Thiết kế phân xưởng Reforming xúc tác cố định năng suất dây chuyền 2,2 triệu tấn/năm

Thiết kế phân xưởng Reforming xúc tác cố định năng suất dây chuyền 2,2 triệu tấn/năm

Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 38 PHẦN II: TÍNH TOÁN II.Các số liệu đầu Công suất Nhiệt độ Tốc độ thể tích LHSV Áp suất Thời gian làm việc xúc tác Lượng cốc bám trên xúc tác (% trọng lượng) Tỷ lệ H 2 /RH, (m 3 /m 3 ) Thiết bị phản ứng chính 2,2 triệu tấn/năm 743  803 0 K 2 h -1 40-45 at 1 năm 3  5% 1500 Lò xuyên tâm Nguyên liệu có những đặc tính sau: Bảng 9: Đặc tính của nguyên liệu Tỷ trọng (kg/m 3 ) Thành phần phân đoạn, (K) %, Khối lượng 733 Ts đầu Ts 50 Ts cuối Parafin Naphten Aromatic 358 395 438 62,61 26 11,39  Trong quá trình reforming xúc tác thường xảy ra các phản ứng sau - Phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành RH thơm C n H 2n  C n H 2n-6 + 3H 2 (1) - Phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành parafin C n H 2n + H 2  C n H 2n+2 (2) - Phản ứng hydro cracking hydrocacbon naphten C n H 2n + n/3 H 2  n/15 (CH 4 + C 2 H 6 +C 3 H 8 +C 4 H 10 + C 5 H 12 ) (3) - Phản ứng hydro cracking hydrocacbon parafin C n H 2n+2 + (3-n)/3 H 2  n/15 (CH 4 + C 2 H 6 + C 3 H 8 + C 4 H 10 + C 5 H 12 ) (4) Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 39 Ta có thể mô ta sự giảm hàm lượng hydrocacbon do chuyển hóa hoá học ở các phản ứng trên bằng các phương trình vi phân sau: -      = K 1 ×P N -     ×P A ×P H2 3 (5) -      = K 1 ×P N -     ×P P (6) -       = K 3 ×    (7) -      = K 4 ×    (8) Trong đó: P N : là áp suất của naphten P A : là áp suất của aromatic P A : là áp suất của parafin P : là áp suất của hệ N N , N P , N A lần lượt là phần mol của hydrocacbon naphten, parafin, aromatic trong nguyên liệu. V R là đại lượng nghịch đảo của tốc độ nạp liệu theo mol [Kg xúc tác/h×nguyên liệu]. K 1 là hằng số tốc độ phản ứng (1) được xác định bằng đồ thị hình (8) Kg xúc tác/h×Pa 2 ×nguyên liệu. K 2 là hằng số tốc độ phản ứng (2) được xác định bằng đồ thị hình (9) Kg xúc tác/h×Pa×nguyên liệu. K 3 , K 4 lần lượt là hằng số tốc độ của phản ứng (3), (4) được xác định bằng đồ thị hình (10) Kg xúc tác/h×nguyên liệu. K P1 , K P2 lần lượt là hằng số cân bằng hóa học của phản ứng (1), (2) được tính theo phương trình sau: K P1 = 9,81 3 ×10 12 ×e 46,15 - 25600/T (Pa 3 ) (9) K P2 = 98,1 -1 ×10 -3 ×e (4450/T) - 7,12 (Pa -1 ) (10) Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 40 14 12 10 8 6 4 2 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1000/ T 1/K Hình 8: Xác định K 1 ×10 -7 (Kmol/Pa 2 ×h×Kg xúc tác ) 160 140 120 100 80 60 40 20 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1000/ T 1/K Hình 9 : Xác định K 2 ×10 -15 (Kmol/Pa×h×kg xúc tác) 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0.01 1.20 1.25 1.30 1,35 1.40 1000/T 1/T Hình 10: Xác định hằng số K 3 , K 4 (Kmol/h×kg xúc tác). Thành phần tuần hoàn khí ở bảng sau. Bảng 10: Thành phần khí tuần hoàn Cấu tử H 2 CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 % 86 4 5 3 1 1 Để tính thành phần của hỗn hợp ta dùng công thức sau: M c ×Y i = M i ×Y i’ Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 41 Trong đó: M c là khối lượng phân tử trung bình của nguyên liệu. M i là khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon trong nguyên liệu. Y i và Y i’ lần lượt là phần khối lượng và phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu. Mặt khác thì: M c = 0,4 × T 50 - 45 Trong đó: T 50 là nhiệt độ sôi tại 50% thể tích của nguyên liệu. Vậy ta tính được M c = 0,4 ×395 - 45 =113  Một cách tổng quát ta có thể tính khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu như sau: Bảng 11: Khối lượng tổng quát của các hydrocacbon Hydrocacbon Công thức hóa học Công thức khối lượng Aromatic C n H 2n - 6 M A = 14n – 6 Naphaten C n H 2n M N = 14n Parafin C n H 2n +2 Mp = 14n+2 Ngoài ra còn tính theo công thức: Trong đó: Y P , Y N , Y A lần lượt là phần khối lượng của các hydrocacbon parafin, naphten và aromatic trong nguyên liệu. M A , M N , M P là khối lượng phân tử của các hydrocacbon Aromatic, naphten và parafin. Biến đổi ta được phương trình sau Với Y A = 0,1139; Y A = 0,26; Y P = 0,6261       0. 686 3 326 98 1 4 14 1 23  McYnMcYYYnMcn NPNA A A n n p p M Y M Y M Y c   1 61414214 1     n Y n Y n Y c A N P Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 42 Giải phương trình trên ta có: n=8,038 Vậy khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon như sau: Mp = 14n + 2 = 14×8,038 + 2 = 114,53 M N = 14n = 14×8,038 = 112,53 M A = 14n - 6 = 14×8,038 - 6 = 106,53 Từ đó ta có các số liệu về nguyên liệu như sau: Bảng 12: Thành phần của nguyên liệu Cấu tử Khối lượng phân tử Hàm lượng trong nguyên liệu Y i phần khối lượng Y i’ = Y i ×M c /M i C n H 2n + 2 114,53 0,6261 0,618 C n H 2n 112,53 0,26 0,261 C n H 2n – 6 106,53 0,1139 0,121  - 1,000 1,000  Tính năng suất của thiết bị ta dùng công thức sau : G c =   (Kg/h) Với L là năng suất năm, L = 2 200 000 tấn/năm. Trong đó n là số ngày hoạt động trong năm, ở đây n = 340 ngày (có 25 ngày nghỉ để sửa chữa và bảo dưỡng). Vậy ta tính được năng suất trong ngày là: G c = 2 200 000×1000/ (24×340) = 269607,8431 (Kg/h) Năng suất thiết bị tính ra (Kmol/h) G’ c = G c /Mc = 269607,8431/ 113 = 2385,9101 (Kmol/h) Vậy ta có bảng sau: Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 43 Bảng 13: Lượng hydrocacbon trong nguyên liệu Cấu tử Y i’ G’ c ×Y i’ C n H 2n + 2 0,618 1474,49 C n H 2n 0,261 622,72 C n H 2n - 6 0,121 288,69  1,000 2385,91  Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết Với tỷ lệ H 2 /HC nguyên liệu lưu lượng thể tích của nguyên liệu trong một giờ được tính theo công thức sau: G r = (G c /P c ) ×N i Trong đó: G c là năng suất