Задание: Рассчитать реакционный блок каталитического риформинга бензина (состав приведен в таб. 1) над неподвижным слоем алюмоплатинового катализатора.

Производительность реакционного блока по сырью 2000 т/сут.

Табл. 1

Относительная плотность, Ρ293(77)	Фракционный состав н.к. 10% 50% 90% н.к.	Углеводородный состав,% масс. аромати нафте парафи ческие новые новые
0,7288	329 348 385 428 453	12 38 50

Исходными данными для расчета являются:

- Производительность реактора по сырью

- Углеводородный состав сырья

- Температура реакции

- Давление в начале процесса (на входе в реактор)

Кроме того, на основе промышленных данных должны быть приняты:

- объемная скорость подачи сырья

- количество циркулирующего водородсодержащего газа

- число последовательных реакторов

- количество катализатора и его распределение между реакторами.

Расчет

1.Исходные данные и основные определения

Над платиновым катализатором при риформинге протекают следующие реакции:

- превращение нафтеновых углеводородов в ароматические: CnH2n↔CnH2n-c + 3H2 (1)

- превращение нафтеновых углеводородов в парафиновые: CnH2n + H2↔CnH2n+2 (2)

- гидрокрекинг нафтеновых углеводородов: CnH2n + n/3H2→n/15(CH4+C2H6+C3H8+C4H10+C5H12) (3)

- гидрокрекинг парафиновых углеводородов: СnH2n+2+n-3/3H2→n/15(CH4+C2H6+C3H8+C4H10+C5H12) (4)

Где n – углеродное число (число углеродных атомов в молекуле углеводорода)

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

-dNн/dvR=К1Рн-К1/Кр1*Ра* Рн₂³ (5)

-dNн/dvR=К2Рн2-К2/Кр2*Ра*Рп (6)

-dNн/dvR=К3Рн/π (7)

-dNн/dvR=К4Рн/π (8)

Где Nн,Nп – доля нафтеновых и парафиновых углеводородов в питании, подвергнутых химическому превращению, кмоль/кмоль;

vR – величина, обратная объемной скорости питания, кг катализатора/(кмоль/ч) сырья;

К1 – константа скорости реакции, определяемая из графика [5, стр. 254], кмоль/(ч*Па*кг катализатора)

Рн,Ра,Рп,РН2 – парциальные давления нафтеновых, ароматических, парфиновых углеводородов, Па

Кр1 – константа химического равновесия, Па³

К2 - константа скорости реакции, определяемая из графика [5, стр. 254], кмоль/(ч*Па²*кг катализатора)

K3,К4 - константа скорости реакции, определяемая из графика [5, стр. 254], кмоль/(ч*кг катализатора)

Константы рассчитываются по уравнениям:

Кр1= 9,81³*10¹²* е^{46,15-25600/Т} (9)

Kp2=-9,81^-1*10^-3*е^{46,15-25600/Т} (10)

Т – температура в реакторе, к.

Для уменьшения коксовых отложений риформинг осуществляют при избытке водорода. С этой целью в блоке циркулирует водородсодержащий газ.

Основные реакции риформинга сопровождаются значительным увеличением объема, поэтому процесс протекает под повышенным давлением в интервале (2-4)*10⁶ Па.

2.Примем давление в начале процесса (в первом реакторе блока) Пн=2,16*10⁶ Па (20 ат)

Риформинг бензиновых фракций проводят в интервале температур 740-810 К. По мере обработки катализатора температуру повышают до 800-810 К.

3.Примем в реакторе температуру подачи сырья и циркулирующего газа в первый реактор Твх1=803 К

4.В промышленных реакторах объемная скорость подачи сырья равна 1-3 1/час. Примем значение объемной скорости подачи сырья Vo=1/час. 5.Циркуляцию водоросодержащего газа поддерживают в интервале 900-1850 м3 на 1 м3 сырья. Примем кратность циркуляции газа nг=1500 м3/м3. Содержание водорода в водородсодержащем газе достигает 85-93 % об.

Примерный состав циркулирующего газа приведен в табл. 2.

Компоненты	Н2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12
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 воспользуемся формулой:

McYi=MiY'i

Мc – средняя молекулярная масса сырья

Mi - средняя молекулярная масса i-го компонента (фракции) сырья

Yi – содержание i-го компонента в питании в долях

Yi' – то же в мольных долях

Среднюю молекулярную массу сырья рассчитывают по формуле:

Мс=0,4-Т50-45

Т50 – температура выкипания 50% бензина

При температуре Т50=385 К (табл. 1) средняя молекулярная масса:

Мс=0,4*385-45=109

Средние молекулярные массы ароматических, нафтеновых и парафиновых углеводородов можно рассчитать, исходя из условия, что число атомов углерода в них будет одно и то же. Формулы для расчета молекулярных масс углеводородов даны в табл.3.

Углеводороды (компоненты)	Формула углеводорода	Формула для расчета молекулярной массы по углеродному числу
Ароматические	CnH2n-6	Ma=12n+1(2n-6)=14n-6
Нафтеновые	CnH2n	Mн=12n+1*2n=14n
Парафиновые	CnH2n+2	Mп=12n+1(2n+2)=14n+2

Для того, чтобы рассчитать углеродное число n используют формулу:

Мс=1/(Уа/Ма+Ун/Мн+Уп/Мп)

Уа,Ун,Уп – содержание ароматических, нафтеновых и парафиновых углеводородов в питании, масс доли.

После преобразования формулы получим:

n³-1/14(Mc+4)n²+1/98(6+(Ya-2Yн-3Yп)Мс)n+3/686НyVc=0

Графическое решение этого уравнения дает величину n=7.7

Если состав сырья задан в мольных долях, то для расчета углеродного числа можно воспользоваться формулой:

n=1/14(Mc-2Y'п+6Y'а)

У'п,У'а – содержание парафиновых, ароматических, мол. Доли

Пересчет состава сырья представлен в табл. 4

Компоненты	Молекулярная масса,Mi	Содержание Yi, масс. доли	Yi, мольные доли
CnH2n-6	101,8	0,12	0,127
CnH2n	107,8	0,38	0,382
CnH2n+2	109,8	0,50	0,491
Сумма	-	1,00	1,000

Количество сырья, кмоль nc1=Gc/Mc

Gc – количество сырья, кг/час Gc=3600*1000/24=150000 кг/ч

nс1=150000/108.8=1377 кмоль/ч

Расчетные данные по количеству и составу сырья приведены в табл. 5.

Компоненты	Мольная доля	Количество, кмоль/ч
CnH2n-6	0,127	174,8
CnH2n	0,382	526,0
CnH2n+2	0,491	676,2
Сумма	1,000	1377,0

6. Количество водородсодержащего газа:

Gг=Gc*nг/ρc

Где nг – кратность циркуляции газа, м3/м3

ρс – плотность сырья в жидком виде, кг/м3

7. Плотность сырья:

Ρс=ρ293(277)*1000=0,7288*1000=728,8кг/м³

Gг=(150000/728,8)*1500=308700 м³/ч

8. Количество циркулирующего газа:

n'г=Gг/22,4=308700/22,4=13700 кмоль/час

Данные по определению состава циркулирующего газа приведены в табл. 6

Компоненты	Молекулярная масса, Mi	Содержание Yi (табл. 2) мол. доли	MiYi	Количество ni=nYi кмоль/ч
Н2	2	0,86	1,72	11840,0
СН4	16	0,04	0,64	551,0
С2Н6	30	0,05	1,50	688,0
С3Н8	44	0,03	1,32	416,6
С4Н10	58	0,01	0,58	137,7
С5Н12	72	0,01	0,72	137,7
сумма	-	1,00	Mr=6.48=6.5	13770,0

Общее количество парафиновых углеводородов в циркулирующем газе (табл. 6) равно:

13770-11840=1930 кмоль/ч

Данные расчета по определению состава смеси сырья и водорода и парциальных давлений ее компонентов приведены в табл. 7

Компоненты	Количество n3i, кмоль/ч	Содержание Y3i=n3i/Sn3i	Парциальное давление Pi=π1Y3i=3.4310^6Y3i
CnH2n-6	174.8	0,0114	39.1*103
СnН2n	526.0	0,0347	119*103
СnН2n+2	676.2	0.0446	153*103
H2	11840.0	0.7820	2682*103
СnН2n+2	1930.0	0.1273	436.9*103
сумма	15147.0	1.000	3430*103

9. Количество катализатора, необходимое для проведения реакции:

Vk=Gc/ρcVo=137.2 м³

Насыпная масса алюмоплатинового катализатора: ρл=600 кг/м3

Количество катализатора:

Gk=Vk*ρk=137.2*600=82320 кг

Риформинг бензиновых фракций осуществляют в блоке из трех или четырех последовательно соединенных реакторов. Принимаем число реакторов np=3. Катализатор между реакторами распределяют в отношении 1:2:4. общее количество катализатора первоначально распределим между тремя реакторами в указанном отношении (табл. 8)

Номер реактора	Количество Vki,м3	Gki, кг
1	19,6	11760
2	39,2	23520
3	78,4	47040
сумма	137,2	82320