Proiectarea tehnologică a procesului de obținere a butadienei

1 Tema de proiect

Să se realizeze proiectarea tehnologică a procesului de obținere a butadienei prin dehidrogenarea catalitică a butenei, urmată de identificarea (prin calcul sau alegere din cataloage) caracteristicilor dimensionale și constructive pentru utilajele și echipamentele din schema de proces optată, prezentarea sub formă desenată (desene de ansamblu) a unui grup de 5 utilaje și echipamente (interconectate între ele în schemă), să se realizeze planurile 3D ale acestora și să se proiecteze montajul traseelor de conducte de proces pentru o un caz particular, respectiv:

- Coloana de rectificare;

- Refierbătorul coloanei de rectificare;

- Condensatorul coloanei de rectificare;

- Vasul de reflux al coloanei;

- Pompa coloanei.

1.1 Date de proiectare

Mod de operare a instalației: continuu;

Ore de funcționare pe an: 8 000;

Capacitate de producție: 65.000 tone/an.

1.2 Materii prime și produse finite

Materiile prime utilizate pentru obținerea butadienei sunt hidrocarburile n-butan și butenă, care sunt obținute ca produși secundari în cadrul altei instalații de cracare a alcanilor cu catenă mai mare sau egală cu C6. Catalizatorul folosit în acest proces este oxidul de crom depus pe suport de alumină.

Curentul cu materia primă ce alimentează reactorul este format din 70 kmoli/ h n-butan, 125 kmoli/h 1-butenă și 2000 kmoli/h de abur. În cadrul instalației este utilizat aburul ca inert pentru diluarea materiei prime, obținându-se în acest fel randamente satisfăcătoare. Raportul abur: hidrocarbură considerat în proces este de aproximativ 10:1. Produsele care se obțin în urma reacției de dehidrogenare a butenei sunt constituite din: 1,3-butadienă, hidrogen, abur, n-butan și 1-butenă nereacționate, dar și produși secundari precum propena, etilena, etanul și metanul.

Butadiena obținută în urma etapei de separare din cadrul procesului are o puritate de 99,99%, ceea ce corespunde cu cerințele pieței, puritatea minimă acceptată pe piață fiind de 99%. Butadiena face parte din clasa de depozitare 3-substanțe lichide inflamabile, motiv pentru care se depozitează în containere închise ermetic ce trebuie păstrate la rece, la o temperatură sub +15°C într-un spațiu bine aerisit, containerele fiind păstrate departe de căldură, de sursele de foc și de acțiunea directă a razelor solare.

1.3 Utilaje și echipamente utilizate

În cadrul instalației sunt utilizate următoarele echipamente și utilaje:

- mixere;

- schimbătoare de căldură;

- un reactor tubular;

- separatoare;

- un compresor;

- un uscător;

- o coloană de absorbție;

- o coloană de distilare;

- pompe;

- refierbătoare;

- condensatoare.

2 Motivația alegerii temei și descrierea procedeului ales

Tema de proiectare ce se dorește a se realiza este procesul de dehidrogenare catalitică a n-butanului și a 1-butenei cu obținere de 1,3-butadienă. Aceast subiect prezintă interes încă de dinaintea celui de al Doilea Război Mondial, deoarece țările beligerante au realizat că în cazul unei crize majore cauciucul nu va mai fi disponibil ca în vremurile pașnice, așa că s-a ridicat problema obținerii cauciucului sintetic, deoarece cauciul natural nu ar mai fi reprezentat sursa principală.

1,3-butadiena este un compus organic din clasa alcadienelor conjugate, având formula chimică C4H6, constituind monomerul principal din care se obțin cauciucuri sintetice sau elastomeri sintetici. Denumirea de butadienă este utilizată pentru izomerul 1,3-butadienă, deoarece acesta prezintă importanță pentru industria chimică, izomerul 1,2-butadienă neavând întrebuințare industrială. Molecula de 1,3-butadienă poate fi considerată ca fiind formată din două grupări vinilice unite.

Din anii precedenți celui de al Doilea Război Mondial și până în prezent se studiază mijloace cât mai avantajoase de obținere a butadienei și cât mai la îndemână, fiind studiate tot felul de tipuri de catalizatori. Până în momentul de față, cele mai eficiente metode de obținere a butadienei sunt reprezentate de:

- dehidrogenarea catalitică a n-butanului și a n-butenelor (procedeul Houdry);

- dehidrogenarea oxidativă a n-butenelor;

- cracarea cu abur a hidrocarburilor parafinice: butadiena este obținută drept co-produs în procesul de fabricare al etilenei;

- piroliza hidrocarburilor, în fracția C4, unde butadiena este un produs secundar, din care este separată prin intermediul distilării extractive.

Alte procedee care au fost utilizate pentru obținerea produsului de interes au fost: procedeul Lebedev, procedeul Ostromislensky și procedeul Reppe. Cauza principală pentru care s-a renunțat la aceste procedee o constituie materia primă costisitoare. În schimb, pentru procedeele care se utilizează acum la scară industrială se pot utiliza amestecuri gazoase provenite de la alte instalații din rafinărie, ceea ce ajută atât din punct de vedere al respectării normelor de mediu, dar și pentru a recupera substanțe de interes, și implicit, pentru a obține profit.

Aproximativ 90% din producția mondială de butadienă este utilizată la fabricarea anvelopelor auto, obținându-se felurite tipuri de cauciucuri sintetice: butadien-stirenic (SBR), polibutadienic (PBR), nitrilic și policloroprenic (neopren). Butadiena este utilizată și pentru obținerea adiponitrilului, fiind un precursor pentru Nylon 6,6, din care se obțin materiale textile. Rășinile acrilonitril-butadien-stirenice (ABS), recunoscute pentru proprietățile lor superioare, sunt produse ce utilizează ca materie primă butadienă.

Principalul motiv pentru care această temă este de interes este reprezentată de faptul că butadiena este utilizată în fabricarea avelopelor auto și pentru că este utilizată la obținerea de Nylon 6,6. Din acest punct de vedere, aceasta constituie o sursă esențială pentru obținerea elastomerilor, și inevitabil fabricarea ei se va realiza în continuare la scară industrială.

În anii 1930-1960 obținerea acestui produs a ridicat probleme în cadrul companiilor din țările dezvoltate. În prezent, acesta nu prezintă problematică în ceea ce privește procesul de sinteză.