
- •Федеральное агентство по образованию
- •Методическое указание
- •Расчёт реакционных устройств термических процессов.
- •Термический крекинг и висбрекинг тяжелого нефтяного сырья
- •Коксование нефтяных остатков.
- •Расчет реакционных устройств каталитических процессов.
- •2.1 Каталитический крекинг нефтяного сырья.
- •2.2. Каталитический риформинг бензиновых фракций.
- •3. Гидрокрекинг и гидроочистка нефтяного дистиллятного сырья
- •Термический крекинг и висбрекинг тяжелого нефтяного сырья….. 3
- •625000, Тюмень, ул. Володарского, 38
- •625039, Тюмень, ул. Киевская, 52
Расчет реакционных устройств каталитических процессов.
2.1 Каталитический крекинг нефтяного сырья.
Характеристика процесса. Основным назначением каталитического крекинга, протекающего при температурах 470 - 530°С и небольшом избыточном давлении 0,05 – 0,1 МПа, является получение высокооктанового компонента товарного бензина. Кроме того, каталитический крекинг дает газ, богатый батан-бутеленовой фракцией, а также тяжёлый и лёгкий газойль. Образующийся во время реакции кокс выжигается с поверхности катализатора в процессе регенерации. В качестве сырья каталитического крекинга чаще всего используют прямогонную широкую масляную фракцию, выкипающую в пределах 350 - 500°С.
В промышленности применяют алюмосиликатные и цеолитсодержащие катализаторы, преимущественно микросферические. Каталитический крекинг проводят в реакторах, главным образом с псевдосжиженным слоем катализатора, в так называемых лифт-реакторах. Реакторный блок включает также регенератор, в котором осуществляется удаление кокса с поверхности катализатора.
Материальный баланс процесса. Выход продуктов каталитического крекинга в значительной степени зависит от качества и состава сырья, активности катализатора и т.п.
Ниже приведены средние данные, характеризующие выход получаемых продуктов:
Массовый выход, %
Газ 10 - 20
Бензиновая фракция (до 200°С) 30 – 50
Лёгкий газойль (200 - 350°С) 24 – 36
Тяжёлый газойль (>350°С) 12 – 33
Кокс 2 – 7.
При составлении материального баланса желательно использовать экспериментальные данные для конкретного вида сырья. Если они отсутствуют, можно приближенно подсчитать массовые доли продуктов каталитического крекинга ( ).
Для бензина
;
(20),
легкого газойля
;
(21),
кокса
(22),
где - глубина превращения сырья, массовые доли;
Xб , Xл.г., Xк – массовые доли продуктов реакции;
K', K'' – макрокинетические коэффициенты, зависящие от температуры.
Значение макрокинетических коэффициентов следующие:
Температура, °С K' K''
450 0,95 0,55
475 1,25 0,60
500 1,45 0,65
520 1,45 0,80
Разность между глубиной превращения и суммой выходов бензина легкого газойля и кокса дает выход газа.
Пример 2.1. Определить выход продуктов крекинга широкой масляной фракции при 500°С. Глубина превращения сырья составляет 0,714.
Решение: При 500°С макроскопические коэффициенты равны: K' = 1,45, K'' = 0,65. Выходы продуктов (в массовых долях):
=
0,322;
=
0,275;
=
0,042;
Выход газа (Xг):
Xг = 0,714 – 0,322 – 0,275 – 0,042 = 0,075.
Реакторно-регенерационный блок каталитического крекинга.
На установках каталитического крекинга с микросферическим ка-
тализатором
последний непрерывно циркулирует между
реактором и регенератором. Интенсивность
циркуляции катализатора характеризуется
кратностью
циркуляции катализатора (
):
,
( 23 ),
где Gц - поток циркулирующего (регенерированного) катализатора, поступающего в реактор, кг/ч; L + R – суммарная загрузка реактора свежим L и рециркулирующим R сырьем, кг/ч.
Количество
циркулирующего в системе катализатора
,а
следовательно, и кратность циркуляции
его
не могут приниматься произвольно.
Величина
, избыток теплоты в регенераторе
и удельная энтальпия IL
сырья, поступающего в реактор, должны
быть увязаны с помощью тепловых балансов
реактора и регенератора. Если, например,
задаться значениемIL
, то из теплового баланса реактора можно
найти количество циркулирующего
катализатора
,
а из баланса регенератора – избыточную
теплоту
С другой стороны, можно составить материальный баланс по сжигаемому коксу (К, кг/ч) :
,
( 24),
где
-
содержание кокса на отработанном
катализаторе, % (масс);
- то же, на регенерированном катализаторе,
- количество циркулирующего катализатора,
кг/ч.
Из последнего уравнения при найденном значении можно определить содержание кокса на отработанном катализаторе:
,
(25).
