Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế phân xưởng Reforming xúc tác cố định năng suất dây chuyền 2,2 triệu tấn/năm
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 38 PHẦN II: TÍNH TOÁN II.Các số liệu đầu Công suất Nhiệt độ Tốc độ thể tích LHSV Áp suất Thời gian làm việc xúc tác Lượng cốc bám trên xúc tác (% trọng lượng) Tỷ lệ H 2 /RH, (m 3 /m 3 ) Thiết bị phản ứng chính 2,2 triệu tấn/năm 743 803 0 K 2 h -1 40-45 at 1 năm 3 5% 1500 Lò xuyên tâm Nguyên liệu có những đặc tính sau: Bảng 9: Đặc tính của nguyên liệu Tỷ trọng (kg/m 3 ) Thành phần phân đoạn, (K) %, Khối lượng 733 Ts đầu Ts 50 Ts cuối Parafin Naphten Aromatic 358 395 438 62,61 26 11,39 Trong quá trình reforming xúc tác thường xảy ra các phản ứng sau - Phản ứng chuyển hóa 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 hydrocacbon 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) - Phản ứng hydro cracking hydrocacbon parafin C n H 2n+2 + (3-n)/3 H 2 n/15 (CH 4 + C 2 H 6 + C 3 H 8 + C 4 H 10 + C 5 H 12 ) (4) Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 39 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: - = K 1 ×P N - ×P A ×P H2 3 (5) - = K 1 ×P N - ×P P (6) - = K 3 × (7) - = K 4 × (8) Trong đó: P N : là áp suất của naphten P A : là áp suất của aromatic P A : là áp suất của parafin P : là áp suất của hệ N N , N P , N A lần lượt là phần mol của hydrocacbon naphten, parafin, aromatic trong nguyên liệu. V R là đại lượng nghịch đảo của tốc độ nạp liệu theo mol [Kg xúc tác/h×nguyên liệu]. K 1 là hằng số tốc độ phản ứng (1) được xác định bằng đồ thị hình (8) Kg xúc tác/h×Pa 2 ×nguyên liệu. K 2 là hằng số tốc độ phản ứng (2) được xác định bằng đồ thị hình (9) Kg xúc tác/h×Pa×nguyên liệu. K 3 , K 4 lần lượt là hằng số tốc độ của phản ứng (3), (4) được xác định bằng đồ thị hình (10) 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 tính theo phương trình sau: K P1 = 9,81 3 ×10 12 ×e 46,15 - 25600/T (Pa 3 ) (9) K P2 = 98,1 -1 ×10 -3 ×e (4450/T) - 7,12 (Pa -1 ) (10) Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 40 14 12 10 8 6 4 2 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1000/ T 1/K Hình 8: Xác định K 1 ×10 -7 (Kmol/Pa 2 ×h×Kg xúc tác ) 160 140 120 100 80 60 40 20 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1000/ T 1/K Hình 9 : Xác định K 2 ×10 -15 (Kmol/Pa×h×kg xúc tác) 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0.01 1.20 1.25 1.30 1,35 1.40 1000/T 1/T Hình 10: Xác định hằng số K 3 , K 4 (Kmol/h×kg xúc tác). Thành phần tuần hoàn khí ở bảng sau. Bảng 10: 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 % 86 4 5 3 1 1 Để tính thành phần của hỗn hợp ta dùng công thức sau: M c ×Y i = M i ×Y i’ Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 41 Trong đó: M c là khối lượng phân tử trung bình của nguyên liệu. M i là khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon trong nguyên liệu. Y i và Y i’ lần lượt là phần khối lượng và phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu. Mặt khác thì: M c = 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 c = 0,4 ×395 - 45 =113 Một cách tổng quát ta có thể tính khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu như sau: Bảng 11: Khối lượng tổng quát của các hydrocacbon Hydrocacbon Công thức hóa học Công thức khối lượng Aromatic C n H 2n - 6 M A = 14n – 6 Naphaten C n H 2n M N = 14n Parafin C n H 2n +2 Mp = 14n+2 Ngoài ra còn tính theo công thức: Trong đó: Y P , Y N , Y A lần lượt là phần khối lượng của các hydrocacbon parafin, naphten và aromatic trong nguyên liệu. M A , M N , M P là khối lượng phân tử của các hydrocacbon Aromatic, naphten và parafin. Biến đổi ta được phương trình sau Với Y A = 0,1139; Y A = 0,26; Y P = 0,6261 0. 