Расчет реактора установки каталитического крекинга

Нефтехимический синтез базируется на успехах органической химии, катализа, физической химии, химической технологии и др. наук и связан с глубоким изучением состава нефтей и свойств их компонентов. В основе процессов переработки углеводородного сырья в целевые продукты лежат многочисленные реакции органической химии: пиролиз, окисление, алкилирование, дегидрирование и гидрирование, галогенирование, полимеризация, нитрование, сульфирование и др.; важнейшее значение среди них имеют каталитические реакции. В производстве продуктов нефтехимического синтеза большое место занимает подготовка углеводородного сырья и получение первичных исходных углеводородов: предельных (парафиновых), непредельных (олефиновых, диеновых, ацетилена), ароматических и нафтеновых. Основная их часть превращается в функциональные производные с активными группами, содержащими кислород, азот, хлор, фтор, серу и др. элементы.

Предельные (алкановые) углеводороды занимают важное место по объёму использования в нефтехимическом синтезе. Для производства различных химических продуктов потребляют низшие газообразные углеводороды (метан, этан, пропан, бутан, пентаны) и жидкие или твёрдые парафины (от C6 до C40). Каталитическим дегидрированием превращают бутан в бутадиен, а изопентан в изопрен — в основные мономеры для производства каучуков синтетических.

Непредельные углеводороды. Благодаря высокой реакционной способности эти соединения широко используются в нефтехимическом синтезе. Многие продукты синтезируются на основе олефинов, диеновых углеводородов и ацетилена.

Большое внимание уделяется развитию микробиологического синтеза на базе нефтяного сырья. Из парафиновых углеводородов получают белково-витаминные концентраты для питания животных.

 

2 Расчетная часть

2.1 Исходные данные

Задание: рассчитать реактор установки каталитического крекинга вакуумного дистиллята в псевдоожиженном слое. Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

Вариант	Производительность реактора по свежему сырью, т/ч	Количество рециркулирующего каталитического газойля, масс % на свежее сырьё	Выход газа, масс % на свежее сырьё	Температура крекинга К	Массовая кратность циркуляции катализатора по свежему сырью	Глубина превращения	Температура рециркулирующего катали тического газойля	Температура катализатора, К	Температура водяного пара, подаваемого в транспортную линию, К	Температура водяного пара, подаваемого в отпарпую зону реактора, К
13	260	21,3	16,8	520	6,8:1	77	470	780	770	580

 

2.2 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.

По таблице 2 определяем дополнительные сведения о физических свойствах сырья и продуктов.

Таблица 2 - Физических свойства сырья и продуктов

Показатели	Вакуумный дистиллят	Рецирк. газойль	Газ	Бензин	Легкий катал. газойль	Тяжелый катал. газойль
	0,910	0,940	-	0,760	0,920	0,933
	0,912	0,942	-	0,764	0,923	0,934
Молекулярная масса	300	350	35	100	200	250

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 uб = 55объем. % на свежее сырье.

 

,                                (1)

 

 

где  - выход бензина в объемных процентах. 

 – относительная плотность  бензина;

 – относительная плотность  сырья.

 

 

Выход кокса в зависимости от заданной глубины превращения по графику составляет = 10 масс. % на свежее сырьё.

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

 

,    (2)

 

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

 

 

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

Результаты расчета сведены в таблицу 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3 – Материальный баланс

Потоки	Количество, т/ч	Состав
		масс % на свежее сырьё	масс % на загрузку реактора
Приход:
Сырьё	260	100	82,44
Рецикл газойля	55,4	21,3	17,56
Загрузка реактора	315,4	121,3	100
Расход:
Газ	43,68	16,8	13,84
Бензин	119,34	45,9	37,83
Легкий газойль	35,62	13,7	11,29
Тяжелый газойль	35,62	13,7	11,29
Кокс	25,74	9,9	8,16
Всего	260	100	82,44
Рецикл газойля	55,4	21,3	17,56
Сумма	315,4	121,3	100

 

 

2.3 Количество катализатора и расход водяного пара

 

При кратности циркуляции катализатора R = 6,8:1 количество циркулирующего катализатора находится по формуле

 

,                                  (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 2 - 6 масс.%, считая на загрузку реактора. На отпарку продуктов крекинга с закоксованного катализатора в зону отпарки подается 5 - 10 кг пара на 1 т катализатора.

Расход водяного пара, подаваемого в транспортную линию находится по формуле

 

,              (4)

 

где  – количество водяного пара, масс.%,

Gc – загрузка реактора, т/ч.

 

 кг/ч.

 

Расход водяного пара, на отпарку катализатора находится по формуле

 

,                               (5)

 

где – количество водяного пара, кг/т.

 

 кг/ч.

 

 

2.4 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.

 

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 Qп = 1000 кВт.

Энтальпия катализатора и кокса подсчитывается по формуле

 

,              (6)

 

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

Т – температура катализатора или кокса, К.

Теплоемкость катализатора принимаем скат = 1,13 кДж/(кг∙К), теплоемкость кокса ск = 1,7 кДж/(кг∙К).

 

кДж/кг;

 

кДж/кг;

 

 кДж/кг.

 

Величину теплового эффекта реакции крекинга определяем по графику в зависимости от глубины превращения (рисунок 3).

Рисунок 3 - График для определения тепловой реакции

При глубине превращения R=77 теплота реакции Qр=160 кДж/кг.

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	260 000,00	qс	Qс
Qц1	Ж	470	55 400,00	386,25	5 943,96
Qкат1	Т	850	1 768 000,00	960,50	471 712,22
Qп1	П	770	9 462,00	1 455,17	3 824,67
Qп2	П	580	12 376,00	946,11	3 252,52
Сумма	-				484 733,36
Расход:
Qг	Г	793	43 680,00	1 360,40	16 506,19
Qб	П	793	119 340,00	1 648,36	54 643,13
Qл.г	П	793	35 620,00	1 551,97	15 355,88
Qт.г	П	793	35 620,00	1 545,28	15 289,69
Qкат2	Т	793	1 768 000,00	832,65	408 923,67
Qк	Т	793	25 740,00	1 348,10	9 638,92
Qц2	П	793	55 400,00	1 540,41	23 705,20
Qп1	П	793	9 462,00	1 565,95	4 115,84
Qп2	П	793	12 376,00	1 565,95	5 383,39
Qр	-	-	260 000,00	160,00	11 555,56
Qп	-	-			1 000,00
Сумма					566 117,45