2.2 Пример расчета технологического процесса гидроочистки бензиновой фракции

Исходные данные:

- производительность по сырью G_с = 1112010 т/г;

- плотность бензиновой фракции р₀= 760 кг/м³ ;

- содержание серы в сырье S=0,078 %масс., в том числе меркаптановой S_м=0,0039 %масс., сульфидной S_с=0,039 %масс., дисульфидной S_д =0,0078 % масс., и тиофеновой S_т=0,0273 % масс., содержание непредельных углеводородов 2 % масс. на сырье;

- остаточное содержание серы в очищенной бензиновой фракции S_б=0,0001 % масс., то есть степень или глубина гидрообессеривания должна быть 99,87 % масс.;

- кратность циркуляции ВСГ к сырью Кц=220 м³/м³;

- давление в реакторе Р= 5 МПа;

- температура газо-сырьевой смеси на входе в реактор 340⁰ С.

Составы ВСГ и ЦВСГ представлены в таблицах 2.1 и 2.2

В процессе гидроочистки используем катализатор АКМ, характеристика которого приведена в таблице 2.3.

Таблица 2.1 - Состав ВСГ с установки Л-35/6

Компонент	H2	CH4	C2H6	C3H8	С4Н10	i-С4Н10	Бензин	Плотность ρ, кг/м3
Объемная доля, % об.	84,45	8,79	4,21	1,4	0,21	0,23	0,06	0,277
Массовая доля, % масс.	29	23,98	21,5	10,76	2,11	2,27	9,63

Таблица 2.2 - Состав ЦВСГ

Компонент	H2	CH4	C2H6	C3H8	С4Н10	i- С4Н10
Объемная доля у, % об.	80,14	14,3	4,18	0,96	0,21	0,21
Мольная доля у’, % мольн.	80,16	14,26	4,19	0,96	0,22	0,22
Массовая доля у, % масс.	27,57	39,24	21,6	7,26	2,15	2,15
Молекулярная масса М, г/моль	2	16	30	44	58	58
Плотность ρ, кг/м3	0,089	0,71	1,34	1,96	2,59	2,59
Константа фазового равновесия, Кр	30,0	4,5	1,35	5,22	0,27	0,195
Удельная теплоемкость, Ср, кДж / кг ·К	14,57	3,35	3,29	3,23	3,18	3,18

Таблица 2.3 - Характеристика катализатора АКМ.

Показатель	АКМ
Насыпная плотность, кг/м3	680
Удельная поверхность, м2/г	120
Содержание, % масс:
СоО, не менее	4
NiO, не менее	0
МоО3, не менее	12
Fe2О3, не более	0,16
Na2О3, не более	0,08
Носитель	Аl2O3
Диаметр гранул, мм	4...5
Индекс прочности, кг/мм	1,1
Относительная активность по обессериванию, усл. ед., более	95
Межрегенерационный период, мес.	11
Общий срок службы, мес.	36

2.2.1 Расход водорода на гидроочистку

Выход гидроочищенной бензиновой фракции В_{к ,} % масс., на исходное сырье определим по формуле

В_к =100 -В_б - В_г -Δ S, (2.1)

где В_б , В_г, Δ S - выход бензина, газа и количество удаленной серы, % масс.

Среднюю молекулярную массу сырья определим по формуле

, (2.2)

.

Примем равномерное распределение атомов серы по длине углеводородной цепочки, тогда при гидрогенолизе сераорганических соединений с разрывом у атома серы выход бензина-отгона и газа составит:

В_б = ΔS = 0,078 - 0,0001 = 0,0779 % (масс.); (2.3)

В_г=0,3 ΔS; (2.4)

В_г=0,3 ^. 0,0779 =0,023 % (масс.).

Тогда выход бензиновой фракции фракции будет равен:

В_бенз =100-0,0779-0,023-0,0779=99,82 % (масс.).

Глубина гидрообессеривания сырья составит:

(2.5)

где S₀ – количество серы в сырье до очистки, % масс.; S – количество серы в гидрогенизате, % масс.

.

Расход водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений можно найти по формуле

G₁ = m ^. ΔS, (2.6)

где G₁ - расход 100 % -го водорода, % масс. на сырье; ΔS - количество серы, удаляемое при гидроочистке, % масс; m - коэффициент, зависящий от характера сернистых соединений.

Так как в сырье присутствуют различные сернистые соединения, то необходимо определить расход водорода на гидрогенолиз каждого из них; сумма этих расходов будет равняться расходу водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений. Наиболее стабильны при гидроочистке тиофеновые соединения, поэтому при расчете принимаем, что вся остаточная сера (0,0001 % масс. на сырье) в гидрогенизации - тиофеновая. Результаты расчета расхода водорода приведены в таблице 2.4.

Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов равен:

, (2.7)

где G₂ - расход 100 % водорода, % масс. на сырье; ΔG_н - разность содержания непредельных углеводородов в сырье и гидрогенизате, % масс. на сырье; М - средняя молекулярная масса сырья.

Примем, что степень гидрирования непредельных углеводородов и гидрогенолиз сернистых соединений одинакова (99,87%), тогда

.

Таблица 2.4 - Расход водорода на гидрогенолиз серосодержащих соединений

Компонент	m	Содержание, % масс.	Расход водорода на реакцию
Меркаптаны	0,062	0,004	0,000
Сульфиды	0,125	0,039	0,005
Дисульфиды	0,094	0,008	0,001
Тиофены	0,250	0,027	0,007
Расход водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений, % масс.				0,013

Мольную долю водорода, растворенного в гидрогенизате можно рассчитать из условий фазового равновесия в газосепараторе высокого давления.

, (2.8)

где у’_н2, , х’_н2 - мольные доли водорода в паровой и жидкой фазе; Кр - константа фазового равновесия (для условий газосепаратора высокого давления) при 40⁰С и 4 МПа, Кр = 30.

Потери водорода от растворения в гидрогенизате G₃ (% масс.) на сырье составляют

; (2.9)

Кроме этих потерь имеют место потери водорода за счет диффузии водорода через стенки аппаратов и утечки через неплотности, так называемые механические потери. По практическим данным, эти потери составляют 1-1,5 % от общего объема циркулирующего газа. Принимаем механические потери водорода 1,2 %. Механические потери G₄ (% масс.) на сырье составят:

, (2.10)

где χ – кратность циркуляции водорода, нм³/м³ сырья; ρ – плотность сырья.

На установку гидроочистки подается водородсодержащий газ с установок каталитического риформинга, в котором концентрация водорода колеблется от 70 до 85 % (об). Для поддержания постоянного давления в системе объем поступающего и образующегося газа должен быть равен объему газа, отходящего из системы и поглощенного в ходе химической реакции.

Наиболее экономичный по расходу водорода режим без отдува ВСГ можно поддерживать, если газы, образующиеся при гидрокрекинге и газы, поступающие в систему со свежим ВСГ, полностью абсорбируются в газосепараторе в жидком гидрогенизате, то есть

, (2.11)

где V₀ – объем свежего ВСГ, м³; V_г.к. – объем газов, образующихся при гидрокрекинге, м³; V_а – объем абсорбируемых газов, м³.

Реализации этого условия способствует увеличение концентрации водорода в свежем ВСГ, уменьшение реакций гидрокрекинга и повышение давления в системе. Если балансовые углеводородные газы полностью не сорбируются, то часть их выводится с отдувом, количество которых можно определить по формуле

, (2.12)

где V_р – объем химически реагирующего водорода, м³; у₀’ – объемная концентрация водорода в свежем ВСГ; y’ – объемная концентрация водорода в циркулирующем ВСГ;

(2.13)

.

Находим объем газов гидрокрекинга по следующей формуле

, (2.14)

где М_г.к.- средняя молекулярная масса газов гидрокрекинга, при одинаковом мольном содержании газов С₁, С₂, С₃, и С₄ она равна:

м³.

Количество абсорбируемого компонента определим по формулам

g_i = х_i’ ^. М_i ^. 100 / М_г ; (2.15)

v_i = g _i ^. 22,4 / М_i ; (2.16)

. (2.17)

Полученные данные сведем в таблицу 2.5.

Таблица 2.5 - Объем компонентов, растворенных в гидрогенизате

Компонент	CH4	C2H6	C3H8	i-С4Н10	С4Н10	Сумма
vi, м3	0,569	0,557	0,033	0,202	0,146	1,509

Балансовый объем углеводородных газов, поступающих в газосепаратор (газы крекинга и вносимые со свежим ВСГ) составляет:

1,02 · ( 1 - 0,8445 ) + 0,012 = 0,171 м³ < V_а=1,509 м³.

Поскольку выполняется требование уравнения (2.11), возможна работа без отдува части ЦВСГ. Таким образом, общий расход водорода в процессе гидроочистки определится по формуле

G_H2 = G₁ + G₂ + G₃ +G₄; (2.18)

G_H2 = 0,012+0,032+0,046+0,025 = 0,116 % (масс.).

Расход свежего водородсодержащего газа на гидроочистку равен:

, (2.19)

где у_ВСГ – содержание водорода в свежем ВСГ - 0,29 % масс.,

% (масс.).