Тепловой баланс процесса изомеризации.

Тепловой баланс процесса изомеризации рассчитывается по формуле:

Q_c + Q_всг = Q_с.г. + Q_кат + Q_б.ф + Q_р + Q_всг’ (7)

или

G_c·q_c + G_всг·q_всг = G_с.г.·q_с.г. + G_кат·q_кат + G_б.ф.·q_б.ф. + G_всг·q_всг + Q_р (8)

Q_c – количество тепла, вносимого сырьём, кДж/ч;

Q_всг  – количество тепла, вносимого ВСГ, кДж/ч;

Q_кат  – количество тепла, выносимое углеводородами С₅-С₇, кДж/ч;

Q_с.г. – количество тепла, выносимое газом, кДж/ч;

Q_б.ф. – количество тепла, выносимое бутановой фракцией, кДж/ч;

Q_всг  – количество тепла, выносимого ВСГ, кДж/ч

Q_р   – теплота реакции, кДж/ч;

G_c – масса сырья, кг/ч;

G_всг – масса ВСГ, кг/ч;

G_с.г. – масса образовавшихся углеводородов С₁ – С₃, кг/ч;

G_кат – масса углеводородов С₅ – С₇, кг/ч;

G_б.ф. – масса бутановой фракции, кг/ч;

q_с – энтальпия сырья, ккал/кг;

q_всг – энтальпия ВСГ, ккал/кг;

q_с.г. – энтальпия углеводородов С₁ – С₃, ккал/кг;

q_кат – энтальпия углеводородов С₅ – С₇, ккал/кг;

q_б.ф. – энтальпия бутановой фракции, ккал/кг.

 

Определяем энтальпию сырья при 445 °С и атмосферном давлении расчетным методом.

Для определения энтальпии паров нефтепродуктов (ккал/кг) при атмосферном давлении пользуемся эмпирической формулой:

q_с⁴⁴⁵ = (50,2 + 0,109·t + 0,00014·t²)·(3,992 – 0,9952·d₄²⁰) – 73,8 (9)

где d₄²⁰ – плотность паров;

 t – рабочая температура процесса, °С;

q_с⁴⁴⁵ – энтальпия сырья при 445 °С.

q_с⁴⁴⁵ = (50,2 + 0,109·445 + 0,00014·445²)·(3,992 – 0,9952·3,2273) – 73,8 =

 = 24,8375 ккал/кг

Полученное значение энтальпии корректируем, вычитая поправку на давление. Для определения поправки на давление рассчитываем приведённые давление (Р_пр) и температуру (Т_пр):

Р_пр =  (10)

Т_пр =  (11)

 

где Р_кр – критическое давление, МПа, /1/;

Р – давление в системе, МПа;

Т_кр – критическая температура, К, /1/;

Т – температура в системе, К.

Расчет критических параметров представлен в таблице 3.

Р_пр =  = 1,002

Т_пр =  = 1,5299

Находим поправку на энтальпию при повышенных давлениях:

Δq = - 4,4· , (12)

где Δq – изменение энтальпии в зависимости от изменения давления, ккал/кг;

М – молекулярный вес;

Т – температура, К;

Р_пр – приведенное давление;

Т_пр – приведенная температура.

Δq = - 4,4·  = -12,2279 ккал/кг

С учётом рассчитанной поправки на давление находим энтальпии паров нефтепродуктов в реакторе (ккал/кг):

q_п⁴⁴⁵ = q_с⁴⁴⁵ – Δq, (13)

 

где q_с⁴⁴⁵ – энтальпия сырья при 445 °С;

Δq – изменение энтальпии в зависимости от изменения давления, ккал/кг;

q_п⁴⁴⁵ – энтальпия паров нефтепродуктов в реакторе, ккал/кг.

q_п⁴⁴⁵ = 24,8375 – (-12,2279) = 37,0654 ккал/кг

Энтальпию ВСГ (ккал/кг) находим по формуле:

q_всг⁴⁴⁵ = C_p·T – Δq, (14)

где С_р – теплоёмкость ВСГ (ккал/кг·град);

Δq – изменение энтальпии в зависимости от изменения давления, ккал/кг;

Т – температура, К.

Теплоемкость ВСГ рассчитываем по правилу аддитивности теплоёмкостей, входящих в него компонентов:

С_р = ΣС_рi·y_i, (15)

где y_i – мольная доля веществ, входящих в ВСГ;

С_рi – теплоемкость веществ, входящих в ВСГ, ккал/кг·град.

С_р = 3,494·0,984 + 0,73·0,016 = 3,4498 ккал/кг·град

q_всг⁴⁴⁵ = 3,4498·(273 +445) – (-12,2279) = 2489,167 ккал/кг

 

Аналогично определяем энтальпии продуктов реакции при 400 °С, учитывая что С_р.кат. = 1,13 кДж/(кг·К). /8/ Тепловой эффект реакции изомеризации принимаем по практическим данным: q_р = 25 ккал/кг. Расчет представлен в таблице 5.

 

q_с⁴⁰⁰ = (50,2 + 0,109·400 + 0,00014·400²)·(3,992 – 0,9952·3,168) – 73,8 =

 = 23,6787 ккал/кг

Р_пр =  = 0,9915

Т_пр =  = 1,4639

Мольную массу продукта найдем по уравнению 2. Расчет представлен в таблице 4.

Δq = - 4,4·  = -13,1877 ккал/кг

 

Таблица 4 - Расчет мольной массы продуктов.

Состав	Мольная масса, кг/кмоль	Мольная доля	Мольная масса смеси, кг/кмоль
С1-С3	23	0,0254	0,5844
С4Н10	58	0,0649	3,7650
и-С5Н12	72	0,4493	32,3519
н-С5Н12	72	0,3992	28,7430
и-С6Н14	86	0,0275	2,3609
н-С6Н14	86	0,0145	1,2491
С7+	100	0,0192	1,9162
∑	-	1,0000	70,9704

 

 

q_п⁴⁴⁵ = 23,6787 – (-13,1877) = 36,8663 ккал/кг

 

Таблица 3 – Расчет энтальпии процесса при 445 °С.

Cостав	Мольная масса, кг/кмоль	Масса, кг/ч	Мольная доля	Ткр, К	Тпкр	Ркр, МПА	Рпкр	d420, кг/м³
С4Н10	58	1225	0,0611	425,5	25,9870	3,95	0,2412	0,1581
и-С5Н12	72	1575	0,0633	460,4	29,1227	3,51	0,2220	0,2033
н-С5Н12	72	20250	0,8133	469,7	381,9983	3,50	2,8465	2,6141
и-С6Н14	86	275	0,0092	497,7	4,6020	3,03	0,0280	0,0355
н-С6Н14	86	1000	0,0336	507,4	17,0608	3,03	0,1019	0,1291
С7+	100	675	0,0195	540	10,5401	2,74	0,0535	0,0871
∑	-	25000	1,0000	-	469,3110	-	3,4931	3,2273

 

Таблица 5 – Расчет энтальпии процесса при 400 °С.

Состав	Мольная масса, кг/кмоль	Масса, кг/ч	Мольная доля	Ткр, К	Тпкр	Ркр, МПА	Рпкр	d420, кг/м³
С1-С3	23	205,9	0,0254	250	6,3522	4,70	0,1194	0,026
С4Н10	58	1326,3	0,0649	425,5	27,6207	3,95	0,2564	0,168
и-С5Н12	72	11396,3	0,4493	460,4	206,8721	3,51	1,5772	1,444
н-С5Н12	72	10125,0	0,3992	469,7	187,5082	3,50	1,3972	1,283
и-С6Н14	86	831,6	0,0275	497,7	13,6629	3,03	0,0832	0,105
н-С6Н14	86	440,0	0,0145	507,4	7,3696	3,03	0,0440	0,056
С7+	100	675,0	0,0192	540	10,3475	2,74	0,0525	0,086
∑	-	25000,0	1,0000	-	459,7331	-	3,5299	3,168

 

Сводим тепловой баланс процесса изомеризации в следующей таблице 6.

Таблица 6 – Тепловой баланс.

ПРИХОД			РАСХОД
Поток	Энтальпия, ккал/ кг·град	Теплота	Поток	Энтальпия, ккал/ кг·град	Теплота
Сырье	37,0654	926633,943	Продукт	36,866	921658,036
ВСГ	2489,1670	874803,767	ВСГ	2489,167	874803,767
			Тепловой эффект реакции	-	4974,000
ИТОГО	-	1801437,710	ИТОГО	-	1801438,800

 

Потери – 0,28 %.

 

Расчет реакторного блока.

Расчёт реакторного блока проводится для параметров: температура ввода сырья 445 °С, температура вывода продуктов 400 °С, давление в реакторе 3,5 МПа.

Объём паров смеси сырья и циркулирующего газа, а так же паров катализата проходящих через сечение реактора определяется:

V_см = V_c + V_всг, (16)

где V_см – объем паров смеси, проходящей через сечение реактора, м³/ч;

Vвсг – объём циркулирующего водородсодержащего газа, м3/с;  

Vс – объём сырья, м3/с.

V_c = ·Σ , (17)

где V_с – объем сырья, м³/ч;

П – давление в реакторе, МПа;

t – температура в реакторе, °С;

Z – коэффициент сжимаемости;

P – атмосферное давление, равное 0,1 МПа;

G_i – расход i-го компонента, кг/ч;

M_i – молекулярная масса i-го компонента.

Объем циркулирующего водородсодержащего газа рассчитывается тоже по формуле 17.

Коэффициент сжимаемости рассчитывают через приведенные параметры процесса (Тпр, Рпр), расчет которых производится по формулам 10 и 11, представлен в таблице 3.

Тпр = 1,5299

Рпр = 1,0020

Коэффициент найдем по формуле:

Z = 0,990 + , (18)

где Z – коэффициент сжимаемости;

T_пр – приведенная температура;

P_пр – приведенное давление.

 

Z = 0,990 +  = 0,9123

 

Для ВСГ коэффициент сжимаемости газов может быть принят равным 1, так как водород относится к несжимаемым в этих условиях газам. Расчет объема паров смеси представлен в таблице 7.        

Таблица 7 – Расчет объема паров смеси.

Состав	Молекулярная масса, г/моль	Масса, кг/ч	Vc, м³/с	Vвсг, м³/с	Vсм, м³/с
С4Н10	58	1225	0,0101	0,0784	0,2429
и-С5Н12	72	1575	0,0104
н-С5Н12	72	20250	0,1339
и-С6Н14	86	275	0,0015
н-С6Н14	86	1000	0,0055
С7+	100	675	0,0032
∑	-	25000	0,1646

 

Рассчитываем площадь поперечного сечения реактора (м2):

S = , (19)

где U – линейная скорость движения сырья и ВСГ, м/с; из практических данных принимают U = 2 м/с /8/;

V_см – объем паров смеси, проходящей через сечение реактора, м³/ч;

S =  = 0,1215 м²

Рассчитываем объём катализатора (м3) в реакторе:

Vк = , (20)

где W – объёмная скорость подачи сырья, ч-1;

rс – плотность сырья, кг/м³;

V_см – объем паров смеси, проходящей через сечение реактора, м³/ч;

Vк – объем катализатора, м³.

Плотность сырья найдем по уравнению:

ρ_с = Σρ_i·Y_i, (21)

где rс – плотность сырья, кг/м³;

ρ_i – плотность i-го компонента, кг/м³, /2/;

Y_i – мольная доля i-го компонента.

ρ_с = 0,5789·0,0611 + 0,0633·06196 + 0,8133·0,6262 + 0,0092·0,6594 + 0,0336·0,6594 + 0,0195·0,6838 = 0,6245 кг/м³

Vк =  = 0,2155 м³

Диаметр реактора (м) рассчитывается:

D = , (22)

где D – диаметр реактора, м;

S – площадь поперечного сечения реактора, м²;

π – 3,14.

D =  = 0,40 м

Общую высоту слоя реактора определяем по формуле:

hк = , (23)

где Vк – объем катализатора, м³;

hк – общая высота слоя, м;

S – площадь поперечного сечения реактора, м².

hк =  = 1,7741 м

Принимают число реакторов n = 2, тогда высоту слоя катализатора в каждом реакторе рассчитываем:

h₁ = , (24)

где hк – общая высота слоя,м;

n – число реакторов;

h₁ – высота слоя катализатора в аппарате, м.

h₁ =  = 0,8870 м.

Высота цилиндрической части реактора рассчитываем:

h₂ = , (25)

где h₁ – высота слоя катализатора в аппарате, м;

h₂ – высота цилиндрической частит реактора, м.

h₂ =  = 1,3306 м.

Высота реактора связана с диаметром и определяется:

Н = h₂ + D, (26)

где h₂ – высота цилиндрической частит реактора, м;

D – диаметр реактора, м;

Н – высота реактора, м.

Н = 1,3306 + 0,40 = 1,724 м.