1. Применение ионных жидкостей в процессах нефтепереработки
Нефтепереработка уже более века является одной из ключевых технологий, определяющих глобальное экономическое развитие и технологический прогресс. Хотя большая часть технологий, используемых на нефтеперерабатывающих заводах, считается зрелой, отрасль постоянно ищет пути совершенствования процессов, снижения воздействия на окружающую среду, повышения безопасности и сокращения затрат. В частности, большое внимание уделяется совершенствованию существующих технологий гидродесульфуризации (HDS), гидроденитрогенизации (HDN), гидродеоксигенизации (HDO) и алкилирования. Благодаря уникальным физико-химическим свойствам и экологическим преимуществам по сравнению с традиционно используемыми растворителями и катализаторами, интерес к ионным жидкостям для таких процессов нефтепереработки в последние годы растет в геометрической прогрессии. [1]. Было доказано, что катализаторы алкилирования на основе ИЖ способствуют эффективному алкилированию, избегая при этом основных проблем, связанных с коррозией (например, коррозионного растрескивания под напряжением), безопасностью и работоспособностью, которые возникают при использовании традиционной технологии на основе HF. Для получения высокооктанового бензина при алкилировании обычно используется катализатор, такой как серная кислота или HF. Однако использование HF было связано со взрывами на нефтеперерабатывающих заводах в Филадельфии. Совет по химической безопасности США (CSB) призвал обновить правила безопасности, связанные с использованием HF. Экстрактивная сероочистка (EDS) мазутов с использованием ионных жидкостей (ILs) интенсивно изучалась в последние десятилетия и имеет хорошие перспективы в качестве альтернативного или дополнительного метода к HDS. Этот процесс протекает в жестких условиях, таких как высокая температура, высокое давление, а также требует наличия благородного катализатора и водорода. При использовании этой существующей технологии стальные трубы могут быть подвержены разрушению в результате высокотемпературной водородной атаки (HTHA). HTHA (иногда называемая «метановой реакцией») происходит при высоких температурах между газообразным молекулярным водородом, содержащимся внутри стального сосуда под давлением, и атомами углерода, расположенными в стальной матрице или в карбидах. В ходе этой реакции образуются молекулы метана. Это явление может привести к потере механических свойств из-за обезуглероживания поверхности и образованию дефектов, вызванных пузырьками метана, расположенными в основном на границах зерен. Авария на Tesoro Anacortes произошла во время запуска «установки гидроочистки нафты» на нефтеперерабатывающем заводе после остановки на техническое обслуживание.
Надежные методики моделирования были применены для анализа ключевых приложений ИЛ: физико-химического улавливания CO2, разделения газов, жидкостно-жидкостной экстракции, экстрактивной дистилляции, холодильных циклов и биопереработки. [2].
2. Численное моделирование производства биодизеля
Моделирование производства биодизеля с помощью вычислительной гидродинамики было проведено с использованием модели вихревой диссипации (EDM) в сочетании с моделью напряжений Рейнольдса (RSM). Рассчитанный выход биодизеля хорошо согласуется с экспериментальными результатами [3]. Мекала применил код ANSYS Fluent для решения уравнений течения жидкости, тепло- и массопереноса в реакторах с набивным слоем [4]. В данной работе представлен мультифизический проект реактора этерификации для превращения олеиновой кислоты и метанола в FAME с использованием жидкости с высокой температурой кипения. Вероятно, впервые фенил-нафталин был предложен для обеспечения тепла, необходимого для поддержания реакции этерификации для получения FAME. [5]. В рамках данной исследовательской работы ионные жидкости были применены в органических реакциях в качестве растворителей и катализаторов реакции этерификации. Высокие качества жидкостей с высокой температурой кипения, а также достижения в нефтегазовой промышленности делают органическую концепцию более подходящей и безопасной (вода, контактирующая с жидким металлом, может вызвать опасность взрыва пара) для нагрева реактора этерификации. Был использован код COMSOL Multiphysics, который одновременно решает уравнения непрерывности, течения жидкости, теплопередачи и диффузии с кинетикой химических реакций.
3. Раздел «Результаты
На рис. 1 показано трехмерное температурное поле внутри реактора этерификации при t = 20 000 с.
Рисунок 1: 3D-график температурного поля внутри реактора этерификации при t=20 000 сек.
Из рисунка 1 видно, что температура в нижней части реактора выше, чем в верхней. Это объясняется тем, что эндотермическая реакция этерификации расходует тепло, выделяемое фенил-нафталиновой жидкостью. Следует отметить, что теплопроводность ионной жидкости и реактивов (олеиновой кислоты и метанола) имеет меньшее значение. На рис. 2 показано трехмерное поле концентрации FAME внутри реактора.
