4Расчеттехнологического процесса гидроочистки смесевого сырья

4.1 Расчет реактора

Исходные данные:

- производительность по сырью G_с= 800000 т/г;

- плотность бензиновой фракции р₀= 760 кг/м³;

- плотность дизельной фракции р₀= 820 кг/м³;

- содержание серы в бензиновой фракции S=0,078 % масс., в том числе меркаптановойS_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;

- содержание серы в дизельной фракции S=1,2 % масс., в том числе меркаптановой S_м=0,06 % масс., сульфидной S_с=0,6 % масс., дисульфидной S_д=0,12 % масс., и тиофеновой S_т=0,42 % 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.;

- остаточное содержание серы в очищенной дизельной фракции S_д.т.=0,001 % масс., то есть степень или глубина гидрообессеривания должна быть 99,92 % масс.;

- кратность циркуляции ВСГ к сырью Кц=300 м³/м³;

- давление в реакторе Р= 3,5 МПа;

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

Составы ВСГ и ЦВСГ представлены в таблицах 2 и 3

В процессе гидроочистки используем катализатор АКМ, характеристика которого приведена в таблице 4.

Таблица 2- Состав ВСГ

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 3 - Состав ЦВСГ

Компонент	H2	CH4	C2H6	C3H8	С4Н10	i- С4Н10
1	2	3	4	5	6	7
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 4 - 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

4.1.1Расходводорода на гидроочистку

Выход гидроочищеннойбензиновой фракции В_к,% масс., на исходное сырье определим по формуле

В_к=100 -В_б - В_г-Δ S, (4.1)

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

Среднюю молекулярную массу бензиновой фракции определим по формуле

, (4.2)

.

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; (4.3)

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

В_г=0,3 ΔS; (4.4)

В_г=0,3 ^. 0,0779 =0,023 % (масс.).

Тогда выход бензиновойфракции фракции будет равен:

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

Глубина гидрообессеривания бензиновой фракции составит:

(4.5)

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, (4.6)

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 бензиновой фракции и 0,001 % масс. на дизельной фракции) в гидрогенизации - тиофеновая. Результаты расчета расхода водорода приведены в таблице 5 и 6.

Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов равен:

, (4.7)

где G₂ - расход 100 % водорода, % масс.на сырье; ΔС_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 5 - Расход водорода на гидрогенолиз серосодержащих соединений в бензиновой фракции

Компонент	m	Содержание, % масс.	Расход водорода на реакцию
Меркаптаны	0,062	0,004	0,001
Сульфиды	0,125	0,039	0,002
Дисульфиды	0,094	0,008	0,002
Тиофены	0,250	0,027	0,004
Расход водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений, % масс.			0,009

Таблица 6 - Расход водорода на гидрогенолиз серосодержащих соединений в дизельной фракции

Компонент	m	Содержание, % масс.	Расход водорода на реакцию
Меркаптаны	0,062	0,004	0,001
Сульфиды	0,125	0,039	0,002
Дисульфиды	0,094	0,008	0,001
Тиофены	0,250	0,027	0,003
Расход водорода на гидрогенолизсераорганических соединений, % масс.				0,007

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

, (4.8)

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 бензиновую фракцию составляют

; (4.9)

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:

, (4.10)

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

, (4.11)

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

, (4.12)

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

(4.13)

Находим объем газов гидрокрекинга по следующей формуле

, (4.14)

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

Количество абсорбируемого компонента определим по формулам

g_i = х_i’ ^.М_i^. 100 / М_г ; (4.15)

v_i = g _i^. 22,4 / М_i ; (4.16)

. (4.17)

Полученные данные сведем в таблицу 7 и 8.

Таблица 7 - Объем компонентов, растворенных в гидрогенизате в бензиновой фракции

Компонент	CH4	C2H6	C3H8	С4Н10	i-С4Н10	Сумма
vi, м3	0,569	0,558	0,033	0,146	0,203	1,509

Таблица 8 - Объем компонентов, растворенных в гидрогенизате в дизельной фракции

Компонент	CH4	C2H6	C3H8	С4Н10	i-С4Н10	Сумма
vi, м3	0,469	0,459	0,027	0,121	0,167	1,243

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

1,02 · (1 - 0,8445) + 0,0127 = 0,171 м³ ≤V_а=1,509 м³.

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

2,864 · (1 - 0,8445) + 0,1956 = 0,641 м³ ≤V_а=1,243 м³.

Поскольку выполняется требование уравнения (4.11), возможна работа без отдува части ЦВСГ. Таким образом, общий расход водорода в процессе гидроочистки определится по формуле

= G₁ + G₂ + G₃ +G₄; (4.18)

= 0,012+0,032+0,046+0,042 = 0,133 % масс.

Расход свежего водородсодержащего газа на гидроочистку равен:

, (4.19)

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

Аналогично рассчитываются параметры и для дизельной фракции. Полученные данные сведем в таблицу 9

Таблица 9 – расчеты дизельной фракции

Параметры	Обозначение	Результат
Выход гидроочищенной дизельной фракции	Вк	97,242
Средняя молекулярная масса дизельной фракции	М	151,324
Выход бензина-отгона	Вб	1,199
Выход газа	Вг	0,360
Количество удаленной серы	ΔS	1,199
Глубина гидрообессериваниядизельнойфракции	Г	99,917
Расход водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений	G1	0,191
Мольная доля водорода, растворенного в гидрогенизате		0,026
Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов	G2	0,028
Потери водорода от растворения в гидрогенизате	G3	0,038
Механические потери	G4	0,039
Объем химически реагирующего водорода	Vp	2,864
Средняя молекулярная масса газов гидрокрекинга	Mг.к.	41,200
Объем газов гидрокрекинга	Vг.к.	0,196
Общий расход водорода в процессе гидроочистки		0,295
Расход свежего водородсодержащего газа на гидроочистку		1,017