6.4. Тепловий баланс реактора

Рівняння теплового балансу реактора у загальному вигляді:

Q_c+Q_ц1+Q_к1+Q_п1+Q_д1+Q_з.к=Q_г+Q_б+Q_л.г+Q_т.г+Q_к2+Q_к+Q_ц2+Q_д2+Q_п2+Q_р+Q_в.т

Ліва частина рівняння відповідає приходу фізичного тепла (у кВт): Q_c — з сировиною; Q_ц1— з рециркулюючим каталітичним газойлем; Q_к1— з циркулюючим каталізатором; Q_п1— з водяною парою, що подається в транспортну лінію; Q_д1— з водяною парою, що подається на відпарку вуглеводнів з каталізатора; Q_з.к. – з залишковим коксом.

Права частина рівняння відповідає витратам фізичного тепла (у кВт): Q_г— з газами крекінгу, що утворилися; Q_б – з парами бензину;Q_л.г — з парами легкого газойлю; Q_т.г. — з парами важкого газойлю; Q_к2— з циркулюючим каталізатором; Q_к — з коксом, що утворився при крекінгу; Q_ц2–з рециркулюючим газойлем; Q_д2–з водяною парою, що подається на відпарку вуглеводнів з каталізатора; Q_п2— з водяною парою, що подається у транспортну лінію; Q_р — витратам тепла на реакції каталітичного крекінгу; Q_в.т.–втрати тепла у навколишнє середовище.

З теплового балансу реактора визначимо температуру сировини при подачі його у вузол змішання з каталізатором.

Через те, що повний технологічний розрахунок установки каталітичного крекінгу ми не виконуємо, за літературними і промисловими даними приймаємо наступні температури потоків на вході в реактор: Т_ц1= 561 К — температура рециркулирующего каталітичного газойлю;Т_к1= 873 К — температура каталізатора [19]; Т_п1= 873 К — температура водяної пари, що подається у транспортну лінію (з тиском Р = 0, 46∙106 Па) [58]; Т_д1 = 783 К – температура водяної пари [32], що надходить у відпарну зону реактора за тиску

0, 46∙10⁶ Па.

Разрахуємо ентальпію потоків. Попередньо визначимо склад крекінг-газу.

При проектуванні промислових установок каталітичного крекінгу користуються даними хроматографического аналізу газу, одержаного за крекінгу сировини у лабораторії. При відсутності лабораторних даних можна користуватися літературними [19; 3; 21].

У табл. 6.3 наведений зразковий склад крекінг

Таблиця 6.3.

Зразковий склад крекінг-газу

Компоненти	Mi	Вихід мас. % на сировину	Кількість
			кг/год	кмоль/год
H2S	34	0,85	2125	62,5
H2	2	0,20	500	250,0
СН4	16	2,31	5770	361,0
С2Н4	28	0,57	1424	51,0
С2Н6	30	1,25	3120	104,0
С3Н6	42	3,22	8050	191,8
С3Н8	44	2,43	6070	138,0
С4Н8	56	3,95	9868	176,4
С4Н10	58	2,92	7323	126,3
Разом		17,70	44200	1461,0

Через низький тиск у реакторі вплив тиску на ентальпію не враховується. Знаючи склад крекінг-газу, можна знайти ентальпію компонентів і потім підрахувати ентальпію суміші за правилом змішання. У табл. 6.4 наведені ентальпії компонентів газу в інтервалі температур 673—773 К. Наприклад, ентальпія сірководню за 673 К дорівнює добутку питомої ентальпії, визначеної за довідником, на масову частку останнього у крекінг-газі:

432,2·0,048 = 20,74 кДж/кг.

Сума ентальпій компонентів дорівнює ентальпії крекінг-газу за даної температури. Шляхом інтерполяції можна визначити ентальпію газу за проміжних температур.

Ентальпія вуглеводневих парів (у кДж/кг) визначається за таблицями, наведеними у додатку, або за формулою [6]:

Для визначення ентальпії рідких вуглеводнів (у кДж/кг) також можна скористатися таблицями або формулою [6]):

,

Таблиця 6.4.

