2.2. Расчёт регенератора

Исходные данные:

G_к = 1862 т/ч; максимальный размер частиц катализатора – 150 нм; ρ_п.с = 500 кг/м³; Т_к = 758,3 К; количество кокса на регенерированном катализаторе – 0,4 масс. %; количество кокса, поступающего в регенератор с катализатором, ΔG = 23,14 т/ч; количество водяного пара, адсорбированного катализатором, G_п = 4130 кг/ч; температура в регенераторе Т_рег = 873 К; давление над псевдоожиженным слоем π = 0,2 * 10⁶ Па; температура воздуха Т_в = 353 К.

1. Характеристика полноты сгорания углерода. Количество газов регенерации.

Элементарный состав кокса представлен в таблице 1.8:

Таблица 1.8.

Элементы	Содержание, масс.%
С	86,0
Н	8,5
S	5,5

В зависимости от избытка воздуха, условия процесса сжигания кокса, качества и степени отработанности катализатора в газах регенерации будет различное соотношение СО₂/СО. Зная суммарное количество углерода в коксе (86 масс.%) и задавшись объёмным соотношением СО₂/СО = 1,85, рассчитаем количество углерода в 1 кг кокса, которое пошло на образование СО₂ и СО, и определим количества продуктов окисления.

Так как в 1 кг кокса содержится 0,8635 кг углерода, то

С_СО2 + С_СО = 0,86, где С_СО2 и С_СО – количество углерода, пошедшего на образование СО₂ и СО соответственно.

Определим количество СО₂, образующегося из С_СО2 кг углерода, имея виду, что для сжигания 1 кмоль С необходим 1кмоль О₂ (расчёты ведутся в кг на 1 кг кокса):

m _СО2 = С_СО2 + (С_СО2 / 12) * 1* 32 = 3,67 * С_СО2 кг/кг.

Аналогично найдём СО:

m _СО = С_СО + (С_СО / 12) * 0,5* 32 = 2,34 * С_СО2 кг/кг.

Объёмные количества СО₂ и СО при нормальных условиях равны:

υ _СО2 = 3,67 * (С_СО2 / 44) * 22,4 ≈ 1,87 * С_СО2 м³/кг.

υ _СО = 2,34 * (С_СО / 28) * 22,4 ≈ 1,87 * С_СО м³/кг.

Из принятого ранее отношения СО₂/СО следует:

υ _СО2 / υ _СО = 1,87 * С_СО2 / 1,87 * С_СО = С_СО2 / С_СО = 1,85.

Решая совместно уравнения:

С_СО2 / С_СО = 1,85;

С_СО2 + С_СО = 0,86.

Получим: С_СО2 = 0,558 кг/кг; С_СО = 0,302 кг/кг.

Тогда:

υ _СО2 = 1,87 * 0,558 = 1,042 м³/кг;

υ _СО = 1,87 * 0,302 = 0,563 м³/кг;

или

m _СО2 = 3,67 * 0,558 = 2,048 кг/кг;

m _СО = 2,34 * 0,302 = 0,707 кг/кг.

Количество водяных паров, образующихся при сгорании водорода кокса (на 1 кг кокса):

m_Н2О = Н₂ + Н₂/2 * 0,5 * 32 = 0,085 + 0,085/2 * 0,5 * 32 = 0,765 кг/кг;

υ _Н2О = 0,765 / 18 * 22,4 = 0,952 м³/кг.

Количество SO₂, образующегося при сгорании серы:

m_SО2 = S + S/32 * 32 = 2 * S = 2 * 0,055 = 0, 110 кг/кг;

υ _SО2 = 0, 110 / 64 * 22,4 = 0,038 м³/кг.

Суммарное количество продуктов сгорания кокса:

∑m = m _СО2 + m _СО + m_Н2О + m_SО2 = 2,048 + 0,707 + 0,765 + 0,110 = 3,63 кг/кг;

или

∑ υ = υ _СО2 + υ _СО + υ _Н2О + υ _SО2 = 1,042 + 0,563 + 0,952 + 0,038 = 2,595 м³/кг.

В газах регенерации кроме продуктов сгорания содержатся азот и избыточный кислород. Принимаем количество избыточного кислорода в газах регенерации 1,3 объёмн.%.

Объём газов регенерации (в м³ на 1 кг кокса):

υ_г.р = ∑ υ + υ _N2 + υ’_О2 + υ’_N2, где υ _N2 – объём азота, содержащегося в воздухе, израсходованном на окисление элементов кокса; υ’_О2 – объём избыточного кислорода; υ’_N2 – объём азота в избыточном воздухе.

