4 Расчёт материального баланса установки изомеризации

Сырьем данной установки является фракция нк–70°С с установки АВТ и её расход принимается на основании материального баланса АВТ (таблицы 10.1). Расчет материального баланса установки изомеризации производим на основании данных [16], согласно которым расход 100% водорода на реакцию составляет 0,25% мас. на сырье, примем состав ВСГ согласно [13]. Тогда расход ВСГ будет 0,25·100/29,4=0,85% мас. Результаты расчета материального баланса установки изомеризации представлены в таблице 4.1.

5. Расчёт реакторного блока изомеризации

Технологический расчёт реактора изомеризации

Вход газо-сырьевой смеси

Исходные данные:

- температура на входе в реактор – 270⁰С;

• давление в реакторе 2,5Мпа;

• объёмная скорость подачи сырья – 2ч^-1;

• кратность циркуляции ВСГ/сырьё составляет =600нм³/м³, что соответствует мольному отношению Н₂/сырьё=2,5моль/моль;

Характеристика сырья:

• Молярная масса М=76кг/Кмоль;

• ₄²⁰=0,667;

• р

  Выход газо-продуктовой смеси

  асход G_c=300000 т/год = 36765 кг/ч

Рисунок 5.1 – Схема работы реактора изомеризации

Состав свежего ВСГ:

	Н2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10
Объёмный состав	85	7,0	5,0	2,0	1,0
Массовый состав	29,4	19,4	26,0	15,2	10,0

Состав циркулирующего ВСГ:

	Н2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10
Объёмный состав	0,80	0,12	0,05	0,02	0,01
Массовый состав	0,192	0,427	0,201	0,103	0,077

Расход свежего ВСГ = 2550т/год = 313 кг/час

Материальный баланс реактора изомеризации:

Средняя молекулярная масса ЦВСГ М_ц:

М_ц = М_i y_i = 20,8+160,12+300,05+440,02580,01 = 7,6 кг/кмоль

Расход ЦВСГ на 100кг сырья G_ц:

На основании данных материального баланса установки изомеризации составлен мат. баланс реактора:

Таблица 5.1 – Материальный баланс реактора

Показатель	% масс.	т/год	кг/час
Взято:
Сырьё	100	300000	36765
Свежий ВСГ	0,85	2550	313
в т.ч. 100% Н2	0,25	750	92
циркулирующий ВСГ	30,52	91560	11221
Итого:	131,37	394110	48299
Получено:
Изомеризат	98,00	294000	36030
Углеводородный газ	2,85	8550	1048
в т.ч: СН4	0,17	497	61
С2Н6	0,73	2195	269
С3Н8	0,88	2643	324
С4Н10	1,07	3215	394
Циркулирующий ВСГ	30,52	91560	11221
Итого	131,37	394110	48299

Тепловой баланс реактора изомеризации

Уравнение теплового баланса:

G_cI^п_t1 +G_цвсгс_всгt₁+G_всгс_всгt₁+g_pN_c = G_иI^п_t2+G_у.г.X_iI^п_i + G_цвсгс_цвсгt₂ ;

где:

G_c – массовый расход сырья, кг/с;

I^п_t1, I^п_t2 – энтальпия паров сырья и изомеризата при температуре на входе и на выходе из реактора;

G_цвсг, G_всг – массовые расходы циркулирующего и свежего ВСГ, кг/с;

с_всг, с_цвсг – теплоёмкость циркулирующего и свежего ВСГ;

G_и – массовый расход изомеризата, кг/с;

G_у.г. – массовый расход углеводородного газа, кг/с;

X_i, I^п_i - массовые доли и энтальпии компонентов УВ газа;

g_p - тепловой эффект реакции изомеризации;

N_c - мольный расход сырья, моль/с

Изомеризация протекает с выделением теплоты, тепловой эффект процесса составляет 6-8 кДж/моль. Избыток теплоты снимается окружающей средой, поэтому перепад температур на входе и на выходе из реактора стремится к нулю.

К расчёту принимается, что температура t₁=270⁰C, t₂=280⁰C.

Энтальпия паров сырья на входе в реактор найдена по справочным данным [13] в зависимости от плотности сырья ¹⁵₁₅ и температуры t=270⁰С.

¹⁵₁₅ = ⁴₂₀ + 5 = 0,667+50,0013=0,674

I=940,313

С учётом поправок на энтальпию по приведённым температурам и давлениям[6]:

Т_пр=(270+273)/484=1,12

Р_пр=2,5/3,7=0,68

IМ/Т_кр = 7,0

I=7,0484/76=44,579 кДж/кг

I^п₂₇₀ = 940,313 - 44,579 = 895,731 кДж/кг.

Энтальпия изомеризата на выходе из реактора при t₂=280⁰C:

Т_пр=(280+273)/484=1,13

Р_пр=2,5/3,7=0,68

IМ/Т_кр = 6,1

I=6,2484/76=38,847 кДж/кг

I^п₂₈₀ = 951,574 – 38,847 = 912,727 кДж/кг.

