2.2.4 Расчет габаритов реактора

Требуемый объем катализатора в реакторе вычисляем по формуле

, (2.37)

где G_с - производительность реактора, кг/ч; ν - объёмная скорость подачи сырья, нм³/м³,

Принимаем цилиндрическую форму реактора и соотношение высоты к диаметру равным 4:1 или Н=4D. Тогда реакционный объем реактора определится по формуле

. (2.38)

Диаметр реактора определится по формуле:

; (2.39)

.

Принимает стандартный диаметр реактора 2 м. Тогда высота реактора будет 8 м.

2.2.5 Расчет потери напора в слое катализатора

Потерю напора в слое катализатора вычисляем по формуле

, (2.40)

где ε- порозность слоя катализатора; u - линейная скорость движения потока, фильтрующегося через слой катализатора, м/с; μ - динамическая вязкость, Па·с; d - средний диаметр частиц, м; р - плотность смеси в условиях процесса, кг/м³;

Порозность слоя вычисляют по формуле

, (2.41)

где γ_н - насыпная плотность катализатора, кг / м³; γ_к - кажущаяся плотность катализатора, кг / м³.

.

Линейная скорость потока равна:

u=, (2.42)

где V - объем реакционной смеси, включающий объем сырья V_c и объем циркулирующего ВСГ V_ц.

Объем сырья рассчитывают по формуле

, (2.43)

где G_c - расход сырья в реакторе, кг / ч; z - коэффициент сжимаемости, при Т_пр=0,973 и Р_пр=0,866, z=0,45; t_{cр -} средняя температура в реакторе , t_ср = 0,5·(340+353,06) =346,53 °С; Р – давление в системе, 5 МПа; Р_атм – атмосферное давление, МПа.

.

Объем циркулирующего газа составит:

; (2.44)

.

Динамическую вязкость смеси определяют по ее средней молекулярной массе, равной:

; (2.45)

.

По уравнению Фроста находим динамическую вязкость:

; (2.46)

.

Плотность реакционной смеси в условиях процесса равна:

; (2.47)

.

По формуле (2.40) определим потерю напора в слое катализатора:

Проверка потери напора в слое катализатора: 0,04 ≤ 0,2 МПа.

2.3 Варианты заданий для расчета процесса гидроочистки топливных фракций представлены в таблице а.2.

3 Каталитический риформинг

3.1 Технология процесса

Каталитический риформинг - современный, широко применяемый процесс, предназначенный для повышения детонационной стойкости бензинов и получения индивидуальных ароматических углеводородов – бензола, толуола, ксилолов.

Промышленные процессы каталитического риформинга основаны на контактировании сырья с активным катализатором, обычно содержащим платину, отсюда и появилось название процесса - платформинг.

Сущность каталитического риформинга заключается в ароматизации бензиновых фракций, протекающей в результате каталитического преобразования нафтеновых и парафиновых углеводородов.

В условиях каталитического риформинга наиболее легко и быстро протекают реакции дегидрирования шестичленных нафтенов, скорость ароматизации циклопентанов примерно на порядок ниже. Наиболее медленной из реакций ароматизации является дегидроциклизация парафиновых углеводородов. В процессе параллельно протекают и нежелательные реакции гидрокрекинга с образованием как низко-, так и высокомолекулярных углеводородов, а также продуктов уплотнения – кокса, откладывающегося на поверхности катализатора.

Реакции дегидрирования и дегидроциклизации идут с поглощением тепла, реакции изомеризации имеют тепловой эффект, близкий к нулю, а реакции гидрокрекинга протекают с выделением тепла. Следовательно, по правилу Ле-Шателье, равновесная глубина ароматизации увеличивается с ростом температуры и понижением парциального давления водорода. Однако промышленные процессы риформинга вынужденно осуществляют при повышенных давлениях с целью подавления реакций коксообразования, при этом снижение равновесной глубины ароматизации компенсируют повышением температуры.

Процесс каталитического риформинга осуществляют на бифункциональных катализаторах, сочетающих кислотную и гидрирующую-дегидрирующую функции. Реакции гидрирования и дегидрирования протекают на металлических центрах платины или платины, промотированной добавками рения иридия, олова, галлия, германия и др., тонко диспергированных на носителе. Кислотную функцию в промышленных катализаторах выполняет носитель, в качестве которого используют оксид алюминия. Для усиления и регулирования кислотных свойств носителя в состав катализатора вводят галоген: фтор или хлор. В настоящее время применяют только хлорсодержащие катализаторы. Содержание хлора составляет от 0,4 – 0,5 до 2,0 % масс.

Прогресс каталитического риформинга в последние годы был связан с разработкой и применением сначала биметаллических, а затем полиметаллических катализаторов, обладающих повышенной активностью, селективностью и стабильностью.

