4Расчеттехнологического процесса гидроочистки смесевого сырья
4.1 Расчет реактора
Исходные данные:
- производительность по сырью Gс= 800000 т/г;
- плотность бензиновой фракции р0= 760 кг/м3;
- плотность дизельной фракции р0= 820 кг/м3;
- содержание серы в бензиновой фракции S=0,078 % масс., в том числе меркаптановойSм=0,0039 % масс., сульфидной Sс=0,039 % масс., дисульфидной Sд=0,0078 % масс., и тиофеновой Sт=0,0273 % масс., содержание непредельных углеводородов 2 % масс. на сырье;
- содержание серы в дизельной фракции S=1,2 % масс., в том числе меркаптановой Sм=0,06 % масс., сульфидной Sс=0,6 % масс., дисульфидной Sд=0,12 % масс., и тиофеновой Sт=0,42 % масс., содержание непредельных углеводородов 2 % масс. на сырье;
- остаточное содержание серы в очищенной бензиновой фракции Sб=0,0001 % масс., то есть степень или глубина гидрообессеривания должна быть 99,87 % масс.;
- остаточное содержание серы в очищенной дизельной фракции Sд.т.=0,001 % масс., то есть степень или глубина гидрообессеривания должна быть 99,92 % масс.;
- кратность циркуляции ВСГ к сырью Кц=300 м3/м3;
- давление в реакторе Р= 3,5 МПа;
- температура газо-сырьевой смеси на входе в реактор 3400 С.
Составы ВСГ и ЦВСГ представлены в таблицах 2 и 3
В процессе гидроочистки используем катализатор АКМ, характеристика которого приведена в таблице 4.
Таблица 2- Состав ВСГ
Компонент |
H2 |
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
С4Н10 |
i-С4Н10 |
Бензин |
Плотность ρ, кг/м3 |
Объемная доля, % об. |
84,45 |
8,79 |
4,21 |
1,4 |
0,21 |
0,23 |
0,06 |
0,277 |
Массовая доля, % масс. |
29 |
23,98 |
21,5 |
10,76 |
2,11 |
2,27 |
9,63 |
Таблица 3 - Состав ЦВСГ
Компонент |
H2 |
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
С4Н10 |
i- С4Н10 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Объемная доля у, % об. |
80,14 |
14,3 |
4,18 |
0,96 |
0,21 |
0,21 |
Мольная доля у’, % мольн. |
80,16 |
14,26 |
4,19 |
0,96 |
0,22 |
0,22 |
Массовая доля у, % масс. |
27,57 |
39,24 |
21,6 |
7,26 |
2,15 |
2,15 |
Молекулярная масса М, г/моль |
2 |
16 |
30 |
44 |
58 |
58 |
Плотность ρ, кг/м3 |
0,089 |
0,71 |
1,34 |
1,96 |
2,59 |
2,59 |
Константа фазового равновесия,Кр |
30,0 |
4,5 |
1,35 |
5,22 |
0,27 |
0,195 |
Удельная теплоемкость, Ср, кДж / кг ·К |
14,57 |
3,35 |
3,29 |
3,23 |
3,18 |
3,18 |
Таблица 4 - Характеристика катализатора АКМ.
Показатель |
АКМ |
Насыпная плотность, кг/м3 |
680 |
Удельная поверхность, м2/г |
120 |
Содержание, % масс: |
|
СоО, не менее |
4 |
NiO, не менее |
0 |
МоО3, не менее |
12 |
Fe2О3, не более |
0,16 |
Na2О3, не более |
0,08 |
Носитель |
Аl2O3 |
Диаметр гранул, мм |
4...5 |
Индекс прочности, кг/мм |
1,1 |
Относительная активность по обессериванию, усл. ед., более |
95 |
Межрегенерационный период, мес. |
11 |
Общий срок службы, мес. |
36 |
4.1.1Расходводорода на гидроочистку
Выход гидроочищеннойбензиновой фракции Вк,% масс., на исходное сырье определим по формуле
Вк=100 -Вб - Вг-Δ S, (4.1)
где Вб,Вг, Δ S - выход сырья, газа и количество удаленной серы, % масс.
Среднюю молекулярную массу бензиновой фракции определим по формуле
, (4.2)
.