686 3 326 98 1 4 14 1 23 McYnMcYYYnMcn NPNA A A n n p p M Y M Y M Y c 1 61414214 1 n Y n Y n Y c A N P Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 42 Giải phương trình trên ta có: n=8,038 Vậy khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon như sau: Mp = 14n + 2 = 14×8,038 + 2 = 114,53 M N = 14n = 14×8,038 = 112,53 M A = 14n - 6 = 14×8,038 - 6 = 106,53 Từ đó ta có các số liệu về nguyên liệu như sau: Bảng 12: 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 ×M c /M i C n H 2n + 2 114,53 0,6261 0,618 C n H 2n 112,53 0,26 0,261 C n H 2n – 6 106,53 0,1139 0,121 - 1,000 1,000 Tính năng suất của thiết bị ta dùng công thức sau : G c = (Kg/h) Với L là năng suất năm, L = 2 200 000 tấn/năm. Trong đó n là số ngày hoạt động trong năm, ở đây n = 340 ngày (có 25 ngày nghỉ để sửa chữa và bảo dưỡng). Vậy ta tính được năng suất trong ngày là: G c = 2 200 000×1000/ (24×340) = 269607,8431 (Kg/h) Năng suất thiết bị tính ra (Kmol/h) G’ c = G c /Mc = 269607,8431/ 113 = 2385,9101 (Kmol/h) Vậy ta có bảng sau: Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 43 Bảng 13: Lượng hydrocacbon trong nguyên liệu Cấu tử Y i’ G’ c ×Y i’ C n H 2n + 2 0,618 1474,49 C n H 2n 0,261 622,72 C n H 2n - 6 0,121 288,69 1,000 2385,91 Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết Với tỷ lệ H 2 /HC nguyên liệu lưu lượng thể tích của nguyên liệu trong một giờ được tính theo công thức sau: G r = (G c /P c ) ×N i Trong đó: G c là năng suất của thiết bị, (Kg/h) P c là tỷ trọng của nguyên liệu P c = 733 (kg/m 3 ) N i là tỷ lệ H 2 /RH, với N i = 1500 (m 3 /m 3 ) - Vậy lưu lượng thể tích của H 2 trong một giờ là: G r = (269607,8431/733) ×1500= 551721,3706 (m 3 /h) - Năng suất khí tuần hoàn được tính : N' r =G r ×100/(86×22,4)=551721,3706×100/(86×22,4)=28640,02 (Kmol/h) Vậy thành phần khí tuần hoàn được cho ở bảng sau : Bảng 14: Thành phần của khí tuần hoàn Cấu tử Khối lượng phân tử Mi Thành phần mol Y' i M i ×Y' i M ri = N' r ×Y' i H 2 2 0,86 1,72 24630,42 CH 4 16 0,04 0,64 1145,60 C 2 H 6 30 0,05 1,50 1432,00 C 3 H 8 44 0,03 1,32 859,20 C 4 H 10 58 0,01 0,58 286,40 C 5 H 12 72 0,01 0,72 286,40 - 1,00 6,50 28640,02 Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 44 - Lượng hydrocacbon tuần hoàn là: 28640,02 - 24630,42= 4009,6 (kmol/h) Lượng chất xúc tác cho quá trình - Thể tích xúc tác: V xt = G c / ( c ×V o ) ,(m 3 ) Trong đó: V o : là tốc độ thể tích V o =2 h -1 G C : là năng xuất thiết bị , (Kg/h) c : khối lượng riêng của nguyên liệu ở thể lỏng c =733 Kg/m 3 Suy ra: V xt = = 183,91 (m 3 ) Vậy lượng xúc tác được tính là: M xt = V xt × xt (Kg) Trong đó: xt là khối lượng riêng của chất xúc tác, (Kg/m 3 ) xt = 500 - 650 (Kg/m 3 ). Chọn xt = 600 (Kg/m 3 ) Vậy: M xt = 183,91×600 = 110346 (Kg) Tính toán sự phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn. Công thức tính: P i = P×Y' i Trong đó: P : là áp suất chung trong lò phản ứng, (P a ) Y' i : Phần mol cấu tử trong hỗn hợp. Thành phần áp suất được cho ở bảng sau, chọn áp suất P = 40 at =3922722,37 (Pa) Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 45 Bảng 15: Phân bố áp suất theo từng cấu tử Cấu tử N i (Kmol/h) Y' i = N i / N i P i =P×Y' i (Pa) A 288,69 0,0093 36481,32 N 622,72 0,0201 78846,72 P 1474,49 0,0475 186329,31 H 2 24630,42 0,7939 3114249,29 P * 4009,6 0,1292 506815,73 31025,93 1,000 3922722,37 Trong bảng trên P* là lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn ;A, N, P lần lượt là ký hiệu của aromatic, naphten, parafin trong nguyên liệu. Lượng phân bố xúc tác trong các lò phản ứng 1:1,5:2,5:5 nên ta có bảng sau: Bảng 16 : Phân bố chất xúc tác Lò phản ứng Lượng chất xúc tác V xt (m 3 ) M xt (kg) 1 18,391 11034,6 2 27,59 16551,9 3 45,98 27586,5 4 91,96 55173 183,91 110346 Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 46 II.1 Tính toán lò thứ nhất II.1.1 Tính toán cân bằng vật chất Chọn nhiệt độ dòng nguyên liệu vào lò thứ nhất T r1 = 803 o K - Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành RH thơm. T r1 = 803 o K 1000/T r1 = 1,245 Theo đồ thị (8) ta tra được K 1 = 3,145×10 -7 (kmol/h×kg xúc tác×Pa 2 ) - Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là: - = K 1 ×P N - ×P A ×P H2 3 Thay vào ta có: - dN 11 / dV R1 = =3,145×10 -7 ×78846,72- ×36481,32× (3114249,29) 3 = 0,025 Với K P1 = 9,81×10 12 × 803 25600 15.46 e = 14,866×10 20 (Pa 3 ) Suy ra: - N N11 = 0,025×V R11 mà V R11 = Trong đó: M i là lượng xúc tác lò 1 : 11034,6 (Kg) N C1 lượng nguyên liệu vào lò thứ nhất : 2385,91 (Kmol/h) Suy ra: V R1 = = 4,62 (Kg xúc tác/ Kmol) Với V R1 = 4,62 vậy ta có N N11 = 0,025×4,62 = 0,116 - Lượng naphten sau khi phản ứng (1) là : N’ N11 = (Y’ N1 - N N11 )×G c = (0,261 - 0,116)×2385,91= 345,96 (Kmol/h) - Vậy lượng naphten tham gia phản ứng (1) là: 0,116×2385,91= 276,76 (Kmol/h) Hằng số tốc độ của phản ứng chuyển hóa naphten thành parafin ở nhiệt độ 803 o K. T r2 = 803 K 1000/T r2 = 1,245 (K -1 ) Tra đồ thị (8) ta được K 2 = 2,398×10 -15 (Kmol/Pa×h×Kg xúc tác). - Tính K P2 : Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 47 Ta nhận thấy K P2 <<1 chứng tỏ ưu thế phản ứng nghịch chuyển hóa từ hydrocacbon parafin thành naphten. - Sự tăng hàm lượng naphten do phản ứng (2) là: - = K 1 ×P N - ×P P - = 2,398×10 -15 ×78846,72×3114249,29 – ×186329,31 = 0,376×10 -3 (Kmol/h×Kg xúc tác). Với K P2 = 98,1 -1 ×10 -3 ×e (4450/803) - 7,12 = 0,0021×10 -3 (Pa -1 ) Suy ra: N N21 = 0,376×10 -3 ×4,62= 1,73712×10 -3 (Kmol/h). - Vậy lượng naphten sau phản ứng (1) và (2) là: N’ N21 = (Y' N1 + N N21 - N N11 )×G c = (0,261 + 1,73712×10 -3 - 0,116) ×2385,91= 350,1 (Kmol/h). Lượng parafin chuyển hóa thành naphten là: N’ P = 1,73712×10 -3 ×2385,91 = 4,14 (Kmol/h). Vậy ta có cân bằng vật chất các phản ứng hoá học sau: Bảng 17: Cân bằng các phản ứng hóa học cho phản ứng hoá học thứ nhất Lượng các chất tham gia phản ứng (Kmol/h) Lượng các sản phẩm 276,76 C n H 2n 276,76 C n H 2n-6 + 276,76×3 H 2 4,14 C n H 2n+2 4,14 C n H 2n + 4,14 H 2 Bảng 18: Thành phần lượng nguyên liệu trong lò phản ứng thứ nhất Cấu tử Lượng vào Lượng ra A 288,69 288,69 + 276,76 = 565,45 N 622,72 622,72+4,14 – 276,76 = 350,1 P 1474,49 1474,49 – 4,14 = 1470,35 2385,9 2385,9 [...]... tác Pa3) - Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là: - Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 = K1×PN - ×PA×PH23 60 Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm - dN13/dVR3 = 3,145×10-7×16321,133 KP1 = 9,81×1012× e Với 46.15 3,145.10 7 ×92738,035×( 3103635,293)3=0,0045 20 14,866.10 25600 803 = 14,866×1020 (Pa3) - NN13 = 0,00177×VR3 mà Trong đó : VR3 = M3là lượng xúc tác. .. 2,398×10-15 Tính KP2 : (Kmol/pa2×h Kg xúc tác) KP2 = 98,1-1 ×10-3×e(4450/803) - 7,12 = 0,0021×10-3(Pa-1) Ta nhận thấy KP2 . trong hỗn hợp. Thành phần áp suất được cho ở bảng sau, chọn áp suất P = 40 at =3922722,37 (Pa) Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến. đồ thị (8) ta được K 2 = 2,398×10 -15 (Kmol/Pa×h×Kg xúc tác) . - Tính K P2 : Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 47 Ta. (K -1 ) Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 54 Theo đồ thị (8) ta tra được K 1 = 3,145×10 -7 (Kmol/ph×Kg xúc tác Pa 2 )