Reactiile de izomerizare a hidrocarburilor - proiect chimie

INTRODUCERE

CAPITOLUL I

DATE DIN LITERATURA

I.1 Definirea unor notiuni generale

Reactiile de izomerizare a hidrocarburilor au fost amplu studiate o data cu cresterea importantei economice a petrolului.

Friedel si Crafts realizeaza prima data ( 1882) izomerizarea hidrocarburilor alchilaromatica cu AlCl3 drept catalizator.

Alte tipuri de izomerizari au fost studiate de Markovnikov, Zelinsky si Ipatief. Nenitescu si Dragan au descoperit reactia de izomerizare a cicloalcanilor ( 1933).

In prezent, izomerizarea alcanilor C4-C6 si alchilbenzenilor C8-C10 reprezinta un interes industrial major, de exemplu: izoalcanii datorita cifrei octanice ridicate si a faptului ca acestia reprezinta materii prime pentru fabricarea unor compusi macromoleculari; alchilbenzenii, in special xilenii, care se izomerizeaza in scopul cresterii productiei de para-xilen si orto-xilen, utilizati drept materii prime pentru fabricarea unor fibre si rasini sintetice.

Cicloalcanii si alchenele conduc, prin izomerizare, la obtinerea de intermediary utilizati in sinteza unor combustibili si lubrifianti speciali sau a unor monomeri.

Fractiunile grele se hidroizomerizeaza pentru obtinerea combustibililor diesel sau a uleiurilor usoare, dar, datorita masei moleculare mari, au loc reactii secundare de hidrocracare[ 1].

I.2 Termodinamica reactiilor

In tabelul I.1. este prezentata compozitia de echilibru a amestecului de izomeri alcanici C - C , pe un larg interval de temperaturi. Compozitia de echilibru a alcanilor mai grei de C se complica pe masura cresterii masei lor moleculare, distributia izomerilor mono- si disubstituiti fiind influentata de temperatura.( tab. I. 2).

In tabelul I. 3. sunt prezentate concentratiile de echilibru pentru polimetilbenzeni, iar in tabelul I.4 datele privind reactiile de disproportionare ale meta-xilenului, care au loc in paralel cu cele de izomerizare.

Din cele doua tabele se observa ca, in limitele de temperatura de interes practic, atat reactiile de izomerizare ale alchilbenzenilor cat si de disproportionare ale alchilbenzenilor nu se modifica substantial cu temperatura.

Reactiile de izomerizare sunt slab exotermice si depind de structura hidrocarburii. In tabelul I.5 se prezinta entalpia de reactie pentru izomerizarea pentanului si hexanului.

Tabelul I. 1 Compozitia masica de echilibru ( in % ) a amestecului de izomeri parafinici

Tabelul I.2 Concentratiile de echilibru reale ale parafinelor superioare, %

Tabelul I.3 Concentratiile de echilibru ale polimetilbenzenilor, % mol

TMB= tetrametilbenzen

Tabelul I.4. Concentratiile de echilibru in % moli ale produselor de disproportionare a m-xilenului

Tabelul I.5 Entalpia de reactie pentru izomerizarea pentanului si hexanului

I. 3 Catalizatori, mecanism si cinetica

Catalizatorii acizi de tipul Friedel-Crafts, datorita proprietatilor lor corosive, au fost treptat inlocuiti cu unii de tip bifunctional, care au activitate ce prezinta interes practic la temperaturi mai ridicate.

Acesti catalizatori constau dintr-un metal platinic depus pe un support cu caracter acid, reactia avand loc in prezenta hidrogenului. Metalul confera catalizatorului o functie hidrogenant-dehidrogenanta, iar suportul asigura functia acida. Procesele in care se utilizeaza astfel de catalizatori se numesc procese de hidroizomerizare iar formularea lor este in continua perfectionare.

Recent s-au elaborat catalizatori bifunctionali cu functia acida mult intarita

( catalizatori superacizi).

Intarirea functiei acide se realizeaza prin cresterea raportului SiO Al O a suportului cu structura adecvata, atat prin anumite reactii de schimb ionic cat si prin halogenari speciale ale catalizatorilor.

Functia hidrogenant-dehidrogenanta este asigurata cel mai frecvent de platina, care se depune pe suport in proportie de 0,3-0.6% masa.

I.4 Mecanisme de reactie

La izomerizarea alcanilor pe catalizatori bifunctionali, in prezenta de hidrogen se admite urmatoarea schema :

Centru Centru Centru

metalic Acid metalic

n-Alcan n-Olefina izoolefina Izoalcan

Mecanismul izomerizarii este carbocationic. Pentru catalizatorii cu functie acida intarita se admite ca reactia de izomerizare se desfasoara dupa modelul urmator, care nu include neaparat formarea olefinei ca etapa intermediara:

A, -H- A - CH3 +n C4H10

H C- CH - CH - CH H C- CH - CH H C -C - CH →

CH3

|

H C-CH - CH + H C-CH-CH -CH₃ A ^- = centru activ acid

S-a stabilit, experimental, ca functia acida a catalizatorilor de tipul Pt/Al O poate fi intarita si prin tratarea acestora cu un derivate halogenat ( cloruri organice), in conditii care permit depunerea de clor pe catalizator, conferindu-le o activitate corespunzatoare pentri izomerizarea alcanilor la temperaturi de 140-160°C.

Acest mecanism presupune ca clorul interactioneaza atat cu aluminiul cat si cu platina din catalizator formand un complex de tipul Pt-Cl-Al, care constituie centrul active pentru izomerizare, functiile acida si metalica fiind in acest caz intr-o interactiune foarte stransa. Reactiile secundare, de cracare si de disproportionare complica mecanismul global al reactiei. Acest aspect a fost mai in detaliu studiat pe catalizatorii zeolitici, care au o comportare intermediara intre catalizatorii de hidro-izomerizare la temperaturi inalte

( Pt-Al O - F ) si temperature joase ( Pt-Al O - Cl). In cele ce urmeaza se prezinta o schema cinetica pentru izomerizarea n-hexanului pe un zeolit de tipul Pt/NH NaY, luandu-se in considerare si reactiile de cracare ale fiecarei grupe de izomeri formati. 

I.5 Cinetica

Majoritatea relatiilor cinetice pentru reactiile de izomerizare a hidrocarburilor se refera la alcani pe diferite sisteme catalitice ( Pt-Al O -F, Pt-Al O Cl, Pt-HM, HF-SbF

Catalizatorii de tipul Pt-Al O -halogen sunt aplicati industrial pentru izomerizarea alcanilor, cei promotati cu fluor pentru izomerizari la temperaturi ridicate ( 360-400°C), iar cei cu clor pentru izomerizari la temperaturi coborate (140-160°C). Acestia din urma sunt destinati, in special, pentru izomerizarea fractiilor pentan-hexanice sau hexanice, deoarece formarea izohexanului 2,2 dimetilbutan este favorizata de temperature coborate. Catalizatorii de tip mordenitic (M) , in special cei cu platina, sunt active la temperature medii, fapt ce impune aplicarea unor tehnici speciale pentru izomerizarea materiilor prime hexanice ( separarea n-hexanului si eventual a metilpentanilor din izomerizat, pentru a se obtine izomerizate bogate in dimetilbutani).

I. 6 Izomerizarea alcanilor

Normal-butanul si fractia C -C reprezinta in prezent principalele parafine ce prezinta interes pentru izomerizare. Pentru izomerizarea butanului s-au afirmat in special procedeele 'Butamer' ale firmei U.O.P si cel al firmei B.P. ; ambele intrebuinteaza catalizatori bifunctionali de temperatura coborata, opereaza in mediu de hidrogen, la conversii apropiate de cele de echilibru ( 58-60%) si cu randamente finale de aproape 100%.

In figura I.1 se prezinta schema procedeului 'Butamer' dupa care s-au realizat peste 40 de instalatii industriale.

Figura I.1 Schema tehnologica pentru izomerizarea n - butanului prin procedeul "Butamer"

1 - coloana de deizobutanare; 2 - coloana de stabilizare ; 3 - reactor;

4 - separatoare ; 5 - cuptor; 6 - compresor

Parafinele C -C pot fi izomerizate in trei variante : prelucrarea n-pentanului, a fractiei hexanice sau a fractiei C -C . Fractia C -C provine fie din D.A., fie din R.C. sau din hidrocracare.