Для эффективной работы реактора величина не должна быть выше рекомендуемых значений.
Ниже приводятся практические данные о средних показателях работы установок каталитического крекинга с микросферическим цеолитсодержащим катализатором [9-12 ] :
Температура °С
в реакторе 480 – 510
в регенераторе 580 – 620
ввода сырья в реактор 200 – 360
ввод перегретого пара в реактор 350 – 400
Давление в реакторе и регенераторе, МПа 0,15 – 0,30
Массовая скорость подачи сырья, кг/(кг *ч) :
в лифт – реакторе 55 – 130
общая (лифт – реактор плюс форсированный
«кипящий» слой) 20 – 22
Кратность циркуляции катализатора 2 – 15
Коксосъём, кг/ч на 1 т катализатора, находящегося в
регенераторе 20 – 45
Содержание кокса, % (масс.) :
на регенерированном катализате 0,2 – 0,4
на отработанном катализаторе 0,8 – 1,8
Насыпная плотность катализатора, кг/м3 720 – 800
Концентрация катализатора во взвеси, кг/м3
в «кипящем» слое 240 – 550
в стояках 240 – 600
в линиях пневмотранспорта 20 – 80
в лифте – реакторе 40 – 80
в отпарной секции реактора 330 – 460
Скорость (фиктивная) паров и газов, м/с:
в зонах «кипящего» слоя 0,4 – 0,75
в зоне отпаривания реактора 0,2 – 0,4
на входе в лифт – реактор 6 – 10
на выходе из лифт – реактор 15 – 25
Линейная скорость потока взвеси, м/с:
в пневмотранспортных линиях 5 – 12
в стояках 0,6 – 2,1
Линейная скорость паров и газов в шлемовых трубах реактора и регенератора, м/с 25 – 40
Время пребывания катализатора:
в лифт – реакторе, с 3 – 4
в отпарной секции, мин. 1 – 3
в регенераторе, мин 4 – 20
Расход воздуха на сжигание кокса, кг/кг 11 – 13
Расход водяного пара на отпарку, % (масс.),
на циркулирующий катализатор 0,25 – 1,0
15. Количество теплоты, кДж:
реакции на 1 кг свежего сырья 210 – 275
сгорания 1 кг кокса (низшая) 25000 – 32000
16. Средняя теплоемкость, кДж / (кг*К):
кокса 1, 65 – 2,51
катализатора 1,05 – 1,13
Тепловой баланс реактора. Составляется с целью определения температур поступающего сырья или уходящих продуктов крекинга.
Тепловой баланс выражается уравнением
(26),
где
- левая часть уравнения – количество
теплоты (килоджоулях), поступающей в
реактор с сырьем -
,
регенерированным катализатором -
,
рециркулирующей фракцией -
,
водяным паром -
;
правая
часть уравнения – количество теплоты
(килоджоулях) с уходящими продуктами
крекинга -
,
отработанным катализатором -
,
тепловыми потерями, тепловой эффект
процесса
.
Для расчета энтальпии катализатора и кокса, отложенного на катализаторе, их теплоемкости принимают равными соответственно 1,13 кДж/(кг*К) и 2,09 кДж/(кг*К). Умножая теплоемкость на температуру, получают их энтальпию. Энтальпию продуктов реакции определяют по правилу аддитивности. Удельный тепловой эффект процесса ( , кДж/кг) зависит от глубины превращения сырья и для цеолитсодержажего катализатора может быть определен по формуле:
(27).
Для алюмосиликатного катализатора удельный тепловой эффект выше на 85 – 105 кДж/кг. Если крекингу подвергаются малосернистые или гидроочищенное сырье, тепловой эффект, полученный по формуле (27) рекомендуется уменьшить на 65 – 75 кДж/кг.
Водяной пар подается в реактор для отпарки адсорбированных на катализаторе углеводородов (3 – 8 кг на 1000 кг циркулирующего катализатора), а также для распыливания сырья (1 кг на 100 кг сырья). Параметры подаваемого водяного пара (температура – (300 – 520)°С, давление – (0,4 – 1,0) МПа).
Пример
2.2.
Рассчитать количество циркулирующего
(регенерированного) катализатора
на установке каталитического крекинга
с микросферическим цеолитсодержащим
катализатором с равновесной активностью
44 % (масс.), производительностью по сырью
L
= 2400 т/сут., коэффициент рециркуляции
1,1. Сырьё – вакуумный отгон (фракция 350
- 500°С по ИТК), плотность
= 0,897. Давление в реакторе и регенераторе
Р = 180 кПа. Температуры: уходящих продуктов
крекинга - 490°С; отработанного катализатора
- 480°С; в регенераторе 600°С.
Решение. При указанных условиях выходы отдельных продуктов крекинга и их характеристики приведены в таблице 2.1.
