Проект установки гидрокрекинга вакуумного газойля

    Для диоксида углерода:

    n1(СO₂) = 56,78 моль

    n2(СO₂) = 2,37 моль

    n3(СO₂) = 1,734 моль

    n4(СO₂) = 0,3 моль

    n_общ(СО₂) = 56,78 + 2,37 + 1,734 + 0,24 = 61,12 моль

    m(СО₂) = 2,69 кг 

    Для воды:

    n1(Н₂О) = 113,55 моль

    n2(Н₂О) = 3,55 моль

    n3(Н₂О) = 2,312 моль

    n4(Н₂О) = 0,3 моль

    n_общ(Н₂О) = 113,55 + 3,55 + 2,312 + 0,3 = 119,712 моль

    m(Н₂О) = 2,16 кг 

    Рассчитаем  массы компонентов, приходящих с  топочным газом:

    m^/_{из газа}(СО₂) = 0,0084 кг

    m^/_{из газа}(N₂) = 0,0188 кг

    m(N₂) = 17,41∙0,7666 = 13,35 кг 

    В итоге получим:

    m(Н₂О) = 2,16 кг

    Σ m(СO₂) = 2,7 кг

    Σ m(N₂) = 13,37 кг 

    Не  прореагировало кислорода: 

    m(O₂) = 17,41 - 13,35 - 3,87 = 0,19 кг 

    Рассчитаем  состав дымовых газов в % мас.:

    n(Н₂О) = 11,75 %

    n(СО₂) = 14,66 %

    n(N₂) = 72,58 %

    n(O₂) = 1,01 % 

    Рассчитаем  состав дымовых газов в % об., используя формулу для пересчета: 

    V_i = m_i∙22,4/M_i                                                 (2.21) 

    где V_i – объемное количество i - го компонента дымовых газов, м³/кг топлива; Mi – молярная масса i - го компонента дымовых газов, кг/кмоль. 

    V(N₂) = 13,37∙22,4/28 = 10,7 м³,

    V(СО₂) = 2,7∙22,4/44 = 1,37 м³

    V(H₂O) = 2,16∙22,4/18 = 2,69 м³

    V(O₂) = 0,19∙22,4/32 = 0,133 м³

    ΣV = 14,893 м³ 

    Соответственно  состав дымовых газов в % об. будет:

    n’(Н₂О) = 18,06 %

    n’(СО₂) = 9,2 %

    n’(N₂) = 71,85 %

    n’(O₂) = 0,89 % 

    Для последующих расчетов строим график зависимости q_т=f(Т) (энтальпия дымовых газов – температура). Для этого определяем энтальпию дымовых газов (в кДж/кг), образующихся при сгорании 1 кг топлива, при температурах 300, 500, 700, 1100, 1500 и 1900 К по уравнению:

    q_т = (Т – 273)∙Σm_i∙c_i                                           (2.22) 

    где с_i – средняя массовая теплоемкость компонента дымовых газов (в кДж/кг∙К).

    Подставив значения в формулу, получаем следующие  значения, при этом с_i берем из таблицы средней массовой теплоемкости газов при постоянном давлении: 

    q₃₀₀ = (300 – 273)∙(13,37∙1,0308 + 2,7∙0,8286 + 2,16∙1,8632 + 0,19∙0,9169) =           = 545,88 кДж/кг 

      Также рассчитываем и при остальных  температурах: 

    q₅₀₀ = 4681,46 кДж/кг

    q₇₀₀ = 9018,88 кДж/кг

    q₁₁₀₀ = 18354,88 кДж/кг

    q₁₅₀₀ = 28462,1 кДж/кг

    q₁₉₀₀ = 39035,4 кДж/кг 

    Строим  график зависимости q_т = f(Т) (рис. 2.6).

