Проектування реакторного блоку ізомеризації Інтенсифікація процесу (стр. 7 из 10)
Схема технологічного розрахунку не залежить від виду сировини, тому проілюструємо її для процесу одержання ізопентану з пентанової фракції (н.к. 850С) прямогонного бензину. Кількість фракції, що надходить на переробку, становить 300 тис. т у рік. Хімічний склад її наступний [в % (мас.)]:
Таблиця 1. - Схема технологічного розрахунку
| Ізобутан | 0,04 | Циклогексан | 9,09 |
| н-бутан | 0,67 | Бензол | 3,52 |
| Неопентан | 0,48 | 2-метилгексан | 0,6 |
| ізопентан | 9,6 | 3-метилгексан | 0,39 |
| н-пентан | 16,74 | н-гептан | 0,01 |
| 2-метилпентан | 14,2 | Диметилпентан | 0,71 |
| 3-метилпентан | 9,98 | Триметилбутан | 0,9 |
| н-гексан | 21,32 | Диметилциклопентан | 0,49 |
| Метилциклопентан | 11,26 |
Розрахунок реактора можливий після складання матеріального балансу блоку поділу.
Розрахунок потоків у системі «поділ-ізомеризація». При розрахунку за 1 годину при стаціонарному режимі з 11605 кг н-пентана, що виходить із реактора буде виділено й спрямовано на рециркуляцію 11200 кг н-пентана. Тому що н-пентан буде виділений з невеликою домішкою ізопентану (
10%), та величина рециркулюючого потоку складе 12311,4 кг/год й у ньому буде втримуватися 91% (мас.) н-пентана й 9% (мас.) ізопентану. Розраховуючи на річну продуктивність (326 робочих днів у році) величина рециркулюючого потоку н-пентанової фракції складе 144487 т у рік.Із сировини буде витягнуто в блоці поділу:
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 ρo:
Vo=Go/ρo=27,4:0,677=40,5 м3/год.
2. Розрахуноккількостікаталізатора. Ізомеризаціюпроводятьунерухомомушарікаталізатора Pt на Al2O3+F приоб'ємнійшвидкостіподачірідкоїсировиниνo=1,5 год-1. Тодіобсягшаруючикаталізатораскладе Vk= =V 0/v0=40,5/1,5=27 м3. Принасипнійщільностікаталізатора, рівноїρнк=0,65 т/м3, загальнамасакаталізаторадорівнює:
Gk=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 (β, у м3/м3) можна розрахувати, знаючи мольне співвідношення H2: вуглеводні (δ), об'ємну частку водню в циркулюючому газі (
), молекулярну масу (М) рідкої сировини і його щільність (ρ0 , кг/м3): 
У розглянутому прикладі:
Для розрахунку масового потоку циркулюючого газу (Gцг) 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 (Vp) 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 (kt) і поверхні теплопередачі (St). Кількість тепла, переданого навколишньому середовищу за одиницю часу, становить QT=kt∙St∙∆Tcp, де ∆Tcp – середня різниця температур реакційної суміші (TCM) і зовнішньої температури (TH).
Значення kt розраховують по відомому співвідношенню
де a1 і a2 – коефіцієнти теплопередачі від потоку реагуючої суміші до стінки реактора й від стінки до зовнішнього середовища, а δi і λi – 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 λ 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 kt складе: 
,і навіть при максимальної ∆Tcp=450 K маємо
де R - радіус реактора, а H - його висота.
При розрахованих нижче розмірах реактора тепловтрати (QT) 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.