Энтальпия газовых смесей находится по правилу аддитивности:

I=I_iX_i;

где X_i – массовая доля;

I_i - энтальпия компонента смеси, кДж/кг;

I = AT/100 + B(T/100)² +C(T/100)³ +D(100/T)

I_o^H₂ (270⁰C) = 82,27543/100 + 2,54(543/100)²+00,013(543/100)³+25,12100/543 = 528,325 кДж/кг.

Далее будут представлены только результаты расчёта, т.к. расчёты были сделаны в МS «Excel».

I_o^H₂ (280C) = 532,736 кДж/кг;

I_o^СH₄ (270⁰C) = 1301,991 кДж/кг;

I_o^СH₄ (280⁰C) = 1314,851 кДж/кг;

I_o^С₂^H₆ (270⁰C) = 1091,821 кДж/кг;

I_o^С₂^H₆ (280⁰C) = 1105,870 кДж/кг;

I_o^С₃^H₈ (270⁰C) = 1051,155 кДж/кг;

I_o^С₃^H₈ (280⁰C) = 1065,842 кДж/кг;

I_o^С₄^H₁₀ (270⁰C) = 1051,975 кДж/кг;

I_o^С₄^H₁₀ (280⁰C) = 1066,624 кДж/кг;

Энтальпия газовых смесей без учёта давления:

I_o^ЦВСГ (270⁰C) = 0,192528,325 + 0,4271301,991 + 0,2011091,821 + 0,1031051,155 + +0,0771051,975 = 1066,116 кДж/кг;

I_o^ЦВСГ (280⁰C) = 0,192532,736 + 0,4271314,851 + 0,2011105,87 + 0,1031065,842 + 0,0771066,624 = 1077,918 кДж/кг;

I_o^ВСГ (270⁰C) = 0,294528,325 + 0,1941301,991 + 0,261091,821 + 0,1521051,155 + 0,11051,975 = 956,76 кДж/кг;

I_o^УВ (280⁰C) = 0,05821314,851 + 0,25671105,870 + 0,30921065,842 + 0,37591066,624=1090,903 кДж/кг.

Тепловой баланс реактора

Таблица 5.2 – Тепловой баланс реактора изомеризации

Наименование	t,0C	Расход, кг/с	Энтальпия, кДж/кг	Кол-во теплоты, кВт
Приход:
Сырьё	270	10,212	895,738	9147,276
ВСГ	270	0,087	956,76	83,185
ЦВСГ	270	3,117	1066,116	3323,024
Кол-во теплоты выделяющейся при изомеризации	-	-	-	806,25
Итого:		13,416		13359,735
Расход:
Изомеризат	280	10,008	912,727	9134,572
УВ газ	280	0,291	1090,903	317,453
ЦВСГ	280	3,117	1077,918	3359,870
Итого:	-	13,416		12805,52

Погрешность в нахождении t_вых из реактора равна:

(13359,735-12805,52)100%/13359,735 = 4,1%,

что находится в пределах технических расчётов. Реакция слабо экзотермическая.

Определение геометрических размеров реактора изомеризации

1. Объём катализатора в реакторе (V_кр, м³)

V_кр=G_с/(_cw)

где:

G_с – расход сырья, кг/час;

_c – плотность сырья при 20⁰С,кг/м³;

w – объёмная скорость подачи сырья, ч^-1.

V_кр = 36765/(6672) = 27,56 м³

2. Объёмный расход смеси паров сырья, свежего ВСГ и ЦВСГ (G^/_см)

Объёмный расход паров сырья:

G^/_п=(22,4Т0,101/273p)G/M = (22,45430,1010,8/2732,5)  (36765/360076) = =0,193м³/с

Коэффициент сжимаемости водорода равен 1, таким его принимаем для ВСГ.

Объёмный расход свежего ВСГ:

V_ВСГ=G_ВСГ22,4T0.101/M_ВСГ273р

Где молярная масса ВСГ:

M_ВСГ=0,852+0,0716+0,0530+0,0244+0,0158=0,027м³/с

Объёмный расход ЦВСГ:

V_ЦВСГ=(22,4112215430,101)/(7,62,53600273)=0,738м³/с

Объём смеси:

V_см=V_c+V_ВСГ+V_ЦВСГ=0,193+0,027+0,738=0,958м³/с

3. Площадь сечения реактора:

S=V_см/

где  - скорость движения смеси в реакторе, м/с (=0,38м/с) [17]:

S=0,958/0,38=2,5м²

4. Диаметр реактора:

D=1,1282,5=1,78м=1,8м

Принимаем три последовательных реактора:

5. Суммарная высота слоя катализатора:

h_к=V_кр/S=27,56/2,5/3=3,67м

6. Высота цилиндрической части реактора:

h_ц=3,673/2=5,5м

7. Общая высота реактора (H, м) [17]:

H=h_ц+D=5,5+1,8=7,3м