| Теплоемкость | Н2 | СН4 | С2Н6 | С3Н8 | С4Н10 |
| Ср кДж/кг∙К Ср ккал/(кг∙оС) | 14,57 3,48 | 3,35 0,800 | 3,29 0,786 | 3,23 0,772 | 3,18 0,760 |
Теплоемкость ЦВСГ находим по формуле:
Сц=∑Срi∙yi,
где Срi – теплоемкость отдельных компонентов с учетом поправок на температуру и давления, кДж/кг∙К;
yi – массовая доля каждого компонента в ЦВСГ
Сц = 14,57∙1,192+3,35∙0,427+3,29∙0,201+3,23∙0,103+3,18∙0,077=
5,45кДж/кг∙К
Энтальпия паров сырья при 350оС равна J350=1050кДж/кг.
Поправку на давление находят по значениям приведенных температуры и давления.
Абсолютная критическая температура сырья равна:
Ткр=350+273/733=0,845
Критическое давление сырья вычисляют по формуле:
Ркр=0,1∙ Ткр∙К/Мс,
где К=1,216∙3√Тср/d1515=1,216∙√275+273/0,8244=12,02
Ркр=0,1∙733-12,02/209=4,22МПа
Тогда приведенное давление равно:
Рпр=Р/Ркр=4/4,22=0,95
Для найденных значений Тпр и Рпр
∆JM/(4,2T)=4,19
∆J=4,19∙4,2∙623/209=52,6кДж/кг
Энтальпия сырья с поправкой на давление равна:
J350=1050-52,6=997,4кДж/кг
Теплоемкость сырья с поправкой на давление равна:
Сс=997,4/623=1,6кДж/(кг∙К)
Средняя теплоемкость реакционной смеси составляет:
с=Сс∙100+Сц∙8,99/108,99=1,6∙100+5,45∙8,99/108,99=160+0,45=
160,45кДж/(кг∙К)
Подставив найденные величины в это уравнение , находим температуру на выходе из реактора:
t=t0+(Sqs+Cнqн)/(Gc)
t=350+(8471+5421)/(108,99+160,45)=350,8oC.
3.5 Расчет основных параметров реактора гидроочистки
Для того, чтобы рассчитать диаметр и высоту реактора, сначала необходимо рассчитать объем катализатора.
Требуемый объем катализатора в реакторе Vк вычисляют по формуле:
n=0,2
V=G’∫ dS/r,
S=0,2
где G’=G/ρ=273437,5/824,4=331,68м3/ч;
Тогда:
Vк=331,68∙0,2235=74,13 м3
Также найдем объемную скорость подачи сырья, то есть отношение объема жидкого сырья, подаваемого на объем катализатора в час:
ω= G’/ Vк
ω=331,68/74,13=4,47ч-1
По найденному значению Vк вычисляем геометрические размеры реактора гидроочистки.
Принимаем цилиндрическую форму реактора и соотношение высоты к диаметру 2:1 или Н=2D. Тогда:
Vк=πD2H=πD2∙2D=2 πD3
Диаметр реактора равен:
D=[Vк/(2π)]1/3
D=[116,11/(2π)]1/3=3√Vк/2π=3√74,13/2∙3,14=3√11,8=2,28м
Высота слоя катализатора равна:
Н=2D=2∙2,28=4,6м
Приемлемость принятой формы реактора дополнительно проверяется гидравлическим расчетом реактора. Потери в напоре слоя катализатора не должны превышать 0,2-0,3 МПа.
3.6 Расчет потери напора в слое катализатора
Потерю напора в слое катализатора вычисляют:
∆P/H=(150∙(1-ε)2∙0,1μu)/(ε3d2)+(1,75∙(1-ε)∙ρu2)/( ε3dg),
где ε - порозность слоя;
u - линейная скорость движения потока, фильтрующегося через слой катализатора, м/с;
μ - динамическая вязкость, Па∙с;
d – средний диаметр частиц, м;
ρ – плотность газа, кг/м3;
g – ускорение силы тяжести, кг/с2;
Порозность слоя находим по формуле:
где γн – насыпная плотность катализатора, равная 640 кг/м3;
γк – кажующая плотность катализатора, равная 1210 кг/м3;
ε = 1-640/1210=0,48
Линейная скорость потока:
u=4V/πD2,
где V – объем реакционной смеси, включающий объем сырья Vc и объем ЦВСГ Vц, т.е.:
V= Vc +Vц
Объем сырья находим по формуле:
Vc=Gc∙22,4zc(tср+273)/МсР∙273,
где Gc – расход сырья в реактор, кг/ч;
zc – коэффициент сжимаемости (при Тпр=0,845, Рпр=0,98, коэффициент сжимаемости равен 0,25);
tср – средняя температура в реакторе, оС:
tср=350+350,8/2=350,4,
Тогда:
Vc=273437,5∙22,4∙0,1∙0,25∙(350,4+273)/209∙4∙273=418,3м3/ч
Объем ЦВСГ равен:
Vц= Gc∙22,4zc(tср+273)/( МсР∙273)
Vц=22503,9∙22,4∙0,1∙1(350,4+273)/7,64∙273=3786,5м3/ч
V=418,3+3786,5=4204,8
u=4∙4204,8/3,14∙(2,3)2∙3600=16819,2/59798,2=0,28
Динамическую вязкость смеси определяют по ее средней молекулярной массе равной:
Мср=( Gc + Gц )/(Vc/Mc+Vц/Мц)
Мср=(273437,5+22503,9)/(273437,5/209+22503,9/7,6)=69,32
Динамическая вязкость смеси:
μ=1,87∙10-6кг∙с/м2
Средний диаметр частиц катализатора d=4∙10-3м. Плотность реакционной смеси в условиях процесса равна:
γ= Gc + Gц/ Vc +Vц=273437,5+22503,9/418,3+3786,5=70,4кг/м3
Таким образом:
∆Р/Н=[150∙(1-0,48)20,1∙1,87∙10-6∙0,28/0,483(4∙10-3)2]+[1,75∙(1-0,48)∙39.7∙0,282/0,483∙4∙10-3∙9,81]=2,1237/0,442+2.8323/0,0043=663,5кг/м2∙м
∆Р=Н∙663,5=4,6∙663,5=3052кг/м2
Таким образом, потеря напора катализатора не превышает предельно допустимых значений.
3.7 Расчет регенерации катализатора
Исходные данные приведены ниже:
- количество отложений на катализаторе 8,5%(масс.) Состав отложений, %(масс.): С-81, S-10, Н2-9; отложения сгорают полностью с образованием СО2, SO2, H2O, соответственно;
- предельно допустимая температура разогрева катализатора при регенерации составляет 570оС.
- остаточное содержание кислорода в газе регенерации для полного удаления отложений без перегрева катализатора, а также продолжительность регенерации.
Количество кислорода, теоретически необходимое для полного сжигания 1кг отложений, равно:
до СО2: 0,81∙32/12=2,16 кг;
до SO2: 0,1∙32/32=0,1 кг;
до H2O: 0,09∙16/2=0,72 кг;
Итого теоретическая потребность кислорода составляет 2,98 кг на 1 кг отложений.
Количество газа регенерации для выжига 1 кг отложений:
Gг.р=2,98/(ХО2-0,005),
где ХО2-массовая доля кислорода в исходном газе регенерации;
0,005-массовая доля кислорода после регенерации;
Gг.р и ХО2 находят из теплового баланса.
Тепловой баланс регенерации (потерями тепла в окружающую среду можно пренебречь):
Gг.р∙t0c+qp= (Gг.р+Gотл)tc,
где t0 и t – температуры газа на входе и выходе из реактора, оС;
с - средняя теплоемкость газа регенерации, кДж/(кг∙К)
c=cN=1,025кДж/(кг∙К)
Gг.р, Gг.р+Gотл – массы газа на входе и выходе из реактора, кг (так как тепловой баланс составляет на 1кг отложений, то Gотл=1);
qp – тепловой эффект реакции сгорания отложений, кДж/кг.
В этом уравнении величиной Gотл можно пренебречь, так как эта величина обычно на два порядка меньше Gг.р, тогда получим:
t= t0+qp/( Gг.р∙c),
qp – находят по формуле Менделеева:
qp=4,19∙[81С+246Н+26(S-O)]
qp=4,19∙[81∙81+246∙9+26∙10]=377766кДж/кг.
Принимаем температуру на выходе из реактора t=570оС, на входе t0=450 оС.
Gг.р=qp/ (t- t0)c
Gг.р=37766/(570-450)∙1,025=307
Концентрация кислорода в инертном газе равна:
ХО2=2,98/ Gг.р+0,005=2,98/307+0,005=0,0147
Таким образом, концентрация кислорода в инертном газе должна быть ≈1,5%(масс.); остальные компоненты:
N2=82-86%(масс.);
СО2=7-10%(масс.);
SO2=2-4%(масс.).
Общий объем газа, подаваемого на регенерацию, приведенный к нормальным условиям Vг.р вычисляют по формуле:
Vг.р=Vк∙γн∙0,085∙ Gг.р∙22,4/Мг.р,
где Vк,γн – объем катализатора в реакторе м3 и его насыпная плотность (кг/ м3);
0,085-количество отложений в долях от массы катализатора;
Мг.р – молекулярная масса газов регенерации
Vг.р=74,13∙640∙0,085∙307∙22,4/28=990424 м3
Требуемая мощность циркуляционных компрессоров, подающих газ на регенерацию:
Nц=273437,5∙400/824,4=132672м3/ч
Если кинематические факторы не лимитируют процесс регенерации, минимальная продолжительность регенерации составит:
Τ= Vг.р/ Nц=990424/132672=7,47ч[18].
3.8 Механический расчет
В механическом расчете произведем расчет толщины стенки реактора гидроочистки.
Данные для расчета: внутренний диаметр реактора гидроочистки dвн=2,28м; давление Р=4∙106Па=40,8кг/см2; прибавка на коррозию С=0,5см. Материал корпуса колонны: сталь марки 20 K.
Полную толщину стенки реактора гидроочистки с учетом прибавок на коррозию определяют по формуле:
S=(P∙dвн)/(2σдоп∙φ-Р)+С
где, S- полная расчетная толщина стенки аппарата, см; dвн- внутренний диаметр реактора, см; С- прибавка к расчетной толщине, учитывающая агрессивные свойства рабочей среды на материал корпуса, см; φ- коэффициент прочности сварного шва, принимаем φ=1; σдоп- допускаемое напряжение, Па.
Для марки стали 20 K применяем σдоп=1350 кг/см2
S=(40,8∙228)/(2∙1350∙1-40,8)+0,5=3,99см