![]() КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Материальный баланс установкиУстановка работает 340 дней в году, ее производительность по сырью 375,4 тыс.т/год. Таблица 8 – Материальный баланс установки
2.2 Расчёт теплообменника Т-2 Расчет теплообменника для подогрева газопродуктовой смеси (нестабильный гидрогенизат) кубовым продуктом (стабильный гидрогенизат) колонны К-1. Принимаем следующие данные: Холодный теплоноситель – газопродуктовая смесь; Горячий теплоноситель – стабильный гидрогенизат; Расход газопродуктовой смеси GСМ= 42454 кг/ч; 11,79 кг/с; Начальная температура газопродуктовой смеси tначСМ= 1500 С; Конечная температура газопродуктовой смеси tконСМ= 2700 С; Начальная температура стабильного гидрогенизата tначСГ=4000С; Конечная температура стабильного гидрогенизата tконСГ=2890С; Расход стабильного гидрогенизатаGСГ= 41095 кг/ч; 11,415 кг/с; 1.Определение тепловой нагрузки на аппарат ведем по уравнению теплового баланса:
Q – тепловая нагрузка на аппарат, кВт ; G – массовый расход теплоносителя, кг/с; С– удельная теплоемкость теплоносителя при средней температуре, кДж/кгК; Δt – разность между конечной и начальной температурами теплоносителя,0 С. Тепловую нагрузку на аппарат рассчитываем по газопродуктовой смеси:
По закону сохранения энергии: QСМ=QСГ
2.Ориентировочная площадь поверхности аппарата.
Δtср – средний температурный напор,0С; К – коэффициент теплопередачи, принимаем 300 Вт/м2∙К Определение среднего температурного напора: стабильный гидрогенизат 4000С 2890С газопродуктовая смесь 2700С 1500С Рис.1.Схема движения – противоток. Δtм = 1300С Δtб = 1390С
Принимаем коэффициент теплопередачи К = 300 Вт /м2К и определяем ориентировочную поверхность теплообмена:
Принимаем по ГОСТ 14246 – 79 теплообменник кожухотрубный с плавающей головкой со следующими характеристиками: поверхность теплообмена F = 131м 2; диаметр корпуса D = 600 мм; диаметр труб d = 20 х 2 мм; длина труб L = 6000 мм; число ходов по трубам Z = 2 х 2; число труб n=370 площадь проходного сечения по трубам fтр= 34∙10-3м 2; площадь проходных сечений по межтрубному пр-ву fмтр= 42∙10-3 м2; 3.Определение истинного коэффициента теплопередачи. межтрубное пространство трубное пространство (стабильный гидрогенизат) (газопродуктовая смесь)
Рис.2.Схема теплопередачи тепла через плоскую стенку. q1=αмтр∙(tсрСГ–tст1) q2=αтр∙(tст2–tСМср) q3=λст/δ∙(tст1–tст2)
Определим частные коэффициенты теплопередачи в трубном и межтрубном пространствах, принимая температуру стенки tст1= 2680С Межтрубное пространство. Коэффициент теплопередачи от стабильного гидрогенизата к стенке. Критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и трения в потоке:
где ωСГ– скорость движения стабильного гидрогенизата по межтрубному пространству, м/с; dнар – наружный диаметр труб, м; µСГ– коэффициент динамической вязкости стабильного гидрогенизата при tср; Скорость стабильного гидрогенизата в межтрубном пространстве:
где GСГ – массовый расход стабильного гидрогенизата, кг/с; fмтр – площадь проходных сечений по межтрубному пространству, м2; ρСГ– плотность стабильного гидрогенизата при tср , кг/м3
т.кRе> 10000 для межтрубного пространства, режим движения – устойчивый турбулентный. Коэффициент теплопередачи от стабильного гидрогенизата к стенке для устойчивого турбулентного режима в межтрубном пространстве:
где λст – теплопроводность стабильного гидрогенизата при средней температуре, Вт/мК; Еφ – коэффициент, учитывающий угол атаки пучка труб, принимаем Еφ=0,6; Рr - критерий Прандтля для стабильного гидрогенизата, характеризующий отношение вязкостных и температуропроводных свойств теплоносителя при средней температуре. Рrст1 - критерий Прандтля для стабильного гидрогенизата при tст1
Удельная тепловая нагрузка по межтрубному пространству.
Определяем температуру стенки tст2 исходя из равенства q1=q3
где δ – толщина стенки трубки теплообменника, м; λст– теплопроводность стали, Вт/м∙К;
Трубное пространство. Скорость газопродуктовой смеси в трубном пространстве:
где GСМ – расход газосырьевой смеси, кг/с; ρ НР – плотность газосырьевой смеси, кг/м3; fтр – площадь проходного сечения по трубному пространству, м2;
Критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и трения в потоке:
dвн – внутренний диаметр труб, м; µсм– динамическая вязкость газопродуктовой смеси при средней температуре, Па∙с Режим движения – устойчивый турбулентный, т.к. Re> 10000. Рассчитываем коэффициент теплопередачи от стенки к газопродуктовой смеси при устойчивом турбулентном движении:
Удельная тепловая нагрузка по трубному пространству.
