1. С сырьем из печи при температуре 500с, рассчитали по формуле:

Q₁ = G₁  c₁  t₁, (4.21)

где G₁ – количество изопентановой фракции, кг/ч;

t₁ – температура сырья на входе в реактор, С;

с₁ – удельная теплоемкость сырья при температуре 500С, найденная по формуле:

с₁ = с_р⁰_(i-C5H12)  М_(i-C5Н12), (4.22)

где с_р⁰_(i-C5H12) – удельная теплоемкость изопентановой фракции при температуре 500С, Дж/моль К;

М_(i-C5Н12) – мольная масса изопентановой фракции, кг/кмоль.

с₁ = 8,78  72 = 632,16 Дж/кг,

Q₁ = 40110,78  632,16  500 / (3600  1000) = 3521,73 кВт.

2. С регенерированным катализатором при температуре 630с, рассчитали по формуле:

Q₂ = G₂  c₂  t₂, (4.23)

где G₂ – количество катализатора, кг/ч;

t₂ – температура катализатора на входе в реактор, С;

с₂ – удельная теплоемкость катализатора при температуре 630С, найденная по формуле:

с₂ = ((с_р⁰_(Al2O3)  с_р⁰_(Cr2O3)) / 2)  М _{ср (кат)}, (4.24)

г де с_р⁰_(Al2O3) – теплоемкость оксида алюминия при температуре 630С, Дж/моль К;

с_р⁰_(Cr2O3) - теплоемкость оксида хрома при температуре 630С, Дж/мольК;

М _{ср (кат)} – средняя мольная масса катализатора, кг/кмоль.

с₂ = ((101,16 + 114,75) / 2)  127 = 13710,29 Дж/кг,

Q₂ = G₂  13710,29  630 / (3600  1000) = 2,4 G₂ кВт.

3. Общий приход тепла рассчитали по формуле:

Q_общ = Q₁ + Q₂, (4.25)

Q_общ = 3521,73 + 2,4 G₂ кВт.

Расход тепла:

4. С отработанным циркулирующим катализатором при температуре 560С, рассчитали по формуле:

Q₃ = (G₂ + G_к) с₃  t₃, (4.26)

где G₂ – количество катализатора, кг/ч;

G_к – количество кокса, кг/ч;

T₃ – температура катализатора на выходе из реактора, С;

С₃ – удельная теплоемкость катализатора при температуре 560С, найденная по формуле:

С₃ = ((с_р⁰_(Al2O3)  с_р⁰_(Cr2O3)) / 2)  М _{ср (кат)}, (4.27)

где с_р⁰_(Al2O3) – теплоемкость оксида алюминия при температуре 560С, Дж/моль К;

с_р⁰_(Cr2O3) - теплоемкость оксида хрома при температуре 560С, Дж/мольК;

М _{ср (кат)} – средняя мольная масса катализатора, кг/кмоль;

с₃ = ((96,67 + 112,54) / 2)  127 = 13284,84 Дж/кг,

Q₃ = (G₂  215,76)  13284,84  560 / (3600  1000) = 445,87 + 2,07 G₂ кВт.

5. С выходящим контактным газом из реактора при температуре 540с, рассчитали по формуле:

Q₄ = G₄  c₄  t₄, (4.28)

где G₄ – количество контактного газа, кг/ч;

t₄ – температура контактного газа, С;

c₄ – теплоемкость контактного газа при температуре 540С, рассчитанная по формуле:

с₄ = с_см  М _{ср (К.Г.)}, (4.29)

где с_см – средняя теплоемкость контактного газа при температуре 540С, Дж/мольК;

М _{ср (К.Г.)} – средняя мольная масса контактного газа, кг/кмоль, рассчитанная по формуле:

М _{ср (К.Г.)} = 1/100  (_I  М_(i) + _n  М_(n)), (4.30)

где _I, _n – массовое содержание каждого компонента контактного газа, % масс;

М_(i), М_(n) – мольная масса каждого компонента контактного газа, кг/кмоль,

М _{ср (К.Г.)} = 1/100  (1,61 2 + 1,4  16 + 1,1  30 + 0,9  44 + 2,7  58 + 1,3  68 + 2,5  68 + 1,36  70 + 30,3  70 + 0,9  72 + 53,12  72 + 1,56  86 + 0,58  44 + 0,54  12) = 67,85 кг/кмоль,

