Изомеризация пентан-гексановой фракции

- воздушные холодильники  высокого давления;

- трубчатые печи шатрового  типа со сварным змеевиком  в зоне огневого нагрева;

- компрессоры циркуляционного  газа поршневого типа, марки 5Г-600/42-60;

2.2 Выбор сырья  процесса

Сырьем установки изомеризации является прямогонная бензиновая фракция  Западно-Сибирской нефти, физико-химические свойства которой приведены в  таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 – Физико-химические свойства сырья

Показатели	Значение
Выход на нефть, % масс.	7,4
Плотность при 20 ˚С, кг/м3	666
Вязкость кинематическая при 20 ˚С, мм2/с	4,3

 

2.3 Выбор режима  ведения процесса

Режим процесса принимаем  исходя из литературных данных. Показатели режима ведения процесса приведены  в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Режим процесса

Показатели	Значения
Температура на входе в реактор, ˚С	220
Концентрация водорода в ЦВСГ, % об.	80
Кратность циркуляции ВСГ к сырью, нм3/ м3	600¸1000
Объемная скорость подачи сырья, ч-1	1,5÷2,5
Давление в первом реакторе, МПа	2,5

2.4 Выбор катализатора

В качестве катализатора применяется  низкотемпературный катализатор изомеризации СИ-2. Свойства выбранного катализатора приводятся в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Свойства катализатора СИ-2

Показатели	Значение
Содержание платины, % масс.	0,30±0,02
Насыпная плотность, г/см3	1,0
Диаметр экструдата, мм	2,8±0,3

 

 

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  РАСЧЕТЫ

3.1 Расчет реакторов

3.1.1 Расчет часовой  загрузки и объемного потока  сырья

Часовая загрузка реакторного  блока рассчитывается по формуле:

                                                 G_o=M/(Т∙24)                                              (2.1),

 где М – мощность  установки, т/год;

Т – число  дней работы установки в год

G_o=300000/(331∙24)=37,764 т/ч=37764 кг/ч

Объемный поток жидкого  сырья находим по формуле:

                                                  V_o= G_o / ρ_o                                                 (2.2),

где G_o – часовая загрузка реакторного блока, т/ч

       ρ_o – относительная плотность сырья.

V_o= 37,764 / 0,666=56,70 м³/ч

3.1.2 Расчет количества  катализатора

Объем слоя катализатора рассчитывается по формуле

                                                   V_к= V_о / v_о                                                (2.3),

где v_о – объемная скорость подачи сырья, ч^-1.

V_к= 56,70/ 2,0=28,35 м³.

 

Масса катализатора рассчитывается по формуле:

                                                   G_к=V_к∙ρ_к                                                   (2.4),

где ρ_к – насыпная плотность катализатора, кг/м³

G_{к СИ-2}=28,35∙1000=28350 кг

3.1.3 Материальный  баланс процесса изомеризации

Материальный баланс процесса составлен на основе данных о выходах  продуктов на действующей промышленной установке. Полученные данные приведены  в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Материальный баланс процесса изомеризации

Наименование	% масс.	т/год	т/сут*	кг/ч
Взято в переработку
Бензиновая фракция	100,0	300000	906,34	37764
ВСГ	1,5	4500	13,6	566,5
Итого взято	101,5	304500	920	38331
Получено из переработки
Изомеризат	95,0	285000	861	35876
Газ	5,0	15000	45,32	1888
Рефлюкс	1,5	4500	13,6	566,5
Итого с учетом потерь	101,5	304500	920	38331

* - число суток работы  установки в год 331.

3.1.4 Расчет материального  баланса первого реактора

В реактор поступает сырьё, свежий ВСГ и ЦВСГ. Состав ЦВСГ приведен в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Состав ЦВСГ

Газ	Н2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10
Мольная доля y'	0,800	0,150	0,030	0,010	0,010
Массовая  доля y	0,270	0,405	0,152	0,074	0,098

 

Средняя молекулярная масса  ЦВСГ  равна:

М _цвсг = ∑М_i y'_i = = 2∙0,800 + 16∙0,150 + 30∙0,030 + 44∙0,010 + 58∙0,010 =

= 5,92 кг / моль

Расход ЦВСГ на 100 кг сырья:

                                     G_ц = 100 ∙ χ ∙ M _цвсг / (ρ ∙ 22,4)                                     (2.5),

где χ – кратность циркуляции ВСГ, м³/м³

       ρ – плотность сырья, кг/м³

G_ц = 100∙600∙5,92 / (666∙22,4) = 23,8 кг

Материальный баланс реактора приведен в таблице 3.3. Примем, что  в реакторе образуется 100 % продуктов процесса изомеризации и потерь, а также расходуется 100 % поступившего свежего ВСГ.

