Проект установки каталитического риформинга производительностью 1,0 млн. т/год. Расчет реактора установки

       

           2 Технологическая часть

 

Рассчитать реакционный  блок установки каталитического риформинга бензина ( табл.3) со стационарным слоем алюмоплатинового катализатора[6].

 

Таблица 3. Исходные данные по сырью

 

Показатель	Значение
Относительная плотность	0,747
Фракционный состав, %:
н.к.	358
10	367
50	401
90	441
к.к.	453
Углеводородный  состав, % мае.:
ароматические	11
нафтеновые	47
парафиновые	42

 

Производительность установки 1 млн.т / год. Исходные  данные для расчета представлены в табл.4[6].

 

Таблица 4. Исходные данные для расчета

 

Показатель	Значение
Производительность установки Продолжительность рабочего цикла Продолжительность регенерации  катализатора Продолжительность капитального ремонта Объемная скорость подачи сырья на блоке риформинга Распределение катализатора по реакторам	1,0 млн.т./год 360 сут/год 8 сут. 25 сут. 1,5 ч-1 1:2:4

 

 

2.1 Определение часовой  производительности установки 

 

Объемная часовая производительность установки определим по формуле:

 

где W_с – часовая производительность,м³/ч;

G_год — производительность установки, т/год;

n_c.ц – число сырьевых циклов в год;

ρ_с — плотность сырья, кг/м³;

ρ_с = 747 кг/м³;

τ _р — продолжительность работы установки, сут;

τ _р=360 сут/год .

Число сырьевых циклов находим  по формуле:

 

,

где τ_рег – продолжительность регенерации и последующего пуска, τ_рег = 8сут,

τ_рем – продолжительность капитального ремонта, τ_рем= 25 сут. Тогда

 

 

 

Массовая часовая производительность установки:

 

 

Массовая производительность блока риформинга :

 

 

где G_р – массовый расход сырья блока риформинга,кг/ч;

α_ГГ — выход гидрогенизата, %мас.

 

 

Объемную производительность блока риформинга определим из соотношения:

 

где W_р – объемный расход сырья блока риформинга,м³/ч;

 

 

 

 

2.2 Определение реакционного объема

 

Необходимый реакционный  объем - суммарный объем катализатора :

 

,

 

где - объем катализатора в реакторе, м³;

— объемная скорость подачи сырья на блоке риформинга, ч ^–1;

=1,5 ч ^–1(табл.4.).

 

Масса катализатора :

 

где ρ_н – насыпная плотность катализатора, кг/м³. Тогда

 

 

Найдем объем катализатора в реакторах риформинга на основании принятого распределения его по ступеням процесса 1:2:4.

 

;

;

.

 

Рассчитаем объем катализатора в реакторах риформинга в объемных процентах:

 

;                         

 

Далее строим график зависимости  изменения выхода катализата и фракции выкипающей до начала кипения исходного сырья по слою катализатора. График представлен на рис.4.

 

 

Рис.4 График зависимости изменения выхода катализата и фракции выкипающей до начала кипения исходного сырья по слою катализатора.

 

2.3 Расчет состава питания реактора

 

Над алюмоплатиновым катализатором при риформинге протекают следующие реакции:

-превращение нафтеновых углеводородов в ароматические:

С_nH_{2n →}C_nH_2n-6 +3H_{2              (1)}

-превращение нафтеновых углеводородов в парафиновые:

C_nH_2n +H₂→C_nH_{2n+2                (2)}

-гидрокрекинг нафтеновых углеводородов:

C_nH_2n +H₂ → (CH₄ + C₂H₆ + C₃H₈ + C₄H₁₀ + C₅H₁₂)   _{( 3 )}

-гидрокрекинг парафиновых углеводородов:

C_nH_2n+2 +H₂ → (CH₄ + C₂H₆ + C₃H₈ + C₄H₁₀ + C₅H₁₂)  _{( 4 )}

где п — углеродное число (число углеродных атомов в молекуле углеводорода).

Для указанных реакций  можно записать четыре дифференциальных уравнения, описывающих уменьшение количества углеводородов в результате химических превращений:

-dN_H /dv_R=k₁p_H-k₁/k_p1p_Ap³_{H2   (5)}

-dN_H/dv_R= k₂p_Hp_H2-k₂/k_p2p_{п      (6)}

-dN_H /dv_R=k₃p_H /                   ₍₇₎

-dN_H /dv_R=k₄p_П/                    ₍₈₎

 

где N_H, N_П ^— доля нафтеновых и парафиновых углеводородов в питании, подвергнутых химическому превращению, кмоль/кмоль;v_R -величина, обратная объемной скорости питания, кг катализатора/(кмоль/ч) сырья; k₁ — константа скорости реакции, определяемая из графика[6], кмоль/(ч • Па • кг катализатора);Pн, Р_А , P_П ,Рн₂, - парциальное давление нафтеновых, ароматических, парафиновых углеводородов и водорода, Па;  k_p1 - константа химического равновесия, Па³; k₂ - константа скорости реакции, определяемая из графика[6], кмоль/(ч • Па² • кг катализатора); k_p2 - константа химического равновесия, Па^-1; k₃ , k₄ – константы скорости реакции, определяемые из графика [6] кмоль/(ч • Па² • кг катализатора);

Константы химического равновесия рассчитываются по уравнениям:

 

k_pl = 9,81³ * 10¹² е ^{46,15-25600/T   (9)}

 

k_p2 = 98,1^-1 * 10¹²е^{4450/T-7.12         (10)}

 

где T— температура в реакторе, К.

