Изомеризация н-пентана в изопентан

t2 = t1 – = 361,7 – = 359,4

5.Температура на границе соприкосновения  торкретбетона и стали, 0С:

t3 = t2 – = 359,4 – = 99,1

6. Температура на границе соприкосновения  кожуха аппарата и воздуха,0С:

t4 = t3 – = 99,1 – = 97,7

7.Температура окружающего воздуха,0С:

t5 = t4 – = 97,7 – = 250C

 

5.1.3.Технологический расчет реактора.

     Основные технологические  параметры гетерогенно-каталитического процесса, которые задаются или определяются расчетом – степень превращения Х, селективность S, константа скорости процесса К, время контакта реагентов с катализатором τ, объемная скорость газа в слое катализатора V, интенсивность катализатора и др.

     Помимо этих характеристик  для расчета реактора требуется  определить основные параметры  реактора, в том числе высоту  слоя катализатора, гидравлическое  сопротивление слоя Р и другие  гидродинамические параметры.

  Исходные данные:

1. Температура входящих газов не более 3800С;
2. Давление в реакторе 5,0 МПа;
3. Объемная скорость 1,5-2,0 ч-1;
4. Количество реакционной смеси, поступающей в реактор – 36505,6кг/ч;
5. Количество н-пентана, участвующего в реакции изомеризации –     17714,05 кг/ч;

     Определение объема  сырья, поступающего в один реактор, м3/ч:

     Vc = ,

     где: g - количество пентана на изомеризацию;

              z = 0,9 коэффициент сжимаемости для пентана;

              y = 625 кг/м3 – удельный вес н-пентана (принятый из расчета на жидкое сырье);

              2- количество реакторов в системе  изомеризации.

     Vc = = 12,75 м3/ч.

1. Определение объема катализатора в реакционной зоне, м3:

Vкат.= c = 3.

где: V0 – объемная скорость подачи сырья 2часа-1.

2. Определение веса катализатора, кг:

gкат. =gнас. *Vкат. = 650*6,38 = 4145,1 кг.,

где: gнас. – насыпной вес катализатора по ТУ – 650 кг/м3.

 

5.1.4.Размеры реактора.

      1.Площадь поперечного  сечения.

      S=

     где: V - объем паров проходящих через реактор, м3/ч;

              w= 0,85м/с – допустимая скорость движения паров в свободном сечении реактора.

      V= ,

где: Тр – температура в реакторе, 653К;

         ΣGi/Mi – количество парогазовой смеси в реакторе = 850,46кмоль/ч.

     V = = 9113,5 м3/ч

     S = = 2,98 м2.

     2.Диаметр реактора.

     D = 1,128* = 1,128* = 1,128*1,73 = 1,95 м.

 

     3.Высота заполнения  реактора слоем катализатора, м:

     Нкат. = = = 2,14 м;

     Нзап. = Нкат. + hH + hP,

     где:  hн = 0,3м – высота слоя насадки;

              hр =0,05м – высота слоя решетки;

      Нзап. = 2,14 + 0,3 + 0,05 = 2,49 м.

 

     4.Объем заполнения  реактора:

     Vзап. = зап. = 7,43 м3.

     5.Объем заполнения  реактора по опытным данным  составляет 70%от полного объема  реактора:

     Vp = = = 10,6 м3.

     6.Определение высоты  реактора, м:

     Нр = = 3,55м.

     7.Высота сепарационной части, м:

     Нсч = Нр – Нзап. = 3,55-2,49=1,06м.

     8.Определение объемной  скорости движения газа:

     Vоб = = = 0,001 м/с.

     9.Определение фиктивного  времени пребывания сырья в  реакторе, ч:

    τфик. = = = 0,86ч.

     10.Истинное время  пребывания сырья, ч:

     τист. = ,

     где: ε – порозность  слоя катализатора.

      Порозность слоя  катализатора определяется через  кажущийся и насыпной удельный  вес катализатора.

     ε = ,

где: ρкаж = 1,25 кг/м3 – кажущаяся плотность катализатора;

        ρнас. = 0,65 кг/м3 – насыпная плотность катализатора.

ε =

τист. = 0,86/0,48=1,8ч.

     Интенсивность процесса  на катализаторе, кг/м3 ч;

     Акат. = ,

     где: g – количество изопентана, получаемое в данном реакторе 6794,22кг/ч,

     Акат. = = 1238,28 кг/м3 ч.

 

5.1.5.Гидравлический расчет реактора.

 

1.Сопротивление слоя катализатора, кг/м;

) +1,75* ,

где: ΔР-перепад давления на 1м высоты слоя катализатора, кг/м3;

        Н-высота слоя  катализатора;

        dэкв. – эквивалентный диаметр частиц катализатора;

        W – скорость движения парогазовой смеси относительно полного сечения аппарата, м/с;

       ρ – плотность потока при рабочих условиях;

       μ – коэффициент  динамической вязкости;

       ε – порозность  слоя катализатора.

2.Плотность потока, кг/м3:

    ρ =   ,

где: ΣGi – количество парогазовой смеси, поступающей в один реактор-19080,195 кг/ч;

        Vсек. – объемный расход смеси на выходе и на входе в реактор, м3/с.

        Vсек. = 22,4*Σ * ,

где: ΣGi/Mi – общее число молей на входе 846,12кмоль/ч, на выходе 838,76 кмоль/ч;

 z – коэффициент сжимаемости 0,9.

