Гидроочистка вакуумного газойля

2.2 Исходные данные для расчета

 

Характеристика сырья:

1. Тяжелый газойль:

Фракционный состав, °С              343-520;

Плотность при 20 °С, кг / м³         912,6;

Содержание серы, % масс. :

общей             1,8;

меркаптановой         0,04;

сульфидной            0,4;

дисульфидной            0,5;

тиофеновой           0,86;

Содержание непредельных углеводородов, % (масс.)           9;

Остаточное содержание серы, % (масс.)         0,2;

2. Легкий газойль:

Фракционный состав, °С              190-343;

Плотность при 20 °С, кг / м³           854;

Содержание серы, % масс. :

 общей              1,2;

меркаптановой          0,06;

сульфидной            0,56;

дисульфидной           0,17;

тиофеновой             0,41;

Содержание непредельных углеводородов, % (масс.)         15;

Остаточное содержание серы, % (масс.)          0,1;

3. Бензиновая фракция:

Фракционный состав, °С                30-190;

Плотность при 20 °С, кг / м³            740;

Содержание серы, % масс. :

общей              0,4;

меркаптановой            0,3;

сульфидной              0,1;

Содержание непредельных углеводородов, % (масс.)         29;

Остаточное содержание серы, % (масс.)             0,0001;

 

Режим процесса

 

Производительность установки по сырью, т / год          1305000;

Давление в реакторе гидроочистки, МПа             4;

Температура на входе  в реактор гидроочистки, °С        400;

Объемная скорость подачи сырья в реактор гидроочистки, час^-1       1,2;

Кратность циркуляции водородсодержащего газа, нм³/м³       500;

Катализатор гидроочистки        ГК-442+ГП-497т

(смесь 50:50);

Установка перерабатывает сырье, дни          339.

 

2.3 Расчет реакторного блока секции гидроочистки /9/

 

Так как имеется три  вида сырья, то применим следующий метод расчета: материальные балансы рассчитаем отдельно для каждого компонента сырья, затем результаты расчета сведем в общий материальный баланс.

 

2.3.1 Расчет материального баланса  по тяжелому газойлю.

2.3.1.1 Выход гидроочищенного тяжелого газойля.

Выход гидроочищенного тяжелого газойля В_Т.Г., % (масс.) на исходное сырьё равен:

В_Т.Г.= 100 - В_б - В_г - ∆S,    (2.1)

 

где  В_Т.Г ­ суммарный выход тяжелого газойля и компонента дизельного топлива, % (масс.); 

       В_б, В_г, ∆S ­ выходы бензина, газа и количество удаленной из сырья серы соответственно на сырьё, % (масс.).

Бензин и газ образуются преимущественно  при гидрогенолизе сернистых соединений, их выход можно рассчитать в (2.2), (2.3):

 

В_б = ∆ S = 1,6 % (масс.)    (2.2)

В_г = 0,3 * ∆S = 0,48 % (масс.)    (2.3)

 

Тогда выход тяжелого газойля будет равен:

В_Т.Г.= 100 - 1,6 - 0,48 -1,6 = 96,32 % (масс.).

Полученная величина в дальнейших расчётах уточняется после определения количества водорода, вошедшего в состав тяжелого газойля при гидрогенолизе сернистых соединений и гидрировании непредельных и ароматических углеводородов.

2.3.1.2 Расчёт расхода водорода на гидроочистку.

Водород в процессе гидроочистки расходуется  на:

­ гидрогенолиз сероорганических соединений;

­ гидрирование непредельных углеводородов;

­ потери водорода с отходящими потоками (отдувом и жидким гидрогенизатом).

Расход водорода на гидрогенолиз сероорганических соединений рассчитывается в (2.4):

G1 = m ∙ ∆S,      (2.4)

где G1 ­ расход 100 %-го водорода, % (масс.) на сырьё;

      ∆S ­ количество серы, удаляемое при гидроочистке, % (масс) на сырьё;

      m ­ коэффициент, зависящий от характера сернистых соединений.

Значения m для соединений серы /9, с. 145/:

меркаптановой серы  -  0,062                           дисульфидной серы -  0,0938

сульфидной серы  -       0,125                           тиофеновой серы -        0, 250

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

Наиболее стабильны при гидроочистке тиофеновые соединения, поэтому при  расчёте принимаем, что вся остаточная сера в гидрогенизате тиофеновая, а остальные сероорганические соединения разлагаются полностью.