Рисунок 2: 3D-график поля концентрации FAME в реакторе этерификации.
На рис. 2 показано, что конверсия FAME составляет около 100%. Аналогичное значение было получено в работе Ref. [6] для T = 130 °C и 5,6 ч. На рисунке 3 показана осевая концентрация FAME по высоте реактора.
Рисунок 3. Осевой график концентрации FAME по высоте реактора этерификации для фенил-нафталиновой жидкости при температуре 160 °C.
На рисунке 3 показано, что концентрация FAME увеличивается с течением времени. Наблюдается небольшое снижение концентрации FAME от y = 0,1 м до y = 0,4 м. Это объясняется тем, что теплопроводность ионной жидкости и реактивов (олеиновой кислоты и метанола) имеет меньшие значения.
4. Выводы
В данной работе представлено усовершенствованное CFD моделирование производства биодизельного топлива с использованием ионной жидкости имидазолия. Программное обеспечение COMSOL одновременно решает уравнения сохранения массы (непрерывности), течения жидкости (Навье-Стокса), теплопередачи и диффузии с уравнениями переноса реакции этерификации. Было показано, что тепловой поток может обеспечить необходимый тепловой поток для поддержания процесса этерификации. Установлено, что концентрация метанола и олеиновой кислоты уменьшается вдоль оси реактора. Массовая доля FAME увеличивается вдоль оси реактора этерификации. Это объясняется тем, что эндотермические реакции расходуют тепло. Внутренние и внешние поверхности реактора подвергаются тепловому воздействию высококипящей фенил-нафталиновой жидкости. Для того чтобы избежать кипения и испарения воды, образующейся в ходе реакции этерификации, давление внутри реактора этерификации устанавливается на уровне 700 кПа. Следует отметить, что давление насыщения воды при T = 160 °C составляет 620 кПа. Поскольку капли воды, образующиеся в ходе реакции этерификации, тяжелее газа, они падают и извлекаются со дна. Они могут вступать в реакцию с ионной жидкостью, в основном на входе в реактор. Более того, если система нагрева выходит из строя (из-за сбоя в подаче электроэнергии или технических проблем в насосе для перекачки фенил-нафталиновой жидкости), пар может конденсироваться внутри реактора этерификации, что приводит к образованию пузырьков воды и еще больше снижает теплопередачу в реактор этерификации. Таким образом, возобновление нормальной работы реактора этерификации может быть затруднено. Если применить высокое давление, то возобновить работу этого реактора будет проще. В некоторых случаях возникают побочные реакции между водой и ионными жидкостями. Для борьбы с этой проблемой воду удаляют. Горелка на нефтяном коксе может обеспечить необходимый тепловой поток для реактора этерификации. Возможно применение этого реактора вблизи установки замедленного коксования (УЗК) для производства дизельного и биодизельного топлива.
Более подробную информацию об этом исследовании можно найти в справочнике [5].
5. Ссылки
[1] Хайфа Бен Салах, Пол Нанкарроу, Амани Аль-Отман, Процессы нефтепереработки с использованием ионных жидкостей — обзор и промышленные перспективы, Топливо, том 302, 2021, https://lnkd.in/dYf4X79V.
[2] Jose Palomar, Jesús Lemus, Pablo Navarro, Cristian Moya, Rubén Santiago, Daniel Hospital-Benito, and Elisa Hernández Chemical Reviews, 2024 124 (4), 1649-1737, https://lnkd.in/d2U4ExbR
[3] Mohiuddin, A.K.M.; Adeyemi, N. Numerical Simulation of Biodiesel Production Using Waste Cooking Oil. В материалах Международного машиностроительного конгресса ASME 2013 и выставки IMECE2013, Сан-Диего, Калифорния, США, 15-21 ноября 2013 г, https://asmedigitalcollection.asme.org/IMECE/proceedings-abstract/IMECE2013/V08AT09A003/261194
[4] Mekala, S.J. CFD исследования реакционного потока с тепловыми и массовыми диффузионными эффектами в каталитическом реакторе со сверхкритическим упакованным слоем. Докторская диссертация, Политехнический университет Каталонии, Барселона, Испания, 2016, https://upcommons.upc.edu/handle/2117/113679.
[5] Давиди, А. Термогидравлика и термохимический дизайн реактора этерификации метилового эфира жирных кислот (биодизеля) путем нагрева жидкостью с высокой температурой кипения фенил-нафталина. Жидкости 2022, 7, 93, https://www.mdpi.com/2311-5521/7/3/93#B13-fluids-07-00093.