Проект гидроочистки вакуумного газойля

4 Расчетная часть

 

 

4.1 Расчет реакторного блока установки гидроочистки вакуумного газойля

 

Целью выполняемого расчета  является составление материального  и теплового балансов процесса, а также на их основе конструктивный расчет реактора гидроочистки.

Исходные данные.

1. Производительность установки по сырью G=2400000 т/год;
2. Характеристика сырья:
1. фракционный состав 350⁰-500⁰С;
2. плотность =920 кг/м³;
3. содержание серы S_O=1,6 %масс., в том числе: меркаптановой S_М=0,08 %масс.; сульфидной S_C=0,8 %масс.; дисульфидной S_Д=0,16 %масс.;

тиофеновой S_T=0,56 %масс.;

4. содержание непредельных углеводородов 8%масс. на сырье;

3. Остаточное содержание серы S_K=0,012%масс., то есть степень или глубина обессеривания должна быть 99,25%;

4. Катализатор гидроочистки ГП-534,насыпная плотность ρ_НАС=640 кг/м³, кажущаяся плотность ρ_КАЖ=1210 кг/м³;
5. Температура на входе в реактор t_НАЧ=380⁰С, давление в реакторе P=4,0МПа, кратность циркуляции водородсодержащего газа æ=500;
6. Средний диаметр зерен катализатора d=1,6 · 10^-3 м.

 

4.1.1 Выход гидроочищенного топлива. Выход гидроочищенного вакуумного газойля В_В.Г., % масс. на исходное сырье равен

 

               В_В.Г.=100 – В_Д.Т. – В_Б – В_Г – ΔS,     (4.1)

 

где В_Д.Т., В_Б, В_Г , ΔS – выходы дизельного топлива, бензина, газа и количество удаленной из сырья серы соответственно на сырье, % масс.

Принимаем В_Д.Т.=9,2 %масс; В_Б=1,346 %масс; В_Г=1,5 %масс.

 

В_В.Г.=100 – 9,2 – 1,349 – 1,5 – 1,588=86,366 %масс.

 

Полученная величина в дальнейших расчетах уточняется после  определения количества водорода, вошедшего в состав вакуумного газойля при гидрогенолизе сернистых соединений и гидрировании непредельных углеводородов. Полученные значения выхода газа, бензина, дизельного топлива и вакуумного газойля далее будут использованы при составление материального баланса установки и реактора гидроочистки.

4.1.2 Расход водорода на гидроочистку. Водород в процессе гидроочистки расходуется на:

1. гидрогенолиз сероорганических соединений;
2. гидрирование непредельных углеводородов;
3. потери водорода с отходящими потоками (отдувом и жидким гидрогенизатом).

Расход водорода на гидрогенолиз сероорганических соединений можно  найти по формуле

 

,     (4.2)

 

          где G₁ – расход 100 %-го водорода, %масс. на сырье;

       m – зависящий от характера сернистых соединений;

      ΔS – количество серы, удаляемое при гидроочистке, %масс. на сырье.

Поскольку в нефтяном сырье присутствуют различные сернистые  соединения, определяется расход водорода на гидрогенолиз каждого из них, и полученные результаты суммируются.

Значение m для свободной серы равно 0,0625; для меркаптанов - 0,062; циклических сульфидов – 0,125; дисульфидов – 0,0938; тиофенов – 0,25 и бензотиофенов – 0,187.

Наиболее стабильны при гидроочистке тиофеновые соединения, что вся остальная сера ( 0,3 %масс. на сырьё ) в гидрогенизате – тиофеновая, а остальные сероорганические соединения разлагаются полностью.

При этом получаем

 

% масс

 

Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов равен

 

                                       

,      (4.3)

 

          где G₂ – расход 100%-го водорода, %масс. на сырье;

      ΔС_Н – разность содержания непредельных углеводородов в сырье и        гидрогенизате, %масс.;

      М –  средняя молекулярная масса сырья,  г/моль.

Среднюю молекулярную массу  сырья рассчитываем по следующей  эмпирической формуле

 

,     (4.4)

 

,     (4.5)

 

          где  - средняя температурная поправка.

 

г/см³,

 

г/моль.

 

Принимаем что степень гидрирования непредельных углеводородов и гидрогенолиза сернистых соединений одинакова

 

%масс,

 

%масс.

 

Потери водорода от растворения  в гидрогенизате G₃, % масс. находим по формуле

 

                                    

,    (4.6)

 

где - мольная доля водорода, растворенного в гидрогенизате;

        - молекулярная масса водорода;

       М – средняя молекулярная масса сырья, г/моль.

Мольную долю водорода, растворенного  в гидрогенизате, можно рассчитать из условия фазового равновесия в газосепараторе высокого давления.

 

                                                  

,     (4.7)

 

где - мольные доли водорода в паровой и жидкой фазах                                                   (в рассматриваемом примере равняется мольной или          объемной концентрации водорода в циркулирующем газе);

           - константа фазового равновесия.

 

,

 

%масс.

