TAME-MeOH și cel din vârful  de iC5  pur sunt noduri șa. Valorile

    temperaturilor de fierbere ale azeotropului TAME-MeOH și iC5  sunt intermediare între cele ale

    nodurilor stabile și a celui instabil. 

    Curba reziduală care face legătura între cele două amestecuri azeotrope constituie

    frontiera de distilare. Aceasta împarte diagrama în două regiuni: regiunea superioară şi cea

    inferioară frontierei de distilare. Toate compoziţiile aflate deasupra frontierei vor genera curbe

    reziduale care vor avea ca punct final (produs) TAME, pe când cele aflate sub frontiera de

    distilare se vor sfârşi în vârful reprezentat de MeOH pur. 

    De-a lungul unei curbe reziduale temperatura de fierbere creşte continuu o dată cu

    îmbogăţirea amestecului în component greu. Curba reziduală dintre punctul stabil de TAME şi

    cel instabil împart regiunea superioară a frontierei de distilare în alte două regiuni în care curbele

    reziduale vor avea o curbură diferită/un traseu diferit către punctul stabil. Curbele reziduale care

     prezintă concentraţii mai mari de iC5  se îndreaptă inițial către nodul șa iC5, amestecul avândtendința de a se îmbogăţi inițial în iC5, iar apoi se continuă până la nodul stabil de TAME.

    Curbele aflate în zona cu concentrații mai mari de MeOH se îndreaptă la început către azeotropul

    TAME-MeOH și după se continuă până la nodul stabil de TAME.

    Pentru cazul de faţă, dacă se doreşte separarea unui amestec (F1) aflat în zona superioară

    a limitei de distilare având o concentraţie mai mare în iC5 (vezi  Fig. 2.8.) vaporii rezultaţi vor

    conține iC5 şi MeOH (D1), iar produsul de blaz (W1) va fi constituit din TAME pur. Din  Fig.

    2.8. se observă că linia care unește punctele W1 (TAME pur) și D1 constituie o primă coloană

    d di il d l d â f i d bl i i Vâ f l i bl l l i d

    `

    mai scăzută 5 bar compoziția amestecului azeotrop va fi cea de 5 bar care va avea o fracție mai

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    46/149

    mai scăzută, 5 bar, compoziția amestecului azeotrop va fi cea de 5 bar, care va avea o fracție mai

    mare de metanol comparativ cu azeotropul de 6 bar (vezi Tabel 2.3.).

    Sistemul ternar 2M2B-MeOH-iC 5 

    Dacă din sistem se elimină TAME, amestecul va fi format din MeOH, hidrocarbui și

    amilene nereacționate, iar ponderea amilenelor în amestec va fi mai mare decât ponderea în

    amestecul inițial. Din această cauză, pentru realizarea sistemului de separare, se va considera alt

    sistem ternar: 2M2B-MeOH-iC5. S-a ales 2M2B deoarece concentrația acesteia este mai mare

    decât cea a 2M1B, iar comportamentul celor două amilene este asemănător. 

    În acest sistem ternar nodul instabil este azeotropul iC5-MeOH, noduri stabile sunt

    vârfurile triunghiului: MeOH și TAME, iar nodurile șa vârful iC5 și azeotropul 2M2B-MeOH.

    Frontiera de distilare este dată de curba reziduală care unește cele două amestecuri azeotrope.

    Alimentarea celei de a doua coloane (F2), care în prima diagramă ternară a fost

    reprezentată ca un amestec binar, e poziționată în diagrama ternară 2M2B-MeOH-iC5 în zona

    superioară a frontierei de distilare. Separarea amestecului se va face conform Fig. 2. 8 , vârful și

     blazul coloanei aflându-se pe aceeași curbă reziduală. Din diagramă se observă că dacă se

    dorește să se obțină MeOH pur, acest lucru nu este posibil prin distilare deoarece s -ar încălcaforntiera. Pentru a se putea obține MeOH pur se va utiliza echilibrul lichid-lichid. Dacă se va răci

    distilatul D2 se vor obține două faze lichide. Pe măsură ce se scade temperatura zona eterogenă

