G3= Х′н2∙Мн2∙100/ Х′н2∙Мн2+(1- Х′н2)∙М
G3=0,027∙2-100/0,027∙2+(1-0,027)∙177,6=5,4/0,054+172,8=0,031%(масс.)
Кроме этих потерь имеют место потери водорода за счет деформации водорода через стенки аппаратов и утечки через неплотности, так называемые механические потери. Механические потери G4 (%масс.) на сырье равны:
G4=æ∙0,01∙Мн2∙100/(ρ0∙22,4),
где æ - кратность циркуляции водородсодержащего газа, нм3/м3;
ρ0 – плотность сырья, кг/м3.
G4=200∙0,01∙2∙100/(824,4∙22,4)=0,022%(масс.)
Потери водорода с отдувом.
На установки гидроочистки обычно подается водородсодержащий газ (ВСГ) с установок каталитического риформинга, в котором содержание концентрации водорода колеблется от 70 до 85%(об.)
Состав водородсодержащего газа, при производстве автомобильного бензина с октановым числом 85:
Содержание компонента Н2 СН4 С2Н6 С3Н8 ∑С4Н10
%(об.) 85,0 7,0 5,0 2,0 1,0
%(масс.) 29,4 19,4 26,0 15,2 10,0
Объемный баланс по водороду и углеводородным газам записывают в следующем виде:
V0 ∙y′0=Vp+Vотд∙у′,
V0 ∙(1-y′0)+Vг.к=Va+Vотд(1-у′),
где V0,Vг.к,Va,Vотд, Vp – объемы свежего ВСГ, химически реагирующего и сорбируемого гидрогенизатом водорода, отдува, газов гидрокрекинга и газов, абсорбируемых жидким гидрогенизатом, м3/ч;
у′0, у′ - объемные концентрации водорода в свежем и циркулирующем ВСГ.
Решением этой системы уравнений получаем объем газов отдува:
Vотд=Vp∙((1- у′0)+Vг.к-Va)∙y′0/( y′0-y′)
Объем водорода в отдуваемом газе равен Vотд∙у′. Тогда общий расход водорода с учетом газа отдува составит:
Vотд+Vp= Vp∙[1+((1-y′0)∙y′0/ y′0-y′)]+( Vг.к- Va)∙( y′0-y′/ y′0-y′)
Расчет ведем на 100кг, так как при этом абсолютные значения расходных показателей (в%масс.) можно использовать с размерностью кг:
Vp=0,387∙22,4/2=4,34м3
Vг.к=0,54∙22,4/Мг.к=0,54∙22,4/37=0,327м3
Содержание отдельных компонентов в циркулирующем газе константы фазового равновесия в условиях газосепаратора высокого давления (400Си 0,5МПа)приведен ниже:
С1 С2 С3 С4
Содержание компонента уi, мольные доли 0,2 0,05 0,02 0,01
Константа фазового равновесия Кpi 3,85 1,2 0,47 0,18
Количество абсорбируемого компонента i в кг на 100кг гидрогенизата:
gi=xi∙Mi∙100/Mr
Количество абсорбируемого компонента i (υi , м3 на 100кг гидрогенизата) составляет:
υi=gi∙22,4/Mi=xi∙ Mi ∙100/Mr∙22,4/Mi= xi ∙100∙22,4/Mr
x′i=y′i/Kpi
Подставляя для каждого компонента соответствующие данные, получим объем компонента, растворенного в гидрогенизате:
V1=Vметана=yметана/Kpiметана∙100∙22,4/Mr=0,2/3,85∙100∙22,4/177,6=0,655м3
V2=Vэтана=yэтана/Kpiэтана∙2240/Mr=0,05∙22,4/1,2∙177,6=0,526м3
V3=Vпропана=yпропана/Kpiпропана∙2240/Mr=0,02∙2240/0,47∙177,6=0,526м3
V4=Vбутана=yбутана/Kpiбутана∙2240/Mr=0,01∙2240/0,18∙177,6=0,700м3
Суммарный объем абсорбированных газов будет равен:
∑Vi=Vметана+Vэтана+Vпропана+Vбутана
∑Vi=0,655+0,525+0,537+0,700=2,48м3
Балансовый объем углеводородных газов определяем по формуле:
V0∙(1-y′0)+Vг.к≤Va
4,34∙(1-0,855)+0.327≈0,98<Va
Так как равенство выполняется, возможна работа без отдува части циркулирующего водородсодержащего газа (ЦВСГ). Таким образом, общий расход водорода в процессе гидроочистки будет складываться из водорода, поглощаемого при химической реакции, абсорбируемого в газосепараторе высокого давления и механически теряемого.
Gводорода =G1+G2+G3+G4=0,0645+0,101+0,031+0,022=0,219%(масс.)
Расход свежего ВСГ на гидроочистку равен:
Goводорода=Gводорода/0,29=0,219/0,29=0,755%(масс.),
где 0,29-содержание водорода в свежем ВСГ, %(масс.)
3.2 Материальный баланс установки
На основании полученных данных составляем материальный баланс установки (таблица 3.1).
Вначале рассчитываем выход сероводорода:
Bсероводорода =∆S∙Mсероводорода/Ms=0,44∙34/32=0,468%(масс.)
Таким образом, балансовым сероводородом поглощается 0,468-0,44=0,028%(масс.) водорода.
