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: ,кВт, где (1) 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: , кВт (2) По закону сохранения энергии: QСМ=QСГ Вт, где – конечная температура газопродуктовой смеси; – начальная температура газопродуктовой смеси; Вт; 2.Ориентировочная площадь поверхности аппарата. м2,где (3) 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 , 0С (4) 0С 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: (5) 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: , м/с, (6) где GСГ – массовый расход стабильного гидрогенизата, кг/с; fмтр – площадь проходных сечений по межтрубному пространству, м2; ρСГ– плотность стабильного гидрогенизата при tср , кг/м3 м/с т.кRе> 10000 для межтрубного пространства, режим движения – устойчивый турбулентный. Коэффициент теплопередачи от стабильного гидрогенизата к стенке для устойчивого турбулентного режима в межтрубном пространстве: , Вт/м2К , (7) 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 Вт/м2К; Удельная тепловая нагрузка по межтрубному пространству. ; Вт/м2, (8) Вт/м2 Определяем температуру стенки tст2 исходя из равенства q1=q3 ,0С ; (9) где δ – толщина стенки трубки теплообменника, м; λст– теплопроводность стали, Вт/м∙К; 0С; Трубное пространство. Скорость газопродуктовой смеси в трубном пространстве: , м/с; (10) где GСМ – расход газосырьевой смеси, кг/с; ρ НР – плотность газосырьевой смеси, кг/м3; fтр – площадь проходного сечения по трубному пространству, м2; м/с, Критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и трения в потоке: , где (11) 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: , Вт/м2К; (12) Вт/м2К; Удельная тепловая нагрузка по трубному пространству. ,Вт/м2; (13) Вт/м2 Полученное значение тепловой нагрузки q3большее рассчитанной ранее тепловой нагрузки q1 на: , , что находится в допустимых пределах (не более ±5%) 4. Рассчитываем истинный коэффициент теплопередачи. , (14) где r1 и r2 – термические сопротивления загрязнений со стороны теплоносителей, r1 = r2 = 0,0003Вт/м2К Вт/м2К 5. Определение истинной поверхности теплообмена. Необходимая поверхность теплообмена: ,м2; (15)
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: (8)[10] где: массовая доля i-го компонента в смеси; мольная доля i-го компонента в смеси; молекулярная масса i-го компонента в смеси. (8)[10] 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: (9)[10] где: средняя молекулярная масса ЦВСГ, кг/моль; молекулярная масса i-го компонента, кг/моль (таблица 4); мольная доля i-го компонента (таблица 5). кг/моль (9) [10] Расход ЦВСГ на 100 кг сырья GЦ можно найти по формуле (10): (10)[10] где: расход ЦВСГ на 100 кг сырья, кг; кратность циркуляции водородсодержащего газа, нм3/м3 (таблица 2); средняя молекулярная масса ЦВСГ, кг/моль (определена по формуле 9); плотность сырья, кг/м3 (таблица 2). кг (10)[10] Среднюю молекулярную массу сырья рассчитываем по эмпирической формуле Крэга: (11)[10] где: М – средняя молекулярная масса сырья, кг/моль; - плотность нефтепродукта при 15 ºС , определенная относительно плотности воды при при 15 ºС. 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 совпадают, но относительная плотность — величина безразмерная. = (12)[10] где: относительная плотность сырья. плотность сырья, кг/м3 (из исходных данных таблица 2). плотность воды , кг/м3. = (12)[10] 5 (13)[10] где: - температурная поправка на 1°С (приложение А). - плотность нефтепродукта при 15 ºС, определенная относительно плотности воды при при 15 ºС. (13)[10] (11)[10] 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: (14)[10] где: тепло, вносимое в реактор со свежим ВСГ, кДж; тепло, вносимое в реактор с ЦВСГ, кДж; тепло, вносимое в реактор с сырьем, кДж; тепло, выделяемое при протекании реакций гидрогенолиза сернистых соединений, кДж; тепло, выделяемое при протекании реакций гидрирования непредельных соединений, кДж; тепло, отводимое из реактора реакционной смесью, кДж. Средняя теплоёмкость реакционной смеси при гидроочистке незначительно изменяется в ходе процесса, поэтому тепловой баланс реактора можно записать в следующем виде: (15)[10] где: суммарное количество реакционной смеси, масс.дол.,%; средняя теплоёмкость реакционной смеси, кДж/(кг*К) температура на входе в реактор, °С; температура при удалении серы, °С; количество серы удалённой из сырья, масс.дол.,%; количество непредельных удалённых из сырья, масс.дол.,%; тепловой эффект гидрирования сернистых соединений, кДж/кг; тепловой эффект гидрирования непредельных соединений, кДж/кг. Температуру, при которой удаляется сера определяем по формуле (16): (15)[10] где: суммарное количество реакционной смеси, масс.дол.,%; средняя теплоёмкость реакционной смеси, кДж/(кг*К) температура на входе в реактор, °С; температура при удалении серы, °С; количество серы удалённой из сырья, масс.дол.,%; количество непредельных удалённых из сырья, масс.