Курсовой проект по установке ЛЧ-24-2000 (гидроочистка дизеля). Практическая часть Курсового. 2 Расчётная часть 1 Материальный баланс процесса лч242000
 Скачать 330.25 Kb.
|
 2 Расчётная часть 2.1 Материальный баланс процесса ЛЧ-24-2000 Исходные данные для проектирования: производительность установки по сырью 2045 тыс. т/год; характеристика сырья: фракционный состав – 180-360°С; плотность 0,823 кг/м3; начальное содержание серы 0,8%; в т.ч. меркаптановой 0,02%; сульфидной 0,14%; дисульфидной 0,2%; теофеновой 0,44%; непредельных углеводородов 1%; остаточное содержание серы в очищенном дизельном топливе 0,006%; гидроочистка проводится катализаторе DC-2534 TL при давлении P=4 МПа; кратность циркуляции ВСГ к сырью 250нм3/м3. Определим степень гидрообессеривания по формуле  (2.1)   (масс.) Выход гидроочищенного дизельного топлива рассчитываем по формуле [1, с.144]  (2.2)где  – выход бензина, %(масс.);  – выход газа, % (масс.);ΔS – количество удаленной из сырья серы на сырье, % (масс.)  (2.3) = 0,794%(масс.) = 0,3·0,794=0,2382 %(масс.)  = 100–0,794–0,794–0,2382= 98,174%(масс.)Расход водорода на гидроочистку [1, с.145]  (2.4)где G1 – расход 100%-го водорода, % (масс) на сырье; ΔS – количество серы, удаляемое при гидроочистке, % (масс) на сырье; m – коэффициент, зависящий от характера сернистых соединений. G1=0,02∙0,062 + 0,14·0,125 + 0,2·0,0938+(0,544–0,006)·0,25=0,133%(масс.) Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов равен [1, с.145]  (2.5)где  – расход 100%-го водорода; – разность содержания непредельных углеводородов в сырье;М – средняя молекулярная масса смеси. Среднюю молекулярную массу сырья рассчитываем по формуле  (2.6)где  – относительная плотность сырья при температуре 288 К.Расчёт относительной плотности сырья при температуре 288К ведётся по формуле  (2.7)где  0,000738– поправочный коэффициент; =0,823  Разность содержания непредельных углеводородов в сырье рассчитывается по формуле [1, c. 152]  (2.8)  Мольную долю водорода можно рассчитать из условий фазового равновесия в газосепараторе высокого давления [1, с.145]  (2.9)где  – мольные доли водорода в паровой фазе; – мольные доли водорода в жидкой фазе; – константа фазового равновесия. Потери водорода от растворения в гидрогенизате  (% масс) на сырье [1, с.146]  (2.10) Механические потери G4 [1, с.146]  (2.11)где   кратность циркуляции ЦВСГ, нм3/м3; плотность сырья, кг/м3. =250нм3/м3 Потери водорода с отдувом Таблица 2.1 – Состав водородосодержащего газа [1, с.146]
Объемный баланс по водороду и углеводородным газам записывают в следующем виде  ( 2.12)где      – объемы свежего ВСГ, химически реагирующего и сорбируемого гидрогенизатом водорода, отдува, газов гидрокрекинга и газов, абсорбируемых жидким гидрогенизатом соответственно, м3/ч;   – объемные концентрации водорода в свежем и циркулирующем ВСГ.Наиболее экономичный по расходу водороду режим без отдува ВСГ можно поддерживать, если газы, поступающие в систему со свежим ВСГ, полностью сорбируются в газосепараторе в жидком гидрогенизате, т.е.  (2.13)Решением системы уравнений (2.12) получаем объем газов отдува  (2.14) Объем водорода в отдуваемом газе равен  . Тогда общий расход водорода при гидроочистке с учетом газа отдува составит (2.15)Объем химически реагирующего водорода [1, с. 147]  (2.16) Объем свежего ВСГ газа гидрокрекинга [1, с.147]  (2.17)где  – средняя молекулярная масса газов гидрокрекинга, при одинаковоммольном содержании газов С1, С2, С3, С4 она равна   Таблица 2.2 – Содержание отдельных компонентов в циркулирующем газе и константы фазового равновесия [1, с.147]
Получаем объем каждого компонента, растворенного в гидрогенизате  (2.18)     Общий расход водорода в процессе гидроочистки [1, с.148]  (2.19) Расход свежего ВСГ на гидроочистку [1, с .148]  (2.20)где 0,29 – содержание водорода в свежем водородосодержащем газе, %.  Рассчитываем выход сероводорода [1, с.149]  (2.21) Таким образом, балансовым сероводородом поглощается 0,050% (масс.) водорода (0,844–0,794=0,050%(масс.)). Количество водорода, вошедшего при гидрировании в состав дизельного топлива равно [1, с.149]  Уточненный выход гидроочищенного дизельного топлива 98,174 +0,262=97,912 %  Выход сухого газа, выводимого с установки, складывается из углеводородных газов, поступающих со свежим ВСГ, газов, образующихся при гидрогенолизе, а также абсорбированного гидрогенизатом водорода [1, с.149] Таблица 2.3 – Материальный баланс установки
