Đang tải... (xem toàn văn)
tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ ccr
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 1 MỤC LỤC 1. Các số liệu ban đầu 2 2. Tính toán các phản ứng chính xảy ra trong quá trình reforming xúc tác………………………………………………………………………………………2 2.1. Tính năng suất thiết bị 5 2.2. Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết 6 2.3. Tính toán phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và thành phần khí tuần hoàn. 7 3. Tính toán cho lò thứ nhất 8 3.1. Tính cân bằng vật chất 8 3.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 12 4. Tính toán cho lò thứ 2 15 4.1. Tính toán cân bằng vật chất 15 4.2. Tính toán cân bằng nhiệt lượng 19 5. Tính toán cho lò thứ 3 22 5.1. Tính cân bằng vật chất 22 5.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 26 6. Tính toán cho lò thứ 4 29 6.1. Tính cân bằng vật chất 29 6.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 34 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 2 1. Các số liệu ban đầu Công suất : 1.500.000 tấn/ năm. Nhiệt độ : 470 530 0 C. Tốc độ thể tích : 1,5 h -1 . áp suất : 3,5 kg/ cm 2 = 343.234,5 pa. Tỷ lệ H 2 / RH : 2,5 kmol. Phân bố xúc tác trong lò phản ứng lần lượt là: 1/1,5/2,5/5. Bảng 1: Thành phần nguyên liệu. Khối lượng riêng Thành phần phân đoạn % khối lượng 293 T 0 s đầu T 0 s 10% T 0 s 50% T 0 s 90% T 0 s cuối P N A 0,7288 329 0 K 348 0 K 385 0 K 428 0 K 453 0 K 50 38 12 2. Tính toán các phản ứng chính xảy ra trong quá trình reforming xúc tác - Phản ứng chính chuyển hoá hydrocacbon naphten thành RH thơm. C n H 2n C n H 2n-6 + 3H 2 (1) - Phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành parafin C n H 2n + H 2 C n H 2n+2 (2) - Phản ứng hydro cracking naphten C n H 2n + n/3 H 2 n/15 (CH 4 + C 2 H 6 + C 3 H 8 + C 4 H 10 + C 5 H 12 ) (3) Ta có thể mô ta sự giảm hàm lượng hydrocacbon do chuyển hóa hoá học ở các phản ứng trên bằng các phương trình vi phân sau : (4) (5) 277 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 3 (6) Trong đó: P P : áp suất của parafin [pa]. P A : áp suất của các hợp chất thơm. [pa] P H2 : áp suất của hydro [pa] P N : áp suất của naphten [pa]. P : áp suất của hệ [pa]. N N , N P : Lần lượt là phần mol của hydrocacbon naphten và parafin trong nguyên liệu bị chuyển hoá (kmol/ kmol). V R : Đại lượng nghịch đảo của tốc độ nạp liệu theo mol (kg xúc tác/h.nguyên liệu) K 1 : Hằng số tốc độ phản ứng (1) được xác định bằng đồ thị (kg xúc tác/h.pa.nguyên liệu). K 2 : Hằng số tốc độ phản ứng (2) được xác định bằng đồ thị kg xúc tác/h.nguyên liệu. K 3 : Hằng số tốc độ phản ứng (3) được xác định bằng đồ thị kg xúc tác/h.nguyên liệu. K P1 , K P2 lần lượt là hằng số cân bằng hóa học của phản ứng (1), (2) được xác định theo phương trình sau : K P1 = 9,81 3 . 10 12 . e 46,15 - 25600/T K P2 = 98,1 -1 . 10 -3 . e (4450/T) - 7,12 Bảng 2: Thành phần khí tuần hoàn. Cấu tử H 2 CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 % mol 86 4 5 3 1 1 Để tính toán thành phần của hỗp hợp dùng công thức: Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 4 M e . y i = M i . y i ’ Trong đó : M e : khối lượng phân tử trung bình của nguyên liệu . M i : khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon trong nguyên liệu . y i , y’ i lần lượt là phần khối lượng và phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu Mặt khác thì M = 0,4.T 50 - 45 Trong đó: T 50 là nhiệt độ sôi tại 50% thể tích của nguyên liệu . Vậy ta tính được M e = 0,4 x 385 - 45 = 109 . Bảng 3: Khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu. Hydrocacbon Công thức hóa học Công thức khối lượng Parafin (P) C n H 2n +2 Mp = 14n + 2 Naphaten (N) C n H 2n M N = 14n Aromatic (A) C n H 2n - 6 M A = 14n - 6 Ngoài ra M e còn tính theo công thức : Trong đó : Y P ,Y N ,Y A lần lượt là phần khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu M A M N , M P là khối lượng phân tử của các hydrocacbon: Aromatic, naphten và parafin trong nguyên liệu : M e = 1 Y A Y N Y P 14n - 6 14n 14n+2 + + M e = 1 Y A Y N Y P M A M N M P + + Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 5 Biến đổi ta được phương trình sau : n 3 - (M e + 4)n 2 - [6 + ( Y A - 2Y N - 3 Y P )M e ]n + Y N M e = 0 Giải phương trình trên ta được n = 7,77 Vậy khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon như sau : M P = 14n + 2 = 14x 7,77 + 2 = 110,78, M N = 14n = 14 x 7,77 = 108,78, M A = 14n - 6 = 14x 7,77 - 6 = 102,78, Bảng 4: Thành phần của nguyên liệu. Cấu tử Khối lượng phân tử Hàm lượng trong nguyên liệu y i phần khối lượng y i ' =y i .Me/Mi C n H 2n + 2 110,78 0,50 0,492 C n H 2n 108,78 0,38 0,381 C n H 2n – 6 102,78 0,12 0,127 Tổng 1,000 1,000 2.1. Tính năng suất thiết bị G c = L/(24 x 340) , kg/h. Với L: là năng suất năm, L = 1.500.000 tấn/năm . Trong đó số ngày hoạt động trong năm là 340 ngày (có 25 ngày nghỉ để sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị). Vậy ta tính được năng suất của thiết bị trên giờ là : G c = (15x 10 8 )/(24 x 340) = 183.823,529 (kg/h) Năng suất thiết bị tính ra (Kmol/h) N C = G c /Me = 183.823,529 / 109 = 1686,454 (Kmol/h) Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 6 Bảng 5: Thành phần các cấu tử trong nguyên liệu. Cấu tử y’ i (phần mol) N i = N C . y' i (kmol/h) C n H 2n + 2 0,492 829,735 C n H 2n 0,381 642,539 C n H 2n - 6 0,127 214,180 Tổng 1,000 1686,454 2.2. Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết Ta có H 2 / RH = 2,5 Kmol. Năng suất H 2 là: n H2 = 2,5 . N C = 2,5 x 1686,454 = 4216,135 (kmol/h). Vậy lượng khí tuần hoàn lại là: n kth = n H2 . 100/86 = 4216,135 x 100/86 = 4902,483 (kmol/h). Bảng 6: Thành phần các cấu tử trong khí tuần hoàn. Cấu tử M i y i M i . y i n i = n kth . y i H 2 2 0,86 1,72 4216,134 CH 4 16 0,04 0,64 196,099 C 2 H 6 30 0,05 1,50 245,124 C 3 H 8 44 0,03 1,32 147,075 C 4 H 10 58 0,01 0,58 49,025 C 5 H 12 72 0,01 0,72 49,025 Tổng - 1,00 6,48 4902,483 - Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn là: P* = 4902,483 - 4216,135 = 686,348 (kmol/h). Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 7 - Lượng chất xúc tác cho quá trình là: Thể tích xúc tác: V xt = G c / c V 0 (m 3 ) Trong đó : V 0 là tốc độ thể tích = 1,5h -1 C : Khối lượng riêng của nguyên liệu ở thể lỏng. Lấy C = 728,8 (kg/m 3 ). Lượng xúc tác: m XT = V XT . XT Trong đó: XT khối lượng riêng xúc tác; XT = 550 650 (kg/m 3 ).Chọn XT = 600 (kg/m 3 ). Suy ra m XT = 168,152 x 600 = 100.891,270 (kg). 2.3. Tính toán phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và thành phần khí tuần hoàn. Ta có công thức: P i = P . y’ i Trong đó: P i : áp suất riêng phần cấu tử i [pa]. P: áp suất chung của lò phản ứng [pa]. Chọn P = 3,5 kg/cm 2 = 343234,5 (pa). y’ i : nồng độ phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp. Bảng 7: Thành phần áp suất. Cấu tử n i (Kmol/h) y' i = n i / n i P i = 343.234,5. y' i (P a ) P 829,735 0,1259 43213,223 N 642,539 0,0975 33465,364 A 214,180 0,0325 11155,121 H 2 4216,135 0,6399 219635,757 P * 686,348 0,1040 35765,035 Tổng 6588,937 1,0000 343.234,500 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 8 Phân bố xúc tác trong các lò phản ứng theo tỷ lệnhư sau: 1/1,5/2,5/5. Bảng 8: Sự phân bố xúc tác trong các lò phản ứng. Lò phản ứng V XT ( m 3 ) M XT = V XT x 600 (kg) 1 16,8152 10089,12 2 25,2228 15133,68 3 42,0380 25222,80 4 84,0760 50445,60 Tổng 168,1520 100.891,20 3. Tính toán cho lò thứ nhất 3.1. Tính cân bằng vật chất Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic. T = 803 0 K 1000/ T = 1000/803 = 1,245 Tra đồ thị phụ lục [1] ta được K 1 = 11. 10 -7 (kmol/h.pa 3 .kg xúc tác). Phương trình tính hằng số cân bằng phản ứng: K P1 = 9,81 3 . 10 12 . e 46,15 - 25600/T = 9,81 3 . 10 12 . e 46,15 - 25600/803 = 14,866 . 10 20 (pa 3 ). Độ giảm tương đối hàm lượng naphten do phản ứng thơm hoá (phản ứng 1). Mà V R1 = m xt 1 /N C Trong đó : m xt 1 = 10089,120 (kg) N C : Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ nhất (kmol/h). V R1 = 10089,120 / 1686,454 = 5,9824 (kg/kmol). Vậy: N 1 = 0,0368 x 5,9824 = 0,2202 dN 1 dV R1 H 2 K 1 . P A .P 3 K P1 = K 1 . P N = 0,0368 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 9 Lượng naphten tham gia phản ứng (1) là: nN 1 = 0,2202 x 1686,454 = 371,273 (kmol/h) Vậy lượng naphten còn lại sau phản ứng (1) là. nN 1 = ( y’ i - N 1 ) x N C = ( 0,381 - 0,2202 )x 1686,454 = 271,266 (kmol/h) Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin ở(2)T = 803 0 K 1000/T = 1000/803 = 1,245 Tra đồ thị phụ lục [2] ta đượcK 2 = 100.10 -15 (kmol/h.kg xúc tác). K P2 = 98,1 -1 . 10 -3 . e (4450/T) - 7,12 = 98,1 -1 . 10 -3 . e (4450/803) - 7,12 = 0,0021.10 -3 [pa -1 ]. Do K P2 << 1 nên chứng tỏ phản ứng nghịch xảy ra chiếm ưu thế hơn cả.Như vậy trong lò phản ứng nhất thì ngoài phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic thì còn xảy ra phản ứng chuyển hoá parafin thành naphten. Sự tăng hàm lượng naphten trong lò phản ứng(2) là: N 12 = 0,00206 x V R1 = 0,00206 x 5,9824 = 0,0123 Lượng naphten tạo thành do phản ứng (2) là. nN 12 = 0,0123 x 1686,454 = 20,760 Lượng naphten còn lại sau phản ứng (1) và (2) là. nN 12 = ( y’ N1 - N N1 + N N12 ) . N C = ( 0,381 - 0,2202 + 0,0123) x 1686,454 = 292,026 (kmol/h). dN 12 dV R K 2 . P P K P2 = K 2 . P N = - 0,00206 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 10 Bảng 9: Cân bằng hoá học cho lò phản ứng thứ nhất. Lượng chất tham gia phản ứng (kmol/h) Lượng sản phẩm (kmol/h) 371,273 C n H 2n 371,273 C n H 2n - 6 + 371,273x 3H 2 20,760C n H 2n+2 20,760C n H 2n + 20,760H 2 Bảng 10: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra của lò phản ứng thứ nhất. Cấu tử Lượng vào(kmol/h) Lượng ra (kmol/h) P 829,735 829,735 - 20,76 = 808,975 N 642,539 642,539 - 371,273 + 20,76 = 292,026 A 214,180 214,180 + 371,273 = 585,453 Tổng 1686,454 1686,454 Bảng 11: Tính lượng khí tuần hoàn. H 2 4216,135 4216,135 + 371,273x3 + 20,76 = 5350,714 CH 4 196,099 196,099 C 2 H 6 245,124 245,124 C 3 H 8 147,075 147,075 C 4 H 10 49,025 49,025 C 5 H 12 49,025 49,025 Tổng 4902,483 6037,062 Lượng khí tuần hoàn: ( 5350,714 + 686,348 )x 5,637 = 34030,918 (kg/h) Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn là: 215594,945 - 34030,18 = 181564,027 (kg/h) Vậy ta có phương trình sau: [...]... 1,0000 BTL Công nghệ Chế biến dầu 215593,475 Page 33 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR 6.2 Tính cân bằng nhiệt lượng Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng: Q14 + Q24 = Q34 + Q44 + Q54 + Q64 Trong đó: Q14: Nhiệt do hỗn hợp khí nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào (kj/h) Q24: Nhiệt lượng do xúc tác mang vào lò phản ứng (kj/h) Q34: Nhiệt do khí sản phẩm và khí tuần... 1513,294 (kj/h) qtr2: hàm nhiệt của sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra Bảng 25: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ hai Dòng Nhiệt độ(oK) Lượng (Kg/h) Entanpi (KJ/kg) Nhiệt lượng (KJ/h) Dòng vào Q12 803 Q22 803 Tổng BTL Công nghệ Chế biến dầu 215594,945 1976,25 426069508,10 8696162,62 434765670,70 Page 21 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR Dòng ra Q32 743 215594,922... (kj/h); mà ta có Q31 = 215594,945 qtr1 qtr1 = 1556,634 (kj/h) BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 14 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR qtr1: hàm nhiệt của sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra Bảng 16: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ nhất Dòng Nhiệt độ (oK) Lượng (Kg/h) Entanpi (KJ/kg) Nhiệt lượng( KJ/h) Dòng vào Q11 803 Q21 803 Tổng - 215594,945 1908,710 411508227,5... 389540226 (kj/h) Q34 = 215593,475 qtr4 qtr4 = 1806,83 (kj/h) BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 35 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR qtr4: hàm nhiệt của sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra Bảng 44: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ tư Dòng Nhiệt độ(oK) Lượng (Kg/h) Entanpi (KJ/kg) Nhiệt lượng( KJ/h) Dòng vào Q14 803 Q24 215594,207 2021,98 803 435925694,6 21758115,48... phản ứng reforming (kj/h) Q62: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường bên ngoài (kj/h) Tính Q22: BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 19 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR Nhiệt lượng Q22 do xúc tác mang vào lò phản ứng thứ hai chính là nhiệt lượng do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng thứ nhất Q22 = Q41 = 8696162,62 (kj/h) Tính Q42 Giả thiết nhiệt độ tại lò phản ứng thứ hai... do phản ứng reforming (kj/h) Q63: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường bên ngoài (kj/h) BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 26 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR Tính Q23: Nhiệt lượng Q23 do xúc tác mang vào lò phản ứng thứ ba chính là nhiệt lượng do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng hai Q23 = Q42 = 12828649,53 (kj/h) Tính Q43 Giả thiết nhiệt độ tại lò phản ứng thứ ba giảm... H2 Bảng 20: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra của lò phản ứng thứ hai Cấu tử Lượng vào(kmol/h) Lượng ra (kmol/h) P 808,975 808,975 - 25,803 = 783,172 N 292,026 292,026 + 25,803 - 199,845 = 117,984 A 585,453 585,453 + 199,845 = 785,298 Tổng 1686,454 1686,454 BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 17 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR Bảng 21: Tính lượng khí tuần hoàn H2... 12828649,53 - - 446036508,20 1932,88 416718211,50 Dòng ra Q33 753 BTL Công nghệ Chế biến dầu 215594,207 Page 28 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR Q43 753 21758115,48 Q53 753 3099816,14 Q63 753 4460365,08 Tổng - - - 446036508,20 6 Tính toán cho lò thứ 4 6.1 Tính cân bằng vật chất Bảng 36: Thành phần các cấu tử của lò phản ứng thứ tư Cấu tử nc (kmol/h) Y’C2i = nci/nc2i Cn... (n/15).(CH4+C2H6 + +C5H12) Lượng hydro tiêu hao cho phản ứng (3) là BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 31 Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR NH2 = 164,429 x n/3 =164,429 x(7,774 - 3)/3 = 261,661 (kmol/h) Lượng khí hydrocacbon sinh ra trong lò phản ứng thứ tư là RH = 164,429 x n/15 = 164,429 x 7,774 /15 = 85,218 (kmol/h) Bảng 39: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra của lò phản ứng... 215594,207 Tính cân bằng nhiệt lượng Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng: Q13 + Q23 = Q33 + Q43 + Q53 + Q63 Trong đó: Q13: Nhiệt lượng hỗn hợp khí nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào (kj/h) Q23: Nhiệt lượng do xúc tác mang vào lò phản ứng (kj/h) Q33: Nhiệt lượng do khí sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra (kj/h) Q43: Nhiệt lượng do lượng xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng (kj/h); Q53: Nhiệt lượng tổn . Tính cân bằng vật chất 22 5.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 26 6. Tính toán cho lò thứ 4 29 6.1. Tính cân bằng vật chất 29 6.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 34 Tính toán cân bằng vật chất. 8 3.1. Tính cân bằng vật chất 8 3.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 12 4. Tính toán cho lò thứ 2 15 4.1. Tính toán cân bằng vật chất 15 4.2. Tính toán cân bằng nhiệt lượng 19 5. Tính toán cho. (kj/h) Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 15 q tr1 : hàm nhiệt của sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra. Bảng 16: Cân bằng nhiệt