Состав циркулирующего газа приведен в табл.5

 

Таблица 5.Состав циркулирующего газа

 

Компонент	Н2	СН4	С 2Н6	С 3Н8	С 4Н10	С 5Н12
Содержание, % об.	86	4	5	3	1	1

 

В уравнениях (5)-(8) уменьшение количества углеводородов в питании в результате химических превращений выражено в мольных долях, а состав питания задан в массовых долях. Для пересчета состава питания пользуются формулой:

M_CY_i =M_iY^’_i

 

где М_с — средняя молекулярная масса сырья;М_i — средняя молекулярная масса i-го компонента (фракции) сырья;у_i — содержание i-го компонента в питании в массовых долях;у^‘_i — то же в мольных долях.

Среднюю молекулярную массу сырья рассчитываем по формуле:

 

М_с=0,4Т₅₀-45

 

где Т₅₀- температура выкипания 50 % бензина, К.

При температуре Т₅₀=401 К(табл.3)средняя молекулярная масса сырья равна:

М_с=04,*401-45=115,4

 

Средние молекулярные массы  ароматических, нафтеновых и парафиновых  углеводородов питания можно  рассчитать, исходя из условия, что число атомов п углерода в них будет одно и то же. Формулы для расчета молекулярных масс углеводородов питания даны в табл.6.

 

Таблица 6. Молекулярная масса углеводородов питания реактор

 

Углеводороды(компоненты)	Формула углеводорода	Формула для расчета молекулярной массы по углеродному числу
Ароматические	СnH2n-6	МА =12n+1(2n-6)=14n-6
Нафтеновые	СnH2n	МН=12+1*2n=14n
Парафиновые	СnH2n+2	МП=12n+1(2n+2)=14n+2

 

Для того чтобы рассчитать углеродное число п используем формулу

 

М_с = 1/(y_A/М_A + y_H/М_H+y_П/М_П),

 

где у_А, у_н, у_п — содержание ароматических, нафтеновых и парафиновых углеводородов в питании (табл.3), мас.доли; М_а ,М_н, М_п — средние молекулярные массы углеводородов. Формулу для подсчета величины М_с:

 

М_с=1/ (y_A/(14_n-6)+y_H/14_n+y_П/(14_n+2)

 

После преобразований получим  кубическое уравнение:

 

n³ - (M_c+4)n² -(6+(y_A-2y_H-3y_П)М_с)n + y_HM_c=0

 

После подстановки значений у_А, у_П ,у_Н и М_с получается уравнение:

 

n³ -8.529 n² +2.340 n+0.237=0

 

Решение этого уравнения  дает величину n=8.24

Молекулярная масса ароматических  углеводородов :

 

М_А=14n-6=14*8.24-6=109.4

 

Молекулярная масса нафтеновых углеводородов:

 

М_Н=14n=14*8.24=115.4

Молекулярная масса парафиновых  углеводородов:

 

М_П=14n+2=14*8.24+2=117.4

 

Пересчет состава сырья  сделан в табл.7.

 

      Таблица 7. Состав сырья первого реактора

 

Компонент	Молекулярная масса Мi	Содержание в сырье
		yi ,мас.доли	y’i  =yi Mc /Mi мол.доли
СnH2n-6	109.4	0.11	0.117
СnH2n	115.4	0.47	0.470
СnH2n+2	117.4	0.42	0.413
Сумма		1.00	1.000

 

Парциальное давление каждого  из компонентов в сырье ввиду  не очень высокого давления и значительного  разбавления водородом рассчитаем по формуле:

Р_i= y^’_i

 

где — общее давление в аппарате, Па; y^’_i  — содержание i-го компонента в смеси газов, мол. доли. Количество сырья (в кмоль) равно:

 

n_C1=G_C /M_C

 

где G_c — количество сырья, кг/ч.

Рассчитаем величину G_c:

 

G_c=(1*10⁹)/(300*24)=138889 кг/ч

 

Подставив числовое значение величины G_c в предыдущую формулу, получим:

n_C1=138889/115.4=1204 кмоль/ч

 

Расчетные данные по количеству и составу сырья приведены  в табл.8.

Количество водородсодержащего газа:

 

G^г = n^гG_c/р_с

 

 где n^г — кратность циркуляции газа, м³/м³; р_с – плотность сырья в жидком сырье(при нормальных условиях),кг/м³ .

 

 

 

Таблица 8.Количество углеводородов сырья

 

Компонент	Мольная доля y’i	Количество nc1i=ncy’c1i,кмоль/ч
СnH2n-6	0,117	140,9
СnH2n	0,470	565,9
СnH2n+2	0,413	497,2
Сумма	1,000	1204

 

Плотность сырья составляет:

 

р_с = р *1000= 0,7525 • 1000 = 752,5 кг/м³.

 

Подставив в формулу числовые значения величин, найдем:

 

G^г=1200*138889/752,5=221484 нм³/ч

 

Количество циркулирующего газа в кмолях равно:

 

n’_г= G^г/22.4=221484/22.4=9888 кмоль/ч

 

Данные по определению  состава циркулирующего газа приведены в табл.9.

Общее количество парафиновых  углеводородов в циркулирующем газе:

 

9888-8503,7=1384,3 кмоль/ч

 

Таблица 9.Количество компонентов циркулирующего газа

 

Компонент	Молекулярная масса, Мi	Содержание y’г мол.доли	Мiy’гi	Количество nгi=n’гy’гi , кмоль/ч
Н2	2	0,86	1,72	8503,7
СН4	16	0,04	0,64	395,5
С2Н6	30	0,05	1,50	494,4
С3Н8	44	0,03	1,32	296,6
С4Н10	58	0,01	0,58	98,9
С5Н12	72	0,01	0,72	98,9
Сумма		1,00	Мг=6,48≈6,5	9888