с_см = 1/100  (_I  с_р⁰_(i) + _n  с_р⁰_(n)), (4.31)

где _I, _n – массовое содержание каждого компонента контактного газа, % масс;

с_р⁰_(i), с_р⁰_(n) – удельная теплоемкость каждого компонента контактного газа, Дж/мольК, рассчитанная по формуле:

с_р⁰_(i) = а + b  10^-3  T + c  10^-6  T², (4.32)

где а, bc - компоненты уравнения;

Т – температура контактного газа, К.

с_р⁰_{(Н )} = 27,28 + 3,26  10^-3  813 + 0,5  10^-6  813² = 30,26 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(СН )} = 14,32 + 74,66  10^-3  813 - 17,43  10^-6  813² = 63,5 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(С Н )} = 5,75 + 175,11  10^-3  813 – 57,85  10^-6  813² = 109,88 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(С Н )} = 1,72 + 270,75  10^-3  813 - 94,48  10^-6  813² = 159,39 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(С Н )} = 18,23 + 303,56  10^-3  813 – 92,63  10^-6  813² = 203,798 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(i-С Н )} = 383,7 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(n-C H )} = 17,95  4190 / 273 = 275,5 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(i-С Н )} = 19,82  4190 / 273 = 304,2 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(n-C H )} = - 42,43 + 475,3  10^-3  813 – 182,51  10^-6  813² = 223,36 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(iС Н )} = 28,39  4190 / 273 = 435,73 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(С Н )} = 524,9 Дж/моль  К,

с_р⁰_{(СО )} = 44,14 + 9,04  10^-3  813 – 8,54  10^-6  813² = 45,85 Дж/моль  К,

с_р⁰_(кокса) = 0,84 Дж/моль  К,

с _см = 1/100  (1,61  30,26 + 1,4  63,5 + 1,1  109,88 + 0,9  159,39 + 2,7  203,798+1,3  275,5 + 2,5  383,7 + 1,36  223,36 + 30,3  304,2 + 0,9  440,95 + 53,12  435,73 + 1,56  524,9 + 0,58  45,85 + 0,54  0,84) = 361,79 Дж/моль  К,

с₄ = 361,79  67,85 = 24547,5 Дж/кг.

Q₄ = 41521,12  24547,5  540 /(3600  1000) = 152885,95 кВт.

Таблица 4.8 – Баланс тепловых потоков реактора дегидрирования

Компоненты	G, кг/ч	N, кмоль/ч	∆ Н800, кДж/кмоль	∆Н800  N, кДж
Сырье: i-C5H10 i-C5Н12 н-С5Н12	990,74 16739,83 250,28	14,15 232,5 3,48	- 151,5 - 550,1 - 521,5	- 2143,73 - 127898,25 - 1814,82
Всего:	17980,85			- 131856,8
Продукты реакции: Н2 СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 n C5H8 i-C5H8 n-C5H10 i-C5H10 С6Н14 СО2 N2	647,31 557,41 449,52 359,62 1076,08 557,41 1006,93 545,79 12155,06 625,46 857,08 1002,77	323,66 34,84 14,98 8,17 18,55 8,2 14,81 7,8 173,64 7,27 19,48 35,81	0 - 716,4 - 181,6 - 369,8 - 449,2 117,3 269,69 - 275,1 - 151,5 - 595,4 - 0,4 -	0 - 24959,38 - 2720,37 - 3021,27 - 8332,66 961,86 3994,11 - 2145,78 - 26306,46 - 4328,56 - 7,8 -
Всего:	41521,21			- 66866,31

6. Количество тепла эндотермической реакции рассчитали по формуле:

Q₅ =  ∆Н_пр -  ∆Н_исх, (4.33)

где  ∆Н_пр – сумма теплового эффекта образовавшихся продуктов, кДж;

 ∆Н_исх - сумма теплового эффекта исходного сырья, кДж.

Q₅ = - 66866,31– (-131856,8) = 64990,49 кДж = 18052,91 кВт.

П отери тепла приняли 445,87 кВт.

