3.2.3.2 Тепловой баланс первого реактора

Основные реакции риформинга (3.1) – (3.2) протекают с поглощением тепла. Перепад температуры в реакторах зависит от группового углеводородного состава сырья и температуры реакции. В первом реакторе перепад температуры может достигать 35 – 80 К, во втором 8 – 40 К и в третьем 0 – 17 К.

Уравнение теплового баланса реактора в общем виде:

Q₁ = Q₂ + Q₃ + Q₄ . (2.37)

Левая часть уравнения учитывает приход тепла с сырьём и циркулирующим газом (в кВт). Правая часть уравнения учитывает расход тепла (в кВт): Q₂ – на реакции риформинга; Q₃ – с продуктами реакции и циркулирующим газом; Q₄ – потери в окружающую среду.

Рассчитаем энтальпию газового потока на входе в аппарат. Предварительный расчёт показывает, что ввиду не очень высокого давления и значительного разбавления водородом поправка на давление величины энтальпии не требуется. Состав потока в мольных долях пересчитаем в массовые доли. Энтальпию при температуре Т_вх.1=803 К для во­дорода, метана, этана, пропана, октана и пентана найдём в [10]. Для удобства определения энтальпии компонентов ВСГ при температурах от 700 до 850 К представим зависимость теплосодержаний углеводородов от температуры в следующем виде:

, (2.38)

где теплосодержание компонента, кДж/кг;коэффициенты, рассчитанные на основе справочных данных [10], (табл. 3.13);температура, при которой определяем теплосодержание, К;температура, при которой определяем теплосодержание, °С.

Таблица 3.13 – Коэффициенты уравнения (3.38)

Коэффициент	Водород	Метан	Этан	Пропан	Бутан	Пентан
a	0,00038	0,00150	0,00174	0,00181	0,00177	0,00176
b	12,86388	2,24761	1,84776	1,78125	1,80493	1,80117

Для ароматических , нафтеновыхи парафиновых углеводородов сырья в парообразном состоянии числовые значения энтальпии определяются по таблицам [3] или по формуле (в кДж/кг):

. (3.39).

При этом возникает необходимость расчёта относительной плотности углеводородов по известной величине их молекулярной массы. Для этого воспользуемся формулой Крэга

. (3.40).

Найденные значения относительной плотности углеводородов представлены в таблице 3.14.

Таблица 3.14 – Относительные плотности углеводородов

Углеводороды	Относительная плотность
	на входе в реактор	на выходе из реактора
Ароматические	0,736	0,734
Нафтеновые	0,747	0,745
Парафиновые	0,751	0,748

Расчёт энтальпии питающей смеси по формулам (3.38) и (3.39) приведён в таблице 3.15.

Тепловой эффект реакций, пользуясь законом Гесса, рассчитать нельзя из-за незнания детального химического состава сырья и продуктов реакции. Поэтому воспользуемся следующей формулой [3]:

, (3.41)

где х – выход водорода в расчёте на исходное сырьё, % масс.

Из материального баланса реактора (таблица 3.12) следует, что в результате риформинга получен водород в количестве

кмоль/ч

или

; (3.42)

кмоль/ч.

Тогда

(3.43)

% масс.,

а тепловой эффект реакции по формуле (3.41)

кДж/кг.

Таблица 3.15 – Энтальпия питающей смеси

Компо- нент	Молекуляр-ная масса Мi	Коли-чество ni, кмоль/ч	Содержа–ние , мольн. доли		Содержание , масс. доли	Энтальпия, кДж/кг
Н2	2,16	5793,92	0,7848	1,5697	0,0970	6979,55	677,29
СН4	16,33	269,48	0,0365	0,5841	0,0361	1829,59	66,06
С2Н6	30,50	336,86	0,0456	1,3689	0,0846	1721,28	145,67
С3Н8	44,67	202,12	0,0273	1,2046	0,0745	1713,97	127,64
С4Н10	58,84	67,37	0,0091	0,5293	0,0327	1707,67	55,88
С5Н12	73,01	67,37	0,0091	0,6571	0,0406	1703,91	69,22
	111,03	75,05	0,0103	1,1288	0,0698	1698,84	118,55
	117,03	226,56	0,0307	3,5916	0,2220	1692,08	375,72
	119,03	343,68	0,0466	5,5414	0,3427	1689,94	578,94
Сумма	-	7382,41	1,0000	16,1755	1,0000	-	2214,97

Величина теплового эффекта процесса риформинга зависит от концентрации нафтеновых углеводородов в сырье. Для парафинистого бензина значение теплового эффекта лежит в пределах 200-300 кДж/кг исходного сырья, для нафтенового – 400-600 кДж/кг исходного сырья [12]. Это относится к риформингу широких бензиновых фракций с целью получения высокооктанового бензина. При переработке узких фракций с целью получения индивидуальных ароматических углеводородов значения теплот реакций могут быть ещё больше, особенно при большой концентрации в сырье нафтеновых углеводородов.

