Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
MỤC LỤC
1.
Các số liệu ban đầu.............................................................................................. 2
2.
Tính toán các phản ứng chính xảy ra trong quá trình reforming xúc
tác………………………………………………………………………………………2
2.1. Tính năng suất thiết bị ......................................................................................... 5
2.2. Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết ...................................................................... 6
2.3. Tính toán phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và thành
phần khí tuần hoàn. ...................................................................................................... 7
3.
Tính toán cho lò thứ nhất..................................................................................... 8
3.1. Tính cân bằng vật chất......................................................................................... 8
3.2. Tính cân bằng nhiệt lượng ................................................................................. 12
4.
Tính toán cho lò thứ 2 ....................................................................................... 15
4.1. Tính toán cân bằng vật chất ............................................................................... 15
4.2. Tính toán cân bằng nhiệt lượng ......................................................................... 19
5.
Tính toán cho lò thứ 3 ....................................................................................... 22
5.1. Tính cân bằng vật chất....................................................................................... 22
5.2. Tính cân bằng nhiệt lượng ................................................................................. 26
6.
Tính toán cho lò thứ 4 ....................................................................................... 29
6.1. Tính cân bằng vật chất....................................................................................... 29
6.2. Tính cân bằng nhiệt lượng ................................................................................. 34
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 1
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
1. Các số liệu ban đầu
Công suất
: 1.500.000 tấn/ năm.
Nhiệt độ
: 470 5300C.
Tốc độ thể tích
: 1,5 h-1.
áp suất
: 3,5 kg/ cm2 = 343.234,5 pa.
Tỷ lệ H2/ RH
: 2,5 kmol.
Phân bố xúc tác trong lò phản ứng lần lượt là: 1/1,5/2,5/5.
Bảng 1: Thành phần nguyên liệu.
Khối lượng riêng
Thành phần phân đoạn
293
277
T0s đầu T0s 10% T0s 50% T0s 90% T0scuối
P
N
A
3290K
50
38
12
0,7288
3480K
3850K
% khối lượng
4280K
4530K
2. Tính toán các phản ứng chính xảy ra trong quá trình reforming xúc tác
-
Phản ứng chính chuyển hoá hydrocacbon naphten thành RH thơm.
CnH2n CnH2n-6 + 3H2 (1)
-
Phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành parafin
CnH2n + H2 CnH2n+2
-
(2)
Phản ứng hydro cracking naphten
CnH2n + n/3 H2
n/15 (CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + C5H12) (3)
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 :
(4)
(5)
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 2
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
(6)
Trong đó:
PP : áp suất của parafin [pa].
PA: áp suất của các hợp chất thơm. [pa]
PH2: áp suất của hydro [pa]
PN: áp suất của naphten [pa].
P : áp suất của hệ [pa].
NN, NP: Lần lượt là phần mol của hydrocacbon naphten và parafin trong nguyên
liệu bị chuyển hoá (kmol/ kmol).
VR: Đại lượng nghịch đảo của tốc độ nạp liệu theo mol (kg xúc tác/h.nguyên liệu)
K1: Hằng số tốc độ phản ứng (1) được xác định bằng đồ thị (kg xúc
tác/h.pa.nguyên liệu).
K2: Hằng số tốc độ phản ứng (2) được xác định bằng đồ thị kg xúc tác/h.nguyên
liệu.
K3: Hằng số tốc độ phản ứng (3) được xác định bằng đồ thị kg xúc tác/h.nguyên
liệu.
KP1, KP2 lần lượt là hằng số cân bằng hóa học của phản ứng (1), (2) được xác
định theo phương trình sau :
KP1 = 9,813 . 1012 . e46,15 - 25600/T
KP2 = 98,1-1 . 10-3 . e(4450/T)
- 7,12
Bảng 2: Thành phần khí tuần hoàn.
Cấu tử
H2
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
% mol
86
4
5
3
1
1
Để tính toán thành phần của hỗp hợp dùng công thức:
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 3
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Me . yi = Mi . yi’
Trong đó :
Me : khối lượng phân tử trung bình của nguyên liệu .
Mi: khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon trong nguyên liệu .
yi, y’i lần lượt là phần khối lượng và phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu
Mặt khác thì
M = 0,4.T50 - 45
Trong đó:
T50 là nhiệt độ sôi tại 50% thể tích của nguyên liệu .
Vậy ta tính được Me = 0,4 x 385 - 45 = 109 .
Bảng 3: Khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu.
