1.2.1.6 Тепловий баланс реактору

Рівняння теплового балансу реактору гідроочистки можливо записати так:

(21)

де Q_с, Q_ц – тепло, яке надходить в реактор зі свіжою сировиною та ЦВВГ;

Q_s, Q_г.н – тепло, яке виникає при протіканні реакцій гідрогенолізу сірчистих та гідрування ненасичених сполук;

ΣQ_см - тепло, яке відводиться з реактору реакційною сумішшю.

Середня теплоємність реакційної суміші при гідроочистки мало змінюється в ході процесу, тому тепловий баланс реактора можна записати в наступному вигляді:

, (22)

, (23)

де G – сумарна кількість реакційної суміші, % (мас);

– середня теплоємність реакційної суміші, кДж/(кг·К);

ΔS_н, ΔC_н – кількість сірки та ненасичених ВВ, видаленні з сировини, %(мас);

t, t_o – температура на вході в реактор та при видаленні сірки, ^оС;

q_s, q_н – теплові ефекти гідрування сірчистих та ненасичених сполук, кДж/кг.

Значення t_o визначають для кожної пари каталізатор-сировина в інтервалі 250-380 ^оС. Для заданої пари каталізатор-сировина t_o=350 ^оС.

Кількість сірки, видаленої з сировини ΔS=0,245% (мас). Глибину гідрування ненасичених ВВ можна прийняти рівній глибині видалення сірки ΔС_н=10·0,245=2,45% (мас).

Кількість тепла, що видаляється при гідрогенолізу сірчистих сполук (на 100 кг сировини) при заданій глибині знесірчування, рівній 0,245,

кДж

де Q_s=1319 кДж – кількість тепла, що видаляється при гідрогенолізі сірчистих сполук;

q_Si – теплові ефекти гідрогенолізу окремих сіркоорганічних сполук, кДж/кг;

g_Si – вміст окремих сіркоорганічних сполук, % (мас).

Кількість тепла, що видаляється при гідруванні ненасичених сполук, дорівнює 126000 кДж/кмоль. Тоді

кДж (24)

кДж

де Q_н=1476 кДж – кількість тепла, що видаляється при гідруванні ненасичених сполук;

q_н=126000 кДж/кмоль – тепловий ефект, що видаляється при гідруванні ненасичених сполук.

Середню теплоємність ЦВВГ можна знайти по формулі:

кДж/(кг·К),

де с_ц=5,45 кДж/(кг·К) – середня теплоємність ЦВВГ;

с_Рі – теплоємність окремих компонентів, кДж/(кг·К);

y_і – масова частка кожного компонента в ЦВВГ.

Таблиця 1.5 Теплоємність індивідуальних компонентів

Теплоємність	H2	CH4	C2H6	C3H8	C4H10
сР , кДж/(кг К ) сР, кДж/(кг )	14,57 3,48	3,35 0,800	3,29 0,786	3,23 0,772	3,18 0,760

Ентальпія пари сировини при 350 ^оС визначають I³⁵⁰=1050 кДж/кг.

Поправку на тиск знаходять по значеннях приведених температури і тиску. Абсолютна критична температура Т_кр=460+273=733 К.

Приведена температура дорівнює Т_пр=(350+273)/733=0,85

Критичний тиск сировини знаходять по формулі:

(25)

МПа,

де Р_кр=4,15 МПа - критичний тиск сировини;

(26)

Приведений тиск дорівнює:

, (27)

де Р_пр=0,96 – приведений тиск;

Р=4 МПа – тиск процесу.

Для знайдених значень Т_пр та Р_пр :

кДж/кг

Ентальпія сировини з поправкою на тиск дорівнює І³⁵⁰=1050-51,3=998,7 кДж/кг. Теплоємність сировини з поправкою на тиск дорівнює с_с=998,7/350=2,85 кДж/(кг·К).

Середня теплоємність реакційної суміші складає:

кДж/(кг·К), (28)

кДж/(кг·К),

Підставимо знайдені величини в рівняння (23), знайдемо температуру на виході з реактору t:

^оС (29)

^оС

Потрібний об’єм каталізатору в реакторі V_к розраховують по формулі:

(30)

29,5м³,

де V_к=29,5м³ – потрібний об’єм каталізатору в реакторі;

G’=G/ρ (31)

G’=73529,41/850= 86,5м³/год

Так схема установки передбачає два послідовно працюючих реактора тому кількість каталізатору в одному реакторі дорівнює

V_k= V_k/2=29,5/2=14,75

Об’ємна швидкість подачі сировини:

ω= G’/ V_к (32)

ω=86,5/27,5=2,93 ≈3г^-

де ω=2,93 г^-1 – об’ємна швидкість подачі сировини.

Приймаємо циліндричну форму реактору і відношення висоти до діаметру рівним 2:1 або Н=2D. Тоді

Діаметр реактору дорівнює

м, (33)

Приймаю D=2,4м, тоді висота шару каталізатору буде розрахована: H=2D=2·2,34=4,8 м.

Розрахуємо втрати напору в шарі каталізатора

(34)

де ε – порозність шару;

u – лінійна швидкість руху потоку, м/с;

μ – динамічна в’язкість, Па·с;

d – середній діаметр частинок, м;

ρ – густина реакційної суміші, кг/м³;

g – прискорення силі тяжіння, кг/с².

Порозність шару розраховуємо по формулі:

ε=1- γ_н/γ_к ,

де γ_н=850 кг/м³ – насипна густина каталізатора;

γ_к=1210 кг/м³ – уявна густина каталізатора;

ε=1- 950/1210=0,214

Лінійну швидкість руху потоку розраховуємо по формулі:

u=4V/πD², (35)

де V – об’єм реакційної суміші, який складається з об’єму сировини та ЦВВГ, тобто V=V_с+V_ц .

Об’єм сировини розраховуємо по формулі:

м³/год (36)

м³/год

де V_c=88,5 м³/год – об’єм сировини;

G_c=73529 кг/год – витрата сировини в реакторі;

z_c – коефіцієнт стисливості (при Т_пр=0,845 та Р_пр=0,98 дорівнює 0,25);

t_cp =(t_o+t)/2=354 – середня температура в реакторі, ^оС.

Об’єм ЦВВГ складе:

(37)

м³/год,

м³/год,

м³/год,

м/с,

Динамічну в’язкість суміші визначаємо по її середньої молекулярної маси, рівній

(37)

По рівнянню Фроста знаходять динамічну в’язкість суміші:

μ=T·(6,6-2,25·lnM_cp)·10^-8=354·(6,6-2,25·ln55,36)·10⁸=9.68·10^-6 кг·с/м².

Середній діаметр частинок каталізатору d=1,35·10^-3м. Густина реакційної суміші в умовах процесу дорівнює:

кг/м³, (38)

кг/м³

Таким чином,

кг/(м²·м)

кПа

Таким чином, втрата напору каталізатору не перевищує гранично допустимих значень 0,2-0,3 МПа.