В связи с непрерывной циркуляцией катализатора между реактором и регенератором величины удельной энтальпии (IL, кДж /кг) сырья на в ходе в реактор, кратность циркуляции ( , кДж/ч) должны быть взаимно увязаны с помощью соответствующих тепловых балансов.
Очевидно,
порядок технологического расчета
реакционно – регенерационного узла
будет зависеть от того, какой из указанных
параметров (IL,
или
)
выбран в качестве исходной величины.
Ниже расчет произведен в предложении,
что сырье поступает в реактор в жидком
состоянии при температуре
=
300°С. При этой температуре IL=
694,9 кДж/кг.
Тепловой баланс реактора представлен в таблице 2.2.
Таблица 2.1.
Материальный баланс реактора (Р-1)
Материальный поток |
Обозначение |
|
М |
Количество |
|
кг/ч |
% (масс.) на сырье |
||||
Приход Сырье Рециркулят |
L R |
0,897 0,937 |
350 560 |
100 000 10 000 |
100,0 10,0 |
ВСЕГО Расход Газ (фр. С1 – С4) Бензин (фр. С5 - 195°С) Легкий газойль Тяжелый газойль Кокс Потери Рециркулят
|
Г Б Л Т К - R |
-
- 0,735 0,898 0,937 - - 0,937 |
-
32 112 240 360 - - 360 |
110 000
15 000 43 300 24 000 11 100 6 000 600 10 000 |
110,0
15,0 43,3 24,0 11,1 6,0 0,6 10,0 |
ВСЕГО |
- |
- |
- |
110 000 |
110,0 |
Неизвестной величиной является количество циркулирующего (регенерированного) катализатора . Общий приход тепла в реактор составляет:
,
МДж/ч.
Расход
тепла:
,
МДж/ч.
Приравнивая
и
,
находим:
=
762 500 кг/ч.
Кратность циркуляции катализатора:
.
Примем содержание кокса на регенерированном катализаторе = 0,3 %. По формуле находим:
%
(масс.).
Значение не превышает допустимого значения (0,8 – 1,8 %).
Тепловой баланс регенератора.
В регенераторе происходит выжигание кокса с поверхности катализатора в потоке подаваемого в аппарат воздуха.
Тепловой баланс регенератора может быть записан в виде
,
где - количество теплоты с отработанным катализатором, (кДж);
-
количество теплоты с воздухом, (кДж);
-
количество теплоты, выделяющейся при
горении кокса, (кДж);
Таблица 2.2.
Тепловой баланс реактора (Р-1)
Наименование |
t, °С |
|
с, кДж/(кг*К) |
Ι, кДж/кг |
G, кг/ч |
Q, МДж/ч |
Приход тепла: 1. С сырьем (жидк.) 2. С рециркулятором (жидк.) 3. С катализатором (регенерированным) 4. С водяным паром |
300
340
600 470 |
0,897
0,937
- - |
-
-
1,1 2,0 |
694,9
794,5
660,0 940,0 |
100 000
10 000
0,005 |
69 490
7 945
0,66 0,0047 |
ВСЕГО
Расход тепла: 1. С газовой фракцией (М=32) 2. С парами бензина 3. С парами легкого газойля 4. С парами тяжелого газойля 5. С парами рециркулята 6. С водяным паром
7. С катализатором 8. С коксом 9. Теплота реакции 10. Потери тепла
|
-
490 490
490
490 490 490
480 480 - - |
-
- 0,735
0,898
0,937 0,937 -
- - - - |
-
- -
-
- - 2,0
1,1 2,0 - -
|
-
1828,0 1565,9
1468,7
1450,3 1450,3 980,0
528,0 960,0 210,0 -
|
-
15 000 43 300
24 000
11 100 10 000 0,005
6000 100 000 - |
77 435+ 0,6647
27 420 67 803
35 249
16 098 14 503 0,0049 0,528 5760 21 000 9000
|
ВСЕГО |
- |
- |
- |
|
|
177 933+ 0,5329 |
-
количество теплоты регенерированного
катализатора, (кДж);
-
количество теплоты дымовых газов, (кДж);
- тепловые потери, (кДж);
Температура отработанного катализатора определяется из теплового баланса реактора или принимается в пределах 480 - 520°С. Температура регенерированного катализатора – 600 - 750°С. Температура уходящих газов на 15 - 20°С выше температуры кипящего слоя.
Количество теплоты ( ,кДж), выделяющейся при сгорании 1 кг кокса определяют по формуле:
(28),
где
,
- массовая доля углерода в коксе,
сгорающего до
и СО;
,
-
массовые доли водорода и серы в коксе;
,
,
,
- удельные тепловые эффекты реакции
окисления соответственно до
,
СО, Н2О
(пар), SO2
(кДж/кг).
