300000·0,1674= 50220 т в рік

н-пентанової фракції, і її загальний потік у реактор складе:

144487+67840=214395 т у рік.

Перейдемо тепер безпосередньо до розрахунку реактора.

1. Розрахунок годинного завантаження й об'ємного потоку сировини. При зазначеному щорічному числі днів нормальної експлуатації реактора (326 днів) годинне завантаження G₀ складе:

G₀=214395/(326·24)=27,4 т/год=27400 кг/год=380,6 кмоль/год.

Об'ємний потік рідкої сировини (V₀) знаходимо по його масовому потоці G₀ і щільності ?_o:

V_o=G_o/?_o=27,4:0,677=40,5 м³/год.

2. Розрахунок кількості каталізатора. Ізомеризацію проводять у нерухомому шарі каталізатора Pt на Al₂O₃+F при об'ємній швидкості подачі рідкої сировини ?_o=1,5 год^-1. Тоді обсяг шаруючи каталізатора складе V_k= =V- ₀/v₀=40,5/1,5=27 м³. При насипній щільності каталізатора, рівної ?_нк=0,65 т/м³, загальна маса каталізатора дорівнює:

G_k=27·0,65=17,55 т.

3. Розрахунок кількості циркулюючого газу. Об'ємний склад (в об'ємних частках) циркулюючого газу задають на основі даних про роботу пілотної (або аналогічної промислової) установки. Він є наступним:



Розрахунок кількості циркулюючого газу

водень	77,9
метан	11,3
этан	5,6
пропан	3,8
ізобутан	0,7
н-пентан	0,7

Помітимо, що співвідношення об'ємних потоків циркуляційного газу й рідкої сировини - кратність циркуляції (?, у м³/м³) можна розрахувати, знаючи мольне співвідношення H₂: вуглеводні (?), об'ємну частку водню в циркулюючому газі ( ), молекулярну масу (М) рідкої сировини і його щільність (?_0- , кг/м³):

У розглянутому прикладі:

Для розрахунку масового потоку циркулюючого газу (G_цг) можна використати співвідношення:

Зрозуміло, що мольний потік циркулюючого газу дорівнює .

4. Розрахунок складу газо-сировинної суміші, що надходить у реактор. На основі отриманих даних вище про кількість і состав потоків, що надходять у реактор, установлюємо склад газо-сировинної суміші (пентанова фракція + циркулюючий газ):

Таблиця 4.1 Склад газо-сировинної суміші, що надходить у реактор

Компонент	Кількість	Частка в газо-сировинній суміші
	кг/год	кмоль/год	масова	мольна (об'ємна)
Водень	1101,35	550,67	0,03388	0,506
Метан	1278,08	79,88	0,03932	0,0734
Етан	1187,59	39,59	0,03654	0,0364
Пропан	1181,94	26,86	0,03636	0,0247
i-Бутани	356,28	4,95	0,01096	0,00455
н-Пентан	24934	351,2	0,767	0,323
Ізопентан	2466	34,25	0,0759	0,0315
Разом:	32505,24	1087,40	1	1

Газо-сировинна суміш надходить у реактор при 653 K і 4МПа. Визначимо об'ємний потік цієї суміші (V_p) на вході в реактор. Відповідно до рівняння ідеального газу, емеем:

5. Розрахунок складу газо-продуктової суміші. Його виконують на основі даних про состав газо-сировинної суміші, а також на основі отриманих на пилотной установці даних про витрати водню й про виходи вуглеводнів при ізомеризації. За цим даними, витрати водню на гідрокрекінг становлять 0,2% (мас.) від сировини (від фракції C₅), а масові виходи продуктів при ізомеризації пентанової фракції [91% (мас.) н-пентана й 9% (мас.) изопентана] розраховуючи на сировину наступні: 55,2% (мас.) н-пентана, 41,2% (мас.) изопентана, 0,7 % (мас.) бутанів, 1% (мас.) пропану, 1,1% (мас.) етана, 0,8% (мас.) метану. Відповідно до цих цифр одержимо наступний склад газо-продуктової суміші:



Таблиця 4.2 Склад газо-продуктової суміші

Компонент	Кількість	Частка в газо-сировинній суміші
	кг/год	кмоль/год	масова	мольна (об'ємна)
Водень	1036,34	518,17	0,0319	0,496
Метан	1505,62	94,10	0,0463	0,09
Етан	1512,64	50,42	0,0465	0,0482
Пропан	1506,99	34,25	0,0464	0,0328
Бутани	551,31	9,51	0,017	0,0091
н-Пентан	14044,74	195,07	0,432	0,187
Ізопентан	12347,59	143,58	0,38	0,137
Разом:	32505,23	1045,10	1,00	1,00

Помітимо, що при технологічному розрахунку досить важливо знати витрати водню. Через малу масу водню, що витрачає, (0,1-0,3% (мас.) від кількості вуглеводнів) експериментальний вимір цієї величини приводить до більшого помилкам. Більше правильним є розрахункове визначення витрат водню по масах обмірюваних вуглеводнів, вимірюваних з достатньою точністю.

4.2 Тепловий розрахунок

При розрахунку теплового балансу реактора визначають кількість тепла, що надходить і йде з реакційною сумішшю, витрати тепла на реакцію й тепловтрати через стінку. За даними теплового балансу визначають температуру потоку, що йде, що необхідно для розрахунку наступних апаратур. Почнемо з оцінки тепловтрат, тому що вони мають самостійне значення.

4.2.1 Розрахунок тепловтрат через стінку

Метою розрахунку є перевірка ефективності ізоляційного матеріалу й визначення зміни температури в реакторі за рахунок тепловтрат. Розрахунок ґрунтується на визначенні коефіцієнта теплопередачі через стінку (k_t) і поверхні теплопередачі (S_t). Кількість тепла, переданого навколишньому середовищу за одиницю часу, становить Q_T=k_t•S_t•?T_cp, де ?T_cp - середня різниця температур реакційної суміші (T_CM) і зовнішньої температури (T_H).

Значення k_t розраховують по відомому співвідношенню

де a₁ і a₂ - коефіцієнти теплопередачі від потоку реагуючої суміші до стінки реактора й від стінки до зовнішнього середовища, а ?_i і ?_i - товщина й коефіцієнт теплопровідності i-шару стінки. Стінка реактора звичайно тришарова: внутрішня футеровка (асбоцемент), метал (сталь) і зовнішня ізоляція (азбест). Товщина шару металу визначається тиском у реакторі й становить 3-7 мм, товщина ізоляційного й футеровочного шарів близька до 5 мм. Значення ? для сталі, асбоцемента й азбесту становлять 162, 2,2 і 0,5 відповідно [2], розраховують по емпіричних формулах; для режиму промислового реактора вони рівні 36,1 і 1,2 . Тоді k_t складе:

,

і навіть при максимальної ?T_cp=450 K маємо

де R - радіус реактора, а H - його висота.

При розрахованих нижче розмірах реактора тепловтрати (Q_T) складе усього , що значно менше тепловбирання за рахунок реакції. Співвідношення тепловтрат через стінку й тепловбирання за рахунок реакцій не перевищує 0,005 (0,5%). Це означає, що промисловий реактор ізолюється досить ефективно.

Розрахуємо тепер, наскільки впаде температура в реакторі за рахунок тепловтрат у навколишнє середовище. Позначимо цю величину ?T_T. Якщо G_0, c_po і с_рцг - масові потік і теплоємність вуглеводнів і циркулюючого газу, а - масове співвідношення циркулюючого газу й вуглеводнів, то маємо:

Для величин, наведених у технологічному розрахунку, маємо ?T_T <1⁰С_, тобто тепловтрати мало міняють температуру в реакторі, і при розрахунках основного процесу можна вважати промисловий реактор адіабатичним.

4.2.2 Розрахунок кількості тепла, що надходить і йде з реакційною сумішшю, і теплоти реакції

Кількість тепла потоку реагентів (Q_п1) розраховують по масі (G_i) і тепломісткості (q_i) компонентів потоку на виході при температурі Т₀:

G_i наведені в таблицях 4.1 і 4.2; величини q_i і c_pi визначають як функції критичних параметрів (T_k- і p_k) і масових часток () компонентів: на основі таблиць і номограм. Спочатку розраховують (Q_п1) для вхідного потоку (приблизно [2]). Потім, задаючись теплотою реакції на одиницю маси сировини, розраховують тепловиділення за рахунок реакції (Q_p- ). Оскільки тепловтрати через стінку відносно малі, приймаємо:



Тут - кількість тепла, уносимое газо-продуктовим потоком. Знаючи , далі підбором визначають температуру вихідного потоку (T_в), для якої виконується умова: .

Такий метод визначення T_в є наближеним не враховуюче одночасне протікання ізомеризації й гідрокрекінгу.

4.3 Розрахунок аеродинамічного режиму й розмірів реактора

Лінійна швидкість потоку реагуючої суміші () не повинна перевищувати швидкість витання (), тобто швидкість, при якій починається рух зерен каталізатора. Звичайно користуються умовою: . Останню величину можна знайти з емпіричного рівняння, що зв'язує критерій Рейнольдса для витання й критерій Архімеда

Причому

.



Тут d - діаметр зерна каталізатора (0,003 м), - щільність і кінематична в'язкість реакційного середовища; - гадана щільність каталізатора; g - прискорення вільного падіння. Значення . Величину легко знайти по рівнянню ідеального газу:

Величини - мольні (об'ємні) частки компонентів реакційного середовища - дані в табл. 4.1. Так, для вхідного потоку маємо:

Значення легко розрахувати по насипній щільності каталізатора й пористості шаруючи (?). Пористість визначається експериментально, і для обраного каталізатора вона становить 0,4. Тоді маємо:

Тепер одержуємо можливість розрахувати критерій Архімеда:

Тоді

Тому



и. По лінійній швидкості газового потоку й об'ємному потоку реагуючої суміші, що надходить у реактор (V_p), знайдемо діаметр реактора D. Тому що

те

Прийнявши з деяким запасом і з урахуванням розмірів стандартних апаратур D=2,6 м, визначимо висоту реакційної зони по відомому обсязі каталізатора (Vk):

Для розрахунку перепаду тиску в потоці газів, що проходить через нерухомий шар каталізатора, використаємо рівняння Ергуна:

Звідси

Розрахунок по цьому рівнянню показує, що перепад тиску в каталізаторному шарі висотою 5,1 м дорівнює 0,00019 МПа, тобто тиск у реакторі міняється не істотно.



5. Конструювання реактора, розрахунки його основних деталей на міцність

Розрахунок корпуса апарата на міцність

Розрахунок проведений за ДСТ 14249-80 «Посудини й апарати. Норми й методи розрахунку на міцність.

5.1 Визначення товщини оболонки корпуса

,

де:

=1 - коефіцієнт міцності звареного шва;

=137 МПа - допустима напруга для сталі 12 ХМ при температурі 350⁰С;

С=0,3 см - збільшення до розрахункової товщини оболонки для компенсації корозії;

С₁=0- додаткове збільшення до розрахункової товщини стінки.

Приймаємо товщину стінки оболонки з урахуванням негативного відхилення в сортаменті на листову сталь за ДСТ -74 S=55мм.

5.1.2 Визначення товщини стінки еліптичного днища



де:

R- радіус кривизни у вершині днища (для стандартних еліптичних днищ R=D).

Приймаємо товщину днища з урахуванням утоненя листа при штамповці S₁=60мм.

5.2 Розрахунок зміцнення отворів

Розрахунок проведений по ДСТ 26-2045-77 «Посудини й апарати норми й методи розрахунку зміцнень отворів».

5.2.1 Найбільший припустимий діаметр

Найбільший припустимий діаметр, що, одиночного отвору, що не вимагає додаткового зміцнення в днище:

,

де: К₁=1,0; К₂=0,8 - коефіцієнти, обумовлені по ДСТ 26-2045-77;

s=s-c-c₁=4,69 см - розрахункова товщина стінки днища см.

де: м - відстань від центра зміцнювального отвору до осі днища.

Розглянемо три типи отворів:

а) центральне розташованя (горловини корпуса реактора) г^а= 0 см;

б) зміщений від осі штуцер «кармана» термопари г^б=85 см;

в) зміщений від осі штуцер вивантаження каталізатораь г^в=80 см.

D_R^a=2D=2·260=520 см.

тобто потрібне зміцнення штуцерів-горловин верхньої й нижньої.

Для верхнього й нижнього днищ для подальшого розрахунку визначаємо найбільший допустимий діаметр отвору, що не вимагає додаткового зміцнення, при відсутності надлишкової товщини стінки:

.

5.3 Визначення тиску регенирації, пробного тиску й пускового тиску при мінусовій температурі

Розрахунок тиску, що допускає, при режимі регенирації вводиться при конічному переході діаметром 500 маємо Т=570 ^оС, то Для сталі 12XM, 08X18H10T



де f - коефіцієнт форми днища визначається за ДСТ 14249-73 в залежності від кута й відношення . f=1,2.

.

Приймаємо робочий тиск при регенирації .

Визначаємо пробне тиску при гідровипробуванні на підприємство-виготовлювача:

де , - допускає напряжение, що, для сталі 12

XM при T=20 ^o і при T=350 ^o.

.

Приймаємо .

Пусковий тиск при мінусовій температурі максимальна величина тиску середовища в апарату при пуску й обпресуванні холодного апарата.



Приймаємо .

5.4 Розрахунок кришки на штуцері вивантаження каталізатора

Матеріал кришки - сталь 15X5M, прокладки 08X18H10T.

Допуск напруги при T=350 ^o . Збільшення для компенсації корозії С=0,3 мм.

Dсн=275 мм	b= 16 мм
Dз= 360 мм	h2=11 мм

Розрахунок товщини кришки.

Де - розрахункова товщина стінки кришки.

k - коефіцієнт, що залежить від конструкції зміцнення кришки.

k_o - коефіцієнт ослаблення кришки отвором.

- розрахунковий діаметр кришки, що дорівнює середнім діаметрам прокладки.

f - коефіцієнт міцності зварених швів .

Величина k визначається за ДСТ 1429 - 80



де - болтове навантаження, H.

- рівнодіюча внутрішнього тиску на кришку, Н.

де b_o - ефективна ширина прокладки:

m - прокладочний коефіцієнт для сталі 08X18H10T m=6,5.

тоді

; , тому що отвір для болтів у розрахунку не приймають.

Виконавча товщина кришки

Приймаємо S₁=75мм.

Товщина кришки в місці ущільнення



тут за ДСТ 14249- 80 і k₂ =0,45.

Прийнята товщина в місці ущільнення

Визначаємо напруги в кришці при гідровипробуванні пробним тиском

де P_n- 6,6 МПа - тиск гідровипробування

де - допускає напряжение, що, при гідровипробуванні; - боковий вівтар плинності стали 15X5M при T=20^o.

5.5 Розрахунок температури зовнішньої стінки реактора

Тепловий потік через ділянку футеровки 1м² визначається рівнянням



температура на границі покривного й теплоізоляційного шарів.

Температура зовнішньої стінки

Розглянемо два режими

1. режим реакції

2. режим регенерації



6. Екологічна обстановка на виробництві

Тверді вимоги по змісту води й сірковмісних сполук у сировину ізомеризації обумовили необхідність наявності в комплексі ізомеризації блоку попереднього гідроочищення й осушувачів сировини й водню. Домішки, що видаляють із сировини при його підготовці, утилізуються на існуючих виробничих потужностях - установка виробництва сірки й установка відпарки кислої води - і не забруднюють навколишнє середовище. При організації технологічного процесу предгідроочистки й ізомеризації для захисту атмосферного повітря від забруднюючої дії установки передбачене здійснення технологічного процесу в герметично закритим апаратам, застосування насосів з подвійним торцевим ущільненням для перекачування нафтопродуктів і інші заходи. Це дозволить повністю виключити викиди нафтопродуктів і водню. Обладнання установки предгідроочистки й ізомеризації виконано з умовою дотримання всіх необхідних мір безпеки технологічного процесу, імовірність виникнення аварійних ситуацій мінімізується за рахунок застосування засобів автоматизації, систем сигналізації й блокувань.



7. Економічна оцінка удосконалень, впроваджених у проекті

З розділу 1 кінетичне рівняння, яке описує процес ізомеризації на алюмоплатиновому каталізаторі, промотированому фтором:

Звідси

З рівняння (6.3) отримуємо час перебування для вибраного каталізатора.

З розділу 1: табл. 1.3 ; ;

табл. 1.1 .

При ступені перетворення 0,5, маємо:

З розділу 1 кінетичне рівняння, яке описує процес ізомеризації на алюмоплатиновому каталізаторі, промотированому хлором:



Враховуючи те, що алюмоплатиновий каталізатор промотується в промисловості перхлоретиленом, тому втрату активності каталізатором за проміжок часу t можна не враховувати. Тоді рівняння, яке описує кінетику процесу ізомеризації прийме вигляд:

З даного рівняння виразимо час перебування при даному каталізаторі для ступеня перетворення 0,5.

З табл. 1.4 і 4.1. маємо К_р=4,51; ; , маємо:

В результаті використання алюмоплатинового каталізатора промотированого фтором час перебування зменшується в рази, тобто в даному випадку кількість каталізатора зменшується на 4 %.



Висновок

У даному курсовому проекті по заданим характеристикам зроблений розрахунок основних технологічних і конструктивних параметрів реактора установки ізомеризації бензинової фракції з продуктивністю по сировині 200 тис. т в рік. А також було вивчено теоретичну основу хімічного процесу ізомеризації. В теоретичній основі висвітився, на практичних і чисто теоретичних основах, процес ізомеризації. В результаті можна говорити про те, що в даному курсовому проектові бралося до уваги не тільки теоретичні основи, а і досліди, які проводилися науковцями. Ці досліди і використалися в даному курсовому проекті.

Характеристика даного реактора, яка приведена в технологічному розрахунку даного курсового проекту:

загальний потік у реактор газової суміші становить 205206 кг в рік;

маса каталізатора 18210 кг;

об'ємний потік, який надходить у реактор 0,29 м³/с;

висота шару каталізатора 5,3 м.

Корпус реактора виготовлений із хром-молібденової сталі марки 12ХМ.

В даному курсовому проекті реактор проектувався з футеровкою, яка захищає стінку реактора від високих температур. Тому розрахована температура стінки реактора не перевищує 45⁰С.



Список використаної літератури

1. Жоров Ю.М. Изомеризация углеводородов: Химия и технология. - М.: Химия, 1983 - 304 с.

2. Бурсиан Н.Р. Технология изомеризации парафиновых углеводородов. - Л.: Химия, 1985- 192 с., ил.

3. Беркман Б.Е. Основы технологического проектирования производств органического синтеза. - М.: Химия, 1970.

4. Под редакцией С.И. Зусмановокой Расчет и конструирование нефтяной аппаратуры. - Вып. 20. М.: Отдел научн. информации, 19673 - 186 с.

5. С.В. Адельсон, П.С. Белов Примеры и задачи по технологии нефтехимического синтеза. - М.: Химия, 1987 - 192 с.