2.2 Материальный баланс аппаратов реактора Р-201 Таблица 2.4 - Состав ЦВСГ
Средняя молекулярная масса ЦВСГ равна [1, с.150]  (2.22) Расход ЦВСГ на 100 кг сырья можно рассчитать по формуле [1, с.150]  (2.23) Таблица 2.5 – Материальный баланс реактора Р-201
2.3 Технологический расчет аппаратов реактора Р-201, теплообменника Т-201 Технологический расчет реактора Р-201 Уравнение теплового баланса [1, с.151]  (2.24)где  и  – тепло, вносимое в реактор со свежим сырьем и ЦВСГ; и  – тепло, выделяемое при протекании реакций гидрогенолиза сернистых и гидрирования непредельных соединений;  – тепло, отводимое из реактора реакционной смесью.Средняя теплоемкость реакционной смеси при гидроочистке незначительно изменяется в ходе процесса, поэтому тепловой баланса реактора можно записывать так [1, с.151]  (2.25) (2.26)где G – суммарное количество реакционной смеси, % (масс.);  – средняя теплоемкость реакционной смеси, кДж/(кг·К); – количество серы и непредельных, удаленных из сырья, % (масс.);t, t0 – температуры на входе в реактор и при удалении серы, К;  – тепловые эффекты гидрирования сернистых и непредельных соединений, кДж/кг. Суммарное количество реакционной смеси на входе в реактор составляет 110,913 [табл. 2.5] Количество серы, удаленное из сырья,  = 0,794% (масс). Глубину гидрирования непредельных углеводородов можно принять равной глубине обессеривания [1, с.152]  (2.27) Количество тепла, выделяемое при гидрогенолизе сернистых соединений составляет [1, с.152]  (2.28)где  – тепловые эффекты гидрогенолиза отдельных сераорганических соединений, кДж/кг, [1, с.143];  – количество разложенных сераорганических соединений. Количество тепла, выделяемое при гидрировании непредельных углеводородов равно 126000 кДж/моль Тогда  (2.29) Теплоемкость ЦВСГ можно найти по формуле [1, с.152]  (2.30)где  – теплоемкость отдельных компонентов с учетом поправок на температуру и давление, кДж/(кг  К); – массовая доля каждого компонента в ЦВСГ.Сц= 14,57·0,192+3,35·0,427+3,29·0,201+3,23·0,103+3,18·0,077=5,47 кДж·(кг К)Энтальпию паров сырья при Т=633К и плотности 0,823 определяют по графику[1, с.63] I360=1121,02 кДж/кг Определяем абсолютную критическую температуру сырья [1, с.153]  (2.31)   Приведенная температура равна [1, с.153]  (2.32) Критическое давление сырья определяется по формуле [1, с.153]  (2.33)  (2.34) Тогда  (2.35) Для найденных значений Тпр=0,883 и Р =0,85 поправка на давление равна [1, с.63]  Тогда  Энтальпия сырья с поправкой на давление равна  Теплоемкость сырья с поправкой на давление равна [1, с.153]  Средняя теплоемкость реакционной смеси составляет [1, с.153]   Тогда температура выхода реакционной смеси из реактора равна [1, с.153]  Объем катализатора в реакторе принимаем по практическим данным 71,01+83,42=154,43м3 Находим диаметр реактора по формуле  (2.37) Принимаем стандартный реактор с D=3,8 м Технологический расчет теплообменника Т-201н В трубное пространство поступает газопродуктовая смесь из Р-202 G1=277037 кг/ч=77 кг/с с температурой Т1=375  =648К и плотностью . Из Т-201н газопродуктовая смесь выходит с температурой X. В межтрубное пространство поступает газосырьевая смесь G2=277037кг/ч=77кг/с с температурой на входе t1=120 =393К, плотностью  и температурой на выходе t2=270 =543К.