của thiết bị, (Kg/h) P c là tỷ trọng của nguyên liệu P c = 733 (kg/m 3 ) N i là tỷ lệ H 2 /RH, với N i = 1500 (m 3 /m 3 ) - Vậy lưu lượng thể tích của H 2 trong một giờ là: G r = (269607,8431/733) ×1500= 551721,3706 (m 3 /h) - Năng suất khí tuần hoàn được tính : N' r =G r ×100/(86×22,4)=551721,3706×100/(86×22,4)=28640,02 (Kmol/h) Vậy thành phần khí tuần hoàn được cho ở bảng sau : Bảng 14: Thành phần của khí tuần hoàn Cấu tử Khối lượng phân tử Mi Thành phần mol Y' i M i ×Y' i M ri = N' r ×Y' i H 2 2 0,86 1,72 24630,42 CH 4 16 0,04 0,64 1145,60 C 2 H 6 30 0,05 1,50 1432,00 C 3 H 8 44 0,03 1,32 859,20 C 4 H 10 58 0,01 0,58 286,40 C 5 H 12 72 0,01 0,72 286,40  - 1,00 6,50 28640,02 Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 44 - Lượng hydrocacbon tuần hoàn là: 28640,02 - 24630,42= 4009,6 (kmol/h)  Lượng chất xúc tác cho quá trình - Thể tích xúc tác: V xt = G c / ( c ×V o ) ,(m 3 ) Trong đó: V o : là tốc độ thể tích V o =2 h -1 G C : là năng xuất thiết bị , (Kg/h)  c : khối lượng riêng của nguyên liệu ở thể lỏng  c =733 Kg/m 3 Suy ra: V xt =   = 183,91 (m 3 ) Vậy lượng xúc tác được tính là: M xt = V xt × xt (Kg) Trong đó:  xt là khối lượng riêng của chất xúc tác, (Kg/m 3 )  xt = 500 - 650 (Kg/m 3 ). Chọn  xt = 600 (Kg/m 3 ) Vậy: M xt = 183,91×600 = 110346 (Kg)  Tính toán sự phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn. Công thức tính: P i = P×Y' i Trong đó: P : là áp suất chung trong lò phản ứng, (P a ) Y' i : Phần mol cấu tử trong hỗn hợp. Thành phần áp suất được cho ở bảng sau, chọn áp suất P = 40 at =3922722,37 (Pa) Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 45 Bảng 15: Phân bố áp suất theo từng cấu tử Cấu tử N i (Kmol/h) Y' i = N i / N i P i =P×Y' i (Pa) A 288,69 0,0093 36481,32 N 622,72 0,0201 78846,72 P 1474,49 0,0475 186329,31 H 2 24630,42 0,7939 3114249,29 P * 4009,6 0,1292 506815,73  31025,93 1,000 3922722,37 Trong bảng trên P* là lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn ;A, N, P lần lượt là ký hiệu của aromatic, naphten, parafin trong nguyên liệu. Lượng phân bố xúc tác trong các lò phản ứng 1:1,5:2,5:5 nên ta có bảng sau: Bảng 16 : Phân bố chất xúc tác Lò phản ứng Lượng chất xúc tác V xt (m 3 ) M xt (kg) 1 18,391 11034,6 2 27,59 16551,9 3 45,98 27586,5 4 91,96 55173  183,91 110346 Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 46 II.1 Tính toán lò thứ nhất II.1.1 Tính toán cân bằng vật chất Chọn nhiệt độ dòng nguyên liệu vào lò thứ nhất T r1 = 803 o K - Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành RH thơm. T r1 = 803 o K  1000/T r1 = 1,245 Theo đồ thị (8) ta tra được K 1 = 3,145×10 -7 (kmol/h×kg xúc tác×Pa 2 ) - Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là: -      = K 1 ×P N -     ×P A ×P H2 3 Thay vào ta có: - dN 11 / dV R1 = =3,145×10 -7 ×78846,72-     ×36481,32× (3114249,29) 3 = 0,025 Với K P1 = 9,81×10 12 × 