    L-L se va mări. Pentru cazul de față s-a realizat răcirea până la 35°C. Din  Fig. 2. 9 se observă că

    cele două faze lichide se află de o parte și de alta a frontierei de distilare. Faza lichidă mai bogată

    în MeOH (L2), care se află în stânga frontierei, va fi supusă distilării în a treia coloană dedistilare. Distilarea în C3 se realizează la 2 bar ( Fig. 2.10.). Compoziția distilatului se află pe

    frontieră, iar în blaz se obține MeOH pur. Așa cum s-a specificat și mai devreme, capetele

    coloanei se află pe aceeași curbă de distilare. 

    `

    Tabelul 2. 3. Compoziția amestecurilor azeotrope ale sistemului ternar TAME-MeOH-iC 5 

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    47/149

    p ț p 5

    Presiune,bar

    Compoziție, fracții molare Temperatură, °C 

    TAME MeOH iC5 

    4 0,1506 0,8494 0 102,540 0,2995 0,7005 71,58

    50,1372 0,8628 0 110,14

    0 0,2591 0,7409 73,71

    60,126 0,874 0 116,60

    0 0,2748 0,7252 80,51

    8

    0,1079 0,8921 0 127,27

    0 0,3006 0,6994 91,80

    100,0934 0,9066 0 135,97

    0 0,3786 0,6214 106,43

    Tabelul 2. 4. Compoziția amestecurilor azeotrope ale sistemului 2M2B-MeOH-iC 5 

    Presiune,bar

    Compoziție, fracții molare Temperatură, °C 2M2B MeOH iC5 

    10,7981 0,2019 0 32,10

    0 0,1436 0,8564 23,52

    20,7519 0,2481 0 51,63

    0 0,1888 0,8112 43,18

    3

    0,7721 0,2779 0 64,34

    0 0,2182 0,7818 55,99

    40,6700 0,33 0 74,00

    0 0,2407 0,7593 65,74

    50,6818 0,3182 0 81,91

    0 0,2591 0,7409 73,71

    `

    d

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    48/149

    F1 

    D1=F2 

    W1 

    W2 

    D2 

     Fig. 2. 10. Poziționarea coloanelor de distilare C1 și C2 în diagrama

    ternară a sistemului TAME -MeOH-iC 5 la 6 bar.

    Legendă: 

     - nod stabil

     - nod instabil 

    Δ –  nod șa 

    -  nod al coloanei

    (alimentare, blaz,

    distilat)

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    49/149

     Fig. 2. 12. Poziționarea coloanei de distilare C3 în diagrama

    ternară a sistemului 2M2B-MeOH-iC 5 la 2 bar.

    2.4. Concluziile analizei conceptuale

    În urma considerentelor realizate în acest capitol instalația de obținere a TAME va aveaschema de proces din  Fig. 2.13. și va fi structurată în două secții: secția de reacție și secția de

    separare.

    Secția de reacție va fi alcătuită din două reactoare tubulare, adiabate legate în serie.

    Înainte de a intra în cel de al doilea reactor (R2), efluentul reactorului R1 va fi răcit. Răcirea se

    realizează pentru obținerea unei conversii mai mari și pentru a nu se ajunge în reactor la niștetemperaturi prea mari (peste 100°C) care ar degrada catalizatorul.

    Secția separare a amestecului TAME-MeOH-hidrocarburi va urmări schema directă de

    D3 

    W3 L2 

    `

    amestecată cu faza lichidă L1 rezultată de la  prima separare L-L (care de asemenea este mai

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    50/149

     bogată în hidrocarburi), amestecul fiind recirculat în C2.Alimentarea fiecărei coloane se va face

    la temperatura de fierbere a amestecului (starea termică va fi q=1) 

     Fig. 2. 13. Schema de proces (PFD) pentru obținerea TAME. 

    Bibliografie1.  Al Arfaj M. A., L. W., Plantwide Control for TAME Production Using, Wiley

    InterScience, 2004, 50(7), 1462-1473.