При этом получаем

G1=0,04 ∙ 0,062 + 0,4 ∙ 0,125 + 0,5 ∙ 0,0938 + (0,86 -0,2)∙0,25 = 0,264 % (масс.)

Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов равен:

G2 = 2 ∙ ∆C_н / M,     (2.5)

где G2 ­ расход 100%-го водорода, % (масс.) на сырьё;

     ∆C_н – разность содержания непредельных углеводородов в сырье и гидрогенизате, % (масс.) на сырьё, считая на моноолефины;

       М ­ средняя молекулярная масса сырья.

Среднюю молекулярную массу тяжелого газойля рассчитываем по формуле Воинова-Эйгенсона :

М = 7∙К-21,5+(0,76-0,04∙К)∙t_кип+(0,0003∙К-0,00245)∙ t²_кип,   (2.6)

где t_кип - среднемолекулярная температура кипения фракции, °С.

      К - характеристический  фактор: ,       (2.7)

где - плотность при 15 °С.

,     (2.8)

где Т_н, Т_к - соответственно температуры начала и конца кипения фракции.

К.

,      (2.9)

где а - температурная  поправка;

a = 0,001828 - 0,00132∙ =0,001828 - 0,00132∙0,9126 = 0,000623,  (2.10)

=0,916    (2.11)

 

Подставив полученные значения в формулу (2.7) найдем характеристический фактор

=11,816    (2.12)

Подставив полученные значения в формулу (2.6) найдем молекулярную массу тяжелого газойля:

М=7∙11,816-21,5+(0,76-0,04∙11,816)∙431,5 + (0,0003∙11,816 - 0,00245)∙431,5² = =389,046.

Принимая, что степень  гидрирования непредельных углеводородов  и гидролиза сернистых одинакова, находим

G2 = 2 ∙ 9 ∙((1,8-0,02)/1,8) / 389,046 = 0,041 % (масс.)

Мольную долю водорода, растворенного в гидрогенизате, можно рассчитать из условий фазового равновесия в газосепараторе высокого давления:

x^’_H2 = y^’_H2 / K_р = 0,85 / 30 = 0,028,    (2.13)

где y^’_H2, x^’_H2 ­ мольные доли водорода в паровой и жидкой фазах (в рассматри-

                        ваемом примере y^’_H2 равняется мольной или объёмной концентра-

                        ции водорода в циркулирующем газе);

      K_р ­ константа фазового равновесия (для условий газосепаратора высокого

              давления при 40 °С и 4 МПа K_р = 30).

Потери водорода от растворения  в гидрогенизате G3 % (масс.) на сырье составляют:

G3 % (масс.).  (2.14)

Механические потери водорода по практическим данным составляют обычно около 1 % от общего объёма циркулирующего газа:

G4 = ‚ * 0,01 * M_H2 * 100 / (r * 22,4),   (2.15)

где ‚ – кратность циркуляции водородсодержащего газа, нм³ / м³;

      r ­ плотность сырья, кг / м³.

Таким образом G4 = 500 * 0,01 *2 * 100 / (916 * 22,4) = 0,049 % (масс.).

2.3.1.3 Потери водорода с отдувом.

Ниже приведен состав водородсодержащего газа, поступающего на установку.

Таблица 2.1 ­ Состав водородсодержащего газа

Содержание компонента	H2	CH4	C2H6	C3H8	∑C4H10	C5+
% (об.)	85,00	7,00	5,00	2,00	1,00	­
% (масс.)	29,40	19,40	26,00	15,20	10,00	­

 

Для нормальной эксплуатации установок  гидроочистки содержание водорода в циркулирующем газе должна быть не ниже 70 % (об.). Уменьшению

концентрации водорода способствует следующие факторы:

­ химическое потребление водорода на реакции гидрирования и гидрогенолиза;

­ растворение водорода в жидком гидрогенизате, выводимом с установки;

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

Концентрация водорода в системе  повышается за счёт растворения углеводородных газов в жидком гидрогенизате и увеличения концентрации водорода в водородсодержащем газе. Для поддержания постоянного давления в системе, объём поступающего и образующегося газа должен быть равен объёму газа, отходящего из системы и поглощенного в ходе химической реакции.

