Гидроочистка топлива

 

     3.3 Материальный баланс  реактора 

     В реактор поступает сырье, свежий водородсодержащий газ и циркулирующий  водородсодержащий газ (ЦВСГ). Состав ЦВСГ приведен ниже: 

Таблица 16

      Состав  ВСГ

      

          Средняя молекулярная масса ЦВСГ М_ц равна:

М_ц = ∑М_iy_i’ = 2∙0,720 + 16∙0,200 + 30∙0,050 + 44∙0,020+58∙0,010 = 7,6 кг/кмоль 

    Расход  ЦВСГ на 100 кг сырья G_u можно найти по формуле: 

G_ц = (100χM_ц/ρ_C)22,4 = 100∙177∙7,6/ 840∙22,4 = 7,14

     Составляем  материальный баланс реактора гидроочистки.

Таблица 17         

Материальный  баланс реактора гидроочистки 

 

     3.4 Тепловой баланс  реактора 

     Уравнение теплового баланса реактора гидроочистки можно записать так:  

Q_C + Q_Ц + Q_S + Q_Г.Н = ∑Q_СМ 

где     Qс, Qц—тепло, вносимое в реактор со свежим сырьем и циркулирующим водорсодержащим газом;       

     Q_S, Q_Г..Н —тепло, выделяемое при протекании реакций гидрогенолиза сернистых и гидрирования непредельных соединений;    ∑Q_СМ —тепло, отводимое из реактора реакционной смесью.  Средняя теплоемкость реакционной смеси при гидроочистке незначительно изменяемся в ходе процесса, поэтому тепловой баланс реактора можно записать в следующем виде: 

Gct₀ + ∆Sq_S + ∆C_Hq_H = Gct 

t = t₀ + (∆Sq_S + ∆C_Hq_H)/(Gc) 

где    G - суммарное количество реакционной смеси, % (масс.);

    c — средняя теплоемкость реакционной смеси, кДж/(кг∙К);

    ∆S, ∆C_H —количество серы и непредельных, удаленных из сырья, % (масс.);

    t, t₀ - температуры на входе в реактор и при удалении серы ∆S, ^˚ С;

     q_S,q_H—тепловые эффекты гидрироваиия сернистых н непредельных соединений, кДж/кг

     1) Значение t₀ определяют для каждой пары катализатор — сырье в интервале 250— 380 °С. При оптимизации t₀ учитывают следующие два фактора, действующие в противоположных направлениях: с повышением t₀ уменьшается загрузка катализатора, которая требуется для достижения заданной глубины обессеривания ∆S, но, с другой стороны, увеличивается скорость дезактивации катализатора и, следовательно, увеличиваются затраты, связанные с более частыми регенерациями и большими днями простоя установки за календарный год.

     Минимум суммарных затрат, определит оптимальное  значение t₀ Для заданной пары катализатор — сырье t₀ = 350 °С.      2) Суммарное количество реакционной смеси па входе в реактор составляет 107,88 кг.           3) Количество серы, удаленное из сырья, ∆S = 0,55% (масс.). Глубину гидрирования непредельных углеводородов можно принять равной глубине обессеривания ∆C_H = С_н∙0,9 = 10∙0,9 = 9 % (масс.).      4) Количество тепла, выделяемое при гидрогенолизе сернистых соединений (на 100 кг сырья) при заданной глубине обессеривания, равной 0,9, составит:

Q_S = ∑ q_Si g_Si 

где q_Si —тепловые эффекты гидрогенизата отдельных сераорганических соединений, кДж/кг          g_Si— количество разложенных сераорганических соединений, кг (при расчете на 100 кг сырья оно численно равно содержанию отдельных сераорганических соединений в % масс.).

     Таким образом: 

Qs = 0,03∙2100 + 0,3∙3810 + 0,06∙5060 + 0,15∙8700= =2815 кДж. 

     5) Количество тепла, выделяемое при гидрированин непредельных углеводородов, равно 126000 кДж/моль. Тогда : 

Q_H =∆C_Hq_H /М= 9∙126000/209,=5421 кДж. 

     6) Среднюю теплоемкость циркулирующего водородсодержащего газа находят на основании данных по теплоемкости отдельных компонентов. 

Таблица 18

         Теплоемкость индивидуальных компонентов.

      

          Теплоемкость циркулирующего водородсодержащего газа можно найти по формуле: 

с_ц = ∑ с_Pi y_i 

где с_Pi – теплоемкость отдельных компонентов с учетом поправок на температуру и давление, кДж/(кг∙К);        y_i – массовая доля каждого компонента в циркулирующем газе  

      Тогда:

 

с_ц = 14,57∙0,192 + 3,35∙0,427 + 3,29∙0,201 + 3,23∙0,103 + 3,18∙0,077 = =5,45кДж/(кг∙К). 