Ентальпії компонентів газу в інтервалі температур 673—773 К

Компоненти	Склад хi, мac. %	Ентальпія, кДж/кг
		673 К		773 К
		q	q	q	q
H2S	4,80	432,2	20,74	548,3	26,3
H2	1,13	5798,0	65,50	7255,0	82,0
СН4	13,07	1127,0	147,20	1495,0	195,4
С2Н4	3,22	858,6	27,66	1143,0	36,8
С2Н6	7,07	988,0	69,82	1323,0	93,5
С3Н6	18,22	853,8	155,60	1139,0	207,4
С3Н8	13,76	967,3	133,00	1293,5	177,8
С4Н8	22,28	896,0	199,70	1193,0	266,2
С4Н10	16,45	967,3	159,20	1290,0	212,2
Разом	100,00	–	978,4		1297,6

де — відносна густина рідкого вуглеводню; Т — температура потоку, К.

Ентальпії вуглеводневих парів і рідин, а також каталізатора і коксу підраховані і наведені у табл. 6.5.

Таблиця 6.5.

Ентальпії вуглеводневих парів, рідин, каталізатора і коксу

Позначення потоку	Стан	Темпе- ратура, К	Кількість, кг/год	Ентальпія, кДж/кг	Кількість тепла, кВт
Прихід
Qс	Р	Тс	250 000	qс	Qс
Qц1	Р	561	71 000	648,0	12 790
Qк1	Т	873	1 750 000	678,4	329 500
Qп1	П	873	10 000	3708,0	10 300
Qд1	П	783	12 430	3510,0	12 130
Qз.к	Т	873	7 000	1506,0	2930
Разом	—	—	—	—	Qс+367550
Витрати
Qг	Г	758	44 250	1252,0	15 380
Qб	П	758	112 750	1162,0	36 330
Qл.г	П	758	39 250	1102,5	12 020
Qв.г	П	758	32 000	1097,0	9 755
Qк2	Т	758	1 750 000	548,8	26 650
Qк	Т	758	28 750	1219,0	9 720
Qц2	П	758	71000	1102,5	21 720
Qп2	П	758	10 000	3455,0	9 600
Qд2	П	758	12 430	3455,0	11920
Qр	—	—	250 000	205,2	14 250
Qп	Приймається		—	—	815
Разом	–	—	—	—	409 160

Ентальпія каталізатора і коксу підрахована за формулою:

,

де — ентальпія каталізатора або коксу, кДж/кг; с — теплоємність каталізатора або коксу, кДж/(кг.К); Т— температура каталізатора або коксу, К.

Теплоємність каталізатора дорівнює 1.05–1.13 кДж/(кг∙К) [32, 33], теплоємність коксу 1,65–2,51 кДж/(кг∙К) [6].

Теплоємність каталізатора і коксу прийнята відповідно рівною 1,13 і 2,51 кДж/( кг-К).

Ентальпія водяної пари визначається з діаграми t — S [35] для водяної пари або з таблиць ВТИ залежно від температури і тиску. Температуру пари приймають, виходячи з діапазону зміни температур у реакторі і охолоджуючих змійовиках регенератора.

Реакція каталітичного крекінгу супроводжується поглинанням тепла. На рис. 6.3 [15] наведені зразкові дані про тепловий ефект реакції каталітичного крекінгу залежно від глибини перетворення у масових відсотках.

Глибина перетворення визначається з табл. 6.1:

100 – (15,7 + 12,8) = 71,5 мас.%.

При глибині перетворення 71,5 мас. % величина теплового ефекту становить 205,2 кДж на 1 кг сировини.

З теплового балансу (табл. 6.5) маємо:

Q_c = 409140 – 367550 = 41590 кВт.

Ентальпія сировини:

кДж/кг.

Щоб за найденою ентальпією визначити температуру сировини, необхідно знати іі фазовий стан.

Інтервал температури, за якого сировина буде випаровуватися, у низу реактора:

.

Величину інтервалу температури можна визначити за формулою [32]:

,

Рис. 6.3. Графік для визначення теплового ефекту реакції каталітичного крекінгу.

де — масова частка рідкого залишку за однократного випаровування сировини.

Допустимо, що сировина подається у вузол змішання у рідкому стані, тоді частка відгону е = 0 і з двох дійсних коренів квадратного відносно ДГ рівняння до уваги приймемо найменше числове значення, рівне ΔТ = 91 К. При цьому граничне значення температури, за якої сировина практично перебуває ще у рідкому стані, виявиться рівним:

Т_р.с = 758 – 91 = 667 К.

Якщо температура сировини буде вище 667 К, то відбудеться часткове її випаровування.

Відповідно до ентальпії сировини температура Т_с = 540 К. [6]. Отже, сировина подається у вузол змішання у рідкому стані.

Температура сировини у промислових установках знаходиться у межах 473 – 633 К [19].