Величину потерь тепла в окружающую среду примем равной

Q₄ = 0,01· Q₁ . (3.44)

Величина Q₃ равна

.

Тепловой баланс реактора (из расчёта на 75757,58 кг/ч сырья) приведён в таблице 3.16.

Таблица 3.16 – Тепловой баланс первого реактора

Поток	Температура, К	Количество, кг/ч	Энтальпия, кДж/кг	Количество тепла, кВт
Приход
Q1	Твх.1=803	119414,12	2214,97	73471,81
Сумма	–	119414,12	–	73471,81
Расход
Q2	–	–	314,7	6621,51*
Q3	Твых.1	119414,12		Q3
Q4	принимается		–	734,72
Сумма	–	119414,12	–	73471,81

Из теплового баланса реактора имеем (таблица 3.16)

Q₃ = Q₁ - Q₂ - Q₄ ; (3.45)

кВт.

Тогда

кДж/кг.

Для определения числового значения температуры Т_вых.1 потока, покидающего реактор, необходимо рассчитать состав смеси на выходе из реактора.

Состав газа, покидающего реактор, рассчитан на основе данных таблицы 3.10 и представлен в таблице 3.17.

Для определения температуры потока по известному значению энтальпии задаёмся двумя ориентировочными числовыми значениями температуры 700 и 800 К. Значения энтальпии при этих температурах представлены в таблице 3.18.

Приближённо можно считать зависимость энтальпии от температуры в небольшом интервале температур линейной. Представим зависимость энтальпии смеси, покидающей реактор, от температуры в следующем виде:

. (3.46)

Таблица 3.17 – Состав газа, покидающего реактор

Компо-нент	Молекулярная масса Мi	Количество ni, кмоль/ч	Содержание , мольн. доли		Содержание , масс. доли
Н2	2	6149,71	0,7880	1,5759	0,1030
СН4	16	288,05	0,0369	0,5905	0,0386
С2Н6	30	355,42	0,0455	1,3662	0,0893
С3Н8	44	220,67	0,0283	1,2441	0,0813
С4Н10	58	85,93	0,0110	0,6386	0,0417
С5Н12	72	85,93	0,0110	0,7928	0,0518
	109,72	217,18	0,0278	3,0531	0,1996
	115,72	73,35	0,0094	1,0876	0,0711
	117,72	328,30	0,0421	4,9518	0,3236
Сумма	–	7804,54	1,0000	15,3006	1,0000

Таблица 3.18 – Теплосодержания потока при 700 и 800К, кДж/кг

Компоненты	Содержание , масс. доли	Энтальпия
		при 700 К		при 800 К
Н2	0,1030	5606,44	577,45	6939,44	714,75
СН4	0,0386	1408,06	54,34	1816,86	70,12
С2Н6	0,0893	1310,09	116,98	1708,78	152,58
С3Н8	0,0813	1301,31	105,81	1701,40	138,34
С4Н10	0,0417	1298,19	54,18	1695,21	70,75
С5Н12	0,0518	1295,34	67,11	1691,48	87,64
	0,1996	1359,36	271,25	1689,88	337,20
	0,0711	1353,66	96,22	1683,05	119,63
	0,3236	1351,85	437,51	1680,89	544,00
Сумма	1,0000	-	1780,85	-	2235,01

Зная значения теплосодержаний потока при двух температурах (таблица 3.18), можем найти коэффициенты a и b:

,

откуда

Получим а = 4,54, b = -1398,24 и функция (3.46) примет вид

. (3.47)

Отсюда найдём, что энтальпии кДж/кг соответствует температураК.

Перепад температуры в первом реакторе равен

, (3.48)

К.

Оптимальное снижение температуры процесса в первом реакторе составляет 40 - 50 К. В данном случае значение перепада температуры близко к оптимальному.