Количество кислорода, пошедшего на сгорание кокса (в расчёте на 1 кг кокса):

m_О2 = ∑m – 1 = 3,63 – 1 = 2,63 кг/кг;

или

υ_О2 = m_О2 * 22,4 / 32 = 2,63 * 22,4 / 32 = 1,84 м³/кг.

Соответствующее количество азота воздуха:

m_N2 = m_О2 * 0,77 / 0,23 = 2,63 * 0,77 / 0,23 = 8,804 кг/кг;

или

υ_N2 = m_N2 * 22,4 / 28 = 8,804 * 22,4 / 28 = 7,043 м³/кг.

Количество азота в избыточном воздухе:

υ’_N2 = υ’_О2 * 0,79 / 0,21 = 3,762 * υ’_О2 м³/кг.

Количество избыточного кислорода определится из уравнения:

υ’_О2 / υ_г.р = υ’_О2 / (∑υ + υ_N2 + υ’_О2 + υ’_N2 ) = υ’_О2 / (2,595 + 7,043 + +υ’_О2 + 3,762 * υ’_О2) = 0,013.

Из этого уравнения получим: υ’_О2 = 0,132 м³/кг. Следовательно:

m’_О2 = υ’_О2 / 22,4 * 32 = 0,132 / 22,4 * 32 = 0,189 кг/кг.

Тогда

υ’_N2 = 3,762 * υ’_О2 = 3,762 * 0,132 = 0,496 м³/кг;

или

m’_N2 = υ’_N2 / 22,4 * 28 = 0,496 / 22,4 * 28 = 0,620 кг/кг.

Количество газов регенерации:

υ_г.р = ∑ υ + υ _N2 + υ’_О2 + υ’_N2 = 2,595 + 7,043 + 0,132 + 0,496 = 10,266 м³/кг;

или

m_г.р = ∑m + m_N2 + m’_О2 + m’_N2 = 3,630 + 8,804 + 0,189 + 0,620 = 13,243 кг/кг.

Полученные данные сведены в таблицу 1.9:

Таблица 1.9.

Компоненты	Количество газов, получающихся при сгорании 1 кг кокса		Состав газов регенерации, масс.%.
	м3/кг	кг/кг	влажного	сухого
СО2	1,042	2,048	15,46	16,41
СО	0,563	0,707	5,39	5,66
SО2	0,038	0,110	0,83	0,83
О2	7,539	9,424	71,16	75,52
N2	0,132	0,189	1,43	1,53
Всего сухих газов	9,314	12,478	94,27	100
Н2О	0,952	0,765	5,76	–
Всего влажных газов	10,266	13,243	100	–

Определим теоретический расход воздуха на выжиг 1 кг кокса:

L₀ = m_О2 + m_N2 = 2,63 + 8,804 = 11,43 кг/кг;

или

υ₀ = υ_О2 + υ_N2 = 1,84 + 7,043 = 8,88 м³/кг.

Подсчитаем расход воздуха на регенерацию катализатора (на 1 кг кокса).

Суммарное количество кислорода в воздухе, израсходованного на регенерацию:

m_О2 + m’_О2 = 2,63 + 0,189 = 2,82 кг/кг;

или

υ_О2 + υ’_О2 = 1,84 + 0,132 = 1,97 м³/кг.

Суммарное количество азота:

m_N2 + m’_N2 = 8,804 + 0,620 = 9,42 кг/кг; или

υ_N2 + υ’_N2 = 7,043 + 0,496 = 7,54 м³/кг.

Определим действительный расход воздуха:

L_д = 2,82 + 9,42 = 12,24 кг/кг

υ_д = 1,97 + 7,54 = 9,51 м³/кг.

Коэффициент избытка воздуха при регенерации катализатора:

β = L_д / L₀ = 12,24 / 11,43 = 1,07.

Количество кокса на регенерированном катализаторе:

G_о.к = 0,004 * G_к = 0,004 * 1862 = 7,448 т/ч.

Количество выжигаемого кокса:

ΔG_в = ΔG - G_о.к = 23,14 – 7,448 = 15,7 т/ч.

Количество воздуха, необходимого для выжига кокса:

G_в = L_д * ΔG_в = 12,24 * 15700 = 192168 кг/ч.

Количество влажных газов регенерации:

G_в.г = ΔG_в + G_в = 15700 + 192168 = 207868 кг/ч.