    7) Энтальпия паров сырья при 350 ˚С , I³⁵⁰ = 1050 кДж/кг.

    Абсолютная  критическая температура сырья  Т_КР= 460 +273 = 733 К.

    Приведенная температура равна Т_ПР = 350 + 273/733 = 0,845.

    Критическое давление сырья вычисляют по формуле: 

Р_КР = 0,1КТ_КР/М_С = 0,1∙11,66∙733/209=: 4,09 МПа. 

где   К = (1,216 ³√Т_СР)/d₁₅¹⁵ = (1,216 ³√275 + 273 ) / 0,850 = 11,66 

    Тогда:

Р_ПР = Р/Р_КР = 4/4,09 = 0,98 

    Для найденных значений Т_ПР и Р_ПР:   

∆IM/(4,2T) = 4,19 

∆I = 4,19∙4,2∙623/209 = 52,6 кДж/кг 

         Энтальпия сырья с поправкой  на давление равна I³⁵⁰ =1050–52,6=997,4 кДж/кг

     Теплоемкость  сырья с поправкой на давление равна c_C = 997,4:350 = 2,85 кДж/(кг∙К)

     8) Средняя теплоемкость реакционной смеси составляет: 

с = (с_С100 + с_ц17,44)/107,88 = (2,85∙100 + 5,45∙17,44)/107,88 = 3,52 кДж/(кг∙К)

       

          Подставив найденные величины в уравнение, находим температуру на выходе из реактора t: 

t =350 + (2815 +5421)/ (107,88323) = 386,6 °С. 

     3.5 Расчет  основных  параметров реактора  гидроочистки 

     Для того, чтобы рассчитать диаметр и  высоту реактора, сначала необходимо рассчитать объем катализатора.

      Требуемый объем катализатора в реакторе V_к вычисляют по формуле: 

V_K = G’∫dS/r = 204,25∙0,2235 = 45,65 м³ 

         Значение G' находим из соотношения: 

G' = G/ρ =171569/840 = 204,25 м/ч. 

     Обычно  дли характеристики процесса применяют  показатель — объемную скорость подачи сырья, то есть отношение объема жидкого сырья, подаваемого на объем катализатора в час (ω, ч^–1) 

ω = G’/V_K = 204,25/45,65 = 4,47 ч^-1. 

     По  найденному значению V_K вычисляем геометрические размеры реактора гидроочистки.

     Принимаем цилиндрическую форму реактора и  соотношение высоты к диаметру равным 2:1 или Н = 2D. Тогда 

V_K = πD²H = πD²2D = 2πD³ 

     Диаметр реактора равен: 

D = [V_K/(2π)]^1/3 = [45,65/(2π)]^1/3 = 2 м. 

     Высота  слоя катализатора составляет H=2D=4м.

     Приемлемость  принятой формы реактора дополнительно  проверяется гидравлическим расчетом реактора. Потери напора в слое катализатора не должны превышать 0,2—0,3 МПа. 

    3.6 Расчет потери  напора в слое  катализатора 

    Потерю  напора в слое катализатора вычисляют  по формуле: 

∆P/H = [(150(1 – ε)²0,1μu)/(ε³d²)] + [(1,75(1 – ε)ρu²)/( ε³dg)] 

где    ε — порозность слоя;

     u —линейная скорость движения потока, фильтрующегося через слой катализатора, м/с;

    μ—динамическая вязкость, Па*с;

    d — средний диаметр частиц, м;

    ρ —плотность газа, кг/м³;

    g — ускорение силы тяжести, кг/с².

    Порозность  слоя вычисляют по формуле: 

ε = 1 – γ_H/γ_K 

где   γ_H — насыпная плотность катализатора, равная 640 кг/м³;

    γ_K — кажущаяся плотность катализатора, равная 1210 кг/м³.

    Таким образом 

ε = 1—640/12810 = 0,48 

    Линейная  скорость потока равна u = 4V/πD²,

где  V — объем реакционной смеси, включающий объем сырья V_C, и объем циркулирующего водородсодержащего газа V_Ц, то есть, 

V = V_C + V_Ц 

     Объем сырья рассчитывают по формуле: 

V_C = [G_C22,4z_C(t_CP + 273)]/(M_CP273) 

где   G_c — расход сырья в реактор, кг/ч; 

     z_c— коэффициент сжимаемости (при T_ПР=0,845 и Р_ПР=0,98 коэффициент сжимаемости равен 0,25);          t_СР — средняя температура в реакторе, ˚С.

     Величина  t_СР может быть найдена как средняя арифметическая между температурой ввода сырья t₀=350 °С и температурой на выходе из реактора, равной 386,65 °С: