Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Газохимия и моделирование химико-технологических процессов»

Лабораторная работа №1:

«Расчёт процесса гидроочистки топлив» Вариант 19

Выполнил: ст. гр. БТК-19-01

Кунаккулова И.М.

Проверила: доцент каф. ГМХТП

Хабибуллина Г.Р.

Уфа 2022



Цель работы: необходимо сделать расчет установки гидроочистки дизельного топлива, а именно: определить выход целевого и побочного продуктов, расход водорода на гидроочистку, потери водорода с отдувом, составить материальный баланс установки.

Исходные данные:

1 Производительность установки по сырью ??_с = 2,9 млн. т/год.

2 Характеристика сырья:

фракционный состав 200 ? 350 °С;

плотность, r₀ при 20 ^°С 855 кг/м³;

массовое содержание серы, S 1,5 %;

в том числе:

а) меркаптановой (R-SH) 0,2 %;

б) сульфидной (R-S-R) 0,5 %;

в) дисульфидной (R-S-S-R) 0,2 %;

г) тиофеновой 0,6 %.

непредельных углеводородов 10 % мас. на сырье

3 Остаточное содержание серы в очищенном дизельном топливе S ? 0,2 % масс., т.е. степень или глубина гидрообессеривания должна быть 90 %

4 Гидроочистка проводится на алюмокобальтмолибденовом катализаторе при:

давлении ?? = 4 МПа,

кратности циркуляции ВСГ к сырью ?? = 400 нм³/м³.

5 Кинетические константы процесса:

6

n = 2.



1. Расчет установки гидроочистки дизельного топлива

1.1 Выход гидроочищенного топлива

Выход гидроочищенного дизельного топлива В_дт, % (масс.) на исходное сырье равен:

В _дт = 100 - В _б - В _г- ???, (1)

где В _б, В _г, ??? - выходы бензина, газа и количество удаленной из сырья серы соответственно на сырье, % (масс.).

Бензин и газ образуются преимущественно при гидрогенолизе сернистых соединений.

В _б = ??? = ??_нач ? ??_кон = 1,5 ? 0,2 = 1,3 % масс., (2)

В _г = 0,3 ??? = 0,3 1,3 = 0,39 % масс., (3)

Тогда выход дизельного топлива будет равен:

В _дт = 100 - 1,3 ? 0,39 ? 1,3 = 97,01 % масс.

Полученная величина в дальнейших расчетах уточняется после определения количества водорода, вошедшего в состав дизельного топлива при гидрогенолизе сернистых соединений и гидрировании непредельных углеводородов. Полученные значения выхода газа, бензина и дизельного топлива далее будут использоваться при составлении материального баланса установки и реактора гидроочистки.



1.2 Расход водорода на гидроочистку

Водород в процессе гидроочистки расходуется на:

1) гидрогенолиз сероорганических соединений (G₁);

2) гидрирование непредельных углеводородов (G₂);

3) потери водорода с отходящими потоками (отдув и жидкий гидрогенезат).

Расход водорода на гидрогенолиз сероорганических соединений G₁, % масс. на сырье:

??₁ = ? ??_?? ???_??, (4)

где ??_?? - коэффициент, зависящий от характера сернистых соединений и схемы гидрогенолиза;

???_?? - количество серы (меркаптановая, сульфидная, дисульфидная, тиофеновая и т. д.), удаляемой при гидроочистке, % масс. на сырье.

Значение m для соединений серы:

меркаптановой серы - 0,0625;

сульфидной серы - 0,125;

дисулъфидной серы - 0,0938;

тиофеновой серы - 0,250.

Расход водорода на гидрогенолиз сероорганических соединений дизельного топлива:

??₁ = 0,0625 0,2 + 0,125 0,5 + 0,0938 0,2 + 0,25

(0,6 - 0,2) = 0,194 % (масс).

Количество водорода, необходимое для гидрирования моноолефинов ??_2, % масс. на сырье,



(5)

где ?С_непред - разность содержания непредельных углеводородов в сырье и гидрогенезате, % масс. на сырье, считая на моноолефины;

М_с - средняя молекулярная масса сырья.