    Определяем  теплоту сгорания топлива (в кДж/кг): 

    Q_сг = Σx_i∙Q_i                                                         (2.23) 

    где x_i – массовая доля i-го компонента топлива;

    Q_i – теплота сгорания i-го компонента топлива, (в кДж/кг); 

    Теплота сгорания рассчитывается по формуле /16, с. 903/: 

    Q_i = 204472∙n^oi/M_i                                                 (2.24) 

    где n_i – число моль атомарного кислорода, необходимое для полного сгорания i-го компонента топлива;

    M_i – молярная масса i-го компонента топлива, кг/моль.

     График зависимости q_т = f(Т) 

    Рис. 2.6. 

    Q(СН₄) = 204472∙4/16 = 51118 кДж/кг

    Q(С₂Н₆) = 204472∙7/30 = 47710 кДж/кг

    Q(С₃Н₈) = 204472∙10/44 = 46471 кДж/кг

    Q(н-С₄Н₁₀) = 204472∙13/53 = 45830 кДж/кг 

    Соответственно  теплота сгорания равна: 

    Q_cг = 0,9084∙51118 + 0,0355∙47710 + 0,0254∙46471 + 0,0035∙45830 = 48289,7 кДж/кг 

    2.4.3.2. К.п.д. печи, ее тепловая нагрузка  и расход топлива. К.п.д. печи находят по формуле: 

    η = 1 – (q_пот/Q_сг + q_ух/Q_сг)                                             (2.25) 

    где q_пот/Q_сг – потери тепла в окружающую среду, в долях от теплоты сгорания топлива;

    q_ух/Q_сг – потери тепла с уходящими дымовыми газами, в долях от теплоты сгорания топлива;

    Принимаем q_пот/Q_сг = 0,06; а q_ух находим по графику q_т = f(Т), при Т = Т_ух, причем температуру дымовых газов на выходе из конвекционной камеры принимаем на 120 К выше температуры сырья, поступающего в печь: 

    Т_ух = Т₁ + 120                                                     (2.26)

    Т_ух = 604 + 120 = 724 К

    q_ух = 9600 кДж 

    Тогда:

    η = 1 – (0,06 + 9600/48289,7) = 1 – (0,06 + 0,198) = 0,742 

    Полезное  тепло печи (в кДж/ч) рассчитывают по уравнению:  

    Q_п = G∙(q^ж_Т2 – q^ж _Т1)                                                   (2.27) 

    где G – производительность печи по сырью, кг/ч;

    q^ж_Т2 – энтальпия жидкой фазы на выходе из печи при температуре Т₂, кДж/кг;

    q^ж_Т1 – энтальпия сырья на входе в печь при температуре Т₁, кДж/кг, (энтальпии находим по таблицам энтальпий жидких нефтепродуктов и нефтяных паров, зная их плотности) /25, с. 520-528/; 

    q^ж_Т2 = 865 кДж/кг, q^ж_Т1 = 773 кДж/кг. 

    Q_п = 112500∙(865 – 773) = 112500∙92 = 1,42∙10⁷ кДж 

    Полную  тепловую нагрузку печи Q_т  (кДж/ч) определяем по формуле: 

    Q_т = Q_п / η                                                        (2.28)

    Q_т = 1,42∙10⁷/0,742 = 1,9∙10⁷ кДж 

    Часовой расход топлива В (в кг/ч): 

    В = Q_т / Q_сг                                                      (2.29)

    В = 1,9∙10⁷/48289,7 = 393 кг/ч 

    2.4.3.3. Поверхность нагрева радиантных труб и размеры камеры радиации (топка). Поверхность нагрева радиантных труб (в м²) определяется по формуле: 

    Нр = Q_р / q_р                                                      (2.30) 

    где Q_р – количество тепла, переданное сырью в камере радиации, кВт;

    q_р – теплонапряжение радиантных труб, кВт/м² (принимаем q_р = 67 кВт/м²).