    2.  Doherty M. F., Malone M. F., Conceptual design of distillation systems, McGraw-Hill,

    Boston, 2001.

    3.  Libert V., Hector T., Ghmeling J., Chemical Equilibrium Conversion of the tert-Amyl-

    methyl-ether Synthesis in the presence of n-Pentane, Tetrahydrofuran, or Benzene, Ing.

    Chem. Res., 2010, 49, 4412 – 4419.

    4.  Mao, W., Thermodynamic and kinetic study of tert-amyl, Chemical Engineering and

    Processing, 2008, 47, 761 – 769.

    5.  Documentația Simulis Thermodynamics. 

    `

    3. Studii de caz. Simularea și analiza.

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    51/149

    ș

    Cel de al treilea capitol a lucrării prezintă studii de caz având diferite configurații ș icondiții de operare ale instalației de TAME. În primul caz se va ține cont doar de separarea prin

    distilare realizând o schimbare de presiune în cele trei coloane. Cazurile doi și trei vor considera

    și echilibrul lichid-lichid pentru realizarea separării, însă condițiile de operare pentru aceste

    cazuri diferă. 

    Toate cele trei studii de caz utilizează același pachete de proprietăți și aceleași modelecinetice.

     Lista de componenți conține 2M1B, 2M2B, TAME, metoh și iC5. Așa cum a mai fost

    menționat, toate hidrocarburile în afara amilenelor vor fi reprezentate de componentul iC5 ( Fig.

    3.1.a.).

     Pachetul de proprietăți utilizat este din categoria modelelor cu activități –  UNIQUAC.

     Neidealitatea sistemului este dată de prezența MeOH ( Fig. 3.1.b.).

    a. b.

     Fig. 3. 1. (a) Lista de component (b) Pachetul de proprietăți 

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    52/149

    a. b. 

    c. d.

     Fig. 3. 2.(a-d) Parametrii primei reacții (2M1B + MeOH ↔ TAME) 

    3.1. Cazul 1

    Pentru primul caz secția de reacție a fost realizată din două reactoare adiabate legate în

    serie. Secția de separarea a fost realizată din trei coloane de distilare. Prima coloană ( T-101)

    separă TAME de restul componenților, a doua coloană (T-102) separa iC5 în blaz și un amestec

    de compoziție apropiată a azeotropului MeOH-iC5. Cea de a treia coloană separa MeOH în blaz

    și amestec azeotrop iC5-MeOH în vârf. Metanolul obținut în coloana T-103  este recirculat în

    întregime în alimentarea primului reactor. O parte din distilatul coloanei T-103 este recirculat în

    alimentar ea celei de a doua coloane, iar o parte este purjat. Purja se realizează pentru a evita

    acumulările în sistem, iar raportul dintre debitul curentului purjat și cel reciclat este de 3:1 ( Fig.

    `

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    53/149

     Fig. 3. 3. Diagrama de proces pentru Cazul 1

    a. b.

     Fig. 3. 4.(a,b) Parametrii pentru curentul Purja

    3.2. Cazul 2

    În această variantă de simulare, topologia secției de reacție a fost menținută aceeași ca 

    cea de la primul caz, iar cea a secției de separeare s -a modificat. Pe lângă cele trei coloane au

    mai fost introduse două vase separatoare lichid-lichid.

    Prima coloană are rolul de a separa TAME. Amestecul de hidrocarburi cu metanolrezultat în urma separării în T-101 este separt în cea de a doua coloană. Prin blazul lui T-102 este

    separat iC5, iar prin vârf amestecul de amilene, iC5  și MeOH. Distilatul lui T-102  este supus

    `

    Operația de recycle (reciclu) este utilizată pentru returnarea unui curent către operațiile

    Î

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    54/149

    anterioare. În simulare s-au utilizat trei operații de acest fel. Primul reciclu îl constituie

    amestecul fracțiilor bogate în iC5  rezultate la separarea lichid-lichid și care sunt recirculate în

    alimenatrea coloanei T-102. Rolul acestui reciclu este de a scoate din sistem cât mai mult iC5 și

    de a recupera cât mai mult MeOH. Cel de al doilea reciclu este fracția bogată în MeOH rezultată

    la separarea distilatului coloanei T-103, care este utilizat în alimentarea T-103. Scopul este de a

    recupera cît mai mult MeOH. Cel de al treilea reciclu este constituit de blazul coloanei T-103, 

    care este format din MeOH de puritate 99,99% și este reintrodus în sistem, în alimenta rea

     primului reactor (R1).

