4.1.3 Тепловой баланс реактора

Уравнение теплового баланса реактора гидроочистки можно записать:

, (4.26)

где Q_c, Q_ц- тепло вносимое в реактор со свежим сырьем и ЦВСГ; Q_S, Q_г.н. - тепло, выделяемое при протекании реакций гидрогенолиза сернистых и гидрирования непредельных соединений; Q_см- тепло, отводимое из реактора реакционной смесью.

Средняя теплоемкость реакционной смеси при гидроочистке незначительно изменяется в ходе процесса, поэтому тепловой баланс реактора можно записать в следующем виде:

; (4.27)

t = t_o + ( ΔSq_S + ΔC_нq_н) / Gc , (4.28)

где G - суммарное количество реакционной смеси, % масс; с - средняя теплоемкость реакционной смеси, кДж/ кг∙К; ΔS, ΔС_н - количество серы и непредельных углеводородов, удаленных из сырья, % масс.; t, t_o - температуры на входе в реактор и при удалении серы ΔS, ^оС; q_s , q_{н -} тепловые эффекты гидрирования сернистых и непредельных соединений, кДж /кг.

Минимум суммарных затрат, как показано на рисунке 1, определит оптимальное значение t_о.. Для заданной пары катализатор - сырье t_о = 340 ^оС.

Глубину гидрирования непредельных углеводородов можно принять равной глубине обессеривания:

ΔС_н(б.ф.) = С_н^. 0,9987 = 2 ^. 0,9987 = 1,997 % масс.;

ΔС_н(д.ф.) = С_н^. 0,9987 = 2 ^. 0,9992 = 1,998 % масс.;

ΔС_{н(смеси)}= 0,5 ^. (1,997+1,998)= 1,998 % масс.

Количество тепла, выделяемое при гидрогенолизе сернистых соединений при заданной глубине обессеривания, равной 0,9987,рассчитывается по формуле

, (2.29)

где q_{si -} тепловые эффекты гидрогенолиза отдельных сераорганических соединений, кДж/кг; g_si - количество разложенных сераорганических соединений, кг.

Q_s(б.ф.) =0,0039^.2100+0,039^.3810+0,0078^.5060+(0,0273-0,0001)^.8700= 437,10 кДж;

Q_s(д.ф.) =0,06^.2100+0,6^.3810+0,12^.5060+(0,42-0,001)^.8700= 6729,30 кДж;

Q_{s(смеси)} =0,5^. (437,10+6729,30)=3583,20 кДж.

1 – Затраты на катализатор; 2 – затраты на регенерацию катализатора;

3 – суммарные затраты

Рисунок 1 – Зависимость затрат от температуры на входе в реактор

Количество тепла, выделяемое при гидрировании непредельных углеводородов, равно 126 кДж / моль, тогда

Q_н = ΔС_нq_н / М; (4.30)

Q_н(б.ф.)= кДж;

Q_н(д.ф.)= кДж;

Q_{н(смеси)}= кДж.

Среднюю теплоемкость ЦВСГ находят на основании данных по теплоемкости отдельных компонентов, приведенных в таблице 2.2.

Теплоемкость циркулирующего водородсодержащего газа можно найти по формуле

, (4.31)

где с_Pi - теплоемкость отдельных компонентов с учетом поправок на температуру и давление , кДж / кг∙К; y_i - массовая доля каждого компонента в циркулирующем водородсодержащем газе.

c_ц = 14,57 ^. 0,275 + 3,35^. 0,392 + 3,29 ^.0,216 + 3,23 ^. 0,072 + 2 ^. 3,18 ^.0,021 =

= 6,414 кДж /кг∙К.

Энтальпию паров сырья при 340 ^оС определяем по расчетной формуле

I³⁴⁰ = ; (4.32)

I³⁴⁰ =1099,19 кДж/кг.

Поправку на давление находим по значениям температур и давлений.

Определяем характеризующий фактор:

(4.33)

где Тср – средняя температура выкипания фракции, К.

;

Абсолютная критическая температура сырья определяется с использованием графика, представленного на рисунке2.

Рисунок 2 – График для определения критических параметров нефтяных фракций в зависимости от их молекулярной массы М и характеризующего фактора К

Принимаем Т _{кр(смеси)} = 632,5К.

Приведенная температура равна:

Т_{пр(смеси)} =.

Критическое давление сырья вычисляют по формуле

Р_кр = ; (4.34)

Р_{кр(смеси)} = МПа.

Приведенное давление рассчитываем по формуле

Р_пр = ; (4.35)

Р_пр= .

Для найденных значений Т_пр и Р_пр (рисунок 3) находим поправку на энтальпию ΔIМ / (4,2·Ткр) = 11,52 кДж/(кмоль·К).

Рисунок 3 – График для определения поправки к энтальпии паров в зависимости от приведенных параметров

ΔI = кДж /кг.

Энтальпия сырья с поправкой на давление равна:

I³⁴⁰ = 1099,19-211,25=887,94 кДж/ кг.

Теплоемкость сырья с поправкой на давление равна:

с_с = кДж/кг∙К.

Средняя теплоемкость реакционной смеси составляет:

; (4.36)

кДж/кг∙К.

Подставив найденные величины в уравнение (4.28), находим температуру на выходе из реактора:

^оС.

4.1.4 Расчет габаритов реактора

Требуемый объем катализатора в реакторе вычисляем по формуле

, (4.37)

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

. (4.38)

Диаметр реактора определится по формуле:

; (4.39)

.

Принимает стандартный диаметр реактора 1,5 м. Тогда высота реактора будет 6 м.

4.1.5 Расчет потери напора в слое катализатора

Потерю напора в слое катализатора вычисляем по формуле

, (4.40)

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

, (4.41)

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

.

Линейная скорость потока равна:

u=, (4.42)

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

u=

Объем сырья рассчитывают по формуле

, (4.43)

где G_c - расход сырья в реакторе, кг / ч; z - коэффициент сжимаемости, при Т_пр=0,97 и Р_пр=0,64, z=0,65; t_{cр -} средняя температура в реакторе ,t_ср= 0,5·(340+366,69) =353,345 °С; Р – давление в системе, 3,5 МПа; Р_атм – атмосферное давление, МПа.

.

Рисунок 4 – График коэффициента сжимаемости (z) нефтяных фракций

Объем циркулирующего газа составит:

; (4.44)

.

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

; (4.45)

.

По уравнению Фроста находим динамическую вязкость:

; (4.46)

.

Плотность реакционной смеси в условиях процесса равна:

; (4.47)

.

По формуле (4.40) определим потерю напора в слое катализатора:

Проверка потери напора в слое катализатора:0,03 ≤ 0,2 МПа.