Содержание
Введение
Необходимые исходные данные и вычисления
Материальный баланс процесса изомеризации
Тепловой баланс процесса изомеризации
Расчет реакторного блока
Гидравлический расчет реактора
Литература
Введение
Процесс изомеризации парафиновых углеводородов предназначен для повышения октанового числа пентан-гексановых фракций бензинов, выкипающих до 70°С, и получения индивидуальных парафиновых углеводородов - изобутана и изопентана - из н -бутана и н -пентана с целью увеличения ресурсов сырья при синтезе изопренового каучука, для процесса алкилирования и получения изобутилена при синтезе метил-трет-бутилового эфира. Изопентаны и изогексаны используются как компоненты автомобильного бензина.
Исходными данными для расчёта являются:
1) количество и состав исходного сырья;
2) количество и состав водородсодержащего газа;
) параметры процесса: температура, давление, объёмная скорость подачи сырья, мольное соотношение водород - сырьё; характеристика катализатора.
На рисунке 1 изображён продольный разрез реактора каталитической изомеризации.
Рис. 1.
Реактор каталитической изомеризации:
- распре делитель сырья;
- корпус;
- катализатор;
- опорная решётка;
- керамические шарики;
- муфта для термопары;
- секционная термопара;
- муфта для монтажа
Необходимые исходные данные и вычисления.
Часовая производительность установки по сырью:
G с = 25000 кг/ч
Рассчитаем объёмную производительность wc (м3/ч) блока изомеризации:
G с
w с = ¾¾¾,
rс
где rс - плотность сырья, 0,6263 кг/м3
w с = 25000/0,6263 = 39916,6627 м3/ч
Рассчитаем количество (кмоль/ч) водородсодержащего газа, необходимого для процесса изомеризации:
|
|
G Н2
G ВСГ = ¾¾¾,
Y Н2
где G Н2 - количество водорода,; Y Н2 - массовая доля водорода в ВСГ = 98,4%.
Зная мольное соотношение водород: сырьё = 1, рассчитывают количество водорода и ВСГ из соотношения, кмоль/ч и кг/ч:
G с G Н2
N • ¾¾¾ = ¾¾¾
М с М Н2
G Н2 = G с* М Н2/ М с =25000*2/79= 632,9114 кмоль/ч
G ВСГ = G Н2/ Y Н2 = 632,9114*100/98,4 = 643,2026 кмоль/ч
Необходимое количество свежего ВСГ.
| M (сырья)= | ||
| моль (сырья)= | 1,2658 | на 100г |
| моль (сырья)= | 316455,6962 | всего |
| моль (Н2)= | 316455,6962 | |
| m(H2)= | 632911,3924 | |
| m(ВСГ)= | 643202,6346 |
Материальный баланс процесса изомеризации
Принимаем по практическим данным для катализатора ИП-62:
выход изопентана на пропущенный н -пентан - 50%
на превращённый н -пентан - 95%;
количество образующихся продуктов крекинга от метана до бутана - 3 - 4%.
Сводим материальный баланс процесса изомеризации в таблице 1.
Таблица 1.
Материальный баланс процесса изомеризации.
| Статьи | Выходы продуктов | Статьи | Выходы продуктов | ||||||
| баланса | %масс. | кмоль/ч | кг/ч | мольные доли | баланса | %масс | кмоль/час | кг/ч | мольные доли |
| Приход | Расход | ||||||||
| С4Н10 | 4,78 | 20,60344828 | 6,118557044 | С1-С2 | 3,024 | 16,1501463 | 4,796070531 | ||
| i-C5H12 | 6,146 | 21,32680556 | 1535,53 | 6,333370735 | бутановая фр. | 4,78 | 20,6034483 | 6,118557044 | |
| н-C5H12 | 79,017 | 274,3645833 | 19754,25 | 81,47739793 | i-C5H12 | 80,87 | 276,041754 | 20225,29 | 81,97546331 |
| i-C6H14 | 1,073 | 3,119186047 | 268,25 | 0,926297263 | н-C5H12 | 1,269 | 4,21036437 | 1,250341896 | |
| н-C6H14 | 3,902 | 11,34302326 | 975,5 | 3,368510645 | i-C6H14 | 1,073 | 3,11918605 | 268,25 | 0,926297263 |
| С7+ | 2,392 | 5,98 | 1,775866381 | н-C6H14 | 3,902 | 11,3430233 | 975,5 | 3,368510645 | |
| итого сырья | 336,7370465 | С7Н16 | 2,392 | 5,98 | 1,775866381 | ||||
| ВСГ | 2,69 | 336,74 | 673,47 | ВСГ | 2,69 | 336,74 | 673,47 | ||
| Итого: | 100,00 | 25000,00 | Итого: | 25000,00 |
|
|
Тепловой баланс процесса изомеризации.
Тепловой баланс процесса изомеризации рассчитаем по формуле:
c + Q всг = Q c.г.+ Q б.ф.+ Q кат или
c • q с445 + G всг • q всг445 = G c.г. •q с.г.400 + G б.ф. •q б.ф400 + G кат •q кат400 + q р
где Q c, Q всг, Q c.г., Q б.ф., Q кат - количество тепла, привносимого соответственно сырьём, ВСГ, сухим газом, катализатором, бутановой фракцией,
G c, G всг, G c.г., G б.ф., G кат, G кат-ра - количество соответственно сырья, ВСГ, сухого газа, бутановой фракции, катализатора, кг/ч;
q it - энтальпии компонентов при рабочей температуре процесса 445°С, ккал/кг;
q р - теплота реакции, ккал/кг.
Определяют 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 t 2)(3,992 - 0,9952 d 420) - 73,8,
где d 420 - плотность паров; t - рабочая температура процесса, °С.
Полученное значение энтальпии корректируем, вычитая поправку на давление. Для определения поправки на давление рассчитываем приведённые давление (Р пр) и температуру (Т пр):
П Т
Р пр = ¾¾¾, Т пр = ¾¾¾
Р кр Т кр
где Р кр - критическое давление, атм; Т кр - критическая температура, °К; П, Т - давление и температура в аппарате.
Находим поправку на энтальпию при повышенных давлениях:
Т •Р пр
Dq = - 4,4 • ¾¾¾¾¾
М •Т пр3
где Dq - изменение энтальпии в зависимости от изменения давления, ккал/кг;
|
|
М - молекулярный вес;
Т - температура, К.
С учётом рассчитанной поправки на давление находим энтальпии паров нефтепродуктов в реакторе (ккал/кг):
п445 = q с445 - Dq,
Расчеты сведены в таблицу:
| С4Н10 | i-C5H12 | н-C5H12 | i-C6H14 | н-C6H14 | С7+ | сумма | |||
| Т,К | в аппарате на входе или | С | |||||||
| Р,МПа | 3,5 | в аппарате | |||||||
| М | |||||||||
| Выход,кг/ч | 1535,53 | 268,25 | 975,5 | ||||||
| к-во моль | 20,603 | 21,327 | 274,365 | 3,119 | 11,343 | 5,980 | 336,737 | ||
| % мольный | 6,119 | 6,333 | 81,477 | 0,926 | 3,369 | 1,776 | |||
| ТКР,К | 425,200 | 460,400 | 469,600 | 507,300 | 507,300 | 540,200 | |||
| ТПКР,К | 26,016 | 29,159 | 382,618 | 4,699 | 17,088 | 9,593 | 469,174 | ||
| ТПР,К | 1,530 | ||||||||
| РКР,МПа | 3,796 | 3,381 | 3,369 | 3,013 | 3,013 | 2,736 | |||
| РПКР,Мпа | 0,232 | 0,214 | 2,745 | 0,028 | 0,101 | 0,049 | 3,369 | ||
| РПР,МПа | 1,039 | ||||||||
| q,ккал/кг | -11,590 | ||||||||
| d420,кг/м3 | 0,579 | 0,620 | 0,626 | 0,659 | 0,659 | 0,684 | 0,638 | ||
| qc445,ккал/кг | 350,643 | ||||||||
| qП445,ккал/кг | 362,233 |
Энтальпию ВСГ (ккал/кг) находим по формуле:
всг445 = С р• Т - Dq,
где С р - теплоёмкость ВСГ (ккал/кг•град), рассчитываемая по правилу аддитивности теплоёмкостей, входящих в него компонентов:
С р = S С рj• Y j,
| CP= | 3,494*0.984+0,73*0.016= | 3,450 ккал/(кг*К) | |
| qВСГ445= | 2476,939 ккал/кг | ||
Аналогично определяем энтальпии продуктов реакции при Т =400°С, учитывая что С р кат.=0,27 ккал/(кг•К). Тепловой эффект реакции изомеризации принимаем по практическим данным: q р = 25 ккал/кг.
| С1-С2 | С4Н10 | i-C5H12 (кат) | н-C5H12 | i-C6H14 | н-C6H14 | С7+ | |
| М | |||||||
| ТКР,К | 425,2 | 460,4 | 469,6 | 507,3 | 507,3 | 540,2 | |
| ТПР,К | 2,692 | 1,583 | 1,462 | 1,433 | 1,327 | 1,327 | 1,246 |
| РКР,МПа | 4,7 | 3,796 | 3,381 | 3,369 | 3,013 | 3,013 | 2,736 |
| РПР,МПа | 0,745 | 0,922 | 1,035 | 1,039 | 1,162 | 1,162 | 1,279 |
| q,ккал/кг | -4,915 | -11,872 | -13,631 | -14,516 | -17,131 | -17,131 | -19,590 |
| d420,кг/м3 | 0,48405 | 0,5789 | 0,6196 | 0,6262 | 0,6594 | 0,6594 | 0,6838 |
| qС400,ккал/кг | 334,0938 | 323,1251 | 318,4185 | 317,6552 | 313,8159 | 313,8159 | 310,9942 |
| qП400,ккал/кг | 339,0083 | 334,9969 | 332,0492 | 332,1710 | 330,9471 | 330,9471 | 330,5844 |
Сводим тепловой баланс процесса изомеризации в таблице 2.
Таблица 2.
| Статьи | q, | Q, | Статьи | q, | Q, |
| баланса | ккал/кг | баланса | ккал/кг | ||
| Приход | Расход | ||||
| Сырье | 350,643 | 8766076,07 | Сухой газ | 339,0083 | 222897,98 |
| ВСГ | 2476,939 | 1593173,80 | Бутановая фр. | 334,9969 | 410371,20 |
| Катализат | 332,0492 | 6910773,78 | |||
| н-пентан | 332,1710 | 117920,72 | |||
| i-гексан | 330,9471 | 91010,45 | |||
| н-гексан | 330,9471 | 330947,10 | |||
| С7+ | 330,5844 | 223144,48 | |||
| Тепловой эффект реакции | |||||
| Итого: | 10359249,87 | Итого: | 8307090,701 |
| Потери - | 19,81 % |