    Operațiile balance , set   și adjust   sunt utilizate pentru a menține constant[ cantitatea de

    MeOH intrată în sistem. Dacă nu se menține constată alimentarea de MeOH, acesta se

    acumulează în sistem, se modifică raportul MeOH:amilene, iar producția de TAME este afectată.

    Practic sistemul este alimentat cu MeOH recirculat, care reprezintă jumătate din cantitatea totalăde MeOH și o cantitate proaspătă de MeOH egală cu cantitatea consumată în reacție și eliminată

    la separare prin blazul coloanei T-102.

    `

    I T i ă

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    55/149

     Integrarea Termică 

    Integrarea termică are rolul de a valorifica energia termică a curenților de proces,

    reducând consumul de utilități. Acesta constituie cea mai mare parte a costului de operare a

    instalației. Au fost identificați curenții din simulare care pot fi integrați termic și au fost extrase

    datele necesare (temperatura la sursă/ la intrare în schimbător –TS, temperatura la destinație/ la

    ieșire din schimbător –   TT și debitul termic) –   Tabelul 3.1.,  prin inspectarea flowsheet-ului

    instalației. 

    Tabel 3. 1. Curenții utilizați pentru integrarea termică 

    Curent Sprint Curent HYSYS TS ⁰C TT⁰C Debit termic, kW

    1 Alimentare→ 1  29,50 75,00 680,7526

    2 Efluent R1 → Alimentare R2  92,60 75,00 275,9932

    3 2 → Alimentare T-101 79,62 105,90 417,6235

    4 (Refierbător) WT-101 185,60 187,60 8322,45815 (Condensator) DT-101 99,40 99,20 8224,1104

    6 4 → Alimentare T-102 81,40 98,00 323,9520

    7 (Refierbător) WT-102 115,40 115,60 6695,6595

    8 (Condensator) DT-102 97,70 97,50 6469,3001

    9 6 → Alimentare T-103 35,00 62,00 201,8888

    10 (Refierbător) WT-103 71,30 82,90 186,5000

    11 (Condensator) DT-103 40,70 40,50 329,121012 (V101) 7 97,65 35,00 411,8202

    Utilitățile folosite la realizarea integrarii termice și caracteristicile acestora (calitatea)

    sunt prezentate în Tabelul 3.2. 

    Tabel 3. 2. Utilitățile folosite pentru realizarea integrării termice. 

    Utilitățireci

    TS, ⁰C TT, ⁰CCost,

    UM/(kJ ∙ an) Utilitățicalde

     p, bar

    Tsaturație, ⁰C

    Cost,UM/(kJ ∙ an) 

    Apa 28 38 15 HP 30 234,18 84

    `

    de investiție și a celui de operare în funcție de ΔTmin din rețeaua de schimbătoare de căldură.

    Mi i l t l i t t l ti l l ΔT d 6°C

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    56/149

    Minimul costului total se atinge la o valoare a ΔTmin de 6°C.

     Fig. 3. 6 . Variația costului total în funcție de diferența minima

    de temperatură (forță motoare) în rețeaua de schimbătoare de căldură.  