Примем равномерное распределение атомов серы по длине углеводородной цепочки, тогда при гидрогенолизе сераорганических соединений с разрывом у атома серы выход бензина-отгона и газа составит:
Вб= ΔS; (4.3)
ΔS = 0,078 - 0,0001 = 0,0779 % (масс.).
Вг=0,3 ΔS; (4.4)
Вг=0,3 . 0,0779 =0,023 % (масс.).
Тогда выход бензиновойфракции фракции будет равен:
Вбенз=100-0,0779-0,023-0,0779=99,82 % (масс.).
Глубина гидрообессеривания бензиновой фракции составит:
(4.5)
где S0 – количество серы в сырье до очистки, % масс.;S – количество серы в гидрогенизате, % масс.
.
Расход водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений можно найти по формуле
G1 =m.ΔS, (4.6)
где G1 - расход 100 % -го водорода, % масс.на сырье; ΔS - количество серы, удаляемое при гидроочистке, % масс; m - коэффициент, зависящий от характера сернистых соединений.
Так как в сырье присутствуют различные сернистые соединения, то необходимо определить расход водорода на гидрогенолиз каждого из них; сумма этих расходов будет равняться расходу водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений. Наиболее стабильны при гидроочистке тиофеновые соединения, поэтому при расчете принимаем, что вся остаточная сера (0,0001 % масс.на бензиновой фракции и 0,001 % масс. на дизельной фракции) в гидрогенизации - тиофеновая. Результаты расчета расхода водорода приведены в таблице 5 и 6.
Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов равен:
, (4.7)
где G2 - расход 100 % водорода, % масс.на сырье; ΔСн - разность содержания непредельных углеводородов в сырье и гидрогенизате, % масс. на сырье; М - средняя молекулярная масса сырья.
Примем, что степень гидрирования непредельных углеводородов и гидрогенолиз сернистых соединений одинакова (99,87%), тогда
.
Таблица 5 - Расход водорода на гидрогенолиз серосодержащих соединений в бензиновой фракции
Компонент |
m |
Содержание, % масс. |
Расход водорода на реакцию |
||
Меркаптаны |
0,062 |
0,004 |
0,001 |
||
Сульфиды |
0,125 |
0,039 |
0,002 |
||
Дисульфиды |
0,094 |
0,008 |
0,002 |
||
Тиофены |
0,250 |
0,027 |
0,004 |
||
Расход водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений, % масс. |
0,009 |
|
|
Таблица 6 - Расход водорода на гидрогенолиз серосодержащих соединений в дизельной фракции
Компонент |
m |
Содержание, % масс. |
Расход водорода на реакцию |
|||
Меркаптаны |
0,062 |
0,004 |
0,001 |
|||
Сульфиды |
0,125 |
0,039 |
0,002 |
|||
Дисульфиды |
0,094 |
0,008 |
0,001 |
|||
Тиофены |
0,250 |
0,027 |
0,003 |
|||
Расход водорода на гидрогенолизсераорганических соединений, % масс. |
0,007 |
|
|
Мольную долю водорода, растворенного в гидрогенизате можно рассчитать из условий фазового равновесия в газосепараторе высокого давления.
, (4.8)
где у’н2, , х’н2 - мольные доли водорода в паровой и жидкой фазе; Кр - константа фазового равновесия (для условий газосепаратора высокого давления) при 400С и 4 МПа, Кр = 30.
Потери водорода от растворения в гидрогенизате G3 (% масс.) на бензиновую фракцию составляют
; (4.9)
Кроме этих потерь имеют место потери водорода за счет диффузии водорода через стенки аппаратов и утечки через неплотности, так называемые механические потери. По практическим данным, эти потери составляют 1-1,5 % от общего объема циркулирующего газа. Принимаем механические потери водорода 1,2%. Механические потери G4 (% масс.) на сырье составят:
, (4.10)
где χ – кратность циркуляции водорода, нм3/м3 сырья; ρ – плотность сырья.
На установку гидроочистки подается водородсодержащий газ с установок каталитического риформинга, в котором концентрация водорода колеблется от 70 до 85 % (об).Для поддержания постоянного давления в системе объем поступающего и образующегося газа должен быть равен объему газа, отходящего из системы и поглощенного в ходе химической реакции.