Hydrocacbon
Công thức hóa học
Công thức khối lượng
Parafin (P)
CnH2n +2
Mp = 14n + 2
Naphaten (N)
CnH2n
MN = 14n
Aromatic (A)
CnH2n - 6
MA = 14n - 6
Ngoài ra Me còn tính theo công thức :
Me =
YA
MA
+
1
YN +
MN
YP
MP
Trong đó :
YP,YN,YA lần lượt là phần khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu
MA MN , MP là khối lượng phân tử của các hydrocacbon: Aromatic, naphten và
parafin trong nguyên liệu :
Me =
BTL Công nghệ Chế biến dầu
YA
+
14n - 6
1
YN
YP
+
14n
14n+2
Page 4
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Biến đổi ta được phương trình sau :
n3 - (Me + 4)n2 - [6 + ( YA - 2YN - 3 YP)Me]n + YNMe = 0
Giải phương trình trên ta được n = 7,77
Vậy khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon như sau :
MP = 14n + 2 = 14x 7,77 + 2 = 110,78,
MN = 14n
= 14 x 7,77 = 108,78,
MA = 14n - 6 = 14x 7,77 - 6 = 102,78,
Bảng 4: Thành phần của nguyên liệu.
Hàm lượng trong nguyên liệu
Cấu tử
Khối lượng phân tử
Cn H2n + 2
yi phần khối lượng
yi' =yi .Me/Mi
110,78
0,50
0,492
Cn H2n
108,78
0,38
0,381
Cn H2n – 6
102,78
0,12
0,127
Tổng
---
1,000
1,000
2.1.
Tính năng suất thiết bị
Gc = L/(24 x 340) , kg/h.
Với L: là năng suất năm, L = 1.500.000 tấn/năm .
Trong đó số ngày hoạt động trong năm là 340 ngày (có 25 ngày nghỉ để sửa
chữa và bảo dưỡng thiết bị).
Vậy ta tính được năng suất của thiết bị trên giờ là :
Gc = (15x 108 )/(24 x 340) = 183.823,529
(kg/h)
Năng suất thiết bị tính ra (Kmol/h)
NC = Gc/Me = 183.823,529 / 109 = 1686,454 (Kmol/h)
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 5
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Bảng 5: Thành phần các cấu tử trong nguyên liệu.
2.2.
Cấu tử
y’i (phần mol)
Ni = NC . y'i (kmol/h)
Cn H2n + 2
0,492
829,735
Cn H2n
0,381
642,539
Cn H2n - 6
0,127
214,180
Tổng
1,000
1686,454
Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết
Ta có H2/ RH = 2,5 Kmol.
Năng suất H2 là:
nH2 = 2,5 . NC = 2,5 x 1686,454 = 4216,135 (kmol/h).
Vậy lượng khí tuần hoàn lại là:
nkth = nH2 . 100/86 = 4216,135 x 100/86 = 4902,483 (kmol/h).
Bảng 6: Thành phần các cấu tử trong khí tuần hoàn.
-
Cấu tử
Mi
yi
Mi . yi
ni = nkth . yi
H2
2
0,86
1,72
4216,134
CH4
16
0,04
0,64
196,099
C 2 H6
30
0,05
1,50
245,124
C 3 H8
44
0,03
1,32
147,075
C4H10
58
0,01
0,58
49,025
C5H12
72
0,01
0,72
49,025
Tổng
-
1,00
6,48
4902,483
Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn là:
P* = 4902,483 - 4216,135 = 686,348 (kmol/h).
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 6
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
-
Lượng chất xúc tác cho quá trình là:
Thể tích xúc tác: Vxt = Gc / c V0 (m3)
Trong đó :
V0 là tốc độ thể tích = 1,5h-1
C : Khối lượng riêng của nguyên liệu ở thể lỏng. Lấy C = 728,8 (kg/m3).
Lượng xúc tác: mXT = VXT .XT
Trong đó: XT khối lượng riêng xúc tác; XT = 550 650 (kg/m3).Chọn XT = 600
(kg/m3).
Suy ra mXT = 168,152 x 600 = 100.891,270 (kg).
Tính toán phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và
2.3.
thành phần khí tuần hoàn.
Ta có công thức: Pi = P . y’i
Trong đó:
Pi : áp suất riêng phần cấu tử i [pa].
P: áp suất chung của lò phản ứng [pa]. Chọn P = 3,5 kg/cm2 = 343234,5 (pa).
y’i: nồng độ phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp.
Bảng 7: Thành phần áp suất.