Полученное значение тепловой нагрузки q3большее рассчитанной ранее тепловой нагрузки q1 на:
4. Рассчитываем истинный коэффициент теплопередачи.
где r1 и r2 – термические сопротивления загрязнений со стороны теплоносителей, r1 = r2 = 0,0003Вт/м2К
5. Определение истинной поверхности теплообмена. Необходимая поверхность теплообмена:
По ГОСТ 14246-79 принимаем кожухотрубный теплообменник с плавающей головкой с ранее выбранными характеристиками, с поверхностью теплообмена F =200 м 2 Длина 6920 мм Диаметр 630 мм Запас поверхности составляет: (200-103) / 200∙100% =48,5% 2.3 Расчёт реактора Р-1 Аппарат предназначен для проведения реакций гидроочистки Для расчёта реактора гидроочистки необходимы следующие данные: Таблица 9.
Исходные данные, полученные на производстве, представлены в таблице 10.
Таблица 10.
Продолжение таблицы 10.
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС УСТАНОВКИ ГИДРООЧИСТКИ Производительность установки 375,96 т/год по сырью. Процентное соотношение компонентов (масс. дол.,%) берут на производстве либо на самой установке либо в цеху. Таблица 11.
СОСТАВ ЦВСГ (ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА) На производстве состав циркулирующего водородсодержащего газа определяют в объёмных процентах. Содержание водорода в циркулирующем водородсодержащем газе (ЦВСГ) не должно быть ниже 70 - 75 объёмных процентов. Состав ЦВСГ в объемных процентах и долях приведён в таблице 12. Таблица 12.
Для расчётов необходимо знать состав ЦВСГ в мольных и массовых долях. По формуле (8) переведём состав ЦВСГ в массовые доли:
где:
Данные пересчёта сводим в таблицу 13. Таблица 13.
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС РЕАКТОРА В реактор поступает сырьё, свежий водородсодержащий газ (ВСГ) и циркулирующий водородсодержащий газ (ЦВСГ). Определяем среднюю молекулярную массу ЦВСГ по формуле:
где:
Расход ЦВСГ на 100 кг сырья GЦ можно найти по формуле (10):
где:
Среднюю молекулярную массу сырья рассчитываем по эмпирической формуле Крэга:
где: М – средняя молекулярная масса сырья, кг/моль;
Абсолютной плотностью вещества называют количество массы, содержащейся в единице объёма. В системе СИ плотность выражается в кг/м3. Относительной плотностью вещества называется отношение его массы к массе чистой воды при 4°С, взятой в том же объеме. Численные значения абсолютной и относительной плотности
где:
где:
На основе данных материального баланса гидроочистки (таблица 3) составляем материальный баланс реактора. Материальный баланс реактора представлен в таблице 14 Материальный баланс реактора. Таблица 14.
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС РЕАКТОРА ГИДРООЧИСТКИ Уравнение теплового баланса реактора гидроочистки можно записать так:
где:
Средняя теплоёмкость реакционной смеси при гидроочистке незначительно изменяется в ходе процесса, поэтому тепловой баланс реактора можно записать в следующем виде:
где:
Температуру, при которой удаляется сера определяем по формуле (16):
где:
Суммарное количество реакционной смеси на входе в реактор составляет 117,44 кг (из таблицы 6). Определяем количество серы, удалённой из сырья
где:
Определяем глубину гидрообессеривания.
где:
т.е. глубина гидрообессеривания должна быть 90%. Глубину гидрирования непредельных углеводородов можно принять равной глубине обессеривания.
где: СН – содержание непредельных углеводородов , масс.дол.,%;
Количество тепла, выделяемое при гидрогенолизе сернистых соединений (на 100 кг сырья) при заданной глубине обессеривания, равной 0,9 составит:
где:
При расчёте на 100 кг сырья оно численно равно содержанию отдельных сероорганических соединений в масс. дол.%. (из исходных данных).
Таким образом по формуле (20) и справочным данным приложения Б находим количество теплоты, выделяемое при гидрогенолизе сернистых соединений.
Количество тепла, выделяемое при гидрировании непредельных углеводородов, равно 126кДж/моль
где:
М – средняя молекулярная масса сырья.
Среднюю теплоёмкость ЦВСГ находят по формуле:
где:
Энтальпию паров сырья при 350°С определяют по графику.
Поправку на давление находим по значениям приведённых температуры и давления. Абсолютная критическая температура сырья определяется с использованием графика. График для определения псевдокритических параметров нефтяных фракций в зависимости от их молекулярной массы М и характеризующего фактора К.
где: К – характеризующий фактор;
Тср – температура, К.
tн.к. – температура начала кипения сырья, °С; tк.к. – температура конца кипения сырья, °С;
По графику приложения Д по найденным значениям молекулярной массы сырья (формула 11) и характеризующего фактора (формула 23) определяем абсолютную критическую температуру. Ткр=733К Приведённая температура равна:
где: Ткр – абсолютная критическая температура, К.
где: К – характеризующий фактор; Ткр – критическая температура сырья; Мс – молекулярная масса сырья.
Тогда приведённое давление определяем по формуле (27):
Р – давление в реакторе, МПа (из исходных данных);
Для найденных значений Тпр. и Рпр.
где: Мс – молекулярная масса сырья; Т - температура на входе в реактор, К; Преобразуя формулу (28) определим значение поправки энтальпии на давление.
Энтальпия сырья с поправкой на давление равна
Теплоёмкость сырья с поправкой на давление равна:
где:
Средняя теплоёмкость реакционной смеси составляет:
Подставляем найденные величины в уравнение (16):
Для определения температуры реакционной смеси при разных глубинах обессеривания необходимо построить график зависимости температуры реакционной смеси от остаточного содержания серы в бензине. Теплоёмкость реакционной среды не изменяется, поэтому зависимость t от S линейная, и для построения графика достаточно двух точек. Данные для построения графика зависимости температуры реакционной смеси от остаточного содержания серы в бензине представлены в таблице 15.
Таблица 15.
График зависимости температуры реакционной смеси от остаточного содержания серы в бензине.
рисунок 1. Скорость гидрогенолиза r сернистых соединений описывается уравнением:
где: r - скорость гидрогенолиза сернистых соединений; S – содержание серы в продукте, масс.дол.,%; k – константа скорости реакции; n – порядок реакции. При гидрировании индивидуальных сернистых соединений n=1, при гидрогенолизе нефтяных фракции обычно
где:
Подставив выражение
где: r - скорость гидрогенолиза сернистых соединений; S – содержание серы в продукте, масс. дол. ,%; k – константа скорости реакции; n – порядок реакции;
По справочным данным определяем кинетические константы процесса:
n=2. Второй порядок реакции объясняется неодинаковой реакционной способностью сернистых соединений, содержащихся в нефтяных фракциях. Данные необходимые для расчёта скорости r и обратной скорости
Таблица 16.
где:
При температуре 623К:
Скорость реакции определяют по формуле:
S – содержание серы в продукте, масс. дол. ,%;
По полученным данным строят график в координатах рисунок 2. Графическим интегрированием находят площадь под полученной кривой в пределах содержания серы от 2 масс.дол.,% до 0,2 масс.дол.,% . Эта площадь численно равна интегралу:
где:S – содержание серы в продукте, масс. дол. ,%;
Определяем численное значение интеграла по одному из двух способов представленных в приложении Ж.
ОБЪЁМ КАТАЛИЗАТОРА И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ РЕАКТОРА Требуемый объём катализатора в реакторе вычисляют по формуле:
где: S – содержание серы в продукте, масс. дол. ,%;
Значение
где:
Объёмную скорость подачи сырья, т.е. отношение объёма жидкого сырья, подаваемого на объём катализатора в час определяем по формуле:
По найденному значению Принимают цилиндрическую форму реактора и соотношение высоты к диаметру равным 2:1 или Н=2D. Тогда:
Принимаем к установке 2 последовательно установленных реактора. Объём катализатора на один реактор равен:
где:
Диаметр реактора равен:
где:
Высота слоя катализатора составляет: Н=2D (45)[10] где: Н – высота слоя катализатора, м.
Приемлемость принятой формы реактора дополнительно проверяется гидравлическим расчётом реактора.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ РЕАКТОРА Потери напора не должны превышать 0,2 – 0,3 МПа. Расчёт потери напора в слое катализатора. Потери напора в слое катализатора вычисляют по формуле:
где: Н – высота слоя катализатора, м;
d – средний диаметр частиц, м;
Пористость слоя вычисляют по формуле:
где:
Линейная скорость потока равна:
где:
V- объём реакционной смеси, включающий объём сырья Vс, и объём циркулирующего водородсодержащего газа VЦ, м3/ч. Определяем объём реакционной смеси. где:V –объём реакционной смеси, м3/ч; Vс –объём сырья, м3/ч; VЦ – объём циркулирующего водородсодержащего газа, м3/ч; Объём сырья рассчитывают по формуле:
где:Vс –объём сырья,м3/ч;
Коэффициент сжимаемости определяем по приложению Ж. При Тпр=0,845 и Рпр=0,98 коэффициент сжимаемости равен 0,25. Величина
Объём циркулирующего водородсодержащего газа рассчитывают по формуле:
где:VЦ – объём циркулирующего водородсодержащего газа, м3/ч;
Динамическую вязкость смеси определяют по её средней молекулярной массе, равной:
где:
Мс – молекулярная масса сырья; МЦ – молекулярная масса ЦВСГ.
По уравнению Фроста находят динамическую вязкость смеси:
Средний диаметр частиц катализатора d=4*10-3м (из паспорта катализатора). Плотность реакционной смеси в условиях процесса равна:
Таким образом:
Таким образом, потеря напора катализатора не превышает предельно допустимых значений 0,2-0,3 МПа. Поэтому принимаем к установке реактор цилиндрической формы с высотой реакционной зоны 3,9 м и диаметром реакционной зоны 2,2 м.
|