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 абсорбируются в газосепараторе в жидком гидрогенизате, то есть
, (4.11)
где V0 – объем свежего ВСГ, м3;Vг.к. – объем газов, образующихся при гидрокрекинге, м3;Vа – объем абсорбируемых газов, м3.
Реализации этого условия способствует увеличение концентрации водорода в свежем ВСГ, уменьшение реакций гидрокрекинга и повышение давления в системе. Если балансовые углеводородные газы полностью не сорбируются, то часть их выводится с отдувом, количество которых можно определить по формуле
, (4.12)
где Vр – объем химически реагирующего водорода, м3; у0’ – объемная концентрация водорода в свежем ВСГ; y’ – объемная концентрация водорода в циркулирующем ВСГ;
(4.13)
Находим объем газов гидрокрекинга по следующей формуле
, (4.14)
где Мг.к.- средняя молекулярная масса газов гидрокрекинга, при одинаковом мольном содержании газов С1, С2, С3, и С4 она равна:
Количество абсорбируемого компонента определим по формулам
gi = хi’ .Мi. 100 / Мг ; (4.15)
vi = g i. 22,4 / Мi ; (4.16)
. (4.17)
Полученные данные сведем в таблицу 7 и 8.
Таблица 7 - Объем компонентов, растворенных в гидрогенизате в бензиновой фракции
Компонент |
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
С4Н10 |
i-С4Н10 |
Сумма |
vi, м3 |
0,569 |
0,558 |
0,033 |
0,146 |
0,203 |
1,509 |
Таблица 8 - Объем компонентов, растворенных в гидрогенизате в дизельной фракции
Компонент |
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
С4Н10 |
i-С4Н10 |
Сумма |
vi, м3 |
0,469 |
0,459 |
0,027 |
0,121 |
0,167 |
1,243 |
Балансовый объем углеводородных газов, поступающих в газосепаратор (газы крекинга и вносимые со свежим ВСГ) бензиновой фракции составляет:
1,02 · (1 - 0,8445) + 0,0127 = 0,171 м3 ≤Vа=1,509 м3.
Балансовый объем углеводородных газов, поступающих в газосепаратор (газы крекинга и вносимые со свежим ВСГ) дизельной фракции составляет:
2,864 · (1 - 0,8445) + 0,1956 = 0,641 м3 ≤Vа=1,243 м3.
Поскольку выполняется требование уравнения (4.11), возможна работа без отдува части ЦВСГ. Таким образом, общий расход водорода в процессе гидроочистки определится по формуле
= G1 + G2 + G3 +G4; (4.18)
= 0,012+0,032+0,046+0,042 = 0,133 % масс.
Расход свежего водородсодержащего газа на гидроочистку равен:
, (4.19)
где уВСГ – содержание водорода в свежем ВСГ - 0,29 % масс.,
Аналогично рассчитываются параметры и для дизельной фракции. Полученные данные сведем в таблицу 9
Таблица 9 – расчеты дизельной фракции
Параметры |
Обозначение |
Результат |
Выход гидроочищенной дизельной фракции |
Вк |
97,242 |
Средняя молекулярная масса дизельной фракции |
М |
151,324 |
Выход бензина-отгона |
Вб |
1,199 |
Выход газа |
Вг |
0,360 |
Количество удаленной серы |
ΔS |
1,199 |
Глубина гидрообессериваниядизельнойфракции |
Г |
99,917 |
Расход водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений |
G1 |
0,191 |
Мольная доля водорода, растворенного в гидрогенизате |
0,026 |
|
Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов |
G2 |
0,028 |
Потери водорода от растворения в гидрогенизате |
G3 |
0,038 |
Механические потери |
G4 |
0,039 |
Объем химически реагирующего водорода |
Vp |
2,864 |
Средняя молекулярная масса газов гидрокрекинга |
Mг.к. |
41,200 |
Объем газов гидрокрекинга |
Vг.к. |
0,196 |
Общий расход водорода в процессе гидроочистки |
0,295 |
|
Расход свежего водородсодержащего газа на гидроочистку |
1,017 |