5.4 Гидравлический расчет реактора

Правильность выбора диаметра и высоты слоя катализатора проверяется гидравлическим расчетом. Цель гидравлического расчета — определение перепада давлений в слое катализатора и сравнение расчитанных перепадов с практическими данными.

Гидравлический расчет ведем по формуле Эргуна[22]:

где — перепад давления в слое катализатора, Па;

H — высота слоя катализатора, м;

d — диаметр шарика катализатора, м;

W — линейная скорость газопаровой смеси, отнесенная к полному сечению, м/с;

- плотность потока паров ГПС при рабочих условиях, кг/м³;

- динамическая вязкость парогазовой смеси, Па с;

- порозность катализатора, доли от единицы;

g – ускорение свободного падения,принимаемg = 9,8 м/с².

За диаметр гранул, не имеющих форму шара, обычно принимается величина, определяемая из соотношения:

где d_рш— диаметр равновеликого по объему шара, м;

- фактор экструдатов или коэффициент несферичности.

Коэффициент несферичности равен отношению поверхности экструдата катализатора (F_Т) к поверхности равновеликого по объему шара (F_рш):

Поверхность экструдата и поверхность равновеликого по объему шара находим, приравнивая объем экструдата к объему равновеликого по объему шара и рассчитываем поверхность последнего:

Объем экструданта катализатора (V_T) находим по формуле, приняв для экструданта катализатора диаметр равным 1,8 мм и длину 4 мм:

где d_T— диаметр экструдата катализатора, мм;

l_T — длина экструдата катализатора, мм.

Выражая диаметр равновеликого шара из формулы , получим:

Поверхность экструдата определяем по формуле:

Поверхность равновеликого по объему шара равна:

Коэффициент несферичности по формуле :

Диаметр гранул катализатора по формуле равен:

Объем ГПС на выходе из реактора определяем по формуле:

где — число кмоль газов и паров ГПС, кмоль/ч;

- коэффициент сжимаемости;

Р — давление, МПа.

Коэффициент сжимаемости для паров сырья и продуктов реакции находим по формуле [6]:

Приведенные температуру и давление определяем из соотношениий:

Псевдокритические температуру и давление находим по формулам:

где — критические температуры компонентов смеси, К;

- критические давления компонентов смеси, МПа;

- мольные доли компонентов смеси.

Критические температуры и давления находим из следующих соотношений:

где t_ср — средняя объемная температура кипения фракции, ⁰С;

М — молярная масса фракции, кг/кмоль;

К — постоянная, для нефтепродуктов постоянная К = 5,5.

Расчет псевдокритических температур и давлений для ГСС и ГПС приведен в табл. 5.21, 5.22 соответственно.

Таблица 5.21. Расчет псевдокритических температур и давлений газопаровой фазы ГСС

Компонент	у	Критические параметры		Ткр*у	Ркр*у
		темп-ра, К	давление, Мпа
водород	0,8075	33	1,82	26,8	1,47
метан	0,0617	191	4,68	11,8	0,29
этан	0,0383	305	4,92	11,7	0,19
пропан	0,0172	370	4,28	6,4	0,07
изо-бутан	0,0047	407	3,76	1,9	0,02
н-бутан	0,0046	426	3,67	2,0	0,02
сырьё	0,0660	716	40,82	47,2	2,69
итого	1,0000			108	4,75

Таблица 5.22. Расчет псевдокритических температур и давлений газопаровой фазы ГПС

Компонент	у	Критические параметры		Ткр*у	Ркр*у
		темп-ра, К	давление, Мпа
водород	0,7497	33	1,82	24,9	1,36
метан	0,0736	191	4,68	14,0	0,34
этан	0,0456	305	4,92	13,9	0,22
пропан	0,0200	370	4,28	7,4	0,09
изобутан	0,0052	407	3,76	2,1	0,02
бутан	0,0052	426	3,67	2,2	0,02
сероводород	0,0100	373	8,89	3,7	0,09
БО	0,0041	546	27,95	2,2	0,11
ГО ДТ	0,0866	721	42,88	62,4	3,71
итого	1,0000			133	5,97

По формулам приведенные параметры равны:

По формулам коэффициенты сжимаемости равны:

Объем ГСС на входе в реактор и объем ГПС на выходе из реактора по формуле :

Средний объем находим по формуле:

Линейная скорость паров в реакторе, отнесенная ко всему сечению реактора определяем по формуле:

где d_K— диаметр слоя катализатора (d_K = 3,0м).

Для определения вязкости смесей паров используем формулу Фроста[7]:

где — динамическая вязкость, Па с;

Т — температура, К;

М — молекулярная масса компонента, кг/кмоль.

Молярная масса смеси углеводородов может быть найдена как отношение общей массы газопаровой смеси к общему числу кмолей газопаровой смеси:

В пределах давлений от 0,1 до 5 — 6 МПа динамическая вязкость изменяется незначительно, поэтому поправку на давление не принимаем в расчет. Тогда вязкость паров по формуле:

Плотность потока паров ГСС и ГПС при рабочих условиях определим из соотношения:

Порозность катализатора (долю свободного объема) определяем по формуле:

где — насыпная плотность катализатора, кг/м³;

- кажущаяся плотность катализатора, кг/м³.

Принимаем следующие значения плотностей для экструдированного катализатора : = 0,7 г/см³ [13]; = 1,0 г/см³ [1]. Получаем по формуле:

По формуле Эргуна ведем расчет потери напора в одном реакторе:

Таким образом, потеря напора катализатора в одном реакторе не превышает предельно допустимых 0,2 - 0,3 МПа [1]. Поэтому к проектированию принимаем реактор цилиндрической формы с высотой и диаметром реакционной зоны 9,4 и 3 м соответственно.