Гидрокрекинг

 

Таблица 3 - Материальный баланс реактора Гидрокрекинга

 

Поступило		%		Млн.т/год	Т/сут	Кг/ч		Кг/с
Сырье: ТВГ		100		0,918	2700	112500		31,25
Водород 100%		1,4		0,0218	37,8	1575		0,437
Итого:		101,4
Получено:	%		Млн.т/год		т/сут	Кг/ч	Кг/с
Гидрогенизат	92,3		0,847		2492,1	103837,5	28,84
УВ  газ:	6,0		0,055		162	6750	1,875
С1	1,8		0,0165		48,6	2025	0,563
С2	1,8		0,0165		48,6	2025	0,563
С3	1,2		0,011		32,4	1350	0,375
С4	1,2		0,011		32,4	1350	0,375
Сероводород	2,5		0,0229		67,5	2812,5	0,781
Аммиак	0,1		0,0009		2,7	112,5	0,03125
Потери:	0,5		0,00459		13,5	562,5	0,156

 

 

 

 

4.1 Расчет теплового баланса

 

В таблице 4 приведены расходные коэффициенты вспомогательных материалов на одну тонну сырья.

 

Таблица 4 - Расходные коэффициенты на одну тонну сырья

Наименование материала	Расходный коэффициент
ВСГ	G8/G1 = 6310/112500 = 0,0561
Водяной пар	G16/G1 =1812/112500 = 0,0161

 

На рисунке 2 представлена схема тепловых потоков реакторного блока установки гидрокрекинга:

Qгсс, Т₁

Qp1

 

Qп1

Qгпс1, Т₂

Qp2

 

Qвсг2,

Т₃

 

Qп2

Qгпс2, Т₄

 

15

16

Рисунок 2  - Схема тепловых потоков

15 – реактор гидроочистки, 16 –  реактор гидрокрекинга.

 

Условные  обозначения, принятые при расчете:

Qгсс – приход тепла с газосырьевой смесью;

Qр1 – приход тепла при протекании экзотермической реакции в реакторе15, кВт;

Qп1 – потери тепла в окружающую среду из реактора 15, кВт;

Qгпс1 – приход тепла в реактор 16 с газопаровой фазой, кВт;

Qвсг2 – приход тепла с водородсодержащим газом в реактор 16 (квенч), кВт;

Qр2 – приход тепла при протекании экзотермической реакции в реакторе 16, кВт;

Qп2 – потери тепла в окружающую среду из реактора 16, кВт;

Qгпс2 – тепло, уносимое газопродуктовой смесью из реактора 16, кВт.

Т₁ – температура ГСС в реактор 15, ºС;

Т₂ – температура ГПС в реактор 16, ºС;

Т₃ – температура ВСГ на охлаждение реактора 16,  ºС;

Т₄ – температура ГПС на выходе из реактора 16, ºС;

 

Исходные  данные для расчета теплового  баланса [4]:

1. Температура ВСГ, подаваемого в реактор (квенч) 73ºС;

2. Тепловой эффект реакции гидрокрекинга 550 кДж/кг;

3. Потери тепла в окружающую среду составляют 3%;

4. Степень конверсии сырья в реакторе гидроочистки 15%, в реакторе гидрокрекинга – 70%.[6, с.275]

 

Для реактора гидрокрекинга тепловой баланс следующий:                                      

 

Q_гпс1 + Q_всг2 + Q_р2 = Q_гпс2+ Q_п2                                                                                                                            (2)

Где:Q_гпс1 – приход тепла в реактор 16 с газопаровой фазой, кВт;

         Q_всг2 – приход тепла с водородсодержащим газом в реактор 16 (квенч), кВт;

      Q_р2 – приход тепла при протекании экзотермической реакции в реакторе 16, кВт;

      Q_гпс2 – тепло, уносимое газопродуктовой смесью из реактора 16, кВт.

       Q_п2 – потери тепла в окружающую среду из реактора 16, кВт;

Энтальпия ВСГ (квенч)= 548 кДж/кг [7];

Так как (Gгпс1₍₃₎ + Gвсг2₍₁₀₎)= G₄ = 156013 кг/ч = 43,34 кг/с,

Где: G₄ - газопродуктовая смесь из реактора 16, кг/ч;

То Qвсг2 = G₁₀·Н(кв2) = 7599/3600·548 = 1157 кВт.

Где: G₁₀ - ВСГ (квенч) в реактор 16, кг/ч;

 

Рассчитаем  количество теплоты, выделяющейся при  протекании реакции:

Q_р2 = G₃(ТВГ)·Hр2·Х = 26,43·550·0,7 = 10176 кВт                                                             (3)

Где: G₃ - газопаровая смесь из реактора 15, кг/ч;

Тогда:

Q_гпс1+ Q_п2 = 67440 + 1157 + 10176 = 78773 кВт

Где Q_гпс1- приход тепла в реактор 16 с газопаровой фазой, кВт, [14];

 

Найдем  потери тепла в окружающую среду (3%):

Q_п2 = 30% * (Q_гпс1+ Q_п2)                                                                                                        (4)

Q_п2 = 0,03·78773 = 2363 кВт                                                                                                      

Откуда:                                                                                 

Q_гпс2 = 78773 – 2363 = 76410 кВт

 

Зная  количество теплоты и расходы  компонентов потока G₄, найдем температуру ГПС на выходе из реактора 16:

Q = ΣH(t)_i·G_i                                                                                                                            (5)

Q_гпс2 = ΣH(t)_4i·G_4i = ΣС_{г. i}(T)·(T-273)·G_i /M_i + ΣH_н.п.i·G_н.п.i                                                        (6)

Где: ΣС_г. –теплоемкость компонентов, Дж/(моль·К) [13];

        T – температура потока, ^ОС;

        G_i - газопродуктовая смесь из реактора 16, кг/ч;

        ΣH_н.п.i – энтальпия компонентов, кДж/кг;

        M_i - масса компонентов, кг.

