Расчетная часть

5 Расчетная часть

Целью выполняемого расчета является составление материального и теплового балансов процесса, а также на их основе конструктивный расчет реактора гидроочистки, за модель которого взята модель адиабатического реактора идеального вытеснения.

Исходные данные:

1) Производительность установки по сырью G=2,4 млн. т/год;

2) Характеристика сырья:

- фракционный состав 350-500ºС;

- плотность ρ = 920 кг/м³;

- содержание серы S₀ = 1,6% мас.,

в том числе:

- меркаптановой S_м = 0,082;

- сульфидной S_с = 0,8;

- дисульфидной S_д = 0,16;

- тиофеновой S_т = 0,56;

- содержание непредельных углеводородов 8% мас.;

3) остаточное содержание серы S = 0,016% мас., т.е. глубина обессеривания равна 99%;

4) выход дизельного топлива В_ДТ = 10% мас.;

5) выход бензина В_Б = 1,4% мас.;

6) катализатор гидроочистки АНМ, насыпная плотность γ_Н = 640 кг/м³, кажущаяся плотность γ_К = 1210 кг/м³;

7) температура на входе в реактор t₀ = 375ºС;

8) давление на входе в реактор Р = 6,0 Мпа;

9) кратность циркуляции водородсодержащего газа χ = 500;

10) средний диаметр зерен катализатора d = 4·10^-3м;

11) кинетические константы процесса:

- Е = 60000 кДж/моль;

- k₀ = 3.8·10⁶;

- n = 2;

5.1 Материальный баланс установки гидроочистки вакуумного газойля

5.1.1 Выход гидроочищенного сырья

Выход сырья – гидроочищенного вакуумного газойля – В_С, % мас. на исходное сырье равен

В_С = 100 – В_ДТ - В_Е – В_Г – ΔS, (2)

где В_ДТ, В_Е, В_Г, ΔS – выходы дизельного топлива, бензина, газа и количество удаленной серы соответственно на сырье, % мас.

выход дизельного топлива и бензина берется из исходных данных. Газ образуется преимущественно при гидрогенолизе сернистых соединений. Его выход принимается по эмпирической зависимости:

В_Г = ΔS = 1,584% мас.

Тогда выход очищенного сырья будет равен

В_С = 100 – 10 – 1,4 – 1,584 – 1,584 = 85,432 % мас.

Полученная величина уточняется далее после вычисления количества водорода, который вошел в состав гидроочищенного сырья в результате гидрогенолиза серосодержащих соединений и гидрогенизации ненасыщенных углеводородов. Значения выхода газа, дизельного топлива и бензина далее будут использоваться в составлении материального баланса установки и реактора процесса гидроочистки.

5.1.2 Расход водорода на гидроочистку

Химически водород в гидроочистке расходуется в следующих направлениях:

1) гидрогенолиз серосодержащих органических соединений;

2) гидрирование ненасыщенных углеводородов;

3) потери водорода с отдувом и жидким гидрогенизатом.

Расход водорода на гидрогенолиз сернистых органических соединений G₁ % мас. на сырье определяется по формуле

(3)

где m₁ – коэффициент, зависящий от характера сернистого соединения и схем их гидрогенолиза [7,9];

ΔS₁ – количесто серы (меркаптанов, сульфидов, дисульфидов, тиофенов и т.д.), удаляемой при гидроочистке.

Коэффициент m₁ отражает глубину превращения серосодержащего соединения и равен:

- для свободной серы m₁ = 0,0625;

- для меркаптанов m₁ = 0,062;

- для циклических и алифатических сульфидов m₁ = 0,125;

- для дисульфидов m₁ = 0,0938;

- для тиофенов m₁ = 0,25.

Наиболее устойчивые к гидроочистке соединения – тиофены, поэтому в расчет примем, что вся оставшаяся сера (0,016% мас. на сырье) в гидрогенизате – в виде тиофенов, а остальные соединения разлагаются без остатка:

G₁ = 0,0625·0,08+0,125·0,8+0,0938·0,16+0,25(0,56-0,016)=0,256% мас.

Расход водорода на гилрирование ненасыщенных углеводородов G_2, % мас. на сырье определяется по формуле

(4)

где ΔС_Н – разность содержания ненасыщенных соединений в сырье и гидрогенизате, % мас. на сырье;

М_С – средняя молекулярная масса сырья, г/моль.

Для расчета средней молекулярной массы сырья используем формулу Крэга [10]:

, (5)

где – плотность сырья при температуре 15ºС:

, (6)

где – плотность сырья при температуре 20ºС;

а – средняя температурная надбавка на 1ºС [10].

= 0,92+5·0,00061=0,92305 г/см³.

Тогда

Принимаем степень гидрирования ненасыщенных углеводородов и гидрогенолиза серосодержащих соединений одинаковой (по исходным данным 99%), находим:

= 0,041% мас..

где 8 – содержание ненасыщенных углеводородов в сырье, % мас.

Мольную долю водорода, растворенного в гидрогенизате рассчитываем исходя из условий фазового равновесия в сепараторе высокого давления:

(7)

где - мольные доли водорода в паровой и жидкой фазах (в данном примере равняется мольной или объемной концентрации водорода в ЦВСГ);

К_Р – константа фазового равновесия (для условий газосепаратора высокого давления при 20ºС и 3,5 Мпа К_Р = 30).

Потери водорода от растворения в гидрогенизате G₃ % мас. на сырье составляют [11]

(8)

Потери водорода за счет диффузии его через стенки аппарата и механические потери G₄ рассчитываются по формуле

, (9)

где χ – кратность циркуляции водородсодержащего газа, нм³/м³.

Для нормальной эксплуатации установки гидроочистки вакуумного газойля содержание водорода в циркулирующем ВСГ должно быть не ниже 70% об. Уменьшению содержания водорода в ВСГ способствуют следующие факторы:

а) расход водорода на реакции гидрирования и гидрогенолиза;

б) абсорбирование водорода жидким гидрогенизатом, который выводится с установки;

в) образование газов гидрокрекинга, которые накапливаются в циркулирующем ВСГ и тем самым разбавляют водород.

Для поддержания постоянного давления в системе объем поступающего и образующегося газа и объем газа, отходящего их системы и израсходованного в ходе химической реакции, должны быть равными.

Наиболее экономичный по расходу водорода режим – без отдува ВСГ – можно поддерживать при условии, что газы гидрокрекинга и газы, поступающие в систему со свежим ВСГ, полностью сорбируются в газосепараторе в жидком гидрогенизате, т.е.:

(10)

где V₀ – объем свежего ВСГ, м³/ч;

V_ГК – объем газов гидрокрекинга, м³/ч;

V_A – объем газов, абсорбируемых жидким гидрогенизатом, м³/ч;

- объемная концентрация водорода в свежем ВСГ.

Объем свежего водородсодержащего газа рассчитаем по формуле

(11)

м³/ч.

Объем газов гидрокрекинга рассчитаем по формуле

(12)

где ΔS – количество удаляемых серосодержащих соединений, мас;

М_ГК – средняя молекулярная масса газов гидрокрекинга, которая при одинаковом мольном содержании газов С₁, С₂, С₃ и С₄ равна:

г/моль

м³/ч.

Количество газов, которые абсорбирует жидкий гидрогенизат, можно определить допустив, что циркулирующий ВСГ данного состава находится в состоянии равновесия с жидким гидрогенизатом. Содержание отдельных компонентов в циркулирующем газе и константы фазового равновесия в условиях газосепаратора высокого давления (20ºС и 3,5 Мпа) приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Содержание отдельных компонентов в циркулирующем газе и константы фазового равновесия

Количество абсорбированного компонента i, в кг на 100 ког гидрогенизата равно:

(13)

Объем абсорбированного компонента i, (V_i, м³ на 100 кг гидрогенизата) составляет:

(14)

Поставляя в выражение (14) соответствующие значения , получим объем каждого растворенного в гидрогенизате компонента:

м³,

м³,

м³,

м³,

Суммарный объем абсорбированных газов составит:

(15)

V_A = 0,29 + 0,24 + 0,24 + 0,35 = 1,12 м³.

Балансовый объем углеводородных газов, поступающих в газосепаратор (газы гидрокрекинга и вносимые со свежим ВСГ), по формуле (10) составляет:

3,472(1-0,95) + 0,959≤1,12.

Так как условие (10) выполняется, то работа установки без отдува части циркулирующего ВСГ возможна.

Таким образом, общий расход водорода () будет складываться из водорода, расходуемого на химические реакции, абсорбируемого в сепараторе и механически теряемого:

+ G₁ + G₂ + G₃ + G₄, (16)

+ 0,256 + 0,041 + 0,013 + 0,048 = 0,358 % мас.

Расход свежего ВСГ на гидроочистку составит

(17)

где 0,29 – содержание водорода в свежем ВСГ, % мас.

% мас.

Полученные данные расхода водорода и свежего ВСГ далее используем при составлении материального баланса установки и реактора гидроочистки.