Технологический расчет реактора

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕАКТОРА

Ниже приведен расчет первого реактора реакторного блока установки каталитического риформинга с платиновым катализа- тором (платформинга) для повышения октанового числа бензи- новой фракции 105-180^оС, полученной из туймазинской нефти.

Исходные данные для расчета

Производительность установки по сырью G_с = 41600 кг/ч. Температура на входе в реактор t_вх = 520^оС.

Давление на входе в реактор р_вх = 4,0 МПа.
Объемная скорость подачи сырья (объем сырья при 20^оС, про- ходящий через единицу реакционного объема в единицу време- ни) W_о = 1,5 м³/(м³·ч).
Кратность циркуляции водородсодержащего газа к сырью k = 1500 нм³/м³ при нормальных условиях (0^оС; 0,1 МПа). Относительная плотность сырья при 20^оС ρ²⁰₄= 0,750.
Состав сырья, % масс.:

• 
  парафины – 61,2;
  
• 
  нафтены – 22,2;
  
• 
  ароматические углеводороды – 16,6;
  

 сера – 0,05.
Фракционный состав сырья представлен в табл. 1 и на рис. 2.

Таблица 1 Фракционный состав сырья установки каталитического

риформинга по ГОСТ 2177 (ИСО 3405)

Отгон (выход на сырье), % об.	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	98
Темпертура кипения, ^оС	НК- 127	129	132	136	140	144	149	155	161	166	170

Рис. 2. Фракционный состав сырья установки каталитического риформинга
Характеристики катализатора:

• 
  носитель Al₂O₃;
  
• 
  содержание платины – 0,5-0,6 %;
  
• 
  форма частиц – цилиндры (d_ч = 23 мм, h_ч = 45 мм);
  
• 
  насыпная плотность слоя ρ_нас = 600 кг/м³;
  
• 
  плотность материала частиц ρ_ч = 1100 кг/м³.
  

Выход продуктов реакции, % масс.:

• 
  риформат (дебутанизированный бензин) - 84,4;
  
• 
  бутан-бутиленовая фракция - 6,3;
  
• 
  водородсодержащий газ - 9,3.
  

Характеристика риформата:

• 
  
  4
  плотность ρ²⁰ = 0,772;
  
• 
  фракционный состав (разгонка по ГОСТ 2177 (ИСО 3405)): НК-54^оС; 10% об. - 91^оС; 50% об. - 139^оС; 90% об.
  

- 176^оС; КК - 200^оС;

• 
  содержание ароматических углеводородов 59,6 %.
  

Средняя молекулярная масса циркулирующего водородсодер- жащего газа (численно равна молярной массе газа в г/моль)

n

M

цг
_ср  _ M_i y_i^  5,15 ,
i1
где M_i – молекулярная масса i-го компонента;
y_i – мольная (объемная) доля i-го компонента в газе;
n – число компонентов в газе (n = 6).
Состав циркулирующего водородсодержащего газа приведен в табл. 2.
Состав водородсодержащего газа

Компонент	Молекулярная масса газа, Mi	Состав газа
		% масс.	% об.
Водород	2	34,50	89,20
Метан	16	14,50	4,64
Этан	30	7,24	1,25
Пропан	44	36,44	4,25
и-Бутан	58	3,66	0,33
н-Бутан	58	3,66	0,33
Итого:		100,00	100,00

Материальный баланс реактора (табл. 3)

Производительность реактора по сырью G_с = 41600 кг/ч.

4

4
Относительная плотность сырья при 0^оС ρ⁰ = 0,768 (пересчет по ГОСТ 8.599 при ρ²⁰ = 0,750).
Объемный расход сырья в жидкой фазе при 0^оС

V ⁰  ^Gc

^{ 54, 2} 3

4
^с ⁰ 1000
м /ч.

Объемный расход циркулирующего водородсодержащего газа

V_цг V_с k  81300
нм³/ч.

