II. Tính toán cho từng lò phản ứng
II.1.3 Tính toán kích thước chính của lò phản ứng
Lò phản ứng là loại lò xuyên tâm. Việc lựa chọn đường kính của lò phải thoả mãn sao cho tổn thất áp suất [ ] tại lớp xúc tác không vượt quá giá trị cho phép. Theo một số tài liệu thì tổn thất áp suất này được tính theo công thức:
[ ] = (Pa)
Trong đó: nP = 1 là số lò phản ứng.
[ ] = 0,5 . 0,158 . 106 = 0,79.105 (Pa)
(*) Trong đó:
- H1: chiều dày của lớp xúc tác.
- : Tổn thất áp suất trên 1m chiều dày lớp xúc tác (Pa/m). - : Độ rỗng của lớp xúc tác, m3/m3.
- : Vận tốc của dòng hơi qua lớp xúc tác, m/s. - : Khối lượng riêng của hỗn hợp khí, kg/m3. - : Độ nhớt động học của hỗn hợp khí, m2/s.
- : Đường kính tương đương của hạt xúc tác, m. *Công thức tính các giá trị trên như sau:
Tinh :
Trong đó:
VC: Thể tích hạt chất xúc tác hình cầu tương đương với thể tích một hạt xúc tác hình trụ, m3.
VTT: Thể tích hình lập phương ngoại tiếp hình cầu của hạt chất xúc tác. Nếu chọn đường kính hình trụ d= 0,003(m), và chiều cao H=0,005(m) thì:
m3
Đường kính tương đương của hạt xúc tác
m Do đó:
= = 0,524 (m3/m3)
Tính :
Vận tốc theo phương bán kính của hỗn hợp khí ở thiết diện nhỏ nhất tại lưới của ống trung tâm được tính:
Trong đó:
VG: Thể tích hỗn hợp khí đi qua tiết diện tự do trong 1 giây, m3/s. FC: là tiết diện của lưới ống, m2.
*Tính VG:
Trong đó:
G: Hỗn hợp khí ở trong lò, kg/h.
Ttb: Nhiệt độ trung bình trong lò phản ứng, oK. Z: Hệ số nén của hỗn hợp khí.
Mtb: Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí, kg/kmol. Ptb: áp suất trung bình trong lò phản ứng, Pa.
(Pa).
Ttb= (oK).
Mtb = 0,0038.78+ 0,0101.84+ 0,1861.78,205 + 0,8.2= 17,299. Chọn Z = 1.
G =58872,543 (kg/h). Vậy thay số vào ta có:
VG= (m3/s).
Diện tích lưới tại ống trung tâm được tính như sau:
Trong đó:
-D1: Đường kính lưới, m. -H1: Chiều cao lưới, m.
Đường kính của lò phản ứng được chọn là 2 m; đường kính lưới là 0,5 m. Chiều cao của lưới xúc tác:
H1 = Hxt – 0,4
Hxt : Chiều cao của lớp xúc tác trong lò phản ứng, m. 0,4: Chiều cao của ống trung tâm không đục lỗ.
Hxt =Vxt/F.
Vxt: Thể tích xúc tác trong lò, m3. F: Tiết diện vòng giữa của các ống lọc.
Trong đó:
-D: Đường kính của lò phản ứng, m. -D1: Đường kính lưới, m.
- : Khoảng cách trong thân lò và vỏ lò, m. =0,1 m.
-2.0,02: là tổng chiều dày của thân và vỏ ống trung tâm. Vậy: Hxt= 11,339/2,2354 = 5,0725 (m). Vậy: H1 =5,0725 - 0,4 = 4,6725 (m). FC = 3,14. 0,5. 4,675 = 7,336 (m2). Do đó: = VG/FC = 2,0297/7,336= 0,2767 (m/s). +Khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng:
Trong đó:
- : khối lượng riêng của cấu tử i, kg/m3. -yi: phần mol của cấu tử i.
(kg/m3).
Trong đó:
-yi : Phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp.
- : Độ nhớt động học của cấu tử i tại nhiệt độ phản ứng, m2/s.
Bảng 25. Độ nhớt động học của các cấu tử ở 230oC Cấu tử yi .106, m2/s yi/( .106) P5 0,1036 6,716 0,015426 P6 0,0825 5,352 0,015415 CnH2n 0,0101 0,265 0,038113 CnH2n-6 0,0038 0,277 0,013718 H2 0,8000 295 0,002712 0,085384 Từ kết quả tính toán ta được:
Thay vào (*) ta được:
= 56250,4749 Pa/m. Chiều dày của lớp xúc tác:
H1 = (m). = 0,63.56250,4797= 0,354.105 (Pa).
Ta thấy:
< [ ] = 0,354.105, Pa. Do đó: D = 2 (m) là thoả mãn. Khi đó, chiều cao là:
H = Hxt + 0,2 + ( h + hb) +0,225 + ( h + hb) + 0,425 hb = 0,25. D = 0,5 h = 0,08 ; Hxt = 5,0725 H = 5,0725+0,2 +(0,08 + 0,5) + 0,225 + (0,08 + 0,5) +0,425 H = 7,0825(m). Qui chuẩn thành 7,5 (m).
Vậy lò phản ứng 1 có D = 2 (m) và chiều cao H = 7,5 (m).
II.2. Tính toán cho lò phản ứng thứ hai
Ở lò này thực hiện ở nhiệt độ cao hơn lò 1 và sẽ xảy ra các phản ứng isome hoá và phản ứng cracking. Nhiệt độ phản ứng trong lò là 230oC. Độ tụt áp giữa các lò thường là: 0,15-0,35 at.
II.2.1. Tính cân bằng vật chất lò hai
Bảng 26. Thành phần nguyên liệu vào lò 2
tử N 47,332 0,0141 84 3975,888 P5 352,3998 0,1048 72 25372,786 P6 280,8118 0,0835 86 24149,815 H2 2682,945 0,7976 2 5365,89 3363,4886 1,0000 58864,379 Ta chọn độ tụt áp ở lò thứ 2 là: 0,3 at.
Khi đó áp chung của hỗn hợp khí nguyên liệu vào lò thứ 2 là: P2= 20 - 0,3 = 19,7 at = 19,7 . 105 Pa
Bảng27. Thành phần áp suất nguyên liệu và khí tuần hoàn vào lò 2
Cấu tử ni (kmol/h) yi Mi Pi=19,7.10 5.yi(Pa) Gi=Mi.ni (kg/h) N 47,332 0,0141 84 0,27777.105 3975,888 P 633,132 0,1883 78,20 9 3,70951.105 49514,0881 H2 2682,945 0,7976 2 15,71272.105 5365,89 3363,4886 1,0000 19,7.105 58864,379
Hằng số tốc độ của phản ứng Hydrocracking Naphten.
k5 = 0,002647 (kmol/h.kgxtác).
Sự giảm hàm lượng naphten tương đối do phản ứng (5) là:
.
Mặt khác
=> - ∆NN = 0,0000373.VR2 = 0,0000373.6,0683 = 0,0002263 (kmol/h). Vậy hàm lượng naphten tham gia phản ứng cracking là:
nN (5) = 0,0002263.680,494 = 0,154 (kmol/h). Do đó hàm lượng naphten còn lại sau phản ứng (5) là:
nN = nN tổng - nN(5) = 47,332 - 0,154 = 47,178 (kmol/h). Lượng H2 tham gia phản ứng (5) :
H2(5) = nN(5) = 1,81.0,154= 0,2787 (kmol/h).
Hằng số tốc độ của phản ứng hydrocracking Parafin.
Theo đồ thị (3.15) ta có k6 = 0,002647 (kmol/h.kg). - Sự giảm tương đối parafin phản ứng (6) là:
-∆NP(6) = 4,9843.10-4.VR2 = 4,9843.10-4.6,0683 = 0,0030246 (kmol/h). Lượng parafin bị cracking là:
nP(6) = ∆NP(6).nc =0,0030246.680,494 =2,0583 (kmol/h). Lượng H2 tham gia phản ứng (6) :
H2(6) = nP(6) = 2,0583. =1,6763 (kmol/h).