Pentanul se izomerizeaza in scopul obtinerii izopentanului, utilizat drept component pentru ridicarea cifrei octanice a benzinelor sau ca materie prima pentru fabricarea izoprenilor. Hexanii se izomerizeaza pentru obtinerea de structuri ramificate cu cifre octanice ridicate ( dimetilbutanii).

In tabelul I.6 sunt prezentate temperaturile de fierbere si cifrele octanice ale pentanilor si hexanilor.

Tab. I.6 Temperatura de fierbere si cifra octanica a parafinelor C -C

Pentru izomerizarea hexanilor sau a fractiilor pentahexanice pot fi intrebuinati cu bune rezultate numai catalizatorii activi la temperaturi coborate sau medii. Catalizatorii de temperaturi coborate ( Pt-Al O -Cl) sunt foarte sensibili la umiditate, azot, sulf si alti impurificatori din materia prima si din hidrogenul recirculat. In tabelul I.7 se prezinta comparativ restrictiile impuse catalizatorilor de temperaturi scazute fata de cei de temperatura inalta ( Pt-Al O -F) care se mai folosesc si in prezent in unele variante de izomerizare a pentanului.

Tabelul I.7 Restrictiile calitative ale materiilor prime parafinice pentru izomerizarea pe catalizatori platinici cu halogeni

Din cauza severitatii inalte impuse catalizatorilor de tipul Pt-Al O -Cl, privind nivelele de concentratie a impurificatorilor, recent s-au eleborat tehnologii in care se utilizeaza catalizatori cu structura zeolitica puternic acida continand platina sau alt metal nobil, dar care sunt mai rezistenti la impurificatorii aratati mai sus. Unul din procedeele de acest tip eleborat de firmele Shell si Union Carbide consta intr-o combinare a procesului de izomerizare propriu-zis numit ' Hysomer', cu separarea n-parafinelor pe site moleculare dupa tehnologia 'Iso Siv'. Noul procedeu a fost denumit ' TIP' ( Total Isomerization Process). Catalizatorul este foarte robust, admitand fractii C -C6 cu un continut de cateva procente de C si aromate precum si cca 15% naftene. Continutul de sulf al materiei prime este mai bine tolerat ( ≤ 15 ppm si ocazional ≤ 35 p.p.m. masa), iar apa este admisa aproape pana la nvel de saturatie. Schema tehnologica pentru varianta TIP este mai complexa ( fig. I.2) , dar asigura o flexibilitate mai mare in alcatuirea carburantilor, prin optimizarea integrarii instalatiei de izomerizare in fluxul rafinariei[1]

Figura I. 2 Schema tehnologica a procesului "TIP" pentru izomerizarea fractiei C₅ - C₆

1, 2, 3 - reactoare ; 4, 5 - sectia de adsorbtie si desorbtie; 6 - coloana de stabilizare;

7 - separatoare; 8 - compresor; 9 - cuptor

I.7 Izomerizarea fractiei C₅ - C₆

Fractia de benzina usoara este caracterizata de o COR scazuta, de regula 65-70. In trecut aceata fractie era introdusa in amestecul de benzina la rezervor, eventual dupa indepartarea mercaptanilor. Valoarea scazuta a COR era compensate prin faptul ca amestecul avea o buna susceptibilitate la plumb ( TEP) ceea ce insemna ca la adaugarea de TEP se ridica COR a benzinei.

Datorita tendintei actuale pe piata benzinelor auto de a diminua sau elimina continutul de plumb, a devenit dificila utilizarea fractiei C5-C6 ca atare la producerea de benzine. In prezent pentru utilizarea acestei fractii in benzina s-au dezvoltat procesul de izomerizare prin care hidrocarburile normal parafinice sunt transformate in izomerii corespunzatori.

Ex. C-C-C-C-C-C  normal HEXAN ( COR=31)

Trece in izomerii corespunzatori :

C-C-C-C 2, 3 dimetil butan ( COR= 105)

C C

C

|

C - C - C - C 2, 2 dimetil butan ( COR= 95).

C

Procesul de izomerizare are la baza reactii catalitice ce se desfasoara intr-o atmosfera de hidrogen la temperaturi si presiuni care difera functie de tipul catalizatorului folosit. Catalizatorii sunt promotati pentru a maximiza reactiile de izomerizare si de a diminua reactiile secundare nedorite

( hidrocracarile). Reactiile se desfasoara pe catalizatori bifunctionali, care au functie metalica si acida.

Pe parcursul dezvoltarii acestui proces s-au utilizat mai multe tipuri de catalizatori. La inceput ( 1940) s-au utilizat catalizatori Friedel-Crafts

( clorura de aluminiu). Utilizarea acestui tip de catalizator avea unele neajunsuri in principal datorita faptului ca se epuiza, iar cresterea temperaturii acest fenomen ducea la eliminarea unei mari cantitati de HCl

( pierdere de functie acida). Aceasta reprezentand si o mare problema in ceea ce priveste fenomenele de coroziune a echipamentelor.

In anii 50 s-a inceput utilizarea metalelor nobile in componenta catalizatorilor creandu-se o noua generatie de catalizatori de izomerizare care erau destinati pentru temperaturi de lucru de peste 200° C. Acesti catalizatori nu aveau cerinte stricte in ceea ce privea calitatea materiei prime, in special continutul de apa, in schimb necesitau un continut scazut de sulf in alimentare. Deoarece conversia era destul de scazuta, temperatura de operare era ridicata si conducea la o depreciere rapida a catalizatorului.

A treia generatie de catalizatori pentru lucru la temperatura joasa ( sub 200° C) aveau pe suport un metal nobil ( Pt, Pd) promotat cu componenti care asigurau functia acida. Acesti catalizatori necesitau o alimentare cu un continut foarte mic de apa si sulf si aveau diferite tolerante in ceea ce privea masa moleculara a alimentarii. Procesul PENEX utilizeaza acest tip de catalizatori.

Catalizatorii zeolitici de hidro-izomerizare au fost introdusi la inceputul anilor '70. Acest sistem opera in faza vapori in conditii de temperatura si presiune relativ moderate (220-300° C, 14-35 bar). Acest sistem prezenta avantajul ca procesul era mult mai tolerant la calitatea materiei prime ( apa, sulf). Dezavantajele sunt ca procesul necesita un compresor de recirculare si datorita depunerilor de cocs catalizatorul trebuie regenerat periodic.

Catalizatorii cu sulfati metalici au fost dezvoltati recent, in ultimii zece ani. Cel mai utilizat este sulfatul de zirconiu. U.O.P., Cosmo si Mitsubishi Heavy Ind. au creat si dezvoltat catalizatorul LPI 100 (catalizator din platina suportata pe zirconiu sulfatat). Acesta este primul catalizator de izomerizare cu sulfat de zirconiu comercializat intr-o instalatie Par-Isom, in octombrie 1996[7].

I.8 CHIMIA PROCESULUI

Prima etapa a procesului de izomerizare consta in formarea olefinei corespunzatoare pe centrii metalici de Pt.

Pt

CH₃ - CH₂ - CH₂ - CH₃ CH₃ - CH₂ - CH = CH₂ + H₂

Reactia este reversibila, iar cand presiunea hidrogenului este destul de ridicata echilibrul este deplasat mult spre stanga. Datorita functiei acide a catalizatorului din olefina se formeaza ionul carbonil ce permite si altor molecule sa se transforme in olefine. Aceasta reactie este slab exoterma producand aproximativ 2200 kcal/kg mol.

Pt

CH₃ - CH₂ - CH=CH + HA^- CH₃ - CH₂ - CH- CH₃ + A^-

Pt

CH₃ - CH₂ - CH- CH₃ CH₃ - C⁺ - CH₃

|

CH₃

Pt

CH₃ - C -CH₃ + A^- → CH₃ - C = CH₂ + H⁺A^-

| |

CH₃ CH₃

Pt

CH₃ - C - CH₃ + H₂ CH₃ - CH - CH₃

| |

CH₃ CH

Pe masura ce au loc reactiile de izomerizare simultan au loc si reactii de hidrocracare. Viteza si ponderea reactiilor de cracare creste cu cresterea temperaturii.