803 25600 15.46  e = 14,866×10 20 (Pa 3 ) Suy ra: - N N11 = 0,025×V R11 mà V R11 =     Trong đó: M i là lượng xúc tác lò 1 : 11034,6 (Kg) N C1 lượng nguyên liệu vào lò thứ nhất : 2385,91 (Kmol/h) Suy ra: V R1 =   = 4,62 (Kg xúc tác/ Kmol) Với V R1 = 4,62 vậy ta có N N11 = 0,025×4,62 = 0,116 - Lượng naphten sau khi phản ứng (1) là : N’ N11 = (Y’ N1 - N N11 )×G c = (0,261 - 0,116)×2385,91= 345,96 (Kmol/h) - Vậy lượng naphten tham gia phản ứng (1) là: 0,116×2385,91= 276,76 (Kmol/h)  Hằng số tốc độ của phản ứng chuyển hóa naphten thành parafin ở nhiệt độ 803 o K. T r2 = 803 K  1000/T r2 = 1,245 (K -1 ) Tra đồ thị (8) ta được K 2 = 2,398×10 -15 (Kmol/Pa×h×Kg xúc tác). - Tính K P2 : Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 47 Ta nhận thấy K P2 <<1 chứng tỏ ưu thế phản ứng nghịch chuyển hóa từ hydrocacbon parafin thành naphten. - Sự tăng hàm lượng naphten do phản ứng (2) là: -      = K 1 ×P N -     ×P P -     = 2,398×10 -15 ×78846,72×3114249,29 –     ×186329,31 = 0,376×10 -3 (Kmol/h×Kg xúc tác). Với K P2 = 98,1 -1 ×10 -3 ×e (4450/803) - 7,12 = 0,0021×10 -3 (Pa -1 ) Suy ra: N N21 = 0,376×10 -3 ×4,62= 1,73712×10 -3 (Kmol/h). - Vậy lượng naphten sau phản ứng (1) và (2) là: N’ N21 = (Y' N1 + N N21 - N N11 )×G c = (0,261 + 1,73712×10 -3 - 0,116) ×2385,91= 350,1 (Kmol/h).  Lượng parafin chuyển hóa thành naphten là: N’ P = 1,73712×10 -3 ×2385,91 = 4,14 (Kmol/h). Vậy ta có cân bằng vật chất các phản ứng hoá học sau: Bảng 17: Cân bằng các phản ứng hóa học cho phản ứng hoá học thứ nhất Lượng các chất tham gia phản ứng (Kmol/h) Lượng các sản phẩm 276,76 C n H 2n 276,76 C n H 2n-6 + 276,76×3 H 2 4,14 C n H 2n+2 4,14 C n H 2n + 4,14 H 2 Bảng 18: Thành phần lượng nguyên liệu trong lò phản ứng thứ nhất Cấu tử Lượng vào Lượng ra A 288,69 288,69 + 276,76 = 565,45 N 622,72 622,72+4,14 – 276,76 = 350,1 P 1474,49 1474,49 – 4,14 = 1470,35  2385,9 2385,9 [...]... tác Pa3) - Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là: - Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 = K1×PN - ×PA×PH23 60 Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm - dN13/dVR3 = 3,145×10-7×16321,133 KP1 = 9,81×1012× e Với 46.15 3,145.10 7 ×92738,035×( 3103635,293)3=0,0045 20 14,866.10 25600 803 = 14,866×1020 (Pa3) - NN13 = 0,00177×VR3 mà Trong đó : VR3 = M3là lượng xúc tác. .. 2,398×10-15  Tính KP2 : (Kmol/pa2×h Kg xúc tác) KP2 = 98,1-1 ×10-3×e(4450/803) - 7,12 = 0,0021×10-3(Pa-1) Ta nhận thấy KP2 . trong hỗn hợp. Thành phần áp suất được cho ở bảng sau, chọn áp suất P = 40 at =3922722,37 (Pa) Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến. đồ thị (8) ta được K 2 = 2,398×10 -15 (Kmol/Pa×h×Kg xúc tác) . - Tính K P2 : Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 47 Ta. (K -1 ) Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 54 Theo đồ thị (8) ta tra được K 1 = 3,145×10 -7 (Kmol/ph×Kg xúc tác Pa 2 )