Плотность циркулирующего газа при нормальных условиях

_M цг _M цг
₀ ср ср

_цг  _{V 0}


22, 4

 0, 23
кг/нм³.

Расход циркулирующего газа

G  V  ⁰

18700

кг/ч.

цг цг цг

Материальный баланс реакторного блока

Поток	Количество
	% масс. на загрузку	% масс. на сырье	кг/ч
Вход
Сырье	68,99	100,00	41600
Циркулирующий газ, в т.ч.:	31,01	44,95	18700
а) водород	10,70	15,52	6455
б) у.в. газы	20,31	29,43	12245
Итого:	100,00	144,95	60300
Выход
Циркулирующий газ, в т.ч.:	31,01	44,95	18700
а) водород	10,70	15,52	6455
б) у.в. газы	20,31	29,43	12245
Риформат	58,21	84,38	35100
Бутан-бутиленовая фракция	4,36	6,32	2630
Газы реакции, в т.ч.:	6,42	9,30	3870
а) водород	2,21	3,20	1334
б) у.в. газы	4,21	6,10	2536
Итого:	100,00	144,95	60300

Составляя материальный баланс первого реактора, глубину превращения сырья принимают равной 50% (табл. 4).

Тепловой баланс реактора

Температура на входе в реактор t_вх = 520^оС, давление p_вх = 4,0 МПа; на выходе из реактора принимаем температуру t_вых = 490^оС, давление p_вых = 3,98 МПа. Все значения уточняются последую- щим тепловым и гидравлическим расчетом.

Материальный баланс первого реактора реакторного блока

Поток	Количество
	% масс. на загрузку	% масс. на сырье	кг/ч
Вход
Сырье	68,99	100,00	41600
Циркулирующий газ, в т.ч.:	31,01	44,95	18700
а) водород	10,70	15,52	6455
б) у.в. газы	20,31	29,43	12245
Итого:	100,00	144,95	60300
Выход
Сырье (непрореагировавшее)	34,50	50,00	20800
Циркулирующий газ, в т.ч.:	31,01	44,95	18700
а) водород	10,70	15,52	6455
б) у.в. газы	20,31	29,43	12245
Риформат	29,10	42,19	17550
Бутан-бутиленовая фракция	2,18	3,16	1315
Газы реакции, в т.ч.:	3,21	4,65	1935
а) водород	1,11	1,60	667
б) у.в. газы	2,10	3,05	1268
Итого:	100,00	144,95	60300

Энтальпия паров сырья на входе в реактор

4

15
Для пересчета величины относительной плотности сырья ρ²⁰ в ρ¹⁵ при 15^оС можно воспользоваться приближенной формулой

15 4
_15 _{ }20 _
5 _,

где  – температурная поправка (таблица П-1).
При t_вх = 520^оС и нормальном давлении p₀ = 0,1 МПа, с учетом

15
полученного ρ¹⁵
= 0,754, энтальпия паров сырья

c

H
t вх
^ = 393,0 ккал/кг

(рис. П-1).
Поправка к энтальпии паров сырья H при повышенном дав- лении вычисляется следующим образом.

Средняя молекулярная температура кипения сырья
t_мол  t_об  t  142 ^о_С,
где t_об – средняя объемная температура кипения сырья – прини- мается равной t_50% в соответствии с разгонкой по ГОСТ 2177 (ИСО 3405, разгонка по Энглеру): на рис. 2 t_об = 144^оС;
t – поправка к средней молекулярной температуре кипения сырья, определяемая по рис. П-2, с учетом величины на- клона кривой разгонки по ГОСТ 2177 (рис. 2),  = (t_90% - t_10%) / 80 = 0,46^оС/% об. - t = 2 ^оС.
Средняя молекулярная масса сырья рассчитывается по форму- ле Воинова
M ^с  60, 05 0,3t  0, 001t² 123 _.
ср мол мол
А критическая температура сырья – по формуле Итона- Портера:

^Tкр
 355 0,97 a  0, 00049 a² 597 K _,

где
a  (1,8t
 132, 7 )¹⁵  293 _.