Conversia normal pentanului la izo-pentan si a n-hexanului la 2,2 dimetil butan si la 2,3 dimetil butan sunt doar cateva din multele reactii de izomerizare care pot avea loc. Realizarea compozitiilor la echilibru sunt imposibil de realizat termodinamic si pot fi obtinute numai dupa un timp de reactie infinit ( cu un reactor cu lungime infinita). De aceea in practica, concentratia izomerilor in efluent este sub valoarea la echilibru. Cu cat debitul de alimentare este mai mic ( timpul de stationare in rectie este mai mare) sau ca cresterea temperaturii compozitia se apropie de valoarea la echilibru.

La o temperatura excesiv de mare, concentratia de izoparafine in efluent va scadea usor, deoarece curba de echilibru are tendinta descrescatoare. De aceea se utilizeaza temperaturi suficient de ridicate pentru a se apropia cat mai mult de compozitia la echilibru dar care sa nu favorizeze reactiile de hidrocracare care ar diminua randamentul.

O alta urmare negativa generata de operarea la temperaturi inalte intr-o atmosfera de hidrogen este aceea ca se pierd centrii acizi de pe catalizator

( sulfatul metalic trece in metal). Reducerea sulfatului este foarte rapida la temperaturi peste 275 ° C.

In timp, activitatea catalizatorului scade datorita depunerilor de cocs sau datorita oricarei otravi prezente in alimentare. Aceasta conduce la o conversie din ce in ce mai mica a normal pentanului la izo-pentan, avand ca rezultat o COR scazuta a efluentului. Pentru mentinerea unei CO ridicate temperaturile la reactie se cresc usor. In cazul atingerii unor temperaturi peste 215° C la reactie trebuie luat in calcul necesitatea regenerarii catalizatorului[6].

I.9 VARIABILELE PROCESULUI DE IZOMERIZARE SI INFLUENTA ASUPRA CALITATII PRODUSELOR

Cunoasterea variabilelor procesului permite intelegerea conditiilor de operare ale instalatiei da posibilitea operatorului sa inteleaga mai bine limitarile procesului si permite o analiza adecvata in cazul unor dificultati in proces. Pe masura ce apar schimbari ale calitatatii produsului, poate fi evaluat gradul de imbatranire al catalizatorului si se pot face modificari corespunzatoare ale conditiilor de lucru pentru compensare.

Principalii factori care influenteaza procesul de izomerizare sunt

I.9.1 compozitia alimentarii : Materia prima pentru instalatia Izomerizare este predominant parafinica si consta dintr-un amestec C5-C6. Materia prima contine in mod normal si alte tipuri de hidrocarburi, al caror efect efect a fost evaluat in instalatii pilot cat si in instalatii industriale cum ar fi :

- Parafinele C4 si mai usoare trec peste catalizator fara a fi modificate si pot fi considerate ca si inerte.

- Heptanul si parafinele mai grele sunt hidrocracate de catalizatorul de izomerizare si, in plus , pot accelera cracarea parafinelor C5 - C6.

- Produsele secundare majoritare ( aproximativ 90%) care rezulta in acest caz sunt izo-butan, normal-butan si propan. Pentru rezultate optime , continutul de C trebuie sa fie mentinut sub 2% volum. Compusii grei tind sa cracheze si sa conduca la depunerea de cocs pe catalizator, rezultatul fiind scurtarea vietii catalizatorului.

- Benzenul este rapid hidrogenat la ciclohexan fara efect imediat asupra performantei catalizatorului. Totusi la concentratii mai mari de 3% cresterea temperaturii poate avea efect daunator asupra reactiei de izomerizare si asupra randementului.

- Naftenele impiedica reactia de izomerizare a parafinelor deoarece se adsorb pe centrii activi inhiband reactia normal-parafinelor. Aceasta conduce la necesitatea cresterii temperaturii, pentru a compensa pierderea centrilor activi. Naftenele sufera si o rupere a inelului. Ciclul naftenic se rupe cu dificultate, reactia fiind favorizata de cresterea temperaturii. Deoarece benzenul este hidrogenat rapid la ciclohexan, acesta este supus reactiei mentionate mai sus. Metil ciclopentanul si ciclohexanul se gasesc la echilibru la conditiile de iesire din reactor. La cresterea temperaturii, echilibrul se deplaseaza spre formarea metilciclopentanului cu cifra octanica mai ridicata decat a ciclohexanului.

- Olefinele sunt rapid hidrogenate fara a cocsa catalizatorul si se comporta ca si parafinele omoloage. Cresterea temperaturii favorizeaza hidrogenarea care, daca este semnificativa, ar putea avea efect daunator asupra conversiei si randamentului.

Compozitia alimentarii este o variabila indirecta, schimbarea compozitiei

va avea efect asupra cifrei octanice a produsului izomerizat. Acest lucru se datoreaza diferentelor dintre cifrele octanice ale izomerilor C - C . In general, cu cat pentanul din materia prima este in concentratie mai mare, cu atat cifra octanica a izomerizatului este mai mare.

I.9.2 Temperatura

Temperatura patului de catalizator este cea mai importanta si cea mai sensibila variabila disponibila pentru controlul randamentului si a calitatii produsului. Temperaturile mai mari vor duce la cresterea conversiei, dar vor favoriza reactiile de cracare si depunerile de cocs, avand ca rezultat randament scazut si dezactivarea accelerata a catalizatorului. Prin urmare, exista o temperatura optima care permite echilibrarea intre conversie, eficienta si viata catalizatorului. Cresterea temperaturii peste valoarea optima va cauza o scadere rapida a randamentului, cu imbunatatirea nesemnificativa a conversiei si a cifrei octanice. Cresterea temperaturii peste 230° C va avea ca rezultat reducerea sulfatului din catalizator cu pierderea centrilor acizi si deci a activitatii catalizatorului. Scaderea temperaturii sub valoarea optima va conduce la scaderea conversiei , cu cresterea nesemnificativa a randamentului.

Temperatura de intrare in primul reactor ( lead reactor) este controlata prin reglarea temperaturii amestecului materie prima cu hidrogen pe baza variatiei de temperatura ( delta T) de-a lungul reactorului. Aceasta se va schimba odata cu modificarea concentratiei benzenului, heptanului si a parafinelor grele din alimentarea reactorului. Cu cat concentratia acestora este mai mare, cu atat mai mare este delta T. Temperatura de intrare in reactor trebuie reglata astfel incat sa se mentina o temperatura de iesire din reactor relativ relativ constanta.

Pentru majoritatea materiilor prime, temperatura de intrare trebuie sa fie cuprinsa intre 140-180° C. Temperatura la iesire din reactor trebuie sa fie cuprinsa intre 180-215° C. Temperatura din reactor trebuie sa fie ridicata numai atat cat sa se poata obtine produsul de calitatea dorita. Daca temperatura din reactor creste peste aceasta valoare, se va produce o crestere a reactiilor de hidrocracare care vor conduce la scaderea randamentului. Temperatura de iesire din reactor nu trebuie niciodata sa depaseasca 230° C deoarece poate produce o reducere ireversibila a activitatii centrilor activi ai catalizatorilor. Daca concentratia benzenului si/sau a C din alimentare este mare se va reduce temperatura de intrare in primul reactor pentru a compensa cresterea temperaturii datorita reactiilor exotermice. Totusi, limita minima a temperaturii nu trebuie sa scada sub o valoare situata la 30° C peste temperatura de condensare pentru a evita temperatura de condensare capilara care conduce la formare de cocs pe catalizator. Majoritatea reactiilor de izomerizare vor avea loc in primul reactor.

Al doilea reactor ( lag reactor) va functiona la o temperature mai joasa pentru a beneficia de avantajul cresterii conversiei la temperature mai scazute. Pentru o materie prima care contine benzene, olefine sau heptan, reactorul al doilea va lucra in mod normal la o cadere mult mai scazuta decat in primul reactor. Acest lucru se intampla deoarece reactiile de cracare si hidrogenare puternic exotermice au avut deja loc in primul reactor.

I.9.3 PRESIUNEA

Catalizatorul LPI-100 este afectat de schimbarea presiunii in reactor.

Functionarea la presiuni inalte conduce la cresterea ponderii reactiilor de izomerizare, saturare si de deschidere a inelului naftenic. Hidrocracarea este de asemenea intensificata, dar in masura mai mica[6].