Исходя из реальных возможностей и производственного опыта, расход 100%-го водорода на отдув принимаем G5=0,01% (масс.).

Общий расход водорода в процессе гидроочистки равен:

G_H2 = G1 + G2 + G3 + G4 + G5 = 0,264 + 0,041+ 0,015 + 0,049 + 0,01=

=0,379 %(масс.).      (2.16)

Расход свежего водородсодержащего газа на гидроочистку равен:

G⁰_H2 = G_H2 / 0,294 = 0,379 / 0,294 = 1,290 % (масс.),   (2.17)

где 0,294 ­ содержание водорода в свежем водородсодержащем газе, % (масс.).

 

2.3.1.4 Материальный баланс.

Выход сероводорода рассчитывается в (2.18):

В_H2S = ∆S ∙ М_H2S / М_S = 1,6 ∙ 34 / 32 = 1,7 % (масс.),  (2.18)

Таким образом, балансовым сероводородом  поглощается 1,7 – 1,6 = 0,1 % (масс.) водорода.

Количество водорода вошедшего  при гидрировании в состав тяжелого газойля, равно:

G1 + G2 – 0,1 = 0,264 + 0,041 – 0,1 = 0,206 % (масс.). (2,19)

Уточненный выход гидроочищенного тяжелого газойля (сумма тяжелого газойля и компонента дизельного топлива) 96,320 + 0,206 = 96,526 % (масс.)

На основе практических данных /2, с. 577/ делим данную фракцию отдельно на тяжелый газойль и на компонент дизельного топлива:

В_ТГ = 90,22 % (масс.), В_ДТ = 6,31 % (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:

1,29 ∙ (1 – 0,294) + 0,48 + 0,015 = 1,406 % (масс.)  (2.20)

 

2.3.2 Расчет материального  баланса по легкому газойлю.

2.3.2.1 Выход гидроочищенного легкого газойля.

Выход гидроочищенного легкого  газойля В_Л.Г., % (масс.) на исходное сырьё равен:

В_Л.Г.= 100 - В_б - В_г - ∆S,    (2.21)

где  В_Л.Г ­ выход гидроочищенного легкого газойля, % (масс.); 

В_б = ∆ S = 1,1 % (масс.)    (2.22)

В_г = 0,3 ∙ ∆S = 0,33 % (масс.)    (2.23)

В_Л.Г.= 100 - 1,1 - 0,33 -1,1 = 97,47 % (масс.).

Полученная величина в дальнейших расчётах уточняется после  определения количества водорода, вошедшего в состав легкого газойля при гидрогенолизе сернистых соединений и гидрировании непредельных и ароматических углеводородов.

 

2.3.2.2 Расчёт расхода водорода на гидроочистку.

Расход водорода на гидрогенолиз сероорганических соединений равен:

G1=0,06 ∙ 0,062 + 0,56 ∙ 0,125 + 0,17 ∙ 0,0938 + (0,41 -0,1)∙,25 = 0,167 % (масс.)

Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов.

К.

a = 0,001828 - 0,00132∙

=0,001828 - 0,00132∙0,854 = 0,000701

=0,858

Подставив полученные значения в формулу (2.7) найдем характеристический фактор

=11,544

Подставив полученные значения в формулу (2.6) найдем молекулярную массу тяжелого газойля:

М=7∙11,544-21,5+(0,76-0,04∙11,544)∙266,5 + (0,0003∙11,544-0,00245)∙266,5² = =210,75.

G2 = 2 ∙ 15 ∙((1,2 - 0,1)/1,2) / 210,75 = 0,130 % (масс.)

Мольную долю водорода, растворенного  в гидрогенизате, можно рассчитать из условий фазового равновесия в газосепараторе высокого давления:

x^’_H2 = y^’_H2 / K_р = 0,85 / 30 = 0,028,    (2.24)

Потери водорода от растворения в гидрогенизате G3 % (масс.) на сырье составляют:

G3 % (масс.).   (2.25)

Механические потери водорода по практическим данным составляют обычно около 1 % от общего объёма циркулирующего газа:

G4 = 500 ∙ 0,01 ∙2 ∙ 100 / (858 ∙ 22,4) = 0,052 % (масс.).

Исходя из реальных возможностей и  производственного опыта, расход 100%-го водорода на отдув принимаем G5=0,01% (масс.).