3.2.3.4 Основные размеры реактора

Диаметр реактора рассчитаем так, чтобы перепад давления в слое катализатора не превышал допустимого значения [.

На современных установках применяют реакторы с радиаль­ным вводом сырья (рисунок 10).

1– корпус; 2 – катализатор; 3 – перфорированный стакан с сеткой; 4 – сетка; 5 – шарики фарфоровые; 6 – штуцер для эжекции газов; 7 – перфорированная труба; 8 – штуцер для ввода сырья; 9 – штуцер для выхода продуктов реакции; 10 – футеровка

Рисунок 10 – Схема к расчету основных размеров реактора

Величина [ принимается:

, (3.49)

где 0,5 – доля гидравлического сопротивления слоя в общем гидравлическом сопротивлении реактора; количество реакторов.

Па.

Последующим расчётом принятое значение должно быть подтверждено.

Для расчёта величины используют формулу

, (3.50)

где – потери напора на 1 м высоты (толщины) слоя катализатора в реакторе, Па/м ; – порозность слоя; – скорость фильтрования, м/с;– плотность газов, кг/м³; – кинематическая вязкость, м²/с; d_э - эквивалентный диаметр частиц катализатора, м.

Порозность слоя катализатора при допущении упорядоченного расположения частиц катализатора

, (3.51)

где – объём шара, эквивалентный объёму частиц катализатора цилиндрической формы, м³; – объём куба, описанного вокруг шара, м³.

Цилиндрические частицы алюмоплатинового катализатора риформинга имеют диаметр 2 – 3 мм и высоту 4 – 5 мм. Если принять диаметр цилиндрика равным d = 0,003 м и высоту Н = 0,005 м, то

; (3.52)

м³.

Сторона куба, описанного вокруг шара, равна эквивалентному d_э диаметру этого шара:

; (3.53)

м.

Таблица 3.19 – Гидравлическое сопротивление промышленных реакторов

Установка	Гидравлическое сопротивление реакторов, 106Па
Каталитического риформинга	0,435
Комбинированная установка – секция риформинга	0,520
Укрупнённая установка – секция риформинга	0,158

Числовое значение порозности при _.

.

Скорость радиального фильтрования газовой смеси в наиболее узком сечении у сетки трубы

, (3.54)

где – объём газов, проходящих через свободное сечение реактора; F_с – площадь сетки у трубы (рисунок), м².

, (3.55)

где G – количество газовой смеси в реакторе, кг/ч ; Т_ср1 – средняя температура в реакторе, К; Z=1 – коэффициент сжимаемости газа, значительно разбавленного водородом; М_ср. – средняя молекулярная масса газовой смеси; – среднее давление в реакторе, Па.

Средняя температура в реакторе

, (3.56)

К.

Среднее давление в реакторе

; (3.57)

Па.

Тогда

м³/с.

Площадь сетки у трубы

, (3.58)

где D_c - диаметр сетки у трубы, м; H_c - высота сетки, м.

Примем диаметр реактора D_р1=2,0 м, диаметр сетки D_c = 0,5 м, тогда высота сетки

, (3.59)

где – высота слоя катализатора в реакторе, м.

Высота слоя катализатора в стакане

, (3.60)

где F – площадь кольцевого сечения между стаканами, м.

Площадь кольцевого сечения между стаканами

; (3.61)

м².

Тогда

;

м,

а площадь сетки у трубы

F_c = 3,140,52,39 = 3,75 м².

Подставив числовые значения величин в формулу для расчёта скорости фильтрации, получим

м/с.

Плотность газовой смеси на выходе из реактора

, (3.62)

где – плотность компонентов газовой смеси, кг/м³; – содержание компонентов в газовой смеси, масс. доли.

Плотность компонентов газовой смеси при средней температуре Т_ср.1 = 774,88 К в реакторе

, (3.63)

где М_i – средние молекулярные массы компонентов.

Результаты расчёта плотности даны в таблице 3.20.

Таблица 3.20 – Расчёт плотности газовой смеси

Компонент	Содержание , мольн. доли	Плотность , кг/м3	, кг/м3
Н2	0,7880	1,0758	0,8477
СН4	0,0369	8,6065	0,3176
С2Н6	0,0455	16,1372	0,7349
С3Н8	0,0283	23,6679	0,6692
С4Н10	0,0110	31,1985	0,3435
С5Н12	0,0110	38,7292	0,4264
	0,0278	59,0174	1,6423
	0,0094	62,2448	0,5850
	0,0421	63,3206	2,6636
Сумма	1,0000	-	8,2302

Кинематическая вязкость газовой смеси вычисляется по формуле Манна

, (3.64)

где – содержание компонентов и газовой смеси, покидающей реактор, мольн. доли; – кинематическая вязкость компонентов при средней температуре в реакторе, м/с².

Кинематическая вязкость углеводородов при температуре

, (3.65)

где – динамическая вязкость, Паc; – плотность углеводородов, кг/м³.

Для расчёта динамической вязкости газов используем формулу

(3.66)

где вязкость при температуре кипения;постоянная Сатерленда.

Постоянную Сатерленда рассчитаем по формуле

(3.67)

Вязкость при температуре кипения рассчитаем по формуле Мейсснера:

, (3.68)

где число атомов в молекуле газа.

Температуру кипения компонентов ВСГ определим по [10]. Для определения средней температуры кипения ароматических, нафтеновых и парафиновых углеводородов воспользуемся номограммой (рисунок 11), зная молекулярную массу и .

Среднее число атомов в молекуле газа для ароматических, нафтеновых и парафиновых углеводородов определим, зная среднюю молекулярную массу углеводородов и их структурные формулы, т.к. под средней молекулярной массой подразумевается молекулярная масса гипотетического углеводорода, имеющего усреднённые значения элементного состава, температуры кипения и плотности. Например, ароматические углеводороды в первом реакторе имеют среднюю молекулярную массу 109,72. Значит,

Следовательно, структурная формула усреднённого ароматического углеводорода , т.е.

.

Аналогично определяется и число атомов усреднённых нафтенового и парафинового углеводородов.

Далее необходимо учесть повышенное давление в реакторе. Для этого воспользуемся формулой Гарднера

, (3.69)

где плотность газа, г/см³; поправка, см³/г.

. (3.70)

Рисунок 11 – Номограмма для определения характеристик топлива по двум заданным параметрам

Результаты расчётов динамической вязкости компонентов реакционной смеси представлены в таблице 3.21.

Таблица 3.21 - Расчёт динамической вязкости

Компоненты		С	m	, Па·с	, Па·с	b	, Па·с
Н2	20,23	29,74	2	1,09·10-6	1,60·10-5	1,41·10-12	1,60·10-5
СН4	111,51	163,92	5	4,08·10-6	2,19·10-5	1,34·10-12	2,19·10-5
С2Н6	184,37	271,02	8	5,64·10-6	2,12·10-5	1,09·10-12	2,12·10-5
С3Н8	230,93	339,47	11	6,41·10-6	2,02·10-5	9,20·10-13	2,02·10-5
С4Н10	272,50	400,58	14	7,01·10-6	1,92·10-5	8,01·10-13	1,92·10-5
С5Н12	300,85	442,25	17	7,33·10-6	1,85·10-5	7,16·10-13	1,85·10-5
	373,00	548,31	18	9,07·10-6	1,89·10-5	6,65·10-13	1,89·10-5
	403,00	592,41	24	8,81·10-6	1,71·10-5	5,65·10-13	1,71·10-5
	402,00	590,94	26	8,59·10-6	1,67·10-5	5,43·10-13	1,67·10-5

Расчёт кинематической вязкости смеси представлен в таблице 3.22.

Кинематическая вязкость газовой смеси, согласно формуле Манна и данным таблицы 3.22, равна

.

Таблица 3.22 - Расчёт кинематической вязкости

Компонент	Мольная доля ,	, м2/с	, с/м2
Н2	0,7880	14,89	52935,54
СН4	0,0369	2,55	14495,39
С2Н6	0,0455	1,31	34703,43
С3Н8	0,0283	0,85	33203,06
С4Н10	0,0110	0,62	17852,01
С5Н12	0,0110	0,48	23037,38
	0,0278	0,32	86848,09
	0,0094	0,27	34206,48
	0,0421	0,26	159429,21
Сумма	1,0000	–	456710,59

Подставив в формулу для расчета потери напора числовые зна­чения величин, получим

Толщина слоя катализатора в стакане

м.

Потеря напора в слое катализатора

= 18743,89 ∙ 1,38 = 25866,57 Па.

Полученная числовая величина = 25866,57 Па не пре­вышает [] = 72 500 Па. При получении> [] не­обходимо уменьшить толщину слоя катализатора, что достигается уменьшением диаметра D_pl аппарата.

Полная высота реактора равна

Н_п1 = Н_сл.1 + 0,2 + D_Рl+ 0,225 + D_Рl + 0,425;

Н_п1 =2,79 + 0,2 + 2,0 + 0,225 + 2,0 + 0,425=7,64 м.

Далее по аналогии производятся расчеты второго и третьего реакторов.