I.9.4 VITEZA VOLUMARA

Viteza volumara este o masura a cantitatii de materie prima procesata pe o cantitate data de catalizator intr-o perioada data de timp. Viteza volumara afecteaza calitatea produsului. Viteza volumara scazuta ca urmare a unui debit de alimentare scazut conduce la cresterea numarului de centrii activi ai catalizatorului raportat la molecula de hidrocarbura. Acest lucru genereaza cresterea conversiei, dar si o cracare mai puternica. Scaderea temperaturilor pe reactor va compensa acest efect. Dimpotriva, functionarea la viteze volumare mai mari va necesita temperaturi mai mari in reactor pentru a compensa timpul mai scurt de stationare in reactor. Functionarea la o viteza volumara scazuta este o situatie de emergenta. Aceasta poate avea ca rezultat o crestere nepermisa a temperaturii in reactor. Instalatia Par-Isom trebuie sa functioneze cu viteza volumara cuprinsa intre ( 1,5- 2.5 h) [6].

I.9.5 RAPORTUL H2 / ALIMENTARE

Raportul hidrogen/hidrocarbura este raportul molar al hidrogenului fata de C5+ din alimentare. Hidrogenul trebuie recirculat peste catalizator tot timpul, pentru a proteja catalizatorul de depunerile de cocs. In general, raportul hidrogen/ hidrocarbura trebuie sa fie mentinut intre 1-4 mol/mol, deoarece la valori de ale raportului sub 1 pot apare depuneri de cocs. Operarea la rapoarte mai mari de hidrogen/hidrocarbura creste performanta catalizatorului, dar peste un raport de 4 mol/mol calitatea produsului creste nesemnificativ, in timp ce consumul de utilitati creste excesiv[6].

I.10 CONTAMINANTI.

Alimentarea cu materie prima si hidrogen a instalatiei Par-Isom poate contine o varietate de poluanti care vor reduce temporar sau permanent activitatea catalizatorului.

Tabelul I.8 Contaminanti in alimentarea cu materie prima a instalatiei

I.10.1 Sulful reduce activitatea catalizatorului chiar atunci cand este prezent in cantitati mici in alimentare ( mai putin de 5 ppm gr.). Catalizatorul de izomerizare poate tolera perioade scurte prezenta compusilor cu sulf fara pierderea permanenta a activitatii. Cu toate acestea, cantitati mari de compusi cu sulf poate conduce la o viteza marita de dezactivare. Cea mai mare parte a sulfului depus pe catalizator poate fi indepartata prin stripare cu hidrogen, dar trebuie avut grija deosebita sa nu se depasesca temperatura maxima admisa de catalizatorul LPI 100. Aceasta operatie va avea ca rezultat recuperarea activitatii catalizatorului. Timpul recuperarii totale depinde de cat de indelungata si cat de intensa este contaminarea. De obicei, activitatea va fi recuperata in cateva zile daca se lucreaza cu alimentare de calitata buna[6].

I.10.2 Metalele : arseniul, plumbul, cuprul, mercurul si sodiul sunt otravuri permanente ale catalizatorului care vor suprima activitatea platinei si vor neutraliza si centrii acizi ai catalizatorului de izomerizare. Orice sursa posibila de contaminare cu aceste metale trebuie evitata cu grija. Fractia C - C nu contine in mod obisnuit acesti compusi[6]

I.10.3 Azotul : Compusii cu azot vor fi transformati in amoniac care va fi adsorbit pe catalizatorul de izomerizare, reducand centrii activi disponibili pentru izomerizarea parafinelor. Aceasta va conduce la o scadere a raportului izoparafine/ normal-parafine in efluentul din reactor. Azotul liber poate fi indepartat de pe catalizator prin regenerare [7].

I.10.4 Apa

Sub 50 ppm, apa nu afecteaza izomerizarea. De fapt, este de dorit ca nivelul apei sa fie intre 10-30 ppm pentru a mentine corespunzator al centrilor acizi Bronsted si Lewis pe catalizator. Peste 50 ppm se vede efectul de scadere al activitatii. Acest efect poate fi compensat partial prin cresterea temperaturii in reactor, dar cifra octanica a produsului va scadea datorita deplasarii echilibrului catre compusi nedoriti. Indepartarea apei din alimentare va conduce la revenirea activitatii catalizatorului. Prezenta apei libere in instalatie poate dezactiva definitiv catalizatorul[7].

I.10.5 Oxigenul si compusii oxigenati

Compusii oxigenati vor fi adsorbiti pe catalizatorul de izomerizare si pot forma precursori de cocs, marind viteza de dezactivare. Oxigenul in concentratii foarte mici ( de ordinul ppm) promoveaza formarea polimerilor care, la temperaturile ridicate existente in schimbatoarele de caldura conduc la cresterea depunerilor[7]

CAPITOLUL II

ANALIZA TEHNOLOGICA

II.1 Date de analiza

Analiza tehnologica a instalatiei de izomerizare a fractiei C₅-C₆ s-a desfasurat pe parcursul a 3 zile din perioade diferite notate in proiect cu TEST A, TEST B, TEST C. In tabelul II.1 sunt prezentate debitul de materie prima alimentare reactie , debitul de hidrogen recirculat, raportul molar H₂/materie prima, viteza volumara. Toate valorile calculate se incadreaza in conditiile furnizate de firma furnizoare de catalizator.

In tabelul II.2 sunt prezentati parametrii principali pe sectia de reactie : temperaturi, presiuni.

In tabelul II. 3 este prezentat bilantul material pe instalatie conform proiectului si bilantul material pe cele 3 zile de analiza.

In tabelele II.4,5,6,7,8,9,10,11 , 12 , 13 sunt prezentate rezultatele de laborator conform proiectului si rezultatele de laborator obtinute in cele 3 zile de test pentru : materie prima alimentare , materie prima alimentare sistem reactie, produse varf si baza coloana de deizopentanizare, produs de varf si baza coloana de stabilizare, produs de varf, baza si fractie laterala coloana de deizohexanizare , gaze de recirculare.

Tabelul II.1 Debit alimentare materie prima, debit H₂ recirculat, raport H₂/m.p., viteza volumara

Tabelul II.2 Temperaturi, presiuni zona de reactie

Tabelul II.3 Bilant material pe instalatie

Tabelul II.4 Analize  materie prima alimentare

Tabelul II.5 Materie prima alimentare reactie

Tab. II.6 Produs varf coloana de deizopentanizare

Tabelul III.7 Produs de baza coloana de deizopentanizare

Tabelul II. 8 Produs varf coloana de stabilizare

Tabelul II. 9 Produs de baza coloana de stabilizare

Tabelul II.10 Produs de varf coloana de deizohexanizare

Tab. II 11 Produs baza coloana deizohexanizare

Tabelul II.12 Fractie laterala coloana de deizohexanizare

Tabelul II.13 Gaze de recirculare

II. 2 DATE DESPRE CATALIZATOR

Catalizatorul de izomerizare este un catalizator din platina suportata pe zirconiu sulfatat, avand urmatoarele proprietati fizice :

Denumire : catalizator LPI-100

Dimensiunea particulei : 1.6 mm ;

Forma : extrudat ;

Greutate volumetrica : 1201-1362 kg/m3.

Culoare : crem-portocaliu

Incarcare cu platina : 0.29-0.35% gr.

Catalizatorul nu contine o halogenura drept activator sau promotor, astfel sistemul nu este expus unui mediu corosiv[7].

V cat. R1= 5.25 m3 ; V cat R2= 9.75 m3

G cat.R1= 5800 kg Gcat R2= 11700kg

Hcat R1=1670 mm. H cat. R2= 3100 mm.

II. 3 DATE DESPRE REACTOARE :

Reactor R1 + R₂ au loc reactii chimice de izomerizare, cilindric vertical, mediu hidrocarburi C1-C7+ H2.

Di= 2.000 mm;

HLT= 4600 mm;

Tcalcul= 255 ° C;

P calcul= 32 bar.

R₂ are aceleasi date constructive ca si R₁[7].