Тип теплообменника – кожухотрубчатый, U-образный. Определяем конечную температуру ГПС из уравнения теплового баланса  (2.38) продуктовой смесьюз Р-201 где T1, T2 – начальная и конечная температура ГПС, К; t2, t1 – начальная и конечная температура ГСС, К;  – коэффициент использования тепла, принимаем 0,95 [1,c.97];СГПС – теплоемкость газопродуктовой смеси, принимаем из уравнения (2.36)  ;СГСС – теплоемкость газосырьевой смеси, принимаем по практическим данным  Пересчитываем относительные плотности теплоносителей с  на ГПС = 0,810 [2, с.38] ГСС = 0,813 [2, с.38] (2.39)где  – средняя температурная поправка плотности на 1 . ГПС = 0,810+5 0,000752 = 0,814 ГСС = 0,813+5 0,000752 = 0,817Определим конечную температуру из уравнения теплового баланса  (2.40) Тепловая нагрузка теплообменника определяется по формуле  (2.41) Средний температурный напор  Тср в теплообменнике определяется по формуле Грасгофа, имея в виду, что в аппарате осуществляется противоток теплоносителей по схеме6  48К 492К5  43К 393К∆ tмах = 105К ∆ tmin= 99К  (2.42)Подставив все известные значения в формулу Грасгофа, получим  Выбор стандартного теплообменника Предполагаемая поверхность теплообмена определяется по формуле  (2.43)где  – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К).Принимаем по практическим данным [2, c.265] =160 Вт/(м2 К) По ГОСТ 14245-69 [5, с.18] выбираем стандартный теплообменный аппарат со следующими размерами – поверхность теплообмена F=1170м2; – внутренний диаметр кожуха Дв=1400мм; – длина труб L=9000мм; – наружный диаметр труб 20х2мм; – площадь проходного сечения трубного пучка Sтр =202·10–3 м2; – площадь проходного сечения между перегородками Sпопер=47,0·10–2 м2; – площадь проходного сечения в вырезе перегородки Sпрох=24,0·10–2 м2; – трубы расположены по вершинам квадрата. Определение коэффициента теплопередачи Коэффициент теплопередачи определяется по формуле  (2.44)где  коэффициент теплоотдачи газопродуктовой смеси, Вт/(м2 К); 0,00036 термическое сопротивление загрязнений со стороны газопродуктовой смеси, (м2 К)/Вт, [2, с.264]; толщина стенки,  ; коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м К);  коэффициент теплоотдачи газосырьевой смеси, Вт/(м2 К); термическое сопротивление со стороны загрязнений газосырьевой смеси, (м2 К)/Вт, [2, с.264].Определим коэффициент теплоотдачи газопродуктовой смеси Определим физические параметры газопродуктовой смеси при средней температуре [3, с.99]  , (2.45) где Т1 – начальная температура газопродуктовой смеси, К; Т2 – конечная температура газопродуктовой смеси, К.  Коэффициент теплопроводности [3,c.99]  (2.46)  Теплоемкость газопродуктовой смеси [3, с.99]  (2.47) Относительную плотность рассчитываем по формуле [3, с.99]  (2.48) Определим кинематическую вязкость газопродуктовой смеси [2, с.17]  мм2/с Определим секундную теплопроводность  (2.49) Вт/(м К)= 0,00012кДж/(м ч К)Секундный объем жидкости равен  (2.50) Определим линейную скорость продукта  (2.51) Критерий Рейнольдса Re определяется по формуле [3, с.100]  (2.52) Режим движения турбулентный, значит  рассчитывается по формуле [2, с.262]  (2.53)где Pr – критерий Прандтля при температуре  Найдем критерий Прандтля при температуре  (2.54)  Определим коэффициент теплоотдачи газосырьевой смеси, которая движется по межтрубному пространству.  (2.55) Коэффициент теплопроводности [3, c.99]  (2.56) Теплоемкость газосырьевой смеси [3, с.99]  (2.57) Относительную плотность рассчитываем по формуле [3, с.99]  (2.58) Определим кинематическую вязкость газосырьевой смеси [2, с.17]  мм2/с Определим секундную теплопроводность  (2.59) Вт/(м К)= 0,00013кДж/(м ч К)Секундный объем жидкости равен  (2.60) Определим линейную скорость продукта  (2.61) (2.62)  Определяем эквивалентный диаметр по уравнению  (2.63)где  число труб; внутренний диаметр кожуха, м.Число труб определяется по формуле  (2.64) (2.65)   Критерий Рейнольдса определяется по формуле [3, с.100]  (2.66) Режим движения турбулентный, значит,  рассчитывается по формуле [2, с.262] (2.67)где  критерий Прандтля при температуре  .Найдем критерий Прандтля при температуре  (2.68)   Определяем среднюю разность температур Для принятой схемы индекс противоточности равен Р= 0,95 [4, c.130]  (2.69)  (2.70) Рассчитаем  по формуле (2.71) Средняя арифметическая разность температур равна  (2.72) Большая и меньшая разность температур  (2.73)  (2.74) Средняя разность температур  (2.75) Определяем поверхность теплообмена  (2.76)Подставив численные значения в формулу, получим  Вывод: теплообменный аппарат выбран с некоторым запасом. 