Подставив все известные значения в уравнение, и решив его, получим:

Т = 682К = 409ºС

 

 

4.2 Расчет реактора гидрокрекинга

Исходные данные для расчета  размеров реактора гидрокрекинга [3, с.148];

Производительность реактора составляет G₃ = 148414 кг/ч.

Объемная скорость подачи сырья  W₀ – 1,5 ч^-1 [9, с. 31].

Скорость подачи сырья на свободное  сечение реактора ω – 0,008 м/с (28,8м/ч)  (принимаем).

Плотность газосырьевой смеси ρ  –778 кг/м³

Найдём объемный расход газосырьевой смеси:

W =                                                                                                                      (7)

W = = 155.30м³/ч

 

Объём катализатора Vкат, м³_, в реакторе рассчитываем следующим образом:

Vкат = W/W₀,                                                                                                                        (8)

где W - объёмный расход сырья, м³/ч;

      W₀ - объемная скорость подачи сырья, ч^-1.

Vкат = 155.30/1,5 = 103.53 м³.

 

Площадь поперечного сечения реактора найдём из соотношения:

S = W/ ω                                                                                (9)

где ω – скорость подачи сырья на свободное сечение реактора, м/ч.

Тогда получим:

S = 155.30/ 28,8 = 5.39 м²;

 

Диаметр аппарата D, м, рассчитаем по формуле:

D = (4·W/π· ω)^1/2                                                                                                         (10)

Таким образом:

D = (4·155.30/ 3,14·28,8)^1/2 = 2,905 м.

 

Из  стандартного ряда диаметров колонных аппаратов выбирается диаметр реактора [11]:

D = 3000 мм (3,0 м).

 

Высота катализатора Hкат, м, будет найдена из уравнения:

Hкат = Vкат/S                                                                                                                      (11)

Откуда:

Hкат = 103.53/5.39 = 19,2 м

 

Пересчитаем действительная скорость газосырьевой смеси и площадь сечения реактора:

ω = (4·W) / (π ·D²)                                                                                                               (12)

ω = (4 · 155.3) / (3,14 · 3²) =  23.98 м/ч (0,0067 м/с).

S = π·D²/4 = 3,14·3²/4 = 7,065 м².

 

Так как площадь сечения увеличилась, то высота слоя катализатора должна уменьшится. Проверим это: Hкат = 103.53 / 7,065 = 18 м.

 

Так как реактор работает под  давлением 15 МПа, то его необходимо рассчитать на прочность.

Исходные данные для расчёта:

- диаметр реактора D = 3000 мм (3,0 м);

- давление: рабочее (Pраб) 15 МПа;

                    расчётное (Ррасч) 16,03 МПа.

- температура расчетная (Трасч) 454⁰С;

- материал – сталь12×18Н10Т;

- среда: водородсодержащий газ, фракция 180-360⁰С, сероводород, пары воды, бензина. Взрывопожароопасная [1, с.578];

Расчёту на механическую прочность  от внутреннего избыточного или  наружного давления и внешних  нагрузок должны подвергаться все основные элементы аппарата: обечайка, днище, крышка и др.

 

Допускаемое напряжение для конструкционных  материалов из сталей для рабочих  условий принимается по формуле (13):

[σ] = η·σ₁,                                                                                                                           (13)

где η – поправочный коэффициент (η = 1);

      σ₁ - нормативное допускаемое напряжение, МПа.

Для данной марки стали при рабочей  температуре σ₁ = 116,6 МПа, т.е. по формуле (13) получаем:

[σ] = 1·116,6 = 116,6 МПа.

 

4.3 Выбор и расчет обечайки (корпуса) реактора

 

Цилиндрические обечайки являются одним из основных элементов аппарата. Из одной или нескольких обечаек  образуется цилиндрический корпус реактора. Рассчитаем толщину обечайки, работающей под давлением, по формуле (14):

S₀ = P_расч · D / (2 · [σ] – P_раб) + С,                                                                                        (14)

где Р_расч – расчётное давление, МПа;

      P_раб – рабочее давление, МПа;

      D – диаметр, см;

      С – прибавка на коррозию, см (С = 0,1 см).

Подставив значения величин в формулу (14) получим:

S₀ = 16,03·300 / (2·116,6 – 15) + 0,1 = 22,1 см

 

Однако  формула (14) справедлива при условии:

  (S_o – C) / D ≤ 0,1                                                                                                                  (15)

Таким образом: (22,1 – 0,1)/300 = 0,073≤ 0,1.

 

Значит, принимаем толщину обечайки S_o = 22,1 см.

Но  необходимо также провести расчёт обечайки на необходимость её подкрепления кольцами жёсткости. Кольца жёсткости устанавливаются  при условии, если коэффициент жесткости обечайки К > 0 (формула (16)):

K = P_расч · (D + S₀ – C) / (2 · [σ] · (S₀ – C)) – 1 > 0                                                            (16)

 

Если К≤0, то укрепление кольцами жесткости не требуются. Подставив значения величин в формулу (16) получим:

К = [16,03·(300 + 22,1 – 0,1) / 2·116,6·(22,1 – 0,1)] – 1 = 0,0061

 

Значение К≈0, т.е. из технико-экономических соображений укрепления кольцами жёсткости не требуются (это дополнительные материальные затраты).

4.4 Выбор и расчёт днищ и крышек

 

Днища, также как и обечайки, являются одним из основных элементов химических аппаратов. Т.к. диаметр D < 4 м, целесообразно использовать эллиптическую форму днища с отбортовкой на цилиндр (рисунок 3).