    Diagrama curbelor compozite arată cantitatea minimă de energie necesară (minimul

    necesar de utilitate caldă și rece), aria minimă de schimb de căldură și numărul minim de

    schimbătoare necesar. Minimul necesar de utilități reci este de 14389,78 kW având temperatura

    maximă de 29°C, iar minimul de utilități calde este de 15306,38 kW având o temperatură de

    minim 193,6°C. Cantitatea maximă de căldură recuperată în proces este de 1320,57 kW. Curbele

    compozite translatate arată localizarea punctului de  pinch de proces, care pentru cazul studiat se

    află la 93,4°C pentru curenții reci și 99,4°C pentru curenții calzi. În  Fig. 3.7. sunt prezentate

    0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

      DTmin [C]

    0.0

    400000.0

    800000.0

    1200000.0

    1600000.0

    2000000.0

       C   C

       T  o   t  a   l   C  o  s   t   [   /  y  r   ]

      i i

    il i

    i l l

    Legendă:     ---- Costul total---- Costul de operare---- Costul de investiție 

    `

    225.0

      i i

    i

    i

    i i

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    57/149

    a.

    0.0 5000.0 10000.0 15000.0 20000.0 25000.0 30000.0 35000.0

      Enthalpy [kW]

    25.0

    45.0

    65.0

    85.0

    105.0

    125.0

    145.0

    165.0

    185.0

    205.0

       T  e  m  p  e  r  a   t  u  r  e   *   [   C   ]

    65.0

    85.0

    105.0

    125.0

    145.0

    165.0

    185.0

    205.0

    225.0

       T  e  m  p  e  r  a   t  u  r  e   [   C   ]

      i i

    i

    i

    i

    `

    termic în care se pot observa cele două puncte de  pinch de utilități: (Q,T) –   (7024, 187,95) și

    (14127 38)  i i

    i

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    58/149

    (14127, 38). 

    a.

    0.0 5000.0 10000.0 15000.0 20000.0 25000.0 30000.0 35000.0

      Enthalpy [kW]

    0.0

    25.0

    50.0

    75.0

    100.0

    125.0

    150.0

    175.0

    200.0

    225.0

    250.0

       T  e  m  p  e  r  a   t  u

      r  e   [   C   ]

    i

    i

    l i

    100.0

    125.0

    150.0

    175.0

    200.0

    225.0

    250.0

    T  e  m  p  e  r  a   t  u  r  e   *   [   C   ]

      i i

    i

    i

    l i

    `

    În urma integrării termice se obține o rețea de 18 schimbătoare de căldură, prezentată în

    Fig 3 9 Detalii asupra schimbătoarelor de căldură determinate în Sprint sunt prezentate în

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    59/149

     Fig. 3.9.  Detalii asupra schimbătoarelor de căldură determinate în Sprint sunt prezentate în

     Anexa 2. 

     Fig. 3. 9. Rețeaua de schimbătoare de căldură obținută în urma integrării termice.  

    În urma realizării bilanțului de utilități pentru fiecare din cele trei cazuri (procesul

    integrat, cel neintegrat și cantitățile minime de utilități rezultate din curbele compozite) se pot

    concluziona următoarele:

      cantitatea de căldură recuperată este de 1,3 MW. 

      consumul de utilități reci este minim pentru procesul integrat. 

      consumul de utilități calde este cu 0,9 MW mai mare.

      consumul de utilități pentru procesul neintegrat mai mare cu 0,9 MW pentru utilitățile

    calde și 2 MW pentru cele reci, recuperarea fiind nulă în acest caz. 

    Deoarece debitele termice recuperabile prin integrare termică sunt foarte mici în cazul

    acestei instalații se acceptă prețul unei penalități legate de recuperarea căldurii respective și se

    `

    18000

    20000

  • 8/9/2019 INSTALAȚIA DE OBȚINERE A TAME DIN FRACȚIA C5 ÎMBOGĂȚITĂ DE LA CRACARE CATALITICĂ COORDONATORI ȘTIINȚIFICI:

    60/149

     Fig. 3. 10. Consumul de utilități calde și reci. 

    Tabel 3. 3. Bilanțul de utilități consumate în proces. 

    Q, MW Minim 

    Curbe compozite Proces integrat  Proces neintegrat 

    Utilități calde  14,4  15,3  16,2 Utilități reci  15,3  15,3  17,3 Recuperat  1,3  1,3  -

     Automatizarea coloanei T-101

    Rolul coloanei este de a separa TAME dintr-un