Таблица 3.3 – Материальный баланс первого реактора

Наименование статьи	% масс.	кг/ч
Взято:
Бензиновая фракция	100,00	37764
Свежий ВСГ	1,5	567
ЦВСГ	23,8	8988
Итого поступило	125,3	47319
Получено:
Изомеризат	90	33988
Газ	10,0	3776
Рефлюкс	1,25	472
Потери	0,25	94
ЦВСГ	23,8	8988
Итого получено	125,3	47319

 

3.1.5 Тепловой  баланс первого реактора

Уравнение теплового баланса  реактора изомеризации:

                           Q_с + Q_цвсг + Q_р = ∑Q_см                                          (2.6),

где Q_с, Q_цвсг – тепло, вносимое в реактор со свежим сырьём и ЦВСГ;

      Q_р – тепло, выделяемое при протекании реакций изомеризации;

      ∑Q_см – тепло, отводимое из реактора реакционной смесью.

Средняя теплоемкость реакционной  смеси незначительно изменяется в ходе процесса, поэтому тепловой баланс реактора можно записать в  виде:

                            G ∙cˉ ∙t₀ + Q_р = G ∙cˉ ∙t                                        (2.7),

t= t₀ + Q_р / (G ∙cˉ);

где G – суммарное количество реакционной смеси, % масс.;

      cˉ - средняя теплоемкость реакционной смеси, кДж/(кг ∙К);

1. Значение t₀ для заданной пары катализатор – сырьё t₀ = 220 ˚С;
2. Суммарное количество реакционной смеси на входе в реактор, согласно материальному балансу установки, составляет G = 125,3%.
3. Количество сырья, подвергшегося изомеризации 100 % масс.
4. Количество тепла, выделяемое при протекании реакций изомеризации составит:

                                           Q_р = q_и ∙g                                                     (2.8),

где q_и – тепловой эффект реакции изомеризации, кДж / кг;

       g – количество сырья, подвергшегося изомеризации, кг.

Реакции изомеризации протекают  с выделением тепла 71 – 113 кДж/кг, примем q_и=100 кДж/кг

Таким образом: Q_р = 100∙90 = 9000 кДж/кг;

5. Средняя теплоемкость ЦВСГ приведена ниже в таблице 3.4

Таблица 3.4 – Теплоемкость ЦВСГ

Показатель	Компонент
	Н2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10
Теплоемкость,кДж/(кг∙К)	14,75	3,85	3,29	3,23	3,18

 

С_ц = ∑ С_pi ∙y_i,

 

C_ц = 14,57∙0,27 + 3,85∙0,405 + 3,29∙0,152 + 3,23∙0,074 + 3,18∙0,098 =

= 6,54 кДж / (кг∙К);

6. Среднюю молекулярную массу сырья рассчитываем по формуле Крэга:

                          М=44,29∙ρ / (1,03 – ρ )                                    (2.9),

где ρ – плотность сырья при 15 ^оС;

                                       ρ = ρ + 5∙а                                            (2.10),

                            а=0,001828 – 0,00132 ∙ ρ                                   (2.11).

а=0,001828– 0,00132 ∙ 0,666=0,00095;

ρ = 0,666 + 5∙0,00095=0,670.

Отсюда М=44,29∙0,670 / (1,03 – 0,670)=82,42 г/моль.

7. Энтальпию паров сырья при 220 ˚С определяют графически [10, приложение 4]

I²²⁰ = 819,44 кДж / кг.

Поправку  на давление определяют по графику  [10, рисунок 1.17]. Для этого необходимо определить характеризующий фактор К:

                                                  К = 1,215∙Т_ср^⅓ / ρ                                   (2.12),

где Т_ср – среднемолекулярная температура кипения, К

                                              Т_ср= 333 К.                                            (2.13)

К = 1,216∙333^⅓ / 0,670=12,56

Абсолютную критическую  температуру сырья определяем по графику [10, рисунок 1.14]:

                                                   Т_кр = 493К.                                                (2.14)

Приведенная температура  равна:

                                Т_пр = (220 + 273) / 493 = 1,000 (2.15)

Критическое давление сырья  вычисляется по формуле:

             Р_кр = 0,1∙К∙Т_ср / М = 0,1∙12,56∙493 / 82,42 = 7,51 МПа.     (2.16)

Тогда Р_пр = Р / Р_кр = 2,5 / 7,51 = 0,332.                                             (2.17)

Для найденных значений Т_пр и Р_пр по графику [10, рисунок 1.17] определяем:

                              ∆I∙М / Т_кр = 3,352 кДж/(кмоль К)                          (2.18)

∆I = 13,54 кДж / кг.

Энтальпия сырья с поправкой  на давление равна:

                             I²²⁰ = 819,44 – 13,54 = 805,9 кДж / кг.                    (2.19)

Теплоемкость сырья с  поправкой на давление равна:

                                            с_с = I²²⁰ / Т                                             (2.20)

с_с = 805,9 / (220 +273) = 1,63 кДж/(кг∙К).

8. Средняя теплоемкость реакционной смеси составляет:

                              cˉ= (С_с∙100 + С_ц∙25,3)/125,3;                              (2.21)

cˉ= (1,63∙100 + 6,54∙25,3)/125,3= 2,62 кДж/(кг∙К);

Подставив определенные выше величины, получим:

                                      t = t₀ + Q_р/(G∙cˉ);                                               (2.22)

t = 220 + 9000/(125,3∙2,62) = 247,42 ˚С.