 

Кроме этих потерь имеют  место потери водорода за счет диффузии водорода через стенки аппаратов и утечки через неплотности, так называемые механические потери. По практическим данным эти потери составляют около 1 % от общего объема циркулирующего газа. Механические потери G₄, % масс. на сырье равны

                                    

,    (4.8)

 

где æ – кратность  циркуляции водородсодержащего газа.

Таким образом

 

%масс.

 

4.1.3 Потери водорода с отдувом. Для нормальной эксплуатации установок гидроочистки содержание водорода в циркулирующем газе должно быть не ниже 70 %объемных. Уменьшению концентрации водорода способствуют следующие факторы:

1)  химическое потребление водорода  на  реакции гидрирования и  гидрогенолиза;

2) растворение водорода в жидком  гидрогенизате, выводимом с установки;

3) образование газов гидрокрекинга, которые, накапливаясь в циркулирующем водородсодержащем газе, разбавляют водород.

Наиболее экономичный по расходу  водорода режим без отдува водородсодержащего газа можно поддерживать, если газы, образующиеся при гидрокрекинге, и газы, поступающие в систему со свежим водородсодержащим газом, полностью сорбируются в газосепараторе в жидком гидрогенизате, то есть

 

                                          

,     (4.9)

 

где V₀ – объем свежего водородсодержащего газа, м³/час;

       - объемная концентрация водорода в свежем водородсодержащем                газе;

      V_Г.К. – объем газов гидрокрекинга, м³/час;

       V_а – объем газов абсорбируемых жидким гидрогенизатом, м³/час.

Реализации этого условия  способствует увеличение концентрации водорода в свежем водородсодержащем газе, уменьшение реакций гидрокрекинга и повышение давления в системе.

Расчет рекомендуется  вести на 100 кг исходного сырья, так  как при этом абсолютные значения расходных показателей (в %  масс.) можно использовать с размерностью кг.

Объем свежего водородсодержащего газа рассчитываем по формуле

 

                                     

,    (4.10)

 

м³.

 

Объем газов гидрокрекинга рассчитаем по формуле

 

                                             

,    (4.11)

 

где М_Г.К. – средняя молекулярная масса газов гидрокрекинга, при                          одинаковом мольном содержание газов С₁-С₄, она равна

 

,

 

м³

 

Количество углеводородных газов, абсорбируемых жидким гидрогенизатом, можно определить, если допустить, что циркулирующий водородсодержащий газ принятого состава находится в равновесие с жидким гидрогенизатом. Содержание отдельных компонентов в циркулирующем газе и константы фазового равновесия в условиях газосепаратора высокого давления приведены ниже.

 

Таблица 4.1

Компонент	CН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10
Содержание компонента , мол. доли	0,2	0,05	0,02	0,01
Константа фазового равновесия Крi	3,85	1,2	0,47	0,18

 

Количество абсорбированного компонента i (v_i, м³ на 100 кг гидрогенизата) составляет

 

                                           

,     (4.12)

 

Подставляя в выражение соответствующие значения , получим объем каждого компонента, растворенного в гидрогенизате:

 

 м³,

 

 м³,

 

 м³,

 

 м³.

 

Суммарный объем абсорбированных  газов будет равен

 

 м³

 

Балансовый объем углеводородных газов, поступающих в газосепаратор  составляет

 

  < 

 

Поскольку выполняется  требование уравнения(4.9), возможна работа без отдува части циркулирующего водородсодержащего газа. Таким образом, общий расход водорода в процессе гидроочистки будет складываться из водорода, поглощаемого при химической реакции, абсорбируемого в сепараторе высокого давления и механически теряемого

 

                                            

,   (4.13)

 

%масс

 

Расход свежего водородсодержащего газа на гидроочистку равен

 

                                        

%масс,            (4.14)

 

где 0,29 – содержание водорода в свежем водородсодержащем газе, %масс.

Полученные значения расхода водорода и свежего водородсодержащего газа далее будут использованы при составлении материального баланса установки и реактора гидроочистки.

4.1.4 Материальный баланс установки. Вначале рассчитаем выход сероводорода

 

                                  

,               (4.15)

 

где - молекулярная масса сероводорода;

         - молекулярная масса серы.

 

%масс

 

Таким образом, балансовым сероводородом поглощается 0,092 %масс. водорода(1,68 – 1,588=0,092 %).

Количество водорода, вошедшего  при гидрировании в состав вакуумного газойля, равно

 

                           

%масс (4.16)

 

Уточненный выход гидроочищенного  сырья

 

86,366+0,207=86,573 %масс.

 

Выход сухого газа, выводимого с установки, складывается из углеводородных газов, поступающих со свежим водородсодержащим газом, газов, образующихся при гидрогенолизе, а также абсорбированного гидрогенизатом водорода

 

1,24(1 – 0,29)+1,5+0,013=2,39 %масс.

 

На основе полученного  материального баланса проводим расчет реакторного блока установки гидроочистки.

4.1.5 Материальный баланс реактора. В реактор поступает сырье, свежий водородсодержащий газ и циркулирующий водородсодержащий газ. Состав циркулирующего водородсодержащего газа приведён ниже.