2.2 Расчёт реактора изомеризации

По данным с существующих установок с использованием катализатора СИ-2 принимаем степень конверсии н-парафинов:

- н-пентана – 98,4%,

- н-гексана – 98,7%.

Также принимаем выход побочных продуктов в % масс. на продукт:

- углеводороды ниже С₅ – 2,2%,

- углеводороды выше С₆ – 1,3%,

- потери 0,004%.

2.2.1 Материальный баланс реактора

Аналогично по данным с существующих установок принимаем, что блок подготовки сырья изомеризации обеспечивает выделение фракции, содержащей 90,32% н-пентана. Состав сырья реактора Р-2 представлен в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Состав сырья реактора Р-2

Состав	Массовые доли	кг/ч	M, г/моль	моль/ч	Мольные доли
i-пентан	0,016	62,038	72	861,64	0,0153
н-пентан	0,903	3509,028	72	48736,497	0,864
i-гексан	0,061	236,52	86	2750,234	0,049
н-гексан	0,018	69,792	86	811,544	0,0144
ВСГ	0,002	7,755	2,4	3231,149	0,057
Всего	1,000	3885,134		56391,064	1

По принятым степеням конверсии и выходу побочных продуктов рассчитаем состав продуктов процесса:

G(iC₅)=G(iC₅)_сыр+G(нС₅)·к(С₅), (2.1)

где G(iC₅) – суммарный выход изопентана, кг/ч; G(iC₅)_сыр – содержание изопентанов в сырье, кг/ч; G(нС₅) – содержание н-пентанов в сырье, кг/ч; к(С₅) – степень конверсии н-пентанов.

G(iC₆)=G(iC₆)_сыр+G(нС₆)·к(С₆), (2.2)

где G(iC₆) – суммарный выход изогексанов, кг/ч; G(iC₆)_сыр – содержание изогексанов в сырье, кг/ч; G(нС₆) – содержание н-гексанов в сырье, кг/ч; к(С₆) – степень конверсии н-гексанов.

Состав продуктов реактора представлен в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Состав продуктов реактора

Состав	Массовые доли	кг/ч	204
Газы до С4	0,0213	82,579	0,5
i-пентан	0,874	3395,928	0,659
Н-пентан	0,014	54,244	0,62
i-гексан	0,076	295,066	0,656
Н-гексан	0,00023	0,876	0,659
ВСГ на регенерацию	0,001928	7,492	-
Газы выше С7	0,0126	48,797	0,7
Потери	3,86·10-05	0,15	-
Всего	1,000	3885,134	0,654

2.2.2 Тепловой баланс реактора

Основная задача расчета теплового баланса заключается в нахождении температуры сырья на входе в реактор. Так как процесс изомеризации происходит с выделением тепла от 6 до 8 кДж/моль, то для поддержания температуры реакции необходимо найти количество тепла, выделавшегося в процессе реакций изомеризации.

Примем конечную температуру продуктов изомеризации 130^оС, теплоту реакцииизомеризации 7 кДж/моль.

Принимая, что в процессе изомеризации подвергаются только пентаны и гексаны, с учетом количества молей углеводородов (таблица 2.3) общее количество тепла, выделяющееся при изомеризации пентанов и гексанов составит

Q_реак=(G_m(C₅)·k(C₅)+G_m(C₆)·k(C₆))·q_эф, (2.3)

где G_m – количество углеводорода, поступающего с сырьём, моль/ч; q_эф – тепловой эффект реакции (7 кДж/моль).

Q_реак= 48736,5·0,984·7/1000+811,544·0,987·7/1000=335,697+ 5,607= =341,304 МДж/ч.

По известным конечной температуре процесса и составу продукта, рассчитаем теплосодержание продукта на выходе из реактора. Теплосодержание жидкой фазы углеводородов определим по уравнению

q_пр=(1,689·t₂+0,0017·(t₂²))·((0,9943·²⁰₄+0,00915)^0,5)^-1, (2.4)

где t₂ – конечная температура процесса (130 ^оС); ²⁰₄ – средняя плотность компонентов сырья.

Плотность смеси рассчитаем исходя из массовых долей компонентов (таблица 2.4)

, (2.5)

где r_i – мольная доля i- компонента.

Тогда

q_пр=305,709 кДж/кг.

Теплосодержание ВСГ при температуре t₂ определим по формуле

q_ВСГ=10,976·t₂ + 492,68, (2.6)

q_ВСГ=1919,63 кДж/кг.

Общее теплосодержание смеси на выходе из реактора

Q_пр= q_ВСГ·G_ВСГ+ q_пр·G_пр, (2.7)

где G_ВСГ – расход ВСГ на выходе из реактора, кг/ч; G_пр – расход смеси углеводородов без ВСГ и потерь на выходе из реактора, кг/ч.

Q_пр= 1919,63·7,492+(3885,134-0,15-7,492)· 305,709=1199,767 МДж/ч.

Зная тепловой эффект реакции, а также энтальпию продуктов на выходе из реактора можно определить теплосодержание сырьевой смеси (Q⁰_c) поступающей в реактор по формуле

Q⁰_c= Q_пр - Q_реак, (2.8)

Q⁰_c=1199,767 - 341,304=858,463 МДж/ч.

Методом подбора температуры на входе сырья в реактор и рассчитывая значение энтальпии смеси, необходимо добиться, чтобы значение рассчитанной энтальпии было равно ранее полученному, исходя из теплового баланса (Q⁰_c).

Пусть температура сырья на входе в реактор составит t₀=93,7^оС. Рассчитаем, зная компонентный состав сырья (таблица 2.3), его теплосодержание при t₀ по формуле (2.4). Среднюю плотность углеводородов сырья рассчитаем исходя из их массовых долей (таблица 2.4).

Теплосодержание углеводородной смеси на входе в реактор составит

q_сыр=(1,689·93,7+0,0017·(93,7²))·((0,9943·0,6235+0,00915)^0,5)^-1=218,342 кДж/кг.

Таблица 2.5 – Расчёт плотности углеводородов в сырье

Состав	Массовые доли	кг/ч	Плотность относительная
i-пентан	0,016	62,03806	0,659
н-пентан	0,905	3509,028	0,62
i-гексан	0,061	236,5201	0,656
н-гексан	0,018	69,79282	0,659
Сырье		3877,379	0,6235

Теплосодержание ВСГ находим по (2.6)

q_ВСГ=10,976·93,7 + 492,68=1521,183 кДж/кг.

Общее теплосодержание углеводородов с ВСГ с учётом массового расхода рассчитаем по (2.7)

Qº_с=218,342·3877,379+1521,183·7,755= 858,389 МДж/ч.

Для определения правильности выбранной температуры определим расхождение теплосодержания сырья реактора, рассчитанного по тепловому балансу (Qº_с), и теплосодержания сырья, рассчитанного по принятой температуре t₀ на входе в реактор (Qº_с).

Q=100% · (Qº_с - Qº_с )/Qº_с (2.9)

Q=(858,463-858,389)·100/858,4630,01%.

Таким образом, температура t₀ принята с достаточной точностью и может использоваться для дальнейших расчётов.