Количество водорода вошедшего при гидрировании в состав дизельного топлива равно:
G1+G2-0,028=0,0645+0,101-0,028=0,138%(масс.)
Уточненный выход гидроочищенного дизельного топлива, равен:
98,99+0,138=99,13%
Выход сухого газа, выводимого с установки, складывается из углеводородных газов, поступающих со свежим ВСГ, газов, образующихся при гидрогенолизе, а также абсорбированного гидрогенизатом водорода:
Вс.г=0,755∙(1-0,29)+0,132+0,031=0,536+0,132+0,031=0,699%(масс.)
Таблица 3.1
Материальный баланс установки
Наименование потоков | %(масс.) | Т/год | Т/сутки | Кг/ч |
Взято: Дизельное топливо (неочищенное) ВСГ, в том числе 100% водород | 100 0,755 0,219 | 2100000 15855 4599 | 6562,5 49,55 14,37 | 273437,5 2064,6 598,8 |
Итого | 100,75 | 2115855 | 6612,05 | 275502,1 |
Получено: Дизельное топливо (очищенное) Сероводород Сухой газ Бензин | 99,13% 0,468 0,72 0,44 | 2081730 9828 15120 9240 | 6505,40 30,71 47,25 28,88 | 271058,6 1279,6 1968,8 1203,3 |
Итого | 100,75 | 2115918 | 6612,2 | 275510 |
3.3 Материальный баланс реактора
В реактор поступает сырье, свежий водородсодержащий газ и циркулирующий водородсодержащий газ (ЦВСГ):
Состав ВСГ:
Н2 СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10
Мольная доля у′ 0,720 0,200 0,050 0,020 0,010
Массовая доля у 0,192 0,427 0,201 0,103 0,077
Средняя молекулярная масса ЦВСГ Мц равна:
Мц=∑Мiy′i
Мц=2∙0,720+16∙0,2+30∙0,05+44∙0,02+58∙0,01=7,6кг/кмоль
Расход ЦВСГ на 100кг сырья Gц можно найти по формуле:
Gц=100∙æ∙Мц/ρс∙22,4=100∙200∙7,6/824,4∙22,4=8,23кг
Составляем материальный баланс реактора гидроочистки (таблица 3.2).
Таблица 3.2
Материальный баланс реактора
Наименование потоков | %(масс.) | Кг/т |
Взято: Сырье Свежий водородсодержащий газ ЦВСГ | 100 0,755 | 273437,5 2064,6 |
Итого | 108,99 | 298006 |
Получено: Дизельное топливо очищенное Сероводород | 99,13 0,468 | 271058,6 1279,6 |
Сухой газ Бензин ЦВСГ | 0,72 0,44 8,23 | 1968,8 1203,3 22503,9 |
Итого | 108,99 | 298014 |
3.4 Тепловой баланс реактора
Уравнения теплового баланса реактора гидроочистки:
Qc+Qц+Qs+Qг.н=∑Qсм,
где Qc,Qц – тепло, вносимое в реактор со свежим сырьем и циркулирующим водородсодержащим газом;
Qs,Qг.н – тепло, выделяемое при протекании реакций гидрогенолиза сернистых и гидрирования непредельных соединений;
∑Qсм – тепло, отводимое из реактора реакционной смесью.
Средняя теплоемкость реакционной смеси при гидроочистке незначительно изменяется в ходе процесса, поэтому тепловой баланс реактора можно записать в следующем виде:
Gct0+∆Sqs+∆Cнqн= Gct,
t=t0+(∆Sqs + ∆Cнqн)/( Gc),
где G - суммарное количество реакционной смеси, %(масс.);
с-средняя теплоемкость реакционной смеси, кДж/(кг∙К);
∆S, ∆Cн – количество серы и непредельных, удаленных из сырья, %(масс.);
t и t0 – температуры на входе в реактор и при удалении серы ∆S, оС;
qs и qн – тепловые эффекты гидрирования сернистых и непредельных соединений, кДж/кг.
Температура процесса составляет 350оС, суммарное количество реакционной среды на реактор составляет 108,99кг, количество серы, удаленное из сырья ∆S=0,44%(масс.) Глубину гидрирования непредельных углеводородов можно принять равной глубине обессеривания:
∆Сн= Сн∙0,9=10∙0,9=9%(масс.)
Количество тепла, выделяемое при гидрогенолизе сернистых соединений (на 100кг сырья) при заданной глубине обессеривания, равной 0,9, составит:
Qs=∑qsi∙gsi,
где qsi – тепловые эффекты гидрогенолиза отдельных сераорганических соединений, кДж/кг;
gsi – количество, разложенных сераорганических соединений, кг (при расчете на 100 кг сырья оно численно равно содержанию отдельных сераорганических соединений в % (масс.).
Таким образом, Qs=0,1∙2100+1,0∙38,10+0,2∙5060+0,5∙8700=8471кДж.
Количество тепла, выделяемое при гидрировании непредельных углеводородов равно qн=126000 кДж/моль, тогда:
Qн=∆Сн∙ qн/М
Qн=9∙12600/2095421 кДж
Среднюю теплоемкость ЦВСГ находим на основании данных по теплоемкости отдельных компонентов (таблица 3.3).
Таблица 3.3
Теплоемкость отдельных компонентов