CAPITOLUL III

CALCULUL TEHNOLOGIC

III.1 Calculul constantelor de viteza si a debitului de materie prima

Folosind date de literaturǎ referitoare la parametrii cinetici [2] s-au calculat constantele de vitezǎ, dupǎ cum urmeazǎ :

EA= 63 kj /mol= 63000 / 4.18 = 15071 cal/mol

k400° C = 3.33 * 10 ^-2 sec^-1

ln k₁/k₂ = E/R ( 1/T₁ - 1/ T₂) unde : T₁= 400+273= 673 K

k₁ = 3.33 x 10^-2 s^-1

ln k_160°C/k_400°C= 15071/1.98 ( 1/433 - 1/673)= 6.27 → k _160°C= 17. 95 sec^-1

ln k_170°C/ k_400°C = 15071/1.98 ( 1/443- 1/673)= 5.87 → k_170°C = 11.71 sec ^-1

ln k_180°C/k_400°C = 15071/1.98 ( 1/453- 1/673) = 5.49 → k _180°C = 8.09 sec^-1

ln k_190°C/k_400°C = 15071/1.98 ( 1/463-1/673)= 5.13 → k_190°C = 5.63 sec^-1

ln k_200°C/k_400°C = 15071/1.98 ( 1/473 - 1/673)= 4.78 → k_200°C = 3.98 sec^-1

Calculul debitului total de materie prima:

Debit molar gaze cu H₂= 12.500 / 22.4= 558 Kmoli/h

M= Y_i * M_i = 0.812 * 2 + 0.112 * 16 + 0.041 * 28 + 0.022 * 43 + 0.013 * 57= 4.45 Kg/Kmol

M= 4,45Kg/ kmol

Debit masic gaze cu H₂ = 558 Kmoli/h * 4.45 Kg/Kmoli= 2483,1 Kg/h

G _total= G_m.p. + G_{gaze cu H2} = 15000 + 2483.1= 17483.3 Kg/h.

III.2 Calculul G_i la intrare si iesire din reactoare

Tabelul III.1 Calculul G_i la intrare in reactoare

Tabelul III.2 Calculul G_i baza coloana de stabilizare

Tabelul III.3. Calculul G_i varf coloana de stabilizare

Tabelul III.4 Debitul G_i total la iesire din reactoare

III.3 CALCULUL CONVERSIEI nC₅ , nC₆

X_nC5 = (Gi _{react nc5} - Ge _{reactor nc5} ) / Gi _{reactor nc5} = (1905 - 631.98)/1905= 0.68 x100= 68%

X_nC6=(Gi _{reactor nc6} -G_{e reactor nc6}) /Gi _{reactor nc6 =}(3541.5 - 1749.6)/ 3541.5 = 0.52 * 100 = 52%

III.4 CALCULUL VOLUMULUI ZONEI DE REACTIE

Modelul matematic reactor neizoterm adiabatic catalitic

Proces global: A Produse nC₅ iC₅

( Σ nC₅, C₆ ) nC₆ iC₆

d_Xa / d_{V ZR} = ( -r_A) / F_A

dT/d_VZR = ( - H_A) ( - r_A) / (G x C_p)

G = G_m.p. + G _{gaze cu H2} = 15000 + 2483.3 = 17483.3 Kg/h

( -r_A) = k * C_A = k_CA ( 1-X_A )

C_{AO nC5}= conc. nC₅ intr. = 0.176 moli

F_{A0 (nC5)} = 1925 / 72 =26,73 kmoli /h

F_{A0 (nC6)} = 3541,5 / 86,17 =41,1 kmoli /h

F_A0 (nC5 + nC6) = 26,73 + 41,1 = 67,83 kmoli/h

C_{A0 (nC5 = nC6)} = (P * y _{AO nC5} ) / RT _alim.= (29.8 *Y_A0) / ( 0.082x438)= 0.308 mol/l

Y_{A0 (nC5 +nC6)} = 0.45 / 1.21= 0.372

C_p = Σ g_i * C_PI

T_m = (T_i + T_e) / 2 = (165+200 ) / 2= 190°C

Tabelul III.5 : Calculul C_P

Tabelul III 6 Calculul H f intrare reactanti

Tabelul III. 7 Calcul ΔHfr iesire reactanti

ΔHr= H _{f intrare reactanti} - ΔHf,r = -3.31 + 47.79= 42.91 kcal/100g = 429,1 kcal/kg

ΔHr = 429,1 kcal/kg

ΔT= [F_A (-ΔH_r)] / (Gx C_p)] *X_{A nC5} = [(26.73 * 429.1) / (1908 *0.582)] x 0.52 = 5.37sC

ΔT = 5.37 sC

ΔT= T_f -T_i → T_f = 165 + 5,3= 170.3° C

V_{ZR (nC5 + nC6)}= F_AO / ( k * C_AO) [( ln 1/1-x_Af )] = 67,83 / [17,95 * 0.308 ln (1/ 1-0,68)] = 13,9865 m³ [4].

V_{ZR ( nC5 + nC6}) = 13.9865 m³ [4]

Izomerizarea fractiei C5-C6 se petrece intr-un RCT neizoterm adiabatic, reactiile de izomerizare ale componentilor nC5 si nC6 se petrec simultan, fiecare reactie folosind un volumul de zonǎ de reactie obtinutǎ prin calcul.

Rezultǎ cǎ pentru izomerizarea fractiei nC₅ + nC₆ se folosesc 13,9865 m³, fatǎ de un volum total al reactoarelor de 15 m³ existenti in instalatia industrialǎ.

Se constatǎ, astfel, cǎ instalatia lucreazǎ la capacitatea maximǎ si cǎ nu existǎ disponibiltǎti de a mǎri capacitatea de prelucrare.

CAPITOLUL IV

CALCULUL MECANIC

IV.1. PREZENTAREA CONSTRUCTIV-FUNCTIONALA A APARATULUI DE TIP COLOANA

In industriile petroliere prelucratoare, chimica si petrochimica, precum si in alte industrii, se intalnesc aparate tehnologice care, prin forma si dimensiuni, intra in categoria aparatelor de tip coloana, aparate zvelte, cu raport relativ mare intre inaltime si diametru.

Calculul complet al unei coloane de fractionare presupune dimensionarea tehnologica si dimensionarea mecanica, cele doua dimensionari fiind interdependente.

Conceptul de aparat de tip coloana, in general, este asociat cu cel de proces de transfer de substanta sau de masa (absorbtie, desorbtie, chemosorbtie, adsorbtie, fractionare, rectificare, extractie etc). Pentru a asigura durata necesara realizarii procesului urmarit, coloana trebuie sa aiba o anumita inaltime si un anumit diametru tehnologic.

In ansamblul sau, aparatul de tip coloana se compune din corp si amenajarile (echipamentele) interioare si/sau exterioare corespunzatoare.

Amenajarile (echipamentele) interioare corespunzatoare (pentru procese de transfer de substanta) au forme si functii diverse (talere, corpuri de umplere, serpentine etc) concordante cu tipul procesului tehnologic.

In functie de complexitatea constructiva, respectiv de frecventa deservirii aparatului, podetele si/sau platformele sunt prevazute numai pe o parte din circumferinta sau pe toata circumferinta mantalei [5].

Se considera ca fiind aparate de tip coloana, toate aparatele tehnologice cilindrice verticale care indeplinesc una din urmatoarele conditii:

Respectiv:

In care:

H_t - inaltimea totala (gabaritica) a aparatului, in mm

D_{it ech} - diametrul interior tehnologic echivalent al aparatului, in mm

IV.2.DATE TEHNICE GENERALE

1.Tipul tehnologic :Coloana de fractionare.

2.Tipul constructiv:

D=4800mm;

H=27000mm;

3.Echipamentul tehnologic interior: talere cu supape

4.Parametrii tehnologici principali:

- presiune interioara:    p=1.6 bar=0.15696 MPa;

-temperatura de calcul : t

-viteza de coroziune: W=0.16 mm/an

-greutate specifica produs: =8000 N/m

- durata de serviciu :   

IV.3. ALEGEREA MATERIALELOR

Aparatul de tip coloana care trebuie proiectat lucreaza la:

- temperatura    t

- presiune interioara p=1.6 bar=0.15696MPa

Conform acestor date se va alege un hotel cu marca 14MoCr10,corespunzator categoriei a-II-a recipietului,conform STAS 2883/3-88.

Otelurile din categoria a-II-a sunt oteluri aliate destinate tablelor de cazane si recipiente sub presiune lucrand la temperaturi ridicate [5],

Caracteristicile fizico-mecanice ale otelurilor sunt

-limita tehnica de fluaj:

- rezistenta tehnica de durata

- rezistenta la ruper

- limita tehnica de curgere

Caracteristicile otelului 14MoCr10:

-0.10 . 0.18%C

-0.40 . 0.70%Mn

-0.15 . 0.35%Si

-max. 0.035%P

-max.0.030%S

-0.70 . 1.10%Cr

-0.40 . 0.60%Mo

-0.015 . 0.035%Al

IV.4.CALCULUL DE PREDIMENSIONARE

IV.4.1CALCULUL REZISTENTEI ADMISIBILE

La proiectarea aparatelor tehnologice, un element de baza care trebuie luat in consideratie si care in mare masura este hotarator atat pentru pretul de cost cat si pentru modul de comportare si durabilitate in exploatare il constituie calculul rezistententelor admisibile.

Calculul rezistentei admisibile a materialului de baza pentru solicitarea statica de intindere se face pe baza prescriptiei tehnice ISCIR C₄-90.In conformitate cu aceasta se stabileste valoarea pentru rezistenta admisibila :

Se utilizeaza urmatoarele doua relatii generale :

min

min

Valoarea cea mai mica a marimii obtinute reprezentand rezistenta admisibila.

)

Coeficientii globali de siguranta au valorile:

c_c=1,5

c_r=2,4

min

N/mm

min

 ;

N/mm

) ;

IV.4.2. CALCULUL DE PREDIMENSIONARE AL MANTALEI CILINDRICE

Mantaua este supusa la presiune interioara constanta pe toata lungimea acesteia precum si la presiune hidrostatica distribuita liniar pe lungimea mantalei fiind constanta pe fiecare tronson al mantalei si variabila de la un tronson la altul.

Mantaua cilindrica a aparatului de tip coloana este un invelis cilindric cu perete subtire fiind respectata restrictia De/Di<1,5.Tinand seama de aceasta precum si de faptul ca in cazul mantalelor cilindrice Dn este identic cu Dit, grosimea de perete a mantalei date se determina cu formula :

unde:

p_c - presiunea de calcul , N/mm², care se determina cu formula:

p_c = p+ p_h

p - presiunea indicata in datele de proiectare, N/mm²

p_h - presiunea hidrostatica la baza tronsoanelor, N/mm²

Fig.IV.4.1.Determinarea presiunii de calcul

Tronsonarea se face tinandu-se cont de latimile de tabla standardizate.

D_i - diametrul interior al sectiunii de rezistenta, mm, care se determina cu formula:

D_i = D_it + 2s_a [mm]

s_a - grosimea de adaus obtinuta cu formula :

s_a =s_c + s_t [mm]

s_c -adaosul de coroziune determinat cu formula :

s_c = w_c *t [mm]

w_c - viteza de coroziune, w_c = 0,16 mm/an

t_s - durata de serviciu, t_s = 10⁵ ore = 12,5 an

s_c = 0,16*12,5 = 2 mm

s_t -grosimea de perete de adaos tehnologica stabilita in functie de toleranta negative de fabricatie la grosimea tablei peretelui conform STAS 437-80.

Alegem : s_t =0,8 mm

s_a = 2+0,8 = 2,8 mm

D_I =Dit+2Sa=1800+2*2,8 =4805,6 mm

Phi= _p*hi

_p -greutatea specifica a produsului

_p=8000 N/m³=80*10^-7 Mpa

Tronsonarea coloanelor

h₁ = H_if + H_m/4=0,25*Dit+h+Hm/4=0,25*4800+60+24480/4=7380 mm

h₂ = h₁+H_m/4 =7380+24480/4=13500 mm

h₃ = h₂ +H_m/4 =13500+24480/4=19620 mm

h₄ = h₃ +H_m/4 +H_if = 19620+6120+1260=27000mm=H_Taparat

Dupa calculul inaltimilor h₁,h₂,h₃,h₄ se pot calcula presiunile hidraulice:

Pi=0,15696 MPa

P_h1=80*10^-7*7380=0,059 MPa  

P_h2=80*10^-7*13500=0,108 MPa 

P_h3=80*10^-7*19620=0,157 MPa

P_h4=80*10^-7*27000=0,216 MPa

Cunoscand presiunile hidraulice putem calcula presiunile de calcul:

P_ci=P_hi+P_i N/mm²

P_c1=0,059+0,15696=0,216 MPa

P_c2= 0,108+0,15696=0,265 MPa

P_c3= 0,157+0,15696=0,314 MPa

P_c4= 0,216+0,15696=0,373 MPa

Cunoscand si presiunile de calcul putem trece la calculul grosimii mantalei:

S₁= (0,216*4805,6 )/ (2*0,95*76-0,216)+2,8=10 mm

S₂=(0,265*4805,6) / (2*0,95*76-0,265)+2,8=11,64 mm

S₃=(0,314*4805,6) / (2*0,95*76-0,314)+2,8=13.27 mm

S₄=(0,373*4805,6) /(2*0,95*76-0,373)+2,8=15,25mm

Tinand seama de inevitalitatea solicitarilor eoliene, seismice si gravitationale, grosimile de perete calculate se majoreaza cu 30%, iar valoarea obtinuta, se standardizeaza.

Astfel:

S_1nec=S₁+30%S₁ =13 mm

S_2nec= S₂+30%S₂ =15,132 mm

S_3nec= S₃+30%S₃ =17,25 mm

S_4nec= S₄+30% S₃=19,825mm

Se standardizeaza aceste marimi si rezulta:

S_{1 STAS} = 14 mm

S_{2 STAS} = 16 mm

S_{3 STAS} = 18 mm

S_{4 STAS} = 20 mm

IV.4.3. CALCULUL DE PREDIMENSIONARE AL FUNDURILOR ELIPSOIDALE

Fundurile elipsoidale solicitate la presiune interioara sunt standardizate din punct de vedere dimensional fiind executate prin ambutisare, fie dintr-un singur semifabricat, fie din segmenti preasamblati prin sudare.Grosimea totala de perete se evalueaza cu urmatoarea formula:

Unde:

y_e - coeficientul de suprasolicitare ale carui valori depind de simplexul dimensional H/Dm, pentru H/Dm=0,25 ; y_e =1,00

s_a - grosimea de adaos, care se determina cu formula:

s_a = s_c + s_t + s_t' , unde:

s_c - adaosul de coroziune

s_t - adaosul tehnologic mecanic pentru abaterea de la grosimea tablei

s_t' - grosimea de adaos tehnologic pentru compensarea subtierii tablei prin ambutisare

s_t' =0,8 mm

s_a = 2+0,8+0,8 = 3,6 mm

Fig. IV.4. Fundul ellipsoidal

SIT- suprafata interioara tehnologica

SM - suprafata mediana a peretelui de rezistenta

SE - suprafata exterioara

AR - axa de revolutie

CG - curba generatoare

IR - inceputul racordarii

IV.4.4. Calculul sistemului de rezemare al aparatului

Pentru aparatele de tip coloana se folosesc suporturi inchise cilindrice Fig.IV.3.

Fig.IV.3. Calculul sistemului de rezemare

D_ip - diametrul interior al piciorului

D_ip = D_it = 4800 mm

D₁ - diametrul exterior al contrainelului

D_i,i - diametrul interior al inelului

D_e,i - diametrul exterior al inelului

b_i - latimea inelului de rezemare, bi = 300 mm

s_1p = s_IVSTAS = 20 mm

D_e,i = D_ip + s_1p + b_i = 4800 + 20 + 300 = 5120 mm

D_1,i = D_ip + s_1p - b_i = 4800 + 20 - 300 = 4520 mm

Grosimea inelului s₁ = 1,6s_1p = 1,6*20 = 32 mm

Grosimea contrainelului s₂ = 0,75*s₁ = 24 mm

Grosimea guseului (nervurii de rigidizare) : s₃ = 0,6s₂ = 0,6*24= 14,4 mm

S_3STAS= 16 mm

D_cs=diametrul corespunzator pozitiei suruburilor de ancorare

D_cs=D_ip+2*(a+s_ip)

b_i=4*a+s_1p→a=(300-20)/4=70 mm

D_cs=4805,6+2*(70+20)=5085,6mm

Numarul de suruburi: n_s = pD_cs/t_s

Suruburi de ancorare sunt de tipul M56 cu caracteristicile :

diametrul exterior d=56mm

diametrul mediu d₁=52,428mm

diametrul interior d₂=50,046mm

pasul filetului t_s=5,5mm

inaltimea filetului h=2,977mm

Pasul dintre suruburi, t_s este :

t_s=7*d=7*54,81=383,67mm

d₁=(d₂+d)/2d=2d₁-d₂=54,81mm

d-diametrul nominal (exterior) al filetului, in mm

Numarul de suruburi de fundatie este :

n_s=3,14 *5085,6/(7*54,81)=44→multiplu de 4,pentru o mai buna stabilitate ;

Suruburile au dimensiunile:

a=d+20=56+20=76 mm

b=d+60=56+60=116 mm

d₁=d+10=56+10=66 mm

d₂=d₁+10= 76 mm

Schita unui aparat de tip coloana de fractionare este prezentata mai jos in care:

1 : mantaua cilindrica a aparatului,cu inaltimea Hm,diametrul interior tehnologic Dit si grosimi variabile de perete s1

2 : fundul superior al aparatului elipsoidal cu inaltimea H^S_1f si grosimea de perete S_1fs si care are o portiune cilindrica de legatura cu manta cu inaltimea h_m

3 : fundul inferior al aparatului cu grosimea de perete S_1fi si inaltimea Hⁱ_1f

4: sistemul de sustinere si rezemare al aparatului (manta cilindrica) cu inaltimea Hp

5 : inelul de rezemare

6 : contrainelul de rezemare

7 : suruburi de ancorare,cu crestatura,tip scelment

8 : guri de vizitare cu diametrul nominal D_n500

9 : racorduri

R : racorduri tehnologice

10 : talere coloanei de fractionare

11 : fundatia inelara din beton armat

12 : nivelul terenului amenajat : cota :000

Fig.IV.5.Aparat de tip coloana

CAPITOLUL V

CALCULUL ECONOMIC

Optimizarea organizarii reviziei unui cuptor de izomerizare

Revizia unui cuptor tehnologic reprezinta un ansamblu de activitati care se pot desfasura in serie sau in paralel, in functie de conditionarile de natura tehnologica.

Activitatile necesita pentru desfasurarea in conditii optime un consum de resurse materiale, energetice, umane si temporale.

Organizarea desfasurarii activitatilor la realizarea unor revizii presupune stabilirea unui obiectiv care se considera avantajos intr-un anumit context.

In majoritatea cazurilor practice, acest obiectiv este legat de termenul minim in care se pot desfasura toate activitatile din cadrul proiectului.

Metoda utilizata pentru a optimiza desfasurarea activitatile este Metoda Drumului Critic, care stabileste succesiunea optima pentru activitati si ofera posibilitatea cunoasterii in orice moment a stadiului realizarilor si a necesarului pentru perioada urmatoare.

Aplicarea Metodei Drumului Critic pentru optimizarea organizarii reviziei unui cuptor de izomerizare presupune parcurgerea urmatoarele etape :

4.1. stabilirea activitatilor componente;

4.2.conditionarea activitatilor si caracterizarea lor din punct de vedere al duratei de desfasurare si la numarului de executanti;

4.3. realizarea grafului asociat proiectului, calculul termenelor specifice evenimentelor;

4.4. stabilirea si caracterizarea drumului critic din grafic;

4.5. calculul termenelor pentru activitati;

4.6. trasarea graficului Gantt pentru utilizarea fortei de munca;

4.7. analiza posibilitatilor de optimizare in desfasurarea activitatilor.

In cadrul acestui proiect se vor analiza succesiv etapele prezentate, cu analiza specifica pentru particularitatile impuse de tipul cuptorului de izomerizare.

V.1. Stabilirea activitatilor componente in proiectul de realizare a reviziei cuptorului de izomerizare

Revizia cuptorului de izomerizare presupune realizarea urmatoarelor activitati :

Tabelul V.1

V.2. Conditionarea activitatilor si caracterizarea lor din punct de vedere al duratei de desfasurare si a numarului de excutanti

Tabelul V 2

V.4. Stabilirea si caracterizarea drumului critic din graf

Drumul critic este format din activitatile : A,B,C,E,G,O,P,R.

LD_cr =57 ore (lungimea drumului critic)

V.5. Calculul termenelor pentru activitati

Pentru o activitate, termenele minime de inceput si sfarsit se calculeaza in functie de termenele minime si maxime ale evenimentelor care le delimiteaza.

• termenul minim de incepere pentru activitatea :

• termenul maxim de sfarsit pentru activitate :

• termenul maxim de incepere pentru activitate :

• termenul minim de sfarsit pentru activitate :

Aceste relatii se aplica pentru toate activitatile din graf, completandu - se tsbelul pentru termenele activitatilor. In tabel mai apare si rezerva totala de timp pentru fiecare activitate :

In cadrul acestei rezerve, activitatile pot fi prelungite sau deplasate fara sa afecteze termenul final de incheiere a proiectului impus de drumul critic.

Tabelul V3 Termenele activitatilor

V.6. Trasarea graficului Gantt pentru utilizarea fortei de munca pe perioada desfasurarii reviziei :

Din analiza graficului Gantt rezulta o distributie avantajoasa a utilizarii fortei de munca pe perioada desfasurarii reviziei.

Nu exista fluctuatii numeroase si majore pe variatia fortei de munca.

Activitatile necritice dispun de rezerve de timp semnificative, in care pot fi deplasate sau intrerupte fara se afecteze termenul final impus de lungimea drumului critic.

CAPITOLUL. VI

ASPECTE PRIVIND PROTECTIA MEDIULUI, NORME PRIVIND TEHNICA SECURITATII SI P.S.I. IN RAFINARIE

VI.1. Surse de poluare din rafinarie

Agentii de poluare a mediului produsi in rafinarii pot fi grupati, ca marea majoritate a agentilor de poluare a mediului, in urmatoarele domenii de poluare :

Poluarea aerului

Poluarea apei

Aceste domenii de poluare sunt denumite si factori de mediu, iar primii trei factori mentionati sunt aproape nelipsiti in orice studiu de evaluare a poluarii mediului.

Surse de poluare a aerului

Emisiile de agenti de poluare a aerului in rafinarii provin, in principal de la urmatoarele surse:

a)       procese de combustie;

b)       instalatii tehnologice;

a) Fiecare cuptor dintr-o instalatie tehnologica este o sursa majora de agenti de poluare care se gasesc in gazele rezultate prin arderea combustibililor. In functie de tipul combustibililor, gazele de ardere pot contine: CO₂ in cantitati foarte mari, CO care rezulta prin arderea incompleta a combustibililor, oxizi de sulf cand combustibilul utilizat contine sulf, oxizi de azot in functie de tipul si intretinerea arzatoarelor de la cuptoare, compusi organici volatili, in principal hidrocarburi in cazul in care arderea nu are loc in conditii optime, printr-o reglare necorespunzatoare a raportului combustibil/aer, particule solide de diverse dimensiuni rezultate prin arderea combustibililor.

Pe langa arderea combustibililor in cuptoarele tehnologice din incintele rafinariilor, proces care constituie fara indoiala, principala sursa de poluare a aerului, in rafinarii mai au loc si alte procese de combustie (operatiile periodice de decocsare a serpentinelor cuptoarelor din diferite instalatii tehnologice).

Compozitia gazelor de ardere rezultate din procesele de combustie nu difera semnificativ.

In afara de agentii poluanti mentionati la arderea combustibililor, in gazele de aerdere se mai pot identifica :

b)    Unele instalatii tehnologice emit continuu sau intermitent si alti agenti de poluare, desi in cantitati mici in comparatie cu gazele rezultate prin combustie. In continuare se vor prezenta instalatii tehnologice si agenti de poluare emisi dupa cum urmeaza:

distilare atmosferica si in vid - hidrocarburi, gaze necondensabile emise de sistemul de vid;

Surse de poluare a apei

Dupa sursele de provenienta, apele contaminate din rafinarii pot fi clasificate astfel:

ape provenite din condensarea aburului folosit in diferite operatii de prelucrare;

ape de la condensatoarele barometrice;

ape de spalare a utilajelor tehnologice, a rezervoarelor,etc.

ape menajere.