Cấu tử
ni (Kmol/h)
y'i = ni/ ni
Pi= 343.234,5. y'i (Pa)
P
829,735
0,1259
43213,223
N
642,539
0,0975
33465,364
A
214,180
0,0325
11155,121
H2
4216,135
0,6399
219635,757
P*
686,348
0,1040
35765,035
Tổng
6588,937
1,0000
343.234,500
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 7
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Phân bố xúc tác trong các lò phản ứng theo tỷ lệnhư sau: 1/1,5/2,5/5.
Bảng 8: Sự phân bố xúc tác trong các lò phản ứng.
Lò phản ứng
VXT ( m3 )
MXT = VXT x 600 (kg)
1
16,8152
10089,12
2
25,2228
15133,68
3
42,0380
25222,80
4
84,0760
50445,60
Tổng
168,1520
100.891,20
3. Tính toán cho lò thứ nhất
3.1.
Tính cân bằng vật chất
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic.
T = 8030K
1000/ T = 1000/803 = 1,245
Tra đồ thị phụ lục [1] ta được K1 = 11. 10-7 (kmol/h.pa3.kg xúc tác).
Phương trình tính hằng số cân bằng phản ứng:
KP1 = 9,813 . 1012 . e46,15 - 25600/T
= 9,813 . 1012 . e46,15 - 25600/803
= 14,866 . 1020 (pa3).
Độ giảm tương đối hàm lượng naphten do phản ứng thơm hoá (phản ứng 1).
dN1
dVR1
= K 1 . PN
K1 . PA .PH3 2
= 0,0368
KP1
Mà VR1 = mxt 1/NC
Trong đó : mxt 1 = 10089,120 (kg)
NC: Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ nhất (kmol/h).
VR1 =
10089,120 / 1686,454 =
5,9824 (kg/kmol).
Vậy: N1 = 0,0368 x 5,9824 = 0,2202
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 8
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Lượng naphten tham gia phản ứng (1) là:
nN1 = 0,2202 x 1686,454 = 371,273 (kmol/h)
Vậy lượng naphten còn lại sau phản ứng (1) là.
nN1 = ( y’i - N1) x NC = ( 0,381 - 0,2202 )x 1686,454 = 271,266 (kmol/h)
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin ở(2)T = 8030K
1000/T =
1000/803 = 1,245
Tra đồ thị phụ lục [2] ta đượcK2 = 100.10-15 (kmol/h.kg xúc tác).
KP2 = 98,1-1 . 10-3 . e(4450/T)
- 7,12
= 98,1-1 . 10-3 . e(4450/803)
- 7,12
= 0,0021.10-3 [pa-1].
Do KP2 << 1 nên chứng tỏ phản ứng nghịch xảy ra chiếm ưu thế hơn cả.Như vậy
trong lò phản ứng nhất thì ngoài phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic thì còn
xảy ra phản ứng chuyển hoá parafin thành naphten.
Sự tăng hàm lượng naphten trong lò phản ứng(2) là:
dN12
dVR = K2. PN
K 2 . PP
KP2
=
- 0,00206
N12 = 0,00206 x VR1 = 0,00206 x 5,9824 = 0,0123
Lượng naphten tạo thành do phản ứng (2) là.
nN12 = 0,0123 x 1686,454 = 20,760
Lượng naphten còn lại sau phản ứng (1) và (2) là.
nN12 = ( y’N1 - NN1 + NN12 ) . NC = ( 0,381 - 0,2202 + 0,0123) x 1686,454
= 292,026 (kmol/h).
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 9
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Bảng 9: Cân bằng hoá học cho lò phản ứng thứ nhất.
Lượng chất tham gia phản ứng (kmol/h)
Lượng sản phẩm (kmol/h)
371,273 CnH2n
371,273 CnH2n
20,760CnH2n+2
- 6
+ 371,273x 3H2
20,760CnH2n + 20,760H2
Bảng 10: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra của lò phản ứng thứ nhất.
Cấu tử
Lượng vào(kmol/h)
Lượng ra (kmol/h)
P
829,735
829,735 - 20,76 = 808,975
N
642,539
642,539 - 371,273 + 20,76 = 292,026
A
214,180
214,180 + 371,273 = 585,453
Tổng
1686,454
1686,454
Bảng 11: Tính lượng khí tuần hoàn.