Тепловые эффекты можно принять равными:
= 33927 – 34069 кДж/кг;
= 10269 – 10314 кДж/кг;
= 121004 – 121025 кДж/кг;
= 32790 – 32932 кДж/кг.
Тепловые
потери (
,
кДж) можно определить из уравнения
теплопередачи
(29),
где К – коэффициент теплопередачи, равный 2,3 – 4,6 Вт/м2*К),
S – площадь внешней поверхности регенератора, м2;
-
разность между температурами внутри
аппарата и окружающей средой.
Из теплового баланса регенератора можно определить массовый расход циркулирующего катализатора, зная кратность его циркуляции Кц, и наоборот
Кц = Gк/Gс (30),
где Gк – расход циркулирующего катализатора, кг/с;
Gс - расход сырья, кг/с.
Пример 2.3. Составить тепловой баланс регенератора для примера 2.2.
Приняты:
расход воздуха
=
12
кг на 1 кг сжижаемого кокса; теплота
сгорания кокса
=
30 000 кДж/кг.
Решение: Тепловой баланс регенератора представлен в таблице 2.3.
Приравнивая
приход тепла в регенератор
=
590 524 МДж/ч и его расход
=
+ 552 395 МДж/ч, находим избыток тепла
=
38 129 МДж/ч.
Необходимо отметить, что фактическое значение будет ниже на величину тепловых потерь в системе реактор – регенератор. При более точных расчетах в тепловом балансе реактора учитывают также теплоту адсорбции катализатором водяного пара, а в балансе регенератора – теплоту десорбции этого пара.
Таблица 2.3.
Тепловой баланс регенератора (Р-2)
Наименование |
t, °С |
Ι, кДж/кг |
G, кг/ч |
Q, МДж/ч |
Приход тепла: 1. С катализатором 2. С коксом 3. С воздухом 4. Тепло сгорания кокса
|
480 480 30 - |
528 960 30 30 000
|
762 500 6000 72 000 6000 |
402 604 5760 2160 180 000 |
ИТОГО Расход тепла: 1. С регенерированным циркулирующим катализатором 2. С дымовыми газами 3. Избыток тепла (и потери) |
-
600 600 - |
-
660 630 -
|
-
762 500 78 000 -
|
590 524
503 255 49 140
|
ИТОГО |
- |
|
|
552 395 +
|
Расчет геометрических размеров реактора и регенератора.
Расчет реактора проводят в следующей последовательности:
Находят объём катализатора м (Vк.р., м3) в реакторе в насыщенном виде:
(31),
где Gс – расход сырья, кг/ч;
-
плотность
сырья в жидком состоянии, кг/м3;
W – объёмная скорость подачи сырья, изменяемая в пределах 0,8 – 3,0 ч-1.
2. Определяется объём кипящего слоя ( Vкс.., м3) по формуле
(32),
где
-
насыпная плотность катализатора (610 –
690 кг/м3);
-
плотность кипящего слоя, 400 - 500 кг/м3.
Рассчитывают площадь поперечного сечения реактора (S,м2) по формуле
(33),
где - объемный расход паров продуктов крекинга и водяных паров (м3/с);
-
линейная скорость движения паров над
кипящим слоем катализатора, м/с.
Объёмный расход паров определяется по формуле:
(34),
где Т – температура, К;
Р – давление в системе, МПа;
Gί – расход компонента, кг/с;
М – молярная масса компонента, кг/кмоль.
Линейная скорость движения паров обычно равна 0,4 – 0,7 м/с.
Диаметр реактора можно определить по формуле
или из площади поперечного сечения (S).
4.
Находят высоту кипящего слоя катализатора
(
,
м) по формуле:
(35)
и общую высоту реактора
(36),
где
- высота отстойной зоны;
=
4,5 – 5 м.
5.Продолжительность
пребывания частиц катализатора в
реакторе (
)
определяется по формуле:
(37),
где
-
расход циркулирующего катализатора,
кг/с;
W – объёмная скорость подачи сырья, ч-1.
Пример
2.4.
В реактор каталитического крекинга
поступает 106000 кг/ч вакуумного газойля
(
= 0,865). Объёмный расход паров, проходящих
через реактор, 16,2 м3/с,
их скорость 0,6 м/с. Объёмная скорость
подачи сырья – 1,4 ч-1.
Насыпная плотность катализатора равна 680 кг/м3, плотность кипящего слоя 450 кг/м3. Определить диаметр и высоту реактора.
Решение:
Объём катализатора в реакторе определяем по формуле (31).
м3.
Объём кипящего слоя
м3.
Площадь поперечного сечения находим по формуле (33).
м2.
Диаметр реактора
м.
Высота кипящего слоя катализатора определяется по формуле (35).
м.
Общая высота реактора
Н = 4,9 + 4,9 = 9,8 м.