Расчет реактора гидроочистки

Расчет  реактора гидроочистки Р-1

 

Реактор гидроочистки служит для очистки  сырья от серосодержащих соединений.

Исходные  данные для расчета.

1. Характеристика  сырья:

а) ваккумный газойль 180-530 ^оС;

б) плотность = 0,907 г/см³;

в) содержание серы общей S_О = 2,17 %,  в том числе меркаптановой S_М = 0,00009 %,  сульфидной S_С= 0,00021 %;

г) содержание непредельных углеводородов – 0,93 %.

2. Остаточное  содержание серы в очищенной  ваккумном газойле S_К <0,7 %, то есть степень или глубина гидрообессеривания должна быть 99,07 %.

3. Гидроочистка  проводится на катализаторе А при давлении Р=5,4 МПа, температуре Т= 425^оС, скорости подачи сырья ω= 4 ч ^-1, кратности циркуляции ВСГ к сырью æ = 500 нм³/м³.

4. Кинетические  константы процесса k_o = 4,62 ∙10⁶, n = 2, Е = 67 040 кДЖ/моль.

 

3.5.1 Выход  гидроочищенной ваккумного газойля на исходное сырье определим по формуле

 

                                            В_вг= 100 – В_Г – ΔS,                                         (3.1)

 

где В_Г  - выход газа, % масс.;

      ΔS – количество удаленной из сырья серы, % масс.

 

                                           ΔS = S_O- S _K;                                               (3.2)

 

ΔS = 2,17 – 0,7 = 1,47 % масс.

 

При средней  молекулярной массе 135,3 в 100 кг сырья содержится    100 : 118,6 = 0,84 кмоль,  2 кг серы содержат 0,0003 : 32 = 0,94 ∙ 10^-5 кмоль, то есть серосодержащие молекулы  составляют 0,001 %  от общего числа молекул. Если принять равномерное распределение атомов серы по длине углеводородной цепочки, то при гидрогенолизе сероорганических соединений с разрывом у атома серы выход газа составит:

 

                                   В_Г = 0,3∙ΔS,                                                         (3.3)

                       

                            В_Г = 0,3∙ 1,47 = 0,441 % масс.

 

В_вг = 100 – 0,441 – 1,47 = 98,089 % масс.

 

3.5.2  Расход водорода на гидроочистку

3.5.2.1 Расход  водорода на гидрогенолиз сероорганических соединений определим по формуле

 

                                      G₁ = m∙ ΔS,                                                      (3.4)

 

где  m – коэффициент, зависящий от характера сернистых соединений. 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 – 0,0625.

 

G₁ = 0,00025 ∙0,0625 =0,000016 % масс.

 

3.5.2.2  Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов определим по формуле

 

                                        G₂ =

,                                                   (3.5)

 

где ΔС_н – разность содержания непредельных углеводородов в сырье и         гидрогенизате, % масс;

      М   -   средняя  молекулярная масса сырья, кг/кмоль.

 

                                           М= ,                                                  (3.6)

 

где r - плотность сырья при 15 ^оС.

 

                                          r =r +5×a,                                                 (3.7)

 

где  r - относительная плотность вещества при 20 ^оС, г/см³, r =0,746 г/см³;

            a     -  поправка на плотность, a= 0,000844  [13 ].

 

r

= 0,907 г/см³,

 

М= 

= 118,6 кг/кмоль.

 

Принимая, что степень гидрирования непредельных  углеводородов и гидрогенолиза сернистых соединений одинакова, находим

 

G₂ =

= 0,0007 % масс.

 

 

3.5.3 Потери водорода от растворения  в гидрогенизате

3.5.3.1 Мольную долю водорода, растворенного  в гидрогенизате, рассчитаем из условия фазового равновесия в газосепараторе

                                              Х'н₂ =

,                                             (3.8)

 

где   Х'н₂ , Y'н₂ – мольные доли водорода в паровой и жидкой  фазах;

         Кр             - константа фазового равновесия, Кр=35 [12 ].

 

Х'н₂ =

.

 

3.5.3.2 Потери водорода от растворения  в гидрогенизате на сырье определим по формуле

 

                                G₃ =

,                                     (3.9)

 

где  Мн₂  -  молекулярная масса водорода, кг/кмоль.

 

G₃ =

= 0,033 % масс.

 

3.5.4 Механические  потери водорода

Имеют место  потери водорода  за счет диффузии водорода через стенки аппаратов и утечки через неплотности, так называемые механические потери, которые определим по формуле

 

                                  G₄ = æ∙

,                                         (3.10)

 

G₄ = 500∙

= 0,049 % масс.

 

3.5.5 Потери  водорода с отдувом

На блок гидроочистки установки каталитического  риформинга подается водородсодержащий газ с реакторного блока этой же установки, в котором концентрация водорода колеблется от 65 до 85 % об. Состав ВСГ приведен в таблице 3.5

 

Таблица 3.5 – Состав водородсодержащего газа

Содержание  компонента	Н2	СН4	С2Н6	С3Н8	ΣС4Н10	ΣС5Н12
% об.	70,4	11,4	10,5	5,1	1,7	0,9
% масс.	13,7	17,8	30,7	21,9	9,6	6,3

 

Для поддержания  постоянного давления в системе  объем поступающего и образующегося  газа должен быть равен объему газа, отходящего из системы и поглощенного в ходе химической реакции.