Формула для расчета количества водорода, необходимого для гидрирования ненасыщенных связей в молекулах углеводородов сырья (в том числе для гидрирования ароматических колец), может быть представлена в виде:

(6)

где n - число молекул водорода, участвующих в гидрировании ненасыщенных связей в молекуле, n = 10;

?C - количество гидрируемых молекул сырья, % масс. на сырье.

Среднюю молекулярную массу сырья рассчитаем по формуле Крэга:

(7)

где - плотность нефтепродукта.

Принимая. что степень гидрирования непредельных углеводородов и гидрогенолиза сернистых соединений одинакова (по исходным данным 90%), находим:

Мольную долю водорода, растворенного в гидрогенизате, можно рассчитать из условий фазового равновесия в газосепараторе высокого давления:

(9)

где , ^' - мольные доли водорода паровой и жидкой фазах ( в рассматриваемом примере равняется мольной и объемной концентрации водорода в циркулирующем газе);

??_?? - константа фазового равновесия (для условий газосепаратора вы- сокого давления при 40 °С и 4 МПа К_р = 30).

Потери водорода от растворения в гидрогенезате ??₃ (% масс.) на сырье составляют:

(10)

Кроме этих потерь, меют место потери водорода за счет диффузии водорода через стенки аппаратов и утечки через неплотности, так называемые механические потери.

Потери водорода за счёт диффузии через стенки аппаратов и утечки через неплотности рассчитываются следующим образом:



(10)

где ч - кратность циркуляции водородсодержащего газа, нм/м³;

с₀ - плотность сырья, кг/м³.

Потери водорода через неплотности ??₄, % масс. на сырье, могут быть приняты 0,009 - 0,02 % масс. на сырье.

Таким образом:

1.3 Потери водорода с отдувом

Объемный баланс по водороду и углеводородным газам записывается в виде:

(11)

где V₀, V_p, V_отд, V_гк, V_а - объемы свежего ВСГ, химически реагирующего и сорбируемого гидрогенизатом водорода, отдува, газов гидрокрекинга и газов, абсорбируемых жидким гидрогенизатом соответственно, м³/ч;

??^', ??^' ? объемные концентрации водорода в свежем и циркулирующем ВСГ.

Наиболее экономичный по расходу водорода режим без отдува ВСГ можно поддерживать, если газы, образующиеся при гидрокрекинге, и газы, поступающие в систему со свежим ВСГ, полностью сорбируются в газосепараторе в жидком гидрогенизате, то есть:



Реализации этих условий способствует увеличение концентрации водорода в свежем ВСГ, уменьшение реакций гидрокрекинга и повышение давления в системе. Если балансовые углеводородные газы не сорбируются, то часть их выводится с отдувом.

Решением системы уравнений получаем значение объема газов отдува:

(14)

Объем водорда в отдуваемом газе равен ??_отд ??^'. Тогда общий расход водорода при гидроочистке с учетом газа отдува составит:

(15)

Расчет рекомендуется вести на 100 кг исходного сырья, так как при этом абсолютные значения расходных показателей (в % масс.) можно использовать с размерностью кг:

где М_гк- средняя молекулярная масса газов гидрокрекинга.

При одинаковом содержании газов С₁, С₂, С₃ и С₄ средняя молекулярная масса равна:

Количество абсорбированного компонента ??, в кг на 100 кг гидрогенизата равно:

(16)

Количество абсорбированного компонента ?? (??_??, м³ на 100 кг гидрогенизата) составляет:

(17)

Подставляя в выражение (17) соответствующие значения

получим объем каждого компонента, растворенного в гидрогенизате:

Суммарный объем абсорбированных газов будет равен:

??_а= ???_?? = 1,927 м³.

Балансовый объем углеводородных газов, поступающих в газосепаратор (газы гидрокрекинга и вносимые со свежим ВСГ), по формуле (13) составляет:



Поскольку выполняется требование, возможна работа без отдува части циркулирующего ВСГ.

Таким образом, общий расход водорода в процессе гидроочистки будет складываться из водорода, поглощаемого при химической реакции, абсорбируемого в сепараторе высокого давления и механически теряемого:

??_??2 = ??₁ + ??₂ + ??₃ + ??₄ = 0,194 +0,0808+0,0249+0,0418=

= 0,3415 % масс. (18)

Расход свежего ВСГ на гидроочистку равен:

(19)

где 0,29 - содержание водорода в свежем водородсодержащем газе, % масс.

Полученные значения расхода водорода и свежего ВСГ далее будут использованы при составлении материального баланса установки.

1.4 Материальный баланс установки

На основе полученных данных можно составить материальный баланс установки (таблица 1).

Рассчитываем выход сероводорода. Выход сероводорода ??_??2??, % масс., определяется на основе количества удаленной серы (% масс.) из сырья:

(20)

где ??_Н2S- молекулярная масса сероводорода;

??_S - молекулярная масса серы, ??_S = 32.

Количество водорода ??_прод, вошедшего при гидрировании в составе целевой (дизельной) фракции, рассчитывается как разность между количеством водорода ??реакц, расходуемого на реакции, и количеством водорода ??_??2??, вошедшего в состав сероводора.

??_р = ??₁ + ??₂ = 0,194 + 0,0808 = 0,2748 масс. (21)

??_??2?? = ??_??2?? ? ??? = 1,381 ? 1,3 = 0,081 % масс. (22)

??_прод = ??_?? ? ??_??2?? = 0,2748 ? 0,081 = 0,194 % масс. (23)

Уточненный выход гидроочищенного дизельного топлива :

(24)

Выход сухого газа, выводимого с установки, складывается из углеводородных газов, поступающих со свежим ВСГ, газов, образующихся при гидрогенолизе, а также абсорбированного гидрогенизатом водорода:



Таблица 1

Материальный баланс установки гидроочистки

Наименование	% (масс.)	т/год	т/сут*	кг/ч
Взято
Сырье Водородсодержащий газ, в т.ч. 100 % Н2 ?	100	2 900 000 34 162 9903,5 2 934 162	8529,41 100,48 29,13 8 629,89	355 392,16 4 186,52 1213, 66 359 578,676
	1,178
	0,3415
	101,178
Получено
Дизельное топливо очищенное Сероводород Сухой газ** Бензин ?	97,204 1,381 1,293 1,3 101,178	2 818 916 40 049 37 497 37 700 2 934 162	8 290,93 117,79 110,29 110,88 8 629,89	345 455,42 4 907, 92 4 595, 42 4620, 00 359 578,676

* В течении года на установке только 340 дней перерабатывается сырье.

**Механические потери водорода в балансе присоединены к сухому газу.

1.5 Расчет объема катализатора

Основным уравнение для расчета объема катализатора является уравнение:

(25)

где ??₀ и ??_?? - начальное и конечное содержание серы, % масс.

Уравнение (2) аналитически не решается, поскольку с увеличением глубины обессеривания температура процесса повышается, и значение k не изменяется.

Для решения используется графоаналитический метод, который включает следующие этапы:

? составление материально баланса реактора;

? определение:

а) температуры реакционной смеси при различных глубинах обессеривания из уравнения теплового баланса;

б) ??, затем ?? для соответственных значений глубины обессеривания и температуры;

? построение кривой зависимости обратной скорости 1/?? от остаточного содержания серы ??? в координатах 1/?? ? ???; площадь под кривой в интервале от ??₀ до ??_?? численно равна интегралу:

? определение требуемого объема реактора ?? по уравнению (2).

Материальный баланс реактора. В реактор поступает сырье, свежий водородсодержащий газ и циркулирующий водородсодержащий газ (ЦВСГ). Состав ЦВСГ приведен ниже:

Н2	СН4	С2Н8	С3Н8	С4Н10
Мольная доля ??' 0,720	0,200	0,050	0,020	0,010
Мольная доля y 0,192	0,427	0,201	0,103	0,077

Средняя молекулярная масса ЦВСГ ??_ЦВСГ равна:

(26)

где ??_?? - молекулярная масса ?? ? го компонента циркулирующего газа;

Расход ЦВСГ на 100 кг сырья G_ЦВСГ можно найти по формуле:

(27)

На основе данных материального баланса установки гидроочистки (таблица 1) составляем материальный баланс реактора (таблица 2).

Таблица 2

Материальный баланс реактора гидроочистки

Наименование	% масс.	кг/ч
Взято: Сырье Свежий водородсодержащий газ Циркулирующий водородсодержащий газ ИТОГО	100 1,178 15,78 116,958	355 392,16 4186,52 56 080,88 415 659,56
Получено: Дизельное топливо очищенное Сероводород Сухой газ Бензин Циркулирующий водородсодержащий газ ИТОГО	97,204 1,381 1,293 1,3 15,78 116,958	345 455, 42 4907,92 4595,42 4620,00 56 166, 09 415 659, 56

Тепловой баланс реактора. Уравнение теплового баланса реактора гидроочистки можно записать как:

(28)

где ??_с, ??_ц - тепло, вносимое в реактор со свежим сырьем и циркулирующим водородсодержащим газом;

??_??, ??_г.н. - тепло, выделяемое при протекании реакций гидрогенолиза сернистых и гидрировании непредельных соединений;

???_см - тепло, отводимое из реактора реакционной смесью.

Средняя теплоемкость реакционной смеси при гидроочистке незначительно изменяется в ходе процесса, поэтому тепловой баланс реактора можно записать в виде:

(29)

(30)

где G - суммарное количество реакционной смеси, % масс;

? средняя теплоёмкость реакционной смеси, кДж/(кг.К);

???, ?С _н - количество серы, непредельных углеводородов, удалённых из сырья, % (масс.);

??₀, ?? - температура на входе в реактор и на выходе соответственно, °С;

q_S, q_Н - тепловые эффекты гидрирования сернистых и непредельных соединений, кДж/кг.

Ниже последовательно определены численные значение всех членов, входящих в уравнение (27):

? Значение ??₀ определяют для каждой пары катализатор - сырьё в интер- вале 250 - 380 °С. При оптимизации t₀ учитывают следующие два фактора, действующие в противоположных направлениях: с повышением ??₀ уменьшается загрузка катализатора, которая требуется для достижения заданной глубины обессеривания ??? но, с другой стороны, увеличивается скорость дезактивации катализатора и, следовательно, увеличиваются затраты, связанные с более частыми регенерациями и большими днями простоя установки за календарный год.

Для заданной пары катализатор?сырье ??₀ = 350^°C.

? Суммарное количество реакционной смеси на входе в реактор 116,958 кг (таблица 2).

? Количество серы, удаленной из сырья, ??? = 1,3 % (масс. ).

Глубину гидрирования непредельных углеводородов можно принять равной глубине обессеривания:

? Количество тепла, выделяемого при гидрогенолизе сернистых соединений (на 100 кг сырья) при заданной глубине обессеривания, равной 0,9, составит:

(31)

где ??_????- тепловые эффекты гидрогенолиза отдельных сероорганических соединений, кДж/кг;

??_????- количество разложенных сероорганических соединений, кг (при расчёте на 100 кг сырья оно численно равно содержанию отдельных сероорганических соединений в % масс.).

Таким образом:

? Количество тепла, выделяемого при гидрировании непредельных углеводородов, равно 126000 кДж/моль.

Тогда

(33)

? Среднюю теплоёмкость циркулирующего водородсодержащего газа находим на основании данных по теплоемкости отдельных компонентов представленных в таблице 3.



Таблица 3

Теплоемкость индивидуальные компонентов

Теплоемкость	Н2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10
??????, кДж/(кг·К)	14,57	3,35	3,29	3,23	3,18
??????, ккал/(кг·°С)	3,48	0,8	0,786	0,772	0,760

Теплоемкость циркулирующего водородсодержащего газа можно найти по формуле:

(34)

где ??_???? - теплоемкость отдельных компонентов с учетом поправок на температуру и давление, кДж/(кг?К);

??_??- массовая доля каждого компонента в циркулирующем газе.

? Энтальпию паров сырья при 350 ^°С определяют по графику: I³⁵⁰ = 1050 кДж/кг.

Поправку на давление находят по значениям приведенных температуры и давления.

Абсолютная критический температура сырья определяется с использованием графика (2, рисунок 1.14):

Т_кр = 460 + 273 = 733 К. (35)

Приведенная температура равна:



(36)

Критическое давление сырья вычисляют по формуле:

(37)

Где

(38)

Тогда

(39)

Для найденных значений Т_пр и р_пр:

(40)

Энтальпия сырья с поправкой на давление равна:

??³⁵⁰ = 1050 - 13,785 = 1036,215 кДж/(кг?К).

Теплоемкость сырья с поправкой на давление равна:

? Средняя теплоемкость реакционной смеси составляет:

Подставив найденные величины в уравнение, находят температуру на выходе из реактора ??:

Если в реакторе часть сырья находится в жидкой, а часть - в паровой фазе, необходимо рассчитать долю отгона газосырьевой смеси на входе в реактор.

Для определения температуры реакционной смеси при разных глубинах обессеривания необходимо построить график (рисунок 1).

Теплоемкость реакционной среды не изменяется, поэтому зависимость t от ?S линейная и для построения графика достаточно двух точек:

? при начальном содержании ??₀ = 1,5 % (масс.) температура 350 °С;

? при конечном содержании ??_?? = 0,2 % (масс.) температура 364,2 °С.

Данные необходимые для расчета скорости r и обратной скорости 1/?? при разных глубинах обессеривания, сводят в таблицу 5.

По полученным данным строят график в координатах 1/?? ? ??? Графическим интегрированием находят площадь под полученной кривой в пределах содержания серы от 1,5 до 0,2 % (масс. ). эта площадь численно равна интегралу.



Рисунок 1 зависимость температуры реакционной смеси t от остаточного содержания серы ??? в дизельном топливе

Рисунок 2 Данные для кинетического расчета процесса обессеривания

Рисунок 3 Зависимость обратной скорости реакции 1/?? от остаточного содержания серы ??? в гидроочищаемой дизельной фракции

НАДО РАССЧИТАТЬ ДАЛЬШЕ.

Требуемый объем катализатора в реакторе ??_к вычисляют по формуле:

Значение ??^' находят из соотношения:

(42)

Обычно для характеристики процесса применяют показатель - объемную скорость подачи сырья, т. е. отношение объема жидкого сырья, подаваемого на объем катализатора в час (н₀, ч^-1):

(40)

При заданной объемной скорости подачи сырья н₀ объем катализатора

??_к, м³, рассчитывается по формуле:

(41)

где ??_с - объемный расход сырья, м³/ч;

??₀ - объемная скорость подачи сырья, ч^?1. Объемный расход сырья ??_с, м³/ч:

(41)

где ??_?? - производительность установки, кг/ч;

??₀ - плотность сырья, кг/м³.

По найденному значению ??_к вычисляют геометрические размеры реактора гидроочистки при цилиндрической форме реактора и при соотношении высоты к диаметру, равном 2: 1 или

(42)

Тогда

(43)

Диаметр реактора равен:

(44)

Высота цилиндрической части реактора ?_цил:

Общая высота реактора ??:

?? = ?_цил + ??_?? = 8,997 + 2,999 = 11,996 м. (45)



Рисунок 3 Основные параметры реактора

Приемлемость принятой формы реактора дополнительно проверяется гидравлическим расчетом реактора. Потери напора в слое катализатора не должны превышать 0,2 - 0,3 МПа.



Вывод

водород гидроочистка гидрирование установка

в ходе лабораторной работы был рассчитана установка гидроочистки дизельного топлива, которая представляет собой смесь прямогонной дизельной фракции и дизельной фракции, выделенной из продуктов термического крекинга гудрона. Гидроочистку проводят с целью удаления из нефтяных фракций нежелательных компонентов (серы, азота, кислорода и металлорганических соединений), а также с целью гидрирования олефинов и диеновых углероводов.

Целью процесса гидроочистки является получение экологически чистого дизельного топлива с содержанием серы менее 0,2% (масс.). Исходя из результатов расчета можем получить 2 818 916 т/год чистого дизельного топлива при работе установки с производительностью 2,9 млн. т/год. При этом образуется 40 049 т/год, 37 497 т/год и 37 700 т/год сероводорода, сухого газа с учетом механических потерь водорода и бензина (побочных продуктов) соответственно.

Размещено на Allbest.ru