мол 15
Критическое давление сырья, как функция критической тем- пературы, определяется по формуле Льюиса:

p_кр 
^Tкр

M

A
с ср
10^1  2,86
МПа,

где
A 5,53 0,855 5,9 _.

Приведенные температура и давление сырья на входе в реактор

  ^Tвх 



t_вх  273,15 <sub>1,33 ,



 </sub> ^pвх


1, 4

пр _{T T}
пр _p .

кр кр кр
Далее, по рисунку П-3 находят, в зависимости от _пр и _пр зна- чение соотношения

ср
H M ^с

^Tкр
 8, 0

кДж/(кмольK).

Таким образом, поправка к энтальпии паров сырья при повы- шенном давлении будет такой:

H   8, 0
^Tкр

M
с ср
  38,8кДж/кг   9, 3ккал/кг _.

В результате энтальпия паров сырья при температуре и давле- нии на входе в реактор

H


c
t вх

c

H
t вх
^  H  383, 7
ккал/кг.

Характеризующий фактор сырья (K-фактор)

K   12, 0.
_15 _15
15 15
Поправка к энтальпии паров сырья на содержание ароматиче- ских углеводородов не вводится, т.к. K = 12,0 (рис. П-4).

Энтальпии паров непрореагировавшего сырья и риформата на выходе из реактора

Исходные данные и результаты расчета энтальпий паров не- прореагировавшего сырья и риформата при t_вых = 490^оС и давле- нии p_вых = 3,98 МПа представлены в табл. 5.
Таблица 5 Расчет энтальпий паров непрореагировавшего сырья и риформата
на выходе из реактора

Физический параметр	Сырье	Риформат
ρ20 4	0,750	0,772
ρ15 15	0,754	0,776
Ht вых, ккал/кг	367,7	365,0
tоб, ^оС	144	139

Продолжение табл. 5

Физический параметр	Сырье	Риформат
tмол, ^оС	142	133
^Mср	123	118
Tкр, K	597	594
A	5,9	6,4
pкр, МПа	2,86	3,22
^τпр	1,278	1,285
^πпр	1,39	1,24
ΔH, ккал/кг	- 10,4	- 9,0
Ht вых, ккал/кг	357,3	356,0

t вых
Характеризующий фактор риформата K = 11,6, таким образом вводится поправка к энтальпии паров на содержание ароматиче- ских углеводородов Н_K = - 8,0 ккал/кг (рис. П-4). В результате, энтальпия паров риформата Н^p = 356,0 - 8,0 = 348,0 ккал/кг.

Энтальпия газообразного водорода

При температуре входа t_вх = 520^оС и выхода t_вых = 490^оС из ре- актора и нормальном абсолютном давлении (0,1 МПа) энтальпии газообразного водорода определяются по рис. П-5
Н^в_{t вх} = 1790 ккал/кг, Н^в_{t вых} = 1685 ккал/кг.
При высокой температуре водород близок по своим свойствам к идеальному газу, поэтому поправка к энтальпии на давление не нужна.

Энтальпия углеводородных газов

Средняя молекулярная масса углеводородных газов, входящих в состав водородсодержащего циркулирующего газа,

_m

^{ M}i ^yi^

M
увг ср
_ i1

m
^{ y}i^
i1
 31,

где M_i – молекулярная масса i-го компонента;
y_i – мольная (объемная) доля i-го компонента в газе;
m – число углеводородных компонентов в газе (m = 5). Молекулярная масса и содержание углеводородных компо-
нентов в циркулирующем газе приведены в табл. 2.
Псевдокритические параметры смеси углеводородных газов
m
^Tкр i ^yi^

_{T } i1 _
288 K

пс кр
m

_m