дол.,%; тепловой эффект гидрирования сернистых соединений, кДж/кг; тепловой эффект гидрирования непредельных соединений, кДж/кг. Суммарное количество реакционной смеси на входе в реактор составляет 117,44 кг (из таблицы 6). Определяем количество серы, удалённой из сырья . (16) [10] где: количество серы удалённой из сырья, масс.дол.,%; начальное содержание серы в сырье, масс.дол.,%; остаточное содержание серы в очищенном дизельном топливе, масс.дол.,%. масс.дол.,% (16)[10] Определяем глубину гидрообессеривания. (17)[10] где: глубина гидрообессеривания, доли; количество серы удалённой из сырья, масс.дол.,%; начальное содержание серы в сырье, масс.дол.,%. (17) [10] т.е. глубина гидрообессеривания должна быть 90%. Глубину гидрирования непредельных углеводородов можно принять равной глубине обессеривания. (18) [10] где: количество непредельных удалённых из сырья, масс.дол.,%; СН – содержание непредельных углеводородов , масс.дол.,%; степень (глубина) гидрообессеривания, доли. масс. дол.,%. (19) [10] Количество тепла, выделяемое при гидрогенолизе сернистых соединений (на 100 кг сырья) при заданной глубине обессеривания, равной 0,9 составит: (20) [10] где: количество тепла, выделяемое при гидрогенолизе сернистых соединений, кДж; количество разложившихся сероорганических соединений, кг; При расчёте на 100 кг сырья оно численно равно содержанию отдельных сероорганических соединений в масс. дол.%. (из исходных данных). тепловые эффекты гидрогенолиза гетероорганических соединений, кДж/кг Таким образом по формуле (20) и справочным данным приложения Б находим количество теплоты, выделяемое при гидрогенолизе сернистых соединений. к Дж Количество тепла, выделяемое при гидрировании непредельных углеводородов, равно 126кДж/моль (21) [10] где: количество тепла, выделяемое при гидрировании непредельных соединений, кДж; тепловой эффект гидрирования непредельных соединений, кДж/кг; количество непредельных удалённых из сырья, масс.дол.,%; М – средняя молекулярная масса сырья. кДж (21) [10] Среднюю теплоёмкость ЦВСГ находят по формуле: (22) [10] где: средняя теплоёмкость ЦВСГ, кДж/(кг*К); теплоёмкость отдельных компонентов с учётом поправок на температуру и давление, кДж/(кг*К); (приложение В) массовые доли компонента в ЦВСГ (таблица 4). кДж/(кг*К) (22)[10] Энтальпию паров сырья при 350°С определяют по графику. кДж/кг 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. (23) [10] где: К – характеризующий фактор; относительная плотность; Тср – температура, К. (24) [10] tн.к. – температура начала кипения сырья, °С; tк.к. – температура конца кипения сырья, °С; (24) [10] (23)[10] 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: (25)[10] где: температура на входе в реактор, °С; Ткр – абсолютная критическая температура, К. (25) [10] Критическое давление сырья вычисляют по формуле (26): (26)[10] где: критическое давление сырья, МПа; К – характеризующий фактор; Ткр – критическая температура сырья; Мс – молекулярная масса сырья. МПа (26) [10] Тогда приведённое давление определяем по формуле (27): (27)[10] Р – давление в реакторе, МПа (из исходных данных); приведённое давление; критическое давление сырья, МПа. (27) [10] Для найденных значений Тпр. и Рпр. (28)[10] где: поправка на давление; Мс – молекулярная масса сырья; Т - температура на входе в реактор, К; Преобразуя формулу (28) определим значение поправки энтальпии на давление. кДж/кг (28)[10] Энтальпия сырья с поправкой на давление равна кДж/кг (29)[10] Теплоёмкость сырья с поправкой на давление равна: (30)[10] где: теплоёмкость сырья с поправкой на давление, кДж/кг; температура на входе в реактор, °С; энтальпия сырья с поправкой на давление, кДж/кг. кДж/кг (30)[10] Средняя теплоёмкость реакционной смеси составляет: (31) [10] где: средняя теплоёмкость реакционной смеси, кДж/(кг*К) теплоёмкость сырья с поправкой на давление, кДж/кг; средняя теплоёмкость ЦВСГ, кДж/(кг*К); - массовый процент водородсодержащего газа и циркулирующего водородсодержащего газа поступающего на установку.масс.%.(из мат. баланса реактора); - общее количество поступающих на переработку веществ, масс.%. (из мат. баланса реактора). кДж/(кг*К) (31)[10] Подставляем найденные величины в уравнение (16): °С 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: (32)[10] 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 . (33)[10] где: элемент объёма реактора, м; подача сырья в реактор, м3/ч. Подставив выражение в уравнение (32) получим уравнение для расчёта реакционного объёма при гидроочистке нефтяных фракций. (34)[10] где: r - скорость гидрогенолиза сернистых соединений; S – содержание серы в продукте, масс. дол. ,%; k – константа скорости реакции; n – порядок реакции; элемент объёма реактора, м; подача сырья в реактор, м3/ч. По справочным данным определяем кинетические константы процесса: кДж/моль n=2. Второй порядок реакции объясняется неодинаковой реакционной способностью сернистых соединений, содержащихся в нефтяных фракциях. Данные необходимые для расчёта скорости r и обратной скорости при разных глубинах обессеривания, сводят в таблицу 16.
