Расчет реактора каталитического крекинга

 

 

минИстерство образования и науки российской федерации

федеральное Государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ государственный НЕФТЕГАЗОВЫЙ университет»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ И ГАЗА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект по курсу:

«Катализ в нефтепереработке и нефтехимии»

Тема: «Расчет реактора каталитического крекинга»

Вариант №6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 Выполнил: студент    ________________  Кириченко Н. А.

                                     подпись

                                   

                                                                                                                                       

               Руководитель: к.т.н. доцент   _______________   Гуров Ю.П.

                                                            подпись

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень 2014

 

 

Исходные данные

 

Целью работы является изучение конструкции и методов расчета реактора установки каталитического крекинга вакуумного дистиллята в псевдоожиженном слое. Расчет включает в себя определение количества катализатора и расхода водяного пара, составление материального и теплового балансов реактора, в результате которых определяют реактора.

Задание. Рассчитать реактор установки каталитического крекинга вакуумного дистиллята в псевдоожиженном. Производительность реактора по свежему сырью =170 т/ч. Количество рециркулирующего каталитического газойля составляет 16,4 масс.% на свежее сырьё. Выход газа – 16,6 масс.% на свежее сырьё. Температура крекинга Тр=813 К. Массовая кратность циркуляции катализатора по свежему сырью 7:1. Глубина превращения 70. Температура рециркулирующего каталитического газойля Тц=500 К. Температура катализатора Тк=760 К. Температура водяного пара, подаваемого в транспортную линию Тп.1=760 К. Температура водяного пара, подаваемого в отпарную зону реактора Тп.2=580 К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Материальный баланс

 

Зная производительность реактора по свежему сырью и выходы продуктов крекинга в долях от свежего сырья, найдем часовые количества газа, бензина, легкого и тяжелого газойлей, кокса. С учетом рециркулирующего газойля определить загрузку реактора.

Характеристики сырья и продуктов крекинга по лабораторным данным приводятся в таблице 1

 

Таблица 1 – Физические свойства сырья и продуктов

Показатели	Вакуумный дистиллят	Рецирк. Газойль	Газ	Бензин	Легкий катал. газойль	Тяжелый катал. газойль
Относительная плотность:	0,910	0,940	–	0,760	0,920	0,933
	0,912	0,942	–	0,764	0,923	0,934
Молекулярная масса	300–320	340–360	30–40	100–120	200–220	240–260

 

Выход бензина и кокса определяем по графикам в зависимости от глубины превращения (по рисункам 1, 2).

 

Рисунок 1 – График для определения выхода бензина

 

Рисунок 2 – График для определения выхода кокса

 

По графику 1 выход бензина составляет =54 объемн.% на свежее сырьё или в массовых процентах:

 

     (2.1)

 

где – выход бензина в объемных процентах.

Получим:

,

Выход кокса в зависимости от заданной глубины превращения по графику 2 составляет = 6,8 масс.% на свежее сырьё.

Выход общее количество каталитического газойля определить по разности общего количества продуктов и процентного содержания выхода газа, бензина и кокса.

 

   (2.2)

 

где – выход газа и кокса в массовых процентах, соответственно.

Соотношение между легким и тяжелым газойлями примем как 1:1.

Результаты расчета свести в таблицу 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2 – Материальный баланс

Потоки	Количество, т/ч	Состав
		масс% на свежее сырьё	масс% на загрузку реактора
Приход:
Сырьё	170,00	100,0	85,9
Рецикл газойля	27,88	16,4	14,1
Загрузка реактора	197,88	116,4	100,0
Расход:
Газ	28,22	16,6	14,26
Бензин	72,42	42,6	36,60
Легкий газойль	28,91	17,0	14,60
Тяжелый газойль	28,91	17,0	14,60
Кокс	11,56	6,8	5,84
Всего	170,00	100,0	85,90
Рецикл газойля	27,88	16,4	14,10
Сумма	197,88	116,4	100,00

 

Количество катализатора и расход водяного пара

 

При кратности циркуляции катализатора R=7:1 количество циркулирующего катализатора:

 

    (2.3)

 

где R – кратность циркуляции катализатора,

Gc – производительность реактора по свежему сырью, т/ч.

т/ч.

Для регулирования плотности смеси паров сырья с катализатором в транспортную линию подается водяной пар в количестве 4 масс.%, считая на загрузку реактора. На отпарку продуктов крекинга с закоксованного катализатора в зону отпарки подается 7 кг пара на 1 т катализатора.

Расход водяного пара, подаваемого в транспортную линию

 

     (2.4)

 

где – количество водяного пара, масс.%,

Gc – загрузка реактора, т/ч.

т/ч.

Расход водяного пара, на отпарку катализатора

 

     (2.5)

 

где – количество водяного пара, кг/т.

т/ч.

 

Тепловой баланс

 

Составим тепловой баланс реактора, из которого определим температуру сырья на входе в узел смешения с катализатором.

Уравнение теплового баланса реактора в общем виде:

 

Qc + Qц1 + Qкат1 + Qп1 + Qп2 = Qг + Qб + Qл.г + Qт.г + Qкат2 + Qк + Qц2 + Qп1 + Qп2 + Qр + Qп           (2.6)

 

Левая часть уравнения отвечает приходу тепла (в кВт):

Qc – с сырьем;

Qц1 – с рециркулирующим каталитическим газойлем;

Qкат1 – с циркулирующим катализатором;

Qп1 – с водяным паром, подаваемым в транспортную линию;

Qп2 – с водяным паром, подаваемым на отпарку углеводородов с катализатора.

Правая часть уравнения отвечает расходу тепла (в кВт):

Qг – с образовавшимися газами крекинга;

Qб – с парами бензина;

Qл.г – с парами легкого газойля;

Qт.г – с парами тяжелого газойля;

Qкат2 – с циркулирующим катализатором;

Qк – с образовавшимся при крекинге коксом;

Qц2 – с рециркулирующим газойлем.

Qп1 – с водяным паром, подаваемым в транспортную линию;

Qп2 – с водяным паром, подаваемым на отпарку углеводородов с катализатора;

Qр – на реакции каталитического крекинга;

Qп – потери тепла в окружающую среду.

Количество потерь тепла в окружающую среду принимаем 800 кВт. Значения энтальпий крекинг–газа, бензина и каталитического газойля приведены в таблице 3 интервале температур 673–773 К. Путем интерполяции можно определить энтальпию при промежуточных температурах.

 

Таблица 3 – Значения энтальпий в интервале температур 673–773 К

Компонент	Состояние	Энтальпия, кДж/кг
		673 К	773 К
Вода	Пар	3268	3488
Крекинг–газ	Газ	980	1297
Бензин	Пар	1260	1580
Легкий газойль	Пар	1160	1470
Тяжелый газойль	Пар	1150	1440
	Жидкость	950	1270

 

 

Энтальпия катализатора и кокса подсчитывается по формуле:

 

      (2.7)

 

где с – теплоемкость катализатора или кокса, кДж/кг;

Т – температура катализатора или кокса, К.

Теплоемкость катализатора принимаем 1,1 кДж/(кг·К), теплоемкость кокса – 2 кДж/(кг·К).

кДж/кг;

кДж/кг;

кДж/кг.

Величину теплового эффекта реакции крекинга Qр определяем по графику в зависимости от глубины превращения. При глубине превращения R=75 теплота реакции Qр=220 кВт.

 

Рисунок 3: График зависимости теплового эффекта крекинга от глубины реакции

 

Энтальпия углеводородных паров (в кДж/кг) определяется по таблицам или по формуле:

 

Для определения энтальпии жидких углеводородов (в кДж/кг) также можно воспользоваться таблицами или формулой:

 

где – относительная плотность жидкого углеводорода, Т – температура потока, К.

Тепловой баланс сведем в таблицу 4.

 

Таблица 4 – Тепловой баланс

Обозначение потока	Состояние	Температура, К	Количество, кг/ч	Энтальпия, кДж/кг	Количество тепла, кВт
Приход:
Qc	Ж	Тс	170000	qc	Qс
Qц1	Ж	500	27880	588,71	4559,23
Qкат1	Т	760	1190000	836,00	276344,44
Qп1	П	760	7920	3 459,40	7610,68
Qп2	П	580	8330	3 063,40	7088,37
Сумма	–				Qс +295602,72
Расход:
Qг	Г	813	28220	1 423,80	11161,01
Qб	П	813	72420	1 846,72	37149,85
Qл.г	П	813	28910	1 741,74	13987,14
Qт.г	П	813	28910	1 734,94	13932,53
Qкат2	Т	813	1190000	894,30	295615,83
Qк	Т	813	11560	1 626,00	5221,27
Qц2	П	813	27880	1 730,01	13397,97
Qп1	П	813	7920	3 576,00	7867,20
Qп2	П	813	8330	3 576,00	8274,47
Qр	–	–	220000	220,00	13444,44
Qп	–	–			1 000,00
Сумма					421051,71

 

Из теплового баланса найдем количество тепла Qс, которое должно прийти вместе с сырьем:

Qс=431676,99 – 316318,95=125448,99 кВт.

Энтальпию сырья найдем из соотношения:

     (2.8)

 

кДж/кг.

В соответствии с энтальпией сырья при относительной плотности =0,91 определяем температуру сырья Тс=1094 К.

 

Размеры реактора

 

Определяют размеры реактора: диаметр корпуса и десорбера, высоту аппарата. При этом высоту псевдоожиженного слоя находят делением объема реакционного пространства на площадь поперечного сечения реактора; высоту сепарационного пространства рассчитывают в зависимости от скорости паров, проходящих через свободное сечение реактора над кипящим слоем. Высоты остальных частей реактора (десорбера и др.) принимаются конструктивно в соответствии с практическими данными.

Площадь поперечного сечения реактора равна:

 

      (2.9)

 

где V – объем паров, проходящих через свободное сечение реактора, м3/ч;

ω – допустимая скорость паров в свободном сечении реактора, м/с.

Величину V можно определить по формуле:

 

    (2.10)

где – количество паровой смеси в реакторе, кмоль/ч;

Тр – температура в реакторе, К;

р – давление в реакторе над псевдоожиженным слоем, принимаемое равным 0,2∙106 Па.

Рассчитаем величину :

Тогда

 м3/ч.

Этот объем паров является наибольшим, так как суммарный объем всех получающихся продуктов крекинга больше объема сырья.

Для установок каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем катализатора средняя скорость движения газов в свободном (над псевдоожиженным слоем) сечении реактора рекомендуется принимать равной от 0,5 м/с до 0,89 м/с. Примем =0,5 м/с. Тогда площадь поперечного сечения реактора равна:

 

    (2.11)

 

 м2.

Диаметр реактора:

 

    (2.12)

 м.

На существующих промышленных установках применяются реакторы диаметром от 2,5 до 12.

Диаметр зоны отпарки (десорбера) найдем после того, как будем знать давление у верхнего основания десорбера.

Эскиз реактора приведен на рисунке 4.

 

Рисунок 8 – Схема для расчета рабочей высоты реактора

 

Полная высота реактора:

 

H = h + h1 + h2 + h3 + h4 + h5   (2.13)