Расчет основного аппарата - Гидрокрекинг вакуумного газойля

Основным аппаратом установки гидрокрекинга является реактор, в котором происходят основные химические реакции и превращения сырья.

Исходные данные для расчета:

Сырье - вакуумный газойль нефти месторождения Танатар;

Плотность сырья 0,9102

Содержание серы 0,41%

Коксуемость 5,40%

Температура в реакторе t = 420-460 ОС

Давление в реакторе 3-7МПа

Объемная скорость подачи сырья =0,9-2,5час-1

Циркуляция водород содержащего газа (ВСГ) 1000м3/м3

Расход водорода 1-3 % масс

Процесс гидрокрекинга в реакторе можно представить следующей схемой [10]:

(3.4)

Где соответственно сырье, углеводородный газ и бензин; массовые коэффициенты; скорость реагирования сырья, отнесенная к единице поверхности катализатора, кг/(м2-ч).

Отсюда можно получить приближенную математическую модель статики процесса гидрокрекинга:

(3.5)

(3.6)

(3.7)

(3.8)

(3.9)

(3.10)

Где объемная скорость подачи сырья в реактор, ч-1; массовая доля сырья в реакционной смеси; коэффициент торможения, практически независимый от температуры и составляющий 0,864-0,868 при 400-425ОС; предэкспоненциальный множитель, равный 1013-ч-1; энергия активации, равная 1,17-104КДж/(кмоль-К); температура процесса гидрокрекинга, выход соответственно углеводородного газа, бензина, дизельного топлива и остатка гидрокрекинга, массовые доли на сырье; выход водорода на процесс, массовые доли на сырье; массовые коэффициенты, соответственно равные 0,25; 0,27 и 0,714.

При 2,0 час-1, определим массовую долю сырья в смеси:

Отсюда массовая доля сырья в реакционной смеси 0,448.

Подчитываем выход продуктов по уравнениям (3.6) - (3.10).

Выход углеводородного газа:

Или 13 %.

Выход бензина:

Или 15 %.

Выход дизельного топлива:

Или 32 %.

Выход остатка:

Или 12,8 %.

Расход водорода:

Или 2,6 %.

Составим материальный баланс для реактора гидрокрекинга и сведем расчеты в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 Материальный баланс реактора

Продукт	% масс.	Кг/сек	Кг/ч	Т/сут	Т/год
Поступило: Реакционная смесь В том числе Вакуумный газойль Водородсодержащий углеводородный газ	102,6 44,8 57,8	22,7 9,9 12,8	81728 35686 46042	1962 857 1105	666900 291200 375700
Всего	102,6	22,7	81728	1962	666900
Получено: 1. Углеводородный газ 2. Бензин (н. к.-160 ОС) 3. Дизельное топливо (160-360 ОС) 4. Остаток 5. Водород	13 15 32 40 2,6	2,9 3,3 7,1 8,8 0,6	10355 11949 25490 31863 2071	249 287 612 765 49	84500 97500 208000 260000 16900
Всего	102,6	22,7	81728	1962	666900

Тепловой баланс реактора

Температура в реакторе 460 OC

Степень превращения сырья 0,6

Плотность сырья 0,9102

Тепловой баланс реактора можно описать следующим уравнением [10]:

Где массы соответственно сырья, циркулирующего газа, сухого газа, бензина, дизельного топлива, остатка, кг/час; энтальпия, кДж/кг; теплота реакции кДж/кг.

Определяют энтальпию сырья при 460ОС, для этого необходимо определить критические параметры и приведенные параметры.

Приближенно критическую температуру и давление нефтяной фракции и газов можно определить по графикам в зависимости от молекулярной массы, плотности и средней температурой кипения.

Критические параметры можно подсчитать по эмпирическим формулам:

(3.11)

(3.12)

Где

Для нафтеновых углеводородов 60; ароматических 6,5-7,0; парафиновых 5,0-5,3; нефтепродуктов прямой перегонки 6,3-6,4; крекинг-керосинов 6,8-7,0; среднемолекулярная температура кипения (приближенно можно взять температуру 50%-ной точки разгонки); и температуры 70 и 10% отгона от кривой разгонок, ОС; относительная плотность ; молекулярная масса.

Относительную плотность нефтепродукта при 15ОС можно определить по следующему уравнению:

(3.13)

Где относительная плотность нефтепродукта при 20ОС; б-средняя температурная поправка.

Для 0,9102; = 0,000620 [10].

0,9102+5-0,000620=0,9133

Молекулярную массу нефтепродукта можно определить по формуле Крэга [12]:

(3.14)

Отсюда:

МПа

Приведенной температурой называют отношение температуры вещества к его критической температуре

(3.15)

Где критическая температура,

Приведенным давлением называют отношение давления вещества к его критическому давлению :

(3.16)

Где критическое давление, МПа.

Отсюда: кДж/кг.

Находим энтальпию паров нефтепродуктов при атмосферном давлении по формуле:

(3.17)

Где энтальпия паров нефтепродуктов в зависимости от температуры [10].

КДж/кг

Энтальпия паров вакуумного газойля при атмосферном давлении:

КДж/кг

Энтальпия паров вакуумного газойля при 7 МПа.

КДж/кг

В процессе гидрокрекинга используется циркулирующий водородсодержащий углеводородный газ следующего состава (6% масс.): Н2=58,8; С1-5; С2-6,8; С3-29,4. Кратность циркулирующего газа 1000 м3/м3 сырья.

Подсчитаем массовую теплоемкость циркулирующего газа без учета давления, так как в данном случае поправка на него мала. Подсчитаем среднюю температуру в реакторе 440ОС. По графику [10] находим значение :

Для Н214,73 кДж/(кг-К)

Для С13,3 кДж/(кг-К)

Для С23,1 кДж/(кг-К)

Для С33,05 кДж/(кг-К)

Отсюда:

КДж/кг-К

Энтальпия циркулирующего газа

КДж/кг

Находим среднюю молекулярную массу сухого газа, имеющего следующий состав (в % масс.): С2Н4-21,0; С2Н6-27,0; С3Н8-41; С4Н10-11,0

Определим энтальпию сухого газа при 460ОС и 7,0 МПа

КДж/кг

Энтальпия бензина:

КДж/кг

Энтальпия дизельного топлива:

КДж/кг

Энтальпия остатка:

КДж/кг

Средняя молекулярная масса циркулирующего водородсодержащего газа:

Средняя плотность циркулирующего газа:

Кг/м3

Масса циркулирующего газа определяется по следующей формуле:

(3.18)

Где расход сырья, кг/ч; кратность циркуляции газа, м3/м3 сырья; плотность циркулирующего газа, кг/м3; плотность сырья, кг/м3.

Кг/час.

Подсчитываем теплоту прихода и расхода.

Приходящее тепло:

КДж/ч

Уходящее тепло:

КДж/кг

Согласно справочным данным [10] 419 кДж/кг.

Так как по тепловому балансу кДж/кг, в реакторе в процессе реакции выделяется избыточное сырье, что требует дополнительного охлаждения, поэтому для процесса гидрокрекинга вакуумного газойля нефти месторождения Танатар необходимо выбрать политропический реактор с промежуточным охлаждением слоев катализатора.

Размеры реактора гидрокрекинга определяют следующим образом:

1. Определим объем катализатора в реакторе: