III. Тепловой баланс реактора
Основные реакции (1)-(2) протекают с поглощением тепла. Перепад температуры в реакторах зависит от группового углеводородного состава сырья и от температуры реакции. В первом реакторе перепад температуры может достигать 35-80 К, во втором 8-40 К и в третьем 0-17 К.
1. Уравннеие теплового баланса реактора в общем виде:
Q1=Q2+Q3+Q4
Левая часть уравнения учитывает приход тепла с сырьем и циркулирующим газом (кВт)
Правая часть – расход тепла (кВт): Q2 – на реакции риформинга; Q3 – с продуктами реакций и циркулирующим газом; Q4 – потери в окружающую среду.
Рассчитаем энтальпию газового потока на входе в аппарат. Предварительный расчет показывает, что ввиду не очень высокого давления и значительного разбавления водородом поправка на давление величины энтальпии не требуется. Состав потока (табл. 1,2,12) в мольных долях пересчитаем в массовые доли.
Расчет относительной плотности углеводородов (табл. 13)
Углеводороды |
Относительная плотность на входе в реактор |
Относительная плотность на выходе из реактора |
Ароматические |
0,718 |
0,722 |
Нафтеновые |
0,731 |
0,733 |
Парафиновые |
0,733 |
0,737 |
Расчет
энтальпии питающей смеси (табл. 14)
Компоненты |
Молекулярная масса, Mi |
Количество ni кмоль/ч |
Содержание Yi=ni/Sni мол доли |
MiYi |
Содержание Yi=MiYi/Мсм масс доли |
Энтальпия кДж/кг qгTi |
Энтальпия кДж/кг qгTiYi |
H2 |
2 |
11840,0 |
0,7820 |
1,56 |
0,0999 |
7700 |
769,0 |
CH4 |
16 |
551,0 |
0,0363 |
0,58 |
0,0371 |
1618 |
59,9 |
C2H6 |
30 |
668,0 |
0,0454 |
1,36 |
0,0870 |
1434 |
124,8 |
C3H8 |
44 |
415,6 |
0,0274 |
1,21 |
0,0770 |
1405 |
108,2 |
C4H10 |
58 |
137,7 |
0,0091 |
0,53 |
0,0337 |
1400 |
47,2 |
C5H12 |
72 |
137,7 |
0,0091 |
0,66 |
0,0418 |
1392 |
58,2 |
CnH2n-6 |
101,8 |
174,8 |
0,0114 |
1,16 |
0,0742 |
1713 |
127,0 |
CnH2n |
107,8 |
526,0 |
0,0347 |
3,74 |
0,2387 |
1704 |
407,5 |
CnH2n+2 |
109,8 |
676,2 |
0,0446 |
4,88 |
0,3106 |
1703 |
528,8 |
Сумма |
- |
15147,0 |
1,00000 |
15,68=15,7 |
1,0000 |
- |
2230,6 |
Тепловой эффект реакции рассчитать, пользуясь законом Гесса нельзя из-за незнания детального химического состава сырья и продуктов реакции. Поэтому воспользуемся формулой:
qp=-335*b
b – выход водорода в расчете на исходное сырье, % масс.
Из материального баланса реактора (табл. 12) следует, что в результате риформинга получен водород в количестве:
GH2=12943,7-11840=1103,7 кмоль/ч
Или
GH2=1103,7*МН2=1103,7*2=2207,4 кг/ч
Тогда
b=2207.4*100/150000=1.473 % масс.
2. Тепловой эффект реакции:
qp=-335*1.473=-493.2 кДж/кг
Тепловой баланс реактора с учетом принятой величины теплопотерь в окружающую среду в количестве:
Q4=0.01*Q1=0.01*5.34*106=5.34*106 кДж/ч приведен в (табл. 15)
Величина Q3 равна:
Q3=239500*qTвых1
Из теплового баланса реактора имеем:
Q3=Q1-Q2-Q4=148.3*103-20.5*103-1.48*103=126.3*103 кВт
qгТвых1=126,3*10:3*2000/239500=1900 кДж/кг
Потоки |
Температура, К |
Количество, кг/ч |
Количество тепла, кВт |
Энтальпия кДж/кг |
Приход |
|
|
|
|
Q1 |
Твх=803 |
293500 |
148,3*103 |
2230,6 |
Сумма |
- |
239500 |
148*103 |
- |
Расход |
|
|
|
|
Q2 |
- |
- |
20.5*103 |
493,2 |
Q3 |
Твых1 |
239500 |
Q3 |
qтвых1 |
Q4 |
Принимается |
Принимается |
1.48*103 |
- |
Сумма |
- |
- |
148.3*103 |
- |
Для определения числового значения температуры Твых1 потока, покидающего реактор, необходимо рассчитать состав смеси на выходе из реактора.
Состав газа, покидающего реактор, рассчитан на основе данных табл. 10 и представлен в табл. 16.
Компоненты |
Молекулярная масса |
Количество ni кмоль/ч |
Содержание Yi=ni/Sni мол доли |
MiYi |
Cодержание Yi=MiYi/Мсм масс доли |
H2 |
2 |
12943,7 |
0,7893 |
1,58 |
0,1079 |
CH4 |
16 |
598,9 |
0,0366 |
0,58 |
0,0400 |
C2H6 |
30 |
735,9 |
0,0499 |
1,35 |
0,0921 |
C3H8 |
44 |
463,5 |
0,0283 |
1,25 |
0,0851 |
C4H10 |
58 |
185,6 |
0,0113 |
0,65 |
0,0447 |
C5H12 |
72 |
185,6 |
0,0113 |
0,81 |
0,0556 |
CnH2n-6 |
103,3 |
602,8 |
0,0368 |
3,80 |
0,2585 |
CnH2n |
109,3 |
64,1 |
0,0039 |
0,43 |
0,0304 |
CnH2n+2 |
111,3 |
616,8 |
0,0376 |
4,19 |
0,2857 |
Сумма |
- |
16396,9 |
1,000 |
14,64=14,6 |
1,0000 |
Табл. 17
Компоненты |
Содержание Yi масс. доли |
Энтальпия, кДж/кг 713 К qгТi |
Энтальпия, кДж/кг 713 К qгТiYi |
Энтальпия, кДж/кг 743 К qгТi |
Энтальпия, кДж/кг 713 К qгТiYi |
H2 |
0,1079 |
6374 |
687,0 |
6818 |
735,2 |
CH4 |
0,0400 |
1274 |
51,0 |
1383 |
55,3 |
C2H6 |
0,0921 |
1120 |
103,1 |
1223 |
112,5 |
C3H8 |
0,0851 |
1098 |
93,4 |
1196 |
101,8 |
C4H10 |
0,0447 |
1095 |
49,2 |
1193 |
53,6 |
C5H12 |
0,0556 |
1090 |
61,6 |
1186 |
65,9 |
CnH2n-6 |
0,2585 |
1408 |
364,0 |
1504 |
388,8 |
CnH2n |
0,0304 |
1402 |
42,6 |
1500 |
45,6 |
CnH2n+2 |
0,2857 |
1399 |
400,0 |
1497 |
427,8 |
Сумма |
1,0000 |
- |
1851,9 |
- |
1986,5 |
Энтальпии qгТвых1=1900 кДж/кг соответствует температура Твых1=724 К.
3. Перепад температуры в первом реакторе равен:
∆Т1=Твх1-Твых1=803-724=79 К
Оптимальное снижение температуры процесса в первом реакторе составляет 40-50 К, во втором – 20-25, в третьем – 7-10 К.