Успешная эксплуатация полиметаллических катализаторов возможна лишь при выполнении определённых условий: содержание серы в сырье риформинга не должно превышать 110^-4 % масс., что требует глубокого гидрооблагораживания сырья; содержание влаги в циркулирующем газе не должно превышать 210^-3- 310^-3% мольных; пуск установки требует использования в качестве инертного газа чистого азота; для восстановления катализатора предпочтительно использование электролитического водорода.

Сырьем каталитического риформинга служат как прямогонные бензиновые фракции нефтей и газовых конденсатов, так и бензины вторичного происхождения, получаемые при термической и термокаталитической переработке нефтяных фракций, а также выделяемые из продуктов переработки углей и сланцев. Фракционный состав сырья выбирается в зависимости от целевого назначения процесса. Если процесс проводится с целью получения индивидуальных ароматических углеводородов, то для получения бензола, толуола и ксилолов используют соответственно фракции, содержащие углеводороды С₆ (62-85˚С), С₇ (85-105˚С), С₈ (105-140˚С), если риформинг проводится с целью получения высокооктанового бензина, то сырьём обычно служит фракция 85-180˚С, соответствующая углеводородам С₇ – С₁₀.

Подготовка сырья риформинга включает ректификацию и гидроочистку. Ректификация используется для выделения определенных фракций бензинов в зависимости от назначения процесса. При гидроочистке из сырья удаляют примеси (сера, азот и др.), отравляющие катализаторы риформинга, а при переработке бензинов вторичного происхождения подвергают также гидрированию непредельные углеводороды.

Поскольку процесс сильно эндотермичен, его осуществляют в каскаде из трёх-четырёх реакторов с промежуточным подогревом сырья. В первом по ходу сырья реакторе в основном протекает сильно эндотермическая реакция дегидрирования нафтенов. В последнем реакторе - преимущественно эндотермические реакции дегидроциклизации и достаточно интенсивно экзотермические реакции гидрокрекинга парафинов. Поэтому в первом реакторе имеет место наибольший (30 – 50 ˚С), а в последнем наименьший перепад температур сырья на входе и выходе из него. Высокий перепад температур в головных реакторах можно понизить, снижая время контакта сырья с катализатором, то есть объём катализатора в них. Поэтому на промышленных установках риформинга первый реактор имеет наименьший объём катализатора, последний – наибольший. Например, для трёхреакторного блока распределение объёма катализатора по ступеням от 1:2:4 до 1:3:7 (в зависимости от химического состава сырья и целевого назначения процесса).

С понижением парциального давления водорода увеличивается глубина ароматизации сырья, а также повышается селективность превращений парафиновых углеводородов, т.к. снижение давления благоприятствует протеканию реакций ароматизации и тормозит реакции гидрокрекинга. Однако при снижении давления возрастает скорость дезактивации катализатора за счёт его закоксовывания.

Кратность циркуляции водородсодержащего газа определяется как отношение объёма циркулирующего ВСГ, приведённого к нормальным условиям, к объёму сырья, проходящего через реакторы в единицу времени.

Учитывая, что в циркулирующем ВСГ концентрация водорода изменяется в широких пределах – от 65 до 90 % об., а молекулярная масса сырья зависит от фракционного и химического составов, предпочтительнее пользоваться мольным отношением водород : сырьё. С увеличением этого отношения снижается скорость дезактивации катализатора, следовательно, удлиняется межрегенерационный пробег установки. Однако увеличение этого отношения ведёт к увеличению энергозатрат, росту гидравлического сопротивления и объёма аппаратов и трубопроводов. Поэтому этот параметр выбирают с учётом стабильности катализатора, качества сырья и продуктов, жёсткости процесса и заданной продолжительности межрегенерационного цикла.

При использовании полиметаллических катализаторов на установках со стационарным слоем мольное отношение водород : сырьё, равное 5 – 6, обеспечивает длительность межрегенерационного цикла до 12 месяцев. На установках с непрерывной регенерацией катализатора это отношение поддерживается на уровне 4 – 5.

Повышение объёмной скорости подачи сырья приводит к увеличению выхода реформата, но с пониженным октановым числом и меньшим содержанием ароматических углеводородов; снижению выхода ВСГ с более высокой концентрацией водорода; повышению селективности процесса и удлинению продолжительности межрегенерационного цикла. При снижении объёмной скорости снижается производительность установки. Оптимальное значение объёмной скорости устанавливают с учётом качества сырья и реформата, жёсткости процесса и стабильности катализатора. Обычно объёмная скорость в процессах риформирования бензинов составляет 1,5 –

2,0 ч^-1.

Стабильная активность катализаторов риформинга, кислотным промотором которых является хлор, возможна лишь при достаточном его содержании на катализаторе и низкой влажности в реакционной системе. Объёмное содержание влаги в циркулирующем ВСГ поддерживается обычно на уровне (10-30)·10^-6. Для поддержания оптимальной концентрации хлора в катализаторе хлор может подаваться непрерывно или периодически с дозировкой 1 – 5 мг/кг сырья (в виде хлорорганических соединений).