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

 

                                    V_o ∙(1-y_o' )+ V_г.к. ≤ V_а,                                           (3.11)

 

где V_o, V_г.к.,V_а– объемы свежего ВСГ,  газов гидрокрекинга и газов, абсорбируемых жидким гидрогенизатом соответственно, м³/ч;

        y_o'  – объемные концентрации водорода в свежем  ВСГ.

 

3.5.5.1 Объем  свежего ВСГ определим по формуле

 

                                        V_o =

,                                           (3.12)

V_o =

= 4,34 м³.

 

3.5.5.2 Объем  газов гидрокрекинга определим  по формуле

 

                                            V_г.к. =

,                                      (3.13)

 

где М_г.к. – средняя молекулярная масса газов гидрокрекинга, при одинаковом мольном содержании газов С_1, С_2, С_3, С_4, С₅, кг/кмоль.

 

                             М_г.к. =

,                                    (3.14)

 

М_г.к. =

= 44 кг/кмоль.

 

V_г.к. =

= 0,27 м³.

 

3.5.5.3 Количество  углеводородных газов, абсорбируемых  жидким гидрогенизатом, можно определить, если допустить, что циркулирующий ВСГ принятого состава находится в равновесии с жидким гидрогенизатом.

 

                                                V_a = ΣV_i,                                               (3.15)

 

Содержание  отдельных компонентов в циркулирующем  газе и константы фазового равновесия в условиях газосепаратора приведены в таблице 3.6.

 

Таблица 3.6 - Содержание отдельных компонентов  в циркулирующем газе и константы  фазового равновесия

Содержание  компонента	СН4	С2Н6	С3Н8	ΣС4Н10	ΣС5Н12
yi', мол. доли	0,15	0,105	0,051	0,017	0,009
Крi	3,53	3,1	1,2	0,46	0,17

 

                                         V_i =

.                                          (3.16)

 

Vсн₄ =

= 0,802 м³,

 

V с₂н₆ =

= 0,639 м³,

 

V с₃н₈ =

= 0,802 м³,

 

V с₄н₁₀ =

= 0,698 м³,

 

Vс₅н₁₂ =

= 1,0 м³.

 

3.5.5.4 Суммарный  объем абсорбированных газов 

 

V_a = 0,887+0,639+0,802+0,698+1,0= 3,941 м³.

 

Балансовый  объем углеводородных газов, поступающих  в газосепаратор ( газы гидрокрекинга и вносимые со свежим ВСГ), составляет

 

4,34 ∙  (1-0,704) + 0,27 = 1,55 < V_a.

 

Поскольку выполняется требование уравнения (3.11), возможна работа без отдува части циркулирующего ВСГ. Тогда общий расход водорода в процессе гидроочистки будет определяться по формуле

 

                                    Gн₂ = G₁ + G₂ +G₃ +G₄,                                    (3.17)

 

Gн₂ = 0,000032+0,0007+0,033+0,036 = 0,0697 % масс.

 

3.5.5.5 Расход  свежего ВСГ на гидроочистку  определим по формуле

 

                                               G^он₂ =

,                                               (3.18)

 

где 0,137 – содержание водорода в свежем ВСГ, % масс.

 

                                               G^он₂ = = 0,509 % масс.

 

3.5.6 Материальный  баланс блока гидроочистки

3.5.6.1 Выход  сероводорода определим по формуле

 

                                           Вн₂s =

,                                        (3.19)

 

Вн₂s =

= 0,00027 % масс.

 

3.5.6.2 Количество  водорода  поглощаемое сероводородом определим по формуле

 

                                                G₁^' = Вн₂s – ΔS,                                         (3.20)

 

G₁^' = 0,00027 – 0,00025 = 0,00002 % масс.

 

3.5.6.3 Количество  водорода, вошедшего при гидрировании  в состав бензиновой фракции,  определим по формуле

 

                                             G₂^' = G₁ + G₂ - G₁^' ,                                        (3.21)

 

G₂^' = 0,000032 + 0,0007 – 0,00002 =  0,0007 % масс.

 

3.5.6.4 Уточненный  выход гидроочищенной бензиновой фракции определим по формуле

 

                                               В_б^' = В_б + G₂^',                                             (3.22)

 

В_б^' = 99,9997 + 0,0007 = 100,0004

 

3.5.6.5 Выход  сухого газа, выводимого с установки,  определим по формуле

 

                                 В_с.г. =  G^он₂∙ (1-0,137) + В_г+ G₃ ,                             (3.23)

 

В_с.г. =  0,509∙ (1-0,137) + 0,000075 + 0,033=0,47233 % масс.

 

На основе полученных данных составим материальный баланс блока гидроочистки, который  представлен в таблице 3.7.

 

Таблица 3.7 – Материальный баланс блока гидроочистки

Наименование	Выход, % масс.	Выход продуктов
		тн/год	тн/сут	кг/ч
Взято:   Сырье ВСГ в том числе 100 %  Н2	100       0,509       0,069	1 000 000          5 090             690	2 985,074          15,194            2,060	124 378,083        633,083          85,83
Итого	100,509	1 005 090	3 000,268	125 011,166
Получено:   Бензиновая фракция очищенная Сероводород Газ сухой + мех. потери	100,0004      0,00027      0,50833	1 000 004                  2,7           5 083,3	2 985,086            0,008          15,174	124 378,583            0,333        632,250
Итого	100,509	1 005 090	3 000,268	125 011,166