Apele provenite de la condensarea aburului de stripare din instalatia DAV contin, de asemenea, produse petroliere. Ca element caracteristic, ele contin deseori amoniac, injectat in coloanele de distilare pentru combaterea coroziunii si alti compusi (hidrogen sulfurat, mercaptani, fenoli in cantitati mici).

Condensurile produse in procesele de cracare se caracterizeaza prin continuturi mai mari de hidrogen sulfurat, fenoli si acizi naftenici, etc. fiind cunoscute sub numele de condensuri acide.

Continutul de fenol este cu atat mai ridicat, cu cat materiile prime provin din titeiuri naftenice sau naften-aromatice.

Condensurile rezultate la hidrofinarea fractiunilor petroliere nu contin practic decat hidrogen sulfurat.

Apele de la condensatoarele barometrice contin produse petroliere in cantitate mare si in dispersie foarte fina, purificarea acesteia facandu-se uneori prin centrifugare.

VI.2 Reguli generale de NTS-PSI in rafinarii

Conducerea unitatii va lua masuri pentru a exista permanent la dispozitia personalului:

regulamentul de ordine interioara;

regulamentul de functionare a instalatiei;

instructiuni de protectia muncii si PSI specifice locului de munca;

atributiile fiecarui post din echipa.

In fiecare instalatie tehnologica vor fi afisate la locuri vizibile:

regimul tehnologic de exploatare cu precizarea limitelor minime si maxime ale parametrilor, precum si conditiile de calitate pentru materia prima si produsele finite;

schema tehnologica de principiu a instalatiei respective;

planul de evacuare a personalului in caz de alarma chimica;

lista echipelor de salvare pe fiecare schimb.

Fiecare instalatie va fi dotata cu registru pentru raport de activitate pe schimburi precum si cu foi de operare.

In timpul opririi, pornirii, reviziei instalatiilor, vor fi notate intr-un registru toate lucrarile si operatiile executate atat de personalul instalatiei cat si cel al atelierelor de intretinere cu care se colaboreaza. Raportul de activitate va fi semnat de catre personalul operator din echipa, atat la primirea cat si la predarea serviciului si va fi parafat de catre seful de schimb si seful de instalatie.

Seful de instalatie va stabili zilnic programul de lucru, iar seful de formatie la schimb si personalul operator au obligatia sa respecte acest program.

Orice modificare in regimul tehnologic se va face numai cu aprobarea scrisa a sefului de instalatie

Ridicarea si reducerea temperaturilor, debitelor si presiunilor in timpul operarii instalatiilor trebuie sa se faca treptat, prevenindu-se o vibratie brusca care poate duce la dilatari si contractari.

Orice opeatie in instalatie se va executa numai din dispozitia sefului de schimb.

Sefii de formatie la schimb sunt obligati sa anunte imediat seful de instalatie sau seful de sectie, toate defectiunile ivite in exploatarea instalatiei care ar putea conduce la accidente tehnice si la situatii periculoase.

Punerea in functiune si oprirea instalatiilor se va face numai la dispozitia si in prezenta sefului de instalatie sau a sefului de sectie. In cazul in care situatia creata impune oprirea fortata a instalatiei, operatia de oprire se poate face numai sub conducerea sefului de formatie la schimb care va actiona in conformitate cu instructiunile pentru oprirea fortata a instalatiilor.

Lucrarile si operatiile dificile stabilite in instructiunile de lucru ale instalatiei, vor fi executate ziua. Atunci cand este necesar ca aceste lucrari sa fie executate noaptea, se va obtine aprobarea scrisa din partea directorului intreprinderii si numai dupa ce au fost luate masurile de siguranta.

Toate instalatiile de prelucrare din rafinarii vor fi oprite pentru revizia generala conform programului stabilit si aprobat de fortul tutelar.

Ca principiu general trebuie avut in vedere ca intervalul de timp intre doua inspectii la aparatele tehnologice si conducte, pentru stabilirea grosimii peretilor sa nu depaseasca jumatate din timpul socotit ca aparatul sau conducta sa ajunga la grosimea minima de inlocuire rezultata din calculul pentru conditiile de exploatare.

La stabilirea frecventei inspectiei se va avea in vedere micsorarea grosimii peretelui pe timp de un an datorita coroziunilor si eroziunilor si anume: perioada intre doua inspectii sa nu depaseasca un an pentru coroziuni peste 10%, 2 ani pentru coroziuni intre 4 - 10%, 5 ani pentru coroziuni sub 4%.

Toate aparatele din instalatia de prelucrare vor fi supuse inspectiei periodice pentru verificarea grosimii peretilor si a starii de uzura a aparatelor in general.

Rezultatele inspectiei se vor nota pe fise de inspectie care trebuie sa existe pentru fiecare aparat si recipient.

Cand un aparat tehnologic din instalatiile de prelucrare nu a functionat un timp mai indelungat (minim 3 luni), el va fi supus unei inspectii si probelor manuale de presiune inainte de a fi pus in functiune.

Inainte de pornirea instalatiilor trebuie sa se verifice:

starea armaturilor de siguranta;

starea liniilor de evacuare spre facla sau spre rezervorul de golire rapida, inclusiv ventilele;

starea dispozitivelor de stins incendiu;

starea aparatelor de masura si control si mai ales a regulatoarelor de presiune, manometre etc.;

daca toate orificiile date pentru controlul grosimii peretilor la aparate si conducte, au fost astupate corespunzator;

daca au fost scoase toate blindele montate in timpul opririi si daca au fost puse la loc cele necesare in timpul functionarii, conform jurnalului pentru evidenta blindelor;

daca s-au montat la loc toate mijloacele de protectie (scari, podete, capace de pe camine si canale, aparatori) demontate la oprire;

prezenta personalului care alcatuieste echipa tip si a personalului ajutator (lacatusi, mecanici etc.);

daca au fost efectuate probele de etansare ale subansamblelor si sistemului;

daca s-a facut asigurarea cu utilitati a instalatiei;

daca exista buletine de incercari pentru armaturile de siguranta si procese verbale pentru predarea - primirea instalatiilor de stins incendiu si ale inspectiei instalatiei.

Toate locurile de munca vor fi mentinute in permanenta curate.

Produsele petroliere varsate trebuie indepartate imediat, locul respectiv acoperit cu nisip sau spalat bine cu apa calda.

Pe platforma fiecarei instalatii vor fi prevazute surse da apa potabila ferita de pericolul infestarii cu alte produse.

Personalul tuturor instalatiilor de prelucrare si auxiliare, va fi dotat cu echipamentul de lucru si protectie corespunzator conditiilor de munca in conformitate cu normativul in vigoare pentru echipamentul de protectie si de lucru.

Toate utilajele componente ale instalatiilor vor fi inscriptionate in locuri vizibile.

Lucrarile care pot prezenta pericol de accidentare si a caror executare nu este reglementata in normele departamentale sau prin alte instructiuni scrise si aprobate, nu se pot executa decat pe baza unor dispozitii scrise ale directorului rafinariei cu indicarea masurilor de protectie corespunzatoare.

BIBLIOGRAFIE

1. Suciu, G.C., Tunescu, R., Ingineria prelucrarii hidrocarburilor, vol. 4, Editura Tehnica, Bucuresti, 1993.

2. Speight, G, Ducker, M, Petroleum Refining Processes, New York, 2003

3. Raseev,S, Dekker,M, Thermal and Catalytic Processes in Petroleum Refining, New York, 2003.

4. Bohaltea, I, Ezeanu-Stanica,D, Indrumar de laborator si aplicatii specifice , Ed. Universitatii din Ploiesti, 2003.

5. Pavel, A., s.a., Aparate de tip coloana. Indrumator pentru proiect de an, I.P.G. Ploiesti, 1980.

6. Ezeanu Stanica, D., Catalizatori zeolitici, Editura Universitatii din Ploiesti, 1999;

7. Regulamentul de functionare al instalatiei de izomerizare al fractiei C₅-C₆ din S.C. Petrotel-Lukoil S.A.