Vвхсек. =22,4*846,12* = 0,227 м3/сек;

Vсеквых. = 22,4*838,76* = 0,225м3/сек;

Vсек. = = 0,226 м3/сек.

ρ =   = 23,45кг/м3.

3.Объемный расход парогазовой  смеси, м/ч:

V= = = 732,3 м3/ч.

4.Скорость движения парогазовой  смеси, отнесенная к полному сечению  реактора, м/с:

W =

 кг/м3.

     Сопротивление слоя  катализатора в реакторе 6 кг/м3=0,0006кг/см2, что соответствует допустимому.

 

5.1.6. Механический расчет реактора.

      Самым важным аппаратом  в процессе изомеризации является  реактор. В реакторе поддерживается  высокая температура и давление, а также присутствие водорода. Водород способствует водородной  коррозии металла, которая вызывает  вздутия и трещины. Поэтому для предотвращения перегрева стенки реактора, защиты от водородной коррозии и  для теплоизоляции, изнутри металлическую стенку реактора защищают футеровкой из торкретбетона толщиной 125 мм. Футеровка защищена от механических повреждений кожухом толщиной 5мм.

     Для работы в таких  условиях применяются легированные  стали. Корпус и днище реактора  изготовлены из стали марки 22Х3М, защитный кожух из стали марки  Х18Н10Т.  

К установке применяется реактор колонного типа.

Исходные данные:

Объем реактора                                                         40 м3

Внутренний диаметр реактора                                2726 мм.

Общая высота реактора                                          9070 мм.

Расчетное давление                                                  50 кгс/см2

Расчетная температура среды                                  5000С

Расчетная температура стенок реактора                 3000С

Вес реактора                                                              44400 кг.

     1.Толщина обечайки аппарата, см:

     Sоб. = ( ) + C + C1 ,

     где: σдоп. – допустимое напряжение 1730 кг/см2;

             h - поправочный коэффициент сосудов со взрывоопасным газом 0,9;

             ϕ – коэффициент прочности  сварного шва 0,85;

             С – прибавка на коррозию 0,2 см.;

             С1 – прибавка 0,3 см.

Sоб. = ( ) + 0,2 + 0,3 = 5,7 см.

Конструктивно принимаем Sоб. = 6 см.

     2.Напряжение, возникающее  от внутреннего давления, кг/см2;

σ = Р* = = 1568,63 кг/см2.

σ˂σдоп., т.е.1568,63˂1730.

3.Давление допустимое исполнительной  толщиной стенки, кг/см:

[Р] = = = 5.51 кг/см2.

4.Толщина стенки днища, см:

Sдн. = ( ) * ( ) + C + C1 ,

где: h – высота выпуклой части 70 см;

         k – коэффициент для глухого днища и с укрепленными отверстиями 1,0;

         z – коэффициент неукрепленного отверстия 1,0.

Sдн. = ( ) ( ) + 0,2 + 0,3 = 4,8 см.

Конструктивно принимаем Sдн. = 6 см.

5.Напряжение возникающее от внутреннего давления на стенку днища, кг/см2:

σ = Р* = = 1511.7 кг/см2.

σ˂σдоп., т.е. 1511,7˂1730

6.Давление допускаемое исполнительной  толщиной стенки, кг/см2:

Р = = = 57.22 кг/см2.

 

5.1.7. Расчет диаметра штуцеров реактора.

 

1.Диаметр штуцера для ввода  сырья, м:

D = ,

где: V – количество поступающего в реактор сырья, м2/ч;

        w – скорость движения газа, 15 м/с.

        V = 22,4*Σ * ,

где: Σ – общее число молей на входе 846,12 кмоль/час;

Е – коэффициент сжимаемости 0,97;

Р – давление в реакторе 50 кгс/см2;

n – количество реакторов.

V = 22,4*846,12* = 439,75 м3/ч.

D = = 0,1м.

Учитывая наличие футеровки, принимаем диаметр штуцера 0,4 м.

2.Диаметр штуцера на выходе  контактного газа:

V = 22,4*838,76* = 404,46 м3/ч.

D = = 0,1м.

Учитывая наличие футеровки, принимаем диаметр штуцера 0,4 м.

5.2.Теплообменник Т-9.

 

     Назначение: испарение и перегрев фракции н-пентана с водородом. Количество фракции, поступающей в теплообменник – 19080,19 кг/час. Режим работы теплообменника Т-9:

Температура поступающего водорода                                400С

Температура поступающей фракции н-пентана                 400С

Температура уходящей парогазовой смеси                       2700С

Температура поступающих реакционных газов                3900С

Температура уходящих реакционных газов                       1500С

Давление в аппарате                                                              50кгс/см2

Таблица 6.2. Тепловая нагрузка на теплообменник.

Компоненты	Кг/ч	Энтальпия КДж/кг, 3900С	Энтальпия кДж/кг, 1500С	Разность энтальпий	Теплота кДж/ч
Водород	1146,72	5486,39	2724,76	2761,63	3166816,35
Метан	291,93	1823,07	1097,78	725,29	211733,91
Этан	246,14	1630,33	972,08	658,25	162021,65
Пропан	230,87	1548,62	884,09	664,53	153420,04
С4	162,18	1476,14	817,05	659,09	106891,22
Изопентан	8857	1442,20	754,2	688	6093616
Н-пентан	8049,94	1448,07	754,2	693,87	5585611,87
С6 и выше	95,41	1420	733,25	686,75	65522,82
Итого	19080,19				15545633,86