    Количество  тепла, переданное сырью в камере радиации находим из уравнения теплового баланса топки: 

    Q_р = (Q_сг∙η_т – q_тп)∙В                                               (2.31) 

    где η_т=0,96 – коэффициент эффективности топки; 

    q_тп – энтальпия дымовых газов на выходе из камеры радиации при температуре Т_п, кДж/кг топлива (принимаем Т_п = 773 К /5/ и определяем q_тп по графику q_т = f(Т), q_тп = 11000 кДж).

    Тогда: 

    Q_р = (48289,7∙0,96 – 10000)∙310 = 1,12∙10⁷ кДж

    Нр = 1,12∙10⁷/3600∙67 = 46,43 м² 

    Определяем  температуру Т_к сырья на входе в радиантные трубы. Для этого, полагая на основе опытных и расчетных данных, что сырье в конвекционных трубах не испаряется, находим его энтальпию q^ж_тк на входе в радиантные трубы из уравнения теплового баланса: 

    Q_р = G∙(q^ж_Т2 – q^ж _ТK)                                          (2.32)

    q^ж _ТK = – (1,12∙10⁷/112500) + 865 = 781,44 кДж/кг 

    По  таблице энтальпий нефтепродуктов /25, с. 520-528/ находим искомую температуру Тк.

    Тк = 611 К.

    Выбираем  трубы диаметром d_н=127х8 мм с полезной длиной l_тр=9,5 м (полная длина трубы с учетом заделки концов в трубные двойники равна 10 м).

    Число радиантных труб (округляем до ближайшего большего целого четного числа): 

    N_р = H_р / π∙d_н∙l_тр                                                   (2.33)

    N_р = 46,43/3,14∙0,111∙9,5 = 20 труб 

    Учитывая  опыт промышленности, принимаем печь беспламенного горения с двухрядным экраном двухстороннего облучения, с горизонтальным шахматным расположением труб и двумя нижними конвекционными секциями (рис 2.7).

    По  существующим нормам шаг размещения экранных труб S=0,25 м. Расстояние между рядами вертикальных труб: 

    S₁ = S∙ / 2                                                       (2.34)

    S₁ = 0,25∙ / 2 = 0,2165 м 

    Расстояние  от излучающих стен до трубного экрана а_т = 1 м /17, с. 14/. 

    Высота  радиантной камеры (топки): 

    h_т = (N’_р - 1)∙S  + 0,5∙S + 2∙l_т                                     (2.35)

    где N’_р = N_р/2 – число труб в одном вертикальном ряду;

    l_т = 0,25 м – расстояние от нижней и верхней труб вертикального ряда соответственно до пола и потолка печи. 

    Схема печи с излучающими стенками топки 

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 2.7. 

    N’_р = 20/2 = 10 труб 

    h_т = (10 – 1)∙0,25 + 0,5∙0,25 + 2∙0,25 = 2,25 + 0,125 + 0,5 = 2,875 м 

    Ширина  радиантной камеры печи: 

    b_т = 2∙a_т + S₁                                                      (2.36)

    b_т = 2∙1 + 0,2165 = 2,2165 м 

    Объем камеры радиации:

    V_т = b_т∙h_т∙l_тр                                                     (2.37)

    V_т = 2,2165∙2,875∙9,5 = 60,53 м³ 

    Теплонапряжение топочного объема печи: 

    q_v = Q_т / V_т                                                      (2.38)

    q_v = 1,9∙10⁷/60,53 = 3,1∙10⁵ кДж/м² 

    Для обеспечения равномерного обогрева каждой трубы экрана по окружности и по длине следует принять для проектируемой печи газовые горелки

ВНИИНефтемаша типа ГБП2а теплопроизводительностью q_г =69,78 кВт /17, с. 43/.

    Количество  горелок (округляется до ближайшего меньшего целого четного числа):

    N_г = Q_т / q_т                                                      (2.39)

    N_г = 1,9∙10⁷/69,78∙3600 = 76 горелок 

    Так как размер каждой горелки 0,5х0,5 м, то площадь двух излучающих стен печи: