Проект установки гидрооочистки/депарафинизации. Расчет реактора депарафинизации

Сделаем допущение, что в реакторе реализуется гидродинамический режим идеального вытеснения. Принимается поршневое течение без перемешивания вдоль потока при равномерном распределении субстанций в направлении, перпендикулярном движению. Время пребывания в системе всех частиц одинаково и равно отношению объема системы к объемному расходу жидкости. Уравнение, описывающее модель:

Таблица 3-Материальный баланс установки ГО/ДПдизельного топлива

(1)

где -- линейная скорость потока, м/с.

Модель реактора идеального вытеснения можно построить на основании типовой модели идеального вытеснения с учётом скорости химической реакции уравнение, описывающее гидродинамическую модель для выбранного вещества, дополняется такой величиной, как скорость реакций по данному веществу:

 (2)

Исследование реактора будем проводить, считая, что он работает в стационарном режиме:

(3)

Кроме того, -- время контакта, с.

Поскольку состав сырья задан в массовых долях, а в кинетической модели процесса для расчета используются мольные доли, необходим пересчет из массовых долей в мольные.

Для пересчета состава питания воспользуемся формулой:

(4)

где -- средняя молекулярная масса сырья; -- молекулярная масса

i-го компонента в сырье; -- массовая доля i-го компонента в сырье; -- мольная доля i-го компонента в сырье.

На основе данных хроматографического анализа было определено, что в составе сырья находятся компоненты со следующим количеством атомов углерода.

Таблица 4- Количество атомов углерода в компонентах сырья

Рассчитаем среднюю молекулярную массу компонента по формуле:

(5)

По правилу аддитивности рассчитаем среднюю молекулярную массу сырья:

Для расчёта состава продуктов реакции, покидающих реактор, необходимо знать константы химических реакций, т.к. значение констант неизвестно, то воспользуемся групповым балансом углеводородов (таблица 5).

Таблица 5 - Групповой состав сырья и продуктов реакций

Таблица 6 - Баланс по ВСГ

2.2 Тепловой расчет реактора

Уравнение теплового баланса для реактора гидродепарафинизации будет иметь вид:

Q1=Q2+Q3+Q4 (6)

Q1 -приход тепла с сырьём и циркулирующим газом, Q2 -расход тепла на реакции, Q3 - расход тепла с продуктами реакции и циркулирующим газом, Q4-потери в окружающую среду.

Рассчитаем энтальпию газового потока на входе в аппарат. Энтальпию подогретого углеводородного сырья можно рассчитать, используя модель Уэйра и Итона :

(7)

Энтальпии водорода и углеводородных компонентов ВСГ можно рассчитать с помощью энтропийно-информационной модели :

(8)

где ; -- энтропия газа при температуре T (кал/моль•К);

Энтропию газа можно рассчитать по уравнению :

(9)

где -- средняя теплоемкость газа на интервале температур от 298К до Т.

Среднюю теплоёмкость циркулирующего ВСГ найдём по формуле :

Ср=4184*(а+bТ+cT2) или Ср=4184*(а+bТ+cT2+dT3) (10)

Значения коэффициентов и рассчитанная теплоёмкость представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Значения коэффициентов

Средняя теплоемкость ВСГ составит 7,609 кДж/(кг*К).

Таблица 8 - Расчёт энтальпии питающей смеси

(11)

Величину Q2 найдём следующим образом:

(12)

где - количество сырья, кг/ч; - теплоёмкость газа, поступающего в реактор, кДж/(кг*К); - перепад температуры потока в реакторе, К

Количество сырья:

Теплоёмкость газа, поступающего в реактор:

(13)

где - теплоёмкость сырья, кДж/(кг*К); - теплоёмкость циркулирующего газа, приведённая к теплоемкости сырья, кДж/(кг*К).

Теплоёмкость сырья:

(14)

где - теплоёмкость сырья в зависимости от его температуры (рисунок 1) кДж/(кг*К); - поправка на теплоёмкость в зависимости от относительной плотности и характеристического фактора k сырья реактора.

Используя формулу Крэга рассчитаем относительную плотность сырья при температуре 288 К, решив ее относительно плотности :

(15)

Зная, что средняя молекулярная масса сырья М=131,78, тогда:

Зная, что относительная плотность сырья а средняя молекулярная масса М=131,78 кг/кмоль, тогда k?11,6

К - фактор, характеризующий содержание парафиновых углеводородов в топливах, обычно принимает значения от 10 до 13.

Для парафиновых углеводородов К=13-12,5, нафтеновых и ароматических углеводородов К=11-10.При температуре Т=621,5 К по рисунку 1 получаем:

Таким образом,

Перепад температуры по всему сечению реактора составляет 7 К.

Количество тепла, которое выделяется при гидрокрекинге парафиновых углеводородов:

Примем потери в окружающую среду в размере 1 %, тогда:

Величина теплопотерь:

Таблица 9 - Тепловой баланс реактора

Величина энтальпии продуктов реакции при температуре Твых равна:

Тепловой эффект процесса составит:

2.3 Основные размеры реактора

Диаметр реактора рассчитываем так, чтобы перепад давления в слое катализатора не превышал допустимого значения .

Величину для реактора примем по справочным данным:

 (16)

где д -- доля гидравлического сопротивления слоя в общем гидравлическом сопротивлении реактора; np-- количество реакторов в установке.

Подставив значения д=0,5 и , получим:

(17)

Для расчета величины воспользуемся формулой:

(18)

где -- потери напора на 1 м высоты слоя катализатора в реакторе, -- порозность слоя, -- скорость фильтрования, -- плотность газовой смеси, -- кинематическая вязкость, -- эквивалентный диаметр частиц катализатора.

Порозность слоя катализатора при допущении упорядоченного расположения частиц катализатора равна:

(19)

где -- объем шара, эквивалентный объему частицы катализатора цилиндрической формы, -- объем куба, описанного вокруг шара.

В качестве катализатора депарафинизации используют катализатор Hydrex-G, т.к. основные параметры зерна катализатора неизвестны, то зададимся ими диаметр d=0,002 м и высоту равную H=0,004 м, то

Сторона куба, описанного вокруг шара, равна эквивалентному диаметру этого шара:

Числовое значение порозности при:

Скорость радиального фильтрования газовой смеси в наиболее узком сечении у сетки трубы:

(20)

где -- объем газов, проходящих через свободное сечение реактора; -- площадь сетки у трубы.

Величину можно рассчитать по формуле:

где -- количество газовой смеси в реакторе; -- средняя температура в реакторе; -- коэффициент сжимаемости газа, значительно разбавленного водородом; -- средняя молекулярная масса газовой смеси; -- среднее давление в реакторе.

Средняя температура в реакторе равна:

Среднее давление в реакторе примем равным:

Тогда можно рассчитать :

Приняв диаметр реактора Dреак=4 м, диаметр сетки Dс=0,35 м рассчитаем площадь поперечного сечения реактора, через которую проходит газ:

Высота слоя катализатора в реакторе равна:

где -- объем катализатора в реакторе, F-- площадь поперечного сечения аппарата.

Таким образом, можно рассчитать скорость фильтрации:

Плотность газовой смеси на выходе из реактора:

(21)

где сi - плотность компонентов газовой смеси, кг/м3; у'i - содержание компонентов в газовой смеси, мол.доли.

Плотность компонентов газовой смеси при средней температуре можно оценить по уравнению Клапейрона-Менделеева:

(22)

Таблица 10 - Расчет плотности газовой смеси на выходе из реактора

Плотность газовой смеси на выходе из реактора составит 53,34 кг/м3.

Кинематическую вязкость газовой смеси можно рассчитать по формуле Манна:

 (23)

Кинематическая вязкость водорода, метана, этана, пропана, бутана была найдена по справочнику [6].

Кинематическая вязкость ароматических, парафиновых и нафтеновых углеводородов при температуре Т=Тср рассчитывается по формуле:

(24)

где -- динамическая вязкость, -- плотность углеводородов.

Динамическая вязкость углеводородов при средней температуре в реакторе можно рассчитать из соотношения:

(25)

С=1,22*Ткип, где -- температура кипения углеводорода, К;

Динамическую вязкость по известной величине молекулярной массы углеводорода можно определить из диаграммы (рисунок 1).

Рисунок 1 -- Зависимость динамической вязкости углеводородов паров углеводородов от молекулярной массы при Т = 273 K

Температуру кипения углеводородов определим из диаграммы (рисунок 1)

Расчет динамической и кинематической вязкости углеводородов, а также вязкости смеси газов в реакторе представлен в таблице 11.

Таблица 11- Расчет кинематической вязкости

Подставив рассчитанные значения вязкости компонентов в формулу Манна, найдем кинематическую вязкость газовой смеси:

Подставив в формулу для расчета потери напора числовые значения всех найденных величин, получим:

(условие выполняется).

2.4 Высота реактора

Полная высота реактора равна:

В результате конструкторских соображений высота реактора была уменьшена и принята 20 м

2.5 Расчёт количества катализатора

Количество катализатора, необходимое для проведения процесса составит:

где ?о - объёмна скорость подачи сырья ч-1, сс - плотность сырья кг/м3, Gс - расход сырья кг/ч.

Найдём требуемое количество катализатора:

(26)

где - объём катализатора, м3, - насыпная плотность катализатора, кг/м3.

Для проведения процесса понадобиться 97500 кг катализатора.

2.6 Механическая часть

2.6.1 Расчет толщины стенки обечайки

Чтобы выбрать формулу для расчета номинальной толщины стенки обечайки, необходимо предварительно найти величину , где -- допускаемое напряжение для выбранной стали, -- максимальное давление в аппарате, -- коэффициент, учитывающий ослабление обечайки в продольном направлении.

Материал хромомолибденовая сталь 12ХМ, теплоустойчива до температуры 560оС [8].

Значение допускаемого напряжения на растяжение можно рассчитать используя формулу:

где . [8]

Расчётное допустимое напряжение с учётом поправочного коэффициента составит:

Принимая значение ц=1, получаем ,

следовательно, номинальную толщину обечайки рассчитаем по формуле:

Примем толщину обечайки 100 мм. Добавим прибавку на коррозию 5 мм. Общая толщина обечайки составит 105 мм.

2.6.2 Выбор крышки и днища

Для данного аппарата подобрать стандартную крышку и днище не возможно, в связи с этим данные детали будем изготавливать из штампованных секторов и центрального эллиптического диска с последующей сваркой их между собой.

Рисунок 2 - Конструкция сферического днища

Толщину днищ выбираем в соответствии с толщиной обечайки.

Таблица 12 -- Конструктивные параметры крышки и днища аппарата

Крышка 4000х105 - 2000 - 12ХМ

Для чистки и обслуживания аппарата необходимо либо съемное днище, либо крышка, т.к. аппарат имеет относительно большие размеры, то чистку аппарата лучше производить сверху. Таким образом, для нашего аппарата делаем съемную крышку и приварное днище.

2.6.3 Расчет центральной трубы

Номинальное допускаемое напряжение для стали марки 12ХМ при расчетной температуре 408°С составляет 167,2 МПа.

Допускаемое напряжение определяется по формуле:

,

где з - коэффициент, равный 0,9.

Т.к. отношение

то минимальную толщину стенки трубы, нагруженной внутренним избыточным давлением, рассчитываем по формуле [9]:

где Р - внутреннее избыточное давление (P = 7,34 МПа);dнар - наружный диаметр трубы (D =0,35 м);ц = 1 - коэффициент прочности сварного шва;

Принимаем толщину трубы s = 10 мм.

2.6.4 Расчет и подбор штуцеров

Диаметр входного патрубка рассчитываем по следующей формуле:

 (27)

где - объемный расход газа, м3/с; - средняя скорость потока, принимаем за 15 м/с.

Принимаем диаметр штуцера под термопару dшт,4 = 50 мм.

Таблица 13 - Конструктивные параметры штуцера

Штуцеры изготавливаются из двухслойной стали с приваренными фланцами

Штуцер: тип 1, материал сталь 12ХМ

2.6.5 Расчет укреплений

Наибольший допустимый диаметр одиночного отверстия в стенке, не требующий дополнительного укрепления, определяется по формуле:

(28)

где s = 0,105 м - толщина стенки;

sґ - номинальная расчетная толщина стенки крышки без прибавок и при

цш = 1 в м (см); ск = 0,005 м - прибавка на коррозию, м (см).

Наибольший допустимый диаметр равен:

Поскольку внутренние диаметры обоих штуцеров (0,4м) меньше dд, то отверстия для них в крышке укреплять не надо.

2.6.6 Выбор опоры

Найдем приблизительную массу реактора:

(29)

Масса обечайки

Массы днища и крышки (суммарно):

G=34816,32 кг

Масса катализатора: 97500 кг;

Масса заполненного реактора:

Общая масса: 553578 кг.

Общий вес: Р=5 425 066Н или 5,425МН.

Выбираем опору типа II исполненияБ на нагрузку
25,0 МН на одну шт.: Опора-лапаОВ-II-Б-100000 ОН 26-01-69-68.

Таблица 14 - Параметры опоры

гидроочистка депарафинизация дизельный топливо

Параметры подкладного листа:s1 =28 мм; L3 = 600 мм; Н1 = 1230 мм.

Общее количество опор составит 22 шт. с нагрузкой на одну опору 24,6МН. При использовании подкладного листа с шириной в 600 мм расстояние между опорами составит 81 мм, по конструктивным соображениям будет использован цельный металлический подкладной лист по всей длине реактора.

2.6.7 Расчет толщины тепловой изоляции

Для расчета толщены тепловой изоляции воспользуемся формулой для теплопереноса через цилиндрическую стенку:

,(30)

где l - высота аппарата, tв - температура в аппарате, tн - температура наружной стенки изоляции, - теплопроводность изоляции, R1 - внутренний радиус изоляции, R2 - наружный радиус изоляции.

Толщина изоляции равна:

(31)

Тогда формула теплопроводности имеет вид:

(32)

Тепловые потери можно рассчитать по формуле:

, (33)

где - суммарный коэффициент конвекции и излучения, рассчитываемый по формуле:

,(34)

где tос - температура окружающей среды.

Приравнивая формулы для расчета теплопотерь:

(35)

Данное соотношение решаем графически путем нахождения точки пересечения графиков описываемых следующими функциями:

 (36)

Примем за изоляционный материал асбест с коэффициентом теплопроводности равном

Рассчитаем теплоизоляцию для верха колонны:

Примем температуру окружающей среды равной tос = 0С и температуру наружной стенки равной tн = 40C. Тогда коэффициент теплоотдачи равен:

Внутренний радиус изоляции примем равным радиусу реактора:

Построим графики зависимости (рисунок 5):

Рисунок 3 - К определению толщины тепловой изоляции для реактора

По данным рисунка 7 примем толщину изоляции примерно равной 0,016 м

Примем общую толщину изоляции с запасом равную 0,02 м.

2.6.8 Расчет на ветровую нагрузку

Справочный норматив: (определяется программистом)

Подъем основания над уровнем земли: 0,0000м

Увеличение фактического наружного диаметра на: 1,0000 м

Коэффициент силы ветра Cf: 1,3400 м

Характеристики:

Высота,Н: 20 м

Частота основания, n1:

Рабочий, корродированный: 4, 7123Гц

Порожний, корродированный: 8,1554 Гц

Гидростат. Испытание, новый: 4,7787 Гц

Коэффициент демпфирующей силы, в

Рабочий, корродированный: 0,0243

Порожний, корродированный: 0,0210

Гидростат. Испытание, новый: 0,0210

Таблица давлений ветра (WP)

Коэффициент силы ветра Сf: 1.3400

Расчетное давление ветра

Расчетная сила ветра определяется по формуле:

F=Af (37),

где F-давление,Af-выступающий участок.

Проверка ветровой нагрузки определяется по ГОСТу Р 51273-99

Ветровое давление: q10=380 H/м2

Ветровая зона:III

Поправ. коэфф. Высоты:f=1,25 высота 20 м

Коэфф. значимости:I=1

Ветровой коэффициент:Cf=0,7

Расчетная скорость ветра:v=5,8 м/сек

Ветровая нагрузка, воздействующая в нормальном направлении на стенку, рассчитывается по формуле:

(38),

где Ае== 97,70502 м2 подверженная площадьср=1,5 коэффициент увеличения подверженной(fлестница/платформа/трубопровод); D= 4 м,Н= 20 м

q=q10f=475,00 Н/м2 ветровое давление вплоть до 20 м1)Условия порожний и рабочий : Fw=30492N=3108 кгMw=FwH/2=238142 Нм2)Условия гидростатического испытания. Условие сдвига: Fwh=15246N=1554 кг. Опрокидывающий момент: Mwh=119071 Hм.

Заключение

В данном курсовом проекте был рассчитан реактор установки гидроочистки/депарафинизации, а именно блока депарафинизации.

Целью депарафинизации является снижение температуры помутнения и застывания дизельного топлива в зимний период времени года. Парафины, содержащиеся в дизельном топливе, способны осаждаться и образовывать кристаллы, ограничивающие текучесть дизельного топлива по мере снижения температуры.

Депарафинизация осуществляется за счет расщепления этих парафиновых соединений на меньшие молекулы нефтепродуктов с сильно сниженными способностями к парафинообразованию. Взаимодействие парафинов на катализаторе начинается с образования олефинов в металлических центрах и образования карбониевых ионов из этих олефинов в кислотных центрах.

Реакторы гидрокрекинга, гидроочистки, гидродепарафинизации, гидроконверсии, риформингa предназначены для глубокой переработки нефти и получения бензина стандарта Евро-5, высококачественного дизельного топлива, бензола и т.д.

Изготовление реакторного оборудования осуществляется по проектам ведущих мировых лицензиаров -- Chevron Lummus Global, ExxonMobil, AXENS, HALDOR TOPSOE A/S и др.

Для данного расчета были взяты материальный баланс установки, исходные данные из источников АНПЗ. Так же был сделан технологический и механический расчет. В технологическом расчете, мы выявили, что диаметр установки 4 м, высота была принята 20м, в соответствии с этим была рассчитан параметр на ветровую нагрузку.

С учетом данных приведенных в курсовом проекте, можно сказать, что если учесть все параметры, то данный реактор строить целесообразно.

Список использованной литературы

1. Сериков Т.П, З.Ф. Серикова, Б.Б Оразбаев, Уразбаев К.К, Козырев Д.В Новые установки Атырауского НПЗ: Установка гидроочистки и депарафинизации дизельного топлива. - Алматы:«Эверо», 2008 - 164 с.

2. Краткий справочник по химии под ред. Куриленко. - Киев: «Наукова думка», 1974 - 991 с.

3. Средин В. В. Химия и технология топлив и масел, 1967, №1, с. 4-7.

4. Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. -- Л: «Химия», 1974. -- 344 с.

5. Дубовкин Н. Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания. М.: Госэнергоиздат, 1962 - 228 с.

6. Павлов К.Ф., Романков П.Т., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. -- Л.: Химия,1987

7. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры : справочник / А. А. Лащинский, А. Р. Толчинский. - 3-е изд., стер. - М. : Альянс, 2008. - 752 с.

8. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию: учебное пособие / Под ред. Ю. И. Дытнерского. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Химия, 1991. - 496 с.

9. М.А.Танатаров, М.Н Ахметшина, Р.А. Фасхутдинов, Н.Д. Волошин, П.А Золотарев. Технологические расчеты установок переработки нефти. Издательство «Химия» 1987г.

10. Н. Г.Дигуров, А.Г. Китайнер, А.Ю Налетов, В.В. Скудин. Проектирование и расчет аппаратов технологии горючих ископаемых. Учебное пособие для вузов, под редакцией Н.Г. Дигурова.- М.: Химия, 1993. 288 с.: ил.

11. Н.И Черножуков Технология переработки нефти и газа. Часть 3.

Размещено на Allbest.ru