ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТАНОВОК СИНТЕЗА МЕТИЛ-ТРЕТ-БУТИЛОВОГО ЭФИРА ЗА СЧЁТ МОДЕРНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ПОДАЧИ СЫРЬЯ

В современных условиях ужесточения экологических требований к моторным топливам возрастает значение кислородсодержащих компонентов, обеспечивающих повышение октанового числа и снижение токсичности выбросов. Одним из наиболее распространённых компонентов данного типа является метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) [7].

Производство МТБЭ основано на реакции этерификации изобутилена метанолом и широко применяется в нефтехимической промышленности [11]. Однако увеличение производительности действующих установок зачастую ограничивается не химико-технологическими параметрами, а инженерными факторами, связанными с подачей сырья [4].

Упрощённая схема получения МТБЭ представлена на рисунке 1:

Рисунок 1. Схема процесса получения МТБЭ

Недостаточная пропускная способность насосно-трубопроводной системы приводит к увеличению гидравлических потерь, снижению давления и нестабильности технологического режима, что ограничивает переработку изобутан-изобутиленовой фракции (ИИФ).

В связи с этим актуальной является задача разработки технических решений, направленных на устранение указанных ограничений.

Факторы, влияющие на производительность установок синтеза МТБЭ, можно разделить на следующие группы:

• химико-технологические;
• теплотехнические;
• массообменные;
• инженерно-гидравлические [11].

Для действующих установок, имеющих отработанную технологическую схему, наибольшее влияние оказывают именно инженерные факторы.

Основными ограничениями являются:

• недостаточная производительность насосного оборудования;
• гидравлические потери в трубопроводах;
• нестабильность подачи сырья [3].

Таким образом, повышение производительности возможно за счёт оптимизации системы подачи.

Анализ научных публикаций и патентной литературы показал, что основные направления исследований включают:

• оптимизацию каталитических процессов;
• совершенствование ректификации;
• снижение потерь метанола [5].

В патентах RU2063398C1 и RU2248344C1 рассматриваются методы повышения выхода МТБЭ за счёт изменения условий реакции и схем разделения [8, 9].

Зарубежные решения, такие как US4544776A и EP0264282A1, направлены на повышение эффективности процессов регенерации метанола [13, 14].

В таблице 1 приведён сравнительный анализ вариантов:

Таблица 1.

Сравнение вариантов технических решений

Критерий	Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
Прирост переработки ИИФ	высокий	средний	низкий
Устойчивость режима	высокая	средняя	низкая
Гидравлическая надёжность	высокая	ограниченная	удовлетворительная
Реализуемость	высокая	средняя	высокая
Соответствие ПБ	полное	частичное	полное

 

Однако вопросы увеличения пропускной способности системы подачи сырья в указанных работах практически не рассматриваются, что подтверждает актуальность выбранного направления исследования.

Анализ технологической схемы установки синтеза МТБЭ показал:

• реакторный блок обладает резервом производительности;
• ректификационный блок способен работать при повышенной нагрузке;
• химико-технологическая часть процесса не является лимитирующей [6].

Основные ограничения связаны с системой подачи сырья:

• значительные потери давления;
• ограничение расхода ИИФ;
• нестабильность гидравлического режима.

Это приводит к недоиспользованию производственного потенциала установки.

Рассмотрены три варианта модернизации:

1. Комплексная модернизация системы:

• установка дополнительных трубопроводов;
• применение насосов повышенной производительности;
• перераспределение потоков.

2. Замена насосного оборудования:

• увеличение подачи без изменения трубопроводов.

3. Оптимизация режимов работы:

• без модернизации оборудования.

Гидравлические потери являются ключевым фактором, определяющим эффективность системы подачи.

Они определяются по формуле Дарси–Вейсбаха [2]:

                                                                                             (1)

где:

λ — коэффициент гидравлического сопротивления;

L — длина трубопровода, м;

D — диаметр трубопровода, м;

ρ — плотность среды, кг/м³;

v — скорость потока, м/с.

Из выражения следует, что потери давления обратно пропорциональны диаметру трубопровода и квадратично зависят от скорости потока.

При увеличении подачи ИИФ без изменения трубопроводной системы происходит рост скорости потока, что приводит к резкому увеличению потерь давления.

Увеличение диаметра трубопроводов на 20–30% позволяет снизить потери давления до 40–50%, что обеспечивает повышение пропускной способности системы.

Сравнение вариантов показало, что:

• вариант комплексной модернизации обеспечивает максимальный эффект;
• замена насосов без изменения трубопроводов ограничена гидравлическими потерями;
• оптимизация режимов даёт минимальный результат.

Таким образом, оптимальным является вариант комплексной модернизации системы подачи сырья.

Реализация предложенных решений позволяет:

• увеличить переработку ИИФ на 10–20%;
• повысить выработку МТБЭ;
• улучшить устойчивость работы установки;
• снизить гидравлические потери.

Результаты могут быть использованы при модернизации действующих нефтехимических установок.

В работе установлено, что основным фактором, ограничивающим производительность установок синтеза МТБЭ, является недостаточная пропускная способность насосно-трубопроводной системы подачи сырья.

Показано, что комплексная модернизация данной системы позволяет эффективно устранить гидравлические ограничения и обеспечить увеличение переработки изобутан-изобутиленовой фракции без изменения технологической схемы процесса.