7. Общий расход тепла рассчитали по формуле:

Q_расх = Q₃ + Q₄ + Q₅, (4.34)

Q_расх = 445,87 + 2,07 G₂ + 152885,95 + 18052,91 = 171384,73 + 2,07 G₂ кВт.

Так как приход равен расходу, то:

3521,73 + 2,4 G₂ = 171384,73 + 2,07 G₂,

G₂ = (171384,73 – 3521,73) / (2,4 – 2,07) = 508675,76 кг/ч.

Таблица 4.9 – Тепловой баланс

Приход тепла	кВт	%	Расход тепла	кВт	%
1. С сырьем 2. С регенериро-ванным катали-затором	3521,73 1220821,82	0,29 99,71	1. С отработанным циркулирующим катализатором 2. С контактным газом 3. Тепло реакции 4. Потери тепла	1052958,82 152885,95 18052,91 445,87	86,0 12,49 1,47 0,04
Всего:	1224343,55	100	Всего:	1224343,55	100

4.3 Расчет и подбор основного оборудования

1. Объем паров изопентана на входе в реактор рассчитали по формуле:

V₁ = G₁  22,4  (T₀ + T) P₀ / (М_{i-C H}  T₀P), (4.35)

где G₁ – количество сырья, кг/ч;

T₀ – температура, 273 количество;

Т – температура изопентановой фракции, С;

P₀ - давление при нормальных условиях, 1,038 Па;

Р – давление изопентановой фракции, Па;

М_{i-C H} - мольная масса сырья (изопентановой фракции), кг/кмоль.

V₁ = 40110,78  22,4  (273 + 500)  1,038 / (72  273  1,3) = 28212,88 м³/ч.

2 . Объем контактного газа на выходе из реактора рассчитали по формуле:

V₂ = G₄  22,4  (T₀ + T) P₀ / (М_К.Г.  T₀P), (4.36)

где G₄ – количество контактного газа, кг/ч;

T₀ – температура, 273 количество;

Т – температура контактного газа, С;

P₀ - давление при нормальных условиях, 1,038 Па;

Р – давление контактного газа, Па;

М_К.Г. - мольная масса контактного газа, кг/кмоль.

V₂ = 41521,12  22,4 (273 + 540) м³/ч.

3. Средний объем рассчитали по формуле:

V_ср = (V₁ + V₂)/ 2, (4.37)

V_ср = (28212,88 + ) / 2 = 30403,87 м³/ч.

4. Рассчитали диаметр реактора по формуле, приняв скорость газа в нем , м/с, равной 0,4:

(4.38)

где V_ср – средний объем реакционных газов, м³/ч;

 - скорость газа в реакторе, м/с.

= 4,89

5. Рассчитали среднюю скорость газа в реакторе по формуле:

_ср = V_ср / (0,785  3600  D), (4.39)

г де V_ср – средний объем реакционных газов, м³/ч;

D – диаметр реактора, м.

_ср = 30403,87 / (0,785  3600  4,89) = 2,20 м/с.

6. Действительную скорость контактного газа рассчитали по формуле:

 = V₂ / (0,785  3600  D), (4.40)

где V₂ –объем контактного газа, м³/ч;

D– диаметр реактора, м.

 = 32594,86 / (0,785  3600  4,89) = 2,36 м/с.

7. Объем паров сырья при нормальных условиях рассчитали по формуле:

V = 22,4  G₁ / М_{i-C H} , (4.41)

где G₁ – количество сырья, кг/ч;

М_{i-C H} - мольная масса сырья (изопентановой фракции), кг/кмоль

V = 22,4 м³/ч.

8. Объем катализатора в реакторе рассчитали по формуле:

V_kt = V / _kt, (4.42)

где V – объем паров сырья при нормальных условиях, м³/ч;

_kt – объемная скорость катализатора, м³/ч.

V_kt = м³.

9. Объем «кипящего» слоя катализатора рассчитали по формуле:

V_к.сл = V_kt  _kt / _kt, (4.43)

где V_kt - объем катализатора в реакторе, м³;

_kt – насыпной вес катализатора, кг/м³;

_kt – плотность катализатора, кг/м³.

V_к.сл = 59,42  1200 / 800 = 89,13 м³.

10. Среднюю высоту «кипящего» слоя рассчитали по формуле:

Н = V_к.сл / (0,785  ), (4.44)

где V_к.сл - объем «кипящего» слоя катализатора в реакторе, м³;

D – диаметр реактора, м.

Н = 89,13 / (0,785  4,89²) = 4,75 м.

11. Среднее время пребывания катализатора в зоне реакции рассчитали по формулу:

 = _kt  V_к.сл / G₂, (4.45)

где V_к.сл - объем «кипящего» слоя катализатора в реакторе, м³;

_kt – плотность катализатора, кг/м³;

G₂ – количество катализатора, кг/ч.

 = 800  89,13  60 / 508675,76 = 8,41 мин.

12. Фиктивное время контакта между газом и катализатором рассчитали по формуле:

_ф = Н / , (4.46)

где Н – средняя высота «кипящего» слоя, м

 - скорость газа, м/с;

_ф = 4,75 / 0,4 = 11,88 с.

13. Рассчитали кратность циркуляции катализатора по формуле:

R = G₂ / G₁, (4.47)

где: G₂ – количество катализатора, кг/ч;

G₁ – количество сырья, кг/ч.

R = 508675,76 / 40110,78 = 12,68.

4.3.1 Расчет циклонов реактора

Назначение – улавливание частиц катализатора, уносимых контактным газом.

1. Удельный вес контактного газа при температуре 540С рассчитали по формуле:

 = G₄ / V₂, (4.48)

где V₂ –объем контактного газа, м³/ч;

G₄ – количество контактного газа, кг/ч.

 = 41521,12 / 32594,86 = 1,27.

Для улавливания пыли принимаем циклоны НИИОГАЗ типа ЦН-15 диаметром 600 мм, согласно (7, с. 97).

2. Необходимое количество циклонов при скорости в циклоне _ц = 6,5 м/с, согласно (7, с.97), рассчитали по формуле:

n = G₄ / (0,785  D_ц² _ц), (4.49)

где G₄ – количество контактного газа, кг/ч;

D_ц – диаметр циклона, м.

n = 11,14 / (0,785  0,6²  6,5) = 6,06  6 шт.

3. Рассчитали действительную скорость в циклоне по формуле:

 = G₄ / (0,785  D_ц² n), (4.50)

г де G₄ – количество контактного газа, кг/ч;

D_ц – диаметр циклона, м;

n – количество циклонов, шт.

 = 11,14 / (0,785  0,6²  6) = 6,57 м/с.

4. Гидравлическое сопротивление циклона рассчитали по формуле:

∆р = ₀  _г     / (2  g), (4.51)

где ₀ – коэффициент гидравлического сопротивления, (для циклона ЦН –

15 = 160);

_г – коэффициент для группы циклона, приняли 1,1;

 - удельный вес контактного газа;

 - действительная скорость газа в циклоне, м/с;

g – скорость свободного падения, м/с.

∆р = 160  1,1  1,3  6,57 / (2  9,8) = 76,69 Па.

4.3.2 Расчет закалочной секции реактора

Назначение – охлаждение контактного газа.

Исходные данные:

Количество поступающих в змеевик паров сырья, кг/ч 40110,78

Температура контактного газа до змеевика, С 565

Температура контактного газа после змеевика, С 515

1. Тепловую нагрузку на змеевик определили по формуле:

Q = G₁ / 3600  (I₁ –I₂), (4.52)

где G₁ – количество изопентановой фракции, кг/ч;

I₁ – энтальпия изопентановой фракции при температуре 565С, Дж/кг;

I₂ – энтальпия изопентановой фракции при температуре 515С, Дж/кг.

2 . Определили энтальпию изопентановой фракции при температуре 565С и 515С по формуле:

I₁,I₂ = Н_m,n – H₂₉₈, (4.53)

где Н_m,n – энтальпия изопентановой фракции при 838 К и 788 К соответственно;

H₂₉₈ - энтальпия изопентановой фракции при 298 количество, согласно

(8, с. 365).

I₁ = 28300 – 5295 = 23005 калл/моль = 319,5 Дж/кг,

I₂ = 25570 – 5295 = 20275 калл/моль = 281,6 Дж/кг,

Q = 40110,78/ 3600  (319,5 – 281,6)  4190 = 1769342,22 Вт.