2.4 Выбор и характеристика оборудования Основным аппаратом установок гидроочисток является реактор со стационарным слоем катализатора. Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с эллиптическим днищем, заполненный катализатором. Защитный слой катализатора засыпается на колосниковую решетку, а стационарный на фарфоровые шары, обеспечивающие равномерное распределение паров по сечению реактора. Сверху слой катализатора защищен от динамического воздействия паров слоем катализатора защитного слоя (инертные материалы). Корпус аппарата имеет внешнюю тепловую изоляцию. Сырье проходит через аппарат сверху вниз, продукты реакции выводятся через нижний штуцер. Для контроля температуры в аппарате установлены термопары. В реактор Р-201 загружен катализатор марки DC-2534 (2,5 мм) -67,8 м3, в реактор Р-202 загружен катализатор в два слоя DC-2534 (1,3 мм) нижний слой – 83,42 м3, верхний слой – 71,01 м3. Сверху слоев катализатора засыпан катализатор защитного слоя OptiTrap: в верхней части 2,0 м3, на нижнем слое 1,0 м3. Также в реактор Р-202 загружены инертные материалы и керамические шары разного диаметра: инертные материалы Inter Layer (NiMo) –верхний слой, Inter Layer (CoMo) – нижний слой. В нижней части реактора и на распределительной тарелке верхнего слоя засыпаны керамические шары: в низу реактора Р-202 шары 13 мм и 6 мм (по 250 кг), на распределительной тарелке шары 6 мм ( 250 кг). В реакторе Р-201 засыпаны катализатор и инертные материалы в соответствии с диаграммой загрузки: высота, занимаемая основным катализатором нижнего слоя составляет 8,52 м; высота, занимаемая керамическими шарами в нижнем слое – 150 мм и 140 мм; высота, занимаемая инертным материалом – 190 мм. Между слоями катализатора находится распределительная тарелка. Между распределительной тарелкой и нижним слоем катализатора – пустое пространство – 150 мм. В верхнем слое высота, занимаемая керамическими шарами – 100 мм; инертным материалом – 200 мм; высота, занимаемая катализатором основным – 7,43 мм; высота, занимаемая инертным материалом – 300 мм; высота, занимаемая катализатором защитного слоя – 120 мм. Технические характеристики реактором Р-201 и Р-202: Р-201 – диаметр 3,8 м; высота аппарата 11,33 м; объем 97,2 м3. Р-202 – диаметр 3.6 м; высота аппарата 26,558 м (высота опоры 5,5 м); объем 202,8 м3 Кожухотрубчатые теплообменные аппараты широко применяются в нефтяной промышленности. Теплообменник Т-201н предназначен для нагрева газосырьевой смеси теплом газопродуктовой смеси из реактора Р-202. По трубному пространству движется газопродуктовая смесь, по межтрубному – газосырьевая. Теплообменники с U-образными трубками имеют цилиндрический корпус, в котором установлен трубный пучок, трубки которого изогнуты в виде латинской буквы U, и оба конца закреплены в трубной решетке, что обеспечивает свободное удлинение трубок независимо от корпуса. Такие теплообменники применяются при повышенных давлениях. Среда, направляемая в трубки, должна быть достаточно чистой, так как очистка внутренней поверхности труб затруднительна. Поперечные перегородки увеличивают скорость движения в межтрубном пространстве и создают более благоприятные условия обтекания трубного пучка, что повышает эффективность работы теплообменных аппаратов. Теплообменный аппарат Т-201н имеет следующие основные размеры: – поверхность теплообмена F=1170м2; – внутренний диаметр кожуха Дв=1400мм; – длина труб L=9000мм; – наружный диаметр труб 20х2мм; – площадь проходного сечения трубного пучка Sтр =202·10–3 м2; – площадь проходного сечения между перегородками Sпопер=47,0·10–2 м2; – площадь проходного сечения в вырезе перегородки Sпрох=24,0·10–2 м2; – трубы расположены по вершинам квадрата. Преимущества теплообменника с плавающей головкой: Легкость обслуживания и очистки; Стойкость к высокой температуре и давлению; Стойкость к коррозии и известковому налету; Недостатки теплообменника с плавающей головкой: Вероятность протечки внутри плавающей головки; Большой расход материала на 20% увеличивает стоимость готового продукта; Сложная конструкция. |