Bảng 28. Thành phần các cấu tử trong nguyên liệu vào lò 2
Cấu tử ni (kmol/h) yi Mi N 47,332 0,0696 84 n-C5 204,3756 0,3003 72 i- C5 148,0242 0,2176 72 i-C6 151,9079 0,1897 86 n- C6 128,9039 0,2232 86 680,494 1,0000
Tính lượng n-C5 chuyển hóa trong phản ứng (1).
% n-C5 = 18%. % i-C5 = 82%.
Trong phân đoạn C5 nồng độ phần mol của i-C5 chiếm 42%, còn n-C5 là 58%. Như vậy, tại trạng thái cân bằng thì n-C5 trong phân đoạn C5 chuyển hoá là: 58 - 18 = 40 %.
Do đó, phần mol n-C5 chuyển hóa là:
Lượng n-C5 đã chuyển hoá sau phản ứng (1) là:
= = 140,9303(kmol/h).
=> Lượng i-C5 tạo thành là: 140, 9303 (kmol/h). Lượng n-C5 còn lại được tách cho tuần hoàn là:
( 0,3003 – 0,2071). 680,494 = 63,422 (kmol/h).
Tính lượng n-C6 chuyển hoá trong phản ứng (2).
Theo đồ thị (3.17), nồng độ phần mol của n-C6 ở trạng thái cân bằng tại nhiệt độ 503oK là :
%n-C6 =20 % . %i-C6 = 80 %.
Nồng độ n-C6, i-C6 trong phân đoạn C6 theo bảng 12 của nguyên liệu là: n-C6 = 45,9%.
Như vậy: % n-C6 đã chuyển hoá ở trạng thái cân bằng đối với C6- parafin:
45,9 – 20 = 25,9%
Phần mol n-C6 đã chuyển hoá so với hỗn hợp nguyên liệu:
Vậy lượng n-C6 chuyển hoá sau một lần phản ứng:
0,10686.nC = 0,10686. 680,494 = 72,7176 (kmol/h). Lượng i-C6 tạo thành là:
72,7176 (kmol/h). Lượng n-C6 tách tuần hoàn:
(kmol/h).
Tính lượng H2 tuần hoàn.
H2(th) = ΣH2(nguyên liệu) - H2(5) - H2(6). Thay số ta có:
Lượng C1〈 C5 sinh ra trong quá trình phản ứng:
Theo phương trình phản ứng (5) và (6) ta có thể tính được tương đối lượng C1〈 C5
sinh ra:
P*=
= 0.8085 (kmol/h).
*Cân bằng vật chất của lò phản ứng 2 được mô tả ở bảng sau:
Bảng 29. Cân bằng vật chất của lò 2 Cấu tử nC-i (kmol/h) yi Mi Gi=Mi.ni (kg/h) Đầu vào N 47,332 0,0141 84 3975,888 P 633,132 0,1883 78,209 49514,0881 H2 2682,945 0,7976 2 5365,89 3363,4886 1,0000 58864,379 Đầu ra A 0,0000 - - 0,00 N 47,178 0,01403 84 3962,952
n-C5 63,422 0,01894 72 4566,384 n-C6 56,16794 0,01690 86 4830,4428 i -C5 288,7347 0,08588 72 20788,8984 i -C6 224,6255 0,06678 86 19317,793 P* 0,8085 0,00022 44 35,574 H2 2680,99 0,79754 2 5361,98 3361,9266 1,00000 58864,0242 Bảng 30. Lượng sản phẩm Bảng 31. Lượng tuần hoàn
Cấu tử nC-i, kmol/h
H2 26880,99
n- C5 63,422
n- C6 56,16794
2800,5799
Cấu tử nC-i, kmol/h
i-C5 288,7347
i-C6 224,6255
N 47,178
P* 0,8085