Таблица 16.
(35) [10] где: константа скорости реакции; основание натурального логарифма; энергия активации, кДж/моль; универсальная газовая постоянная, кДж/моль*К; температура, К. При температуре 623К: (35)[10] Скорость реакции определяют по формуле: (36)[10] скорость реакции; константа скорости реакции; S – содержание серы в продукте, масс. дол. ,%; (36)[10] По полученным данным строят график в координатах - S зависимости обратной скорости реакции от остаточного содержания серы в гидроочищаемом бензине (рисунок 2). 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: (37) [10] где:S – содержание серы в продукте, масс. дол. ,%; скорость реакции. Определяем численное значение интеграла по одному из двух способов представленных в приложении Ж. (38)[10] ОБЪЁМ КАТАЛИЗАТОРА И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ РЕАКТОРА Требуемый объём катализатора в реакторе вычисляют по формуле: (39)[10] где: объём катализатора в реакторе, м3; S – содержание серы в продукте, масс. дол. ,%; скорость реакции. Значение находят из соотношения: (40) [10] где: плотность сырья, кг/м3 (из исходных данных); количество топлива поступающего на очистку, кг/ч (из мат баланса реактора); м3/ч (40)[10] 35,85 м3 (39)[10] Объёмную скорость подачи сырья, т.е. отношение объёма жидкого сырья, подаваемого на объём катализатора в час определяем по формуле: (41)[10] объёмная скорость подачи сырья, ч-1; объём катализатора в реакторах, м3. (41) [10] По найденному значению вычисляют геометрические размеры реактора гидроочистки. Принимают цилиндрическую форму реактора и соотношение высоты к диаметру равным 2:1 или Н=2D. Тогда: (42)[10] Принимаем к установке 2 последовательно установленных реактора. Объём катализатора на один реактор равен: (43)[10] где: объём катализатора в реакторах, м3; объём катализатора в одном реакторе, м3; число реакторов, шт. м3 (43)[10] Диаметр реактора равен: (44)[10] где: диаметр реактора, м; объём катализатора в одном реакторе, м3. м (44)[10] Высота слоя катализатора составляет: Н=2D (45)[10] где: диаметр реактора, м; Н – высота слоя катализатора, м. м (45)[10] 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: (46)[10] где: потеря напора на слое катализатора,кг/м2; Н – высота слоя катализатора, м; порозность слоя катализатора; динамическая вязкость, Па*с; линейная скорость движения потока, фильтрующегося через слой катализатора, м/с; d – средний диаметр частиц, м; плотность газа, кг/м3; ускорение силы тяжести, кг/с2; Пористость слоя вычисляют по формуле: (47)[10] где: порозность слоя; насыпная плотность катализатора, кг/м3; кажущаяся плотность катализатора, кг/м3. кг/м3; кг/м3 (47)[10] Линейная скорость потока равна: (48)[10] где: линейная скорость потока,м/с; диаметр реактора, м; V- объём реакционной смеси, включающий объём сырья Vс, и объём циркулирующего водородсодержащего газа VЦ, м3/ч. Определяем объём реакционной смеси. (49)[10] где:V –объём реакционной смеси, м3/ч; Vс –объём сырья, м3/ч; VЦ – объём циркулирующего водородсодержащего газа, м3/ч; Объём сырья рассчитывают по формуле: (50)[10] где:Vс –объём сырья,м3/ч; расход сырья в реактор, кг/ч; средняя температура в реакторе, °С. коэффициент сжимаемости. Коэффициент сжимаемости определяем по приложению Ж. При Тпр=0,845 и Рпр=0,98 коэффициент сжимаемости равен 0,25. Величина может быть найдена как средняя арифметическая между температурой ввода сырья =350°С и температурой на выходе из реактора, равной 386,65 °С. °С м3/ч (50)[10] Объём циркулирующего водородсодержащего газа рассчитывают по формуле: (51)[10] где:VЦ – объём циркулирующего водородсодержащего газа, м3/ч; расход циркулирующего водородсодержащего газа в реактор, кг/ч; коэффициент сжимаемости (коэффициент сжимаемости равен 1) средняя температура в реакторе, °С. м3/ч (51)[10] м3/ч (49)[10] м/с (48)[10] Динамическую вязкость смеси определяют по её средней молекулярной массе, равной: (52)[10] где: расход циркулирующего водородсодержащего газа в реактор, кг/ч; расход сырья в реактор, кг/ч; Мс – молекулярная масса сырья; МЦ – молекулярная масса ЦВСГ. (52)[10] По уравнению Фроста находят динамическую вязкость смеси: кг*с/м2 (53)[10] Средний диаметр частиц катализатора d=4*10-3м (из паспорта катализатора). Плотность реакционной смеси в условиях процесса равна: (54) [10] кг/м3 Таким образом: кг/(м2*м) (46) [10] кг/м2 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.
|