3. Температуру паров сырья на выходе из реактора определили:

1769342,22 = 40110,78 (х – 45,8),

40110,78 х – 1837073,72 = 1769342,22,

40110,78 х = 3606415,94,

х = 89,9С.

где 45,8 – энтальпия сырья при 363 К, согласно (8, с. 365).

4. Энтальпии 89,9 Дж/кг соответствует температура 177С. Отсюда нашли разность температуры:

5 65 540

1 77 90

388 450

∆t_ср = (388 + 450) / 2 = 419 С.

5. Необходимую поверхность закалочного змеевика рассчитали по формуле:

F = Q / (K  ∆t_ср), (4.54)

где Q - тепловая нагрузка на змеевик, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, приняли 35 Вт/(м²  К), согласно (8, с. 172);

F = 1769342,22 / (419  35) = 120,65 м².

Устанавливаем змеевик общей поверхностью 200 м².

4.3.3 Расчет стриппинг – секции реактора

Исходные данные:

Скорость в стриппинг – секции реактора, м/с 0,1

Диаметр стриппинг – секции, м 1

1. Количество газа, необходимое для подачи в стриппинг – секцию, рассчитали по формуле:

G = 0,785  3600  v  d², (4.55)

где v – скорость в стриппинг – секции, м/с;

d - диаметр стриппинг – секции, м.

G = 0,785  3600 ^м³/ч.

Принимаем реактор следующей характеристики:

Внутренний диаметр, D_вн, мм 5100

Наружный диаметр, D_н, мм 5500

Высота цилиндрической части, Н_ц, м 16

Общая высота, Н, м 26

Поверхность нагрева закалочной секции, F, м² 200

Диаметр десорбера, D_д, мм 1000

4.3.4 Подбор вспомогательного оборудования

4.3.4.1 Расчет и подбор испарителя позиции ИП2

Назначение – испарение изопентана.

Исходные данные:

Количество изопентановой фракции, кг/ч 40110,78

Температура сырья, поступающего на испарение, °С 20

Т емпература испарения изопентановой фракции, °С 27,85

Коэффициент теплопередачи, К, Вт/(м²·К) 430

Расчет:

Тепловую нагрузку определили, согласно (7, с. 104) по формуле

Q₁ = G₁ · c₁ · (t₂ - t₁), (4.56)

где G₁ – количество изопентановой фракции, кг/ч;

с₁ – удельная теплоемкость изопентана, Дж/кг;

t₂ – температура сырья, поступающего на испарение, °С;

t₁ – температура испарения изопентана, °С.

Q₁ = 40110,78 · 632,16 · (27,85 - 20) / 3600 = 55291,11 Вт.

Тепловую нагрузку от испарения изопентановой фракции определили по формуле:

Q₂ = G₁ ·r_{i-C H} , (4.57)

где r_{i-C H} - теплота испарения изопентана, Дж/кг;

Q₂ = 40110,78 · 81,94 = 3286588,18 Вт

Общую тепловую нагрузку нашли по формуле:

Q_общ = Q₁ + Q₂, (4.58)

Q_общ = 55291,11 + 3286588,18 = 3341879,29 Вт.

Расход пара рассчитали по формуле:

G_п = Q_общ / r_в, (4.59)

где r_в - теплота испарения воды, Дж/кг;

Q_общ – общая тепловая нагрузка, Вт.

G_п = 3341879,29 / (499 · 4190) = 1,6 кг/с.

О пределяем среднюю разность температур при прямоточном движении теплоносителей:

70 70

20 27,85

50 42,15

∆t_ср = (50 + 42,15) / 2 = 46,08 °С.

Рассчитали необходимую поверхность теплообмена, F, м², по формуле:

F = Q_общ∆t_ср · К (4.60)

где Q_общ – общая тепловая нагрузка, Вт;

∆t_ср - средняя разность температур при прямоточном движении теплоносителей, °С;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К).

F = 3341879,29 / (46,08 · 430) = 168,66 м².

К установке принимаем испаритель следующей характеристики:

Площадь поверхности теплообмена, F, м² 170

Диаметр кожуха, D, мм 1600

Число трубных пучков, n, шт 1

Число труб в одном пучке, z, шт 362

Площадь сечения одного хода по трубам, S_x, м² 0,055