H2
4216,135
4216,135 + 371,273x3 + 20,76 = 5350,714
CH4
196,099
196,099
C2H6
245,124
245,124
C3H8
147,075
147,075
C4H10
49,025
49,025
C5H12
49,025
49,025
Tổng
4902,483
6037,062
Lượng khí tuần hoàn:
( 5350,714 + 686,348 )x 5,637 = 34030,918 (kg/h)
Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn là:
215594,945 - 34030,18 = 181564,027 (kg/h)
Vậy ta có phương trình sau:
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 10
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
585,453x(14n - 6) + 292,026x14n + 808,975x(14n + 2) = 181564,027
suy ra
MP = 14n +2
n = 7,7703
MA = 14n - 6
= 14 x 7,7703 - 6
MN = 14n
= 14 x 7,7703
= 14 x 7,7703 + 2
= 102,784
= 108,784
= 110,784
Bảng 12: Lượng khí tuần hoàn ra khỏi lò phản ứng thứ nhất.
Cấu tử
Mi
ni (kmol/h)
H2
2
CH4
y'i = n'i/ni
Miy'i
5350,714
0,8863
1,773
16
196,099
0,0325
0,520
C2H6
30
245,124
0,0406
1,218
C3H8
44
147,075
0,0244
1,074
C4H10
58
49,025
0,0081
0,469
C5H12
72
49,025
0,0081
0,583
Tổng
-
6037,062
1,0000
5,637
Bảng 13: Cân bằng vật chất của lò phản ứng thứ nhất.
Cấu tử
ni (kmol/h)
y’i
Mi
Gi = M i . n i
Đầu vào
P
829,735
0,1259
110,780
91918,043
N
642,539
0,0975
108,780
69895,392
A
214,180
0,0325
102,780
22013,420
H2
4216,135
0,6399
6,480
27320,555
P*
686,348
0,1042
6,480
4447,535
Tổng
6588,937
1,0000
-
215594,945
110,784
89621,486
Đầu ra
P
808,975
BTL Công nghệ Chế biến dầu
0,1050
Page 11
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
N
292,026
0,0378
108,784
31767,756
A
585,453
0,0758
102,784
60175,201
H2
5350,714
0,6930
5,637
30161,975
P*
686,348
0,0889
5,637
3868,944
Tổng
7723,516
1,0000
-
215594,945
3.2.
Tính cân bằng nhiệt lượng
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Q11 + Q21 = Q31 + Q41 + Q51 + Q61
Trong đó:
Q11: Nhiệt lượng hỗn hợp khí nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào (kj/h)
Q21: Nhiệt lượng do xúc tác mang vào lò phản ứng (kj/h)
Q31: Nhiệt lượng do khí sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra khỏi lò phản ứng
(kj/h).
Q41: Nhiệt lượng do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng (kj/h);
Q51: Nhiệt lượng tổn thất do phản ứng reforming (kj/h).
Q61: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường bên ngoài (kj/h).
Tính Q21:
Q21 = mXT . q21 = mXT. CPxt .T
Trong đó:
q21 = CPxt .T : hàm nhiệt xúc tác (kj/h)
CPxt: nhiệt dung riêng của xúc tác ở nhiệt độ T(0K)
CPxt = a0 + a1.T - a2. T -2 (kj/kgh)
Tra sổ tay hoá lý CPxt(Al203)
CPxt = 22,08 + 8,971.10-3 .T - 5,225. 105T -2
Tại nhiệt độ T = 8030K thay vào ta có
CPxt = 28,473 (kcal/kmol) = 1,1685 (kj/kg.0K)
q21 = CPxt.T = 1,1685 x 803 = 938,3055(kj/kg)
Vậy Q21 = mxt 1 .q21 = 10089,12 x 938,3055 = 9466676,786 (kj/h)
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 12
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Tính Q41: Giả thiết nhiệt độ tại lò phản ứng thứ nhất giảm điT = 700K
Q41 = mXT2. CPxt .T
Trong đó: mxt2 lượng xúc tác ra khỏi lò phản ứng thứ nhất.
CPxt: Nhiệt dung riêng xúc tác ở T = 803 - 70 = 7330K
CPxt = 22,08 + 8,91.10-3 x 733 - 5,225.105x(733)-2 = 28,654 (kcal/kmol.0K)
CPxt = 1,1759 (kj/kg.0K)
Q41 = mxt 1CPxt.T = 10089,12 x 1,1759 x 733 = 8696162,62 (kj/h)
Tính Q11: Ta cần xác định entanpi của dòng hơi nguyên liệu ở cửa vào của lò
phản ứng thứ nhất.
Số liệu entanpi của H2, CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12 tra ở sổ tay hoá lý. Để
xác định entanpi của aromatic, naphten, parafin, ta dựa vào trọng lượngphân tử trung
bình của các cấu tử
Bảng 14: Tỷ trọng của các cấu tử.
298
298
Cấu tử
Đầu vào
Đầu ra
P
0,733
0,737
N
0,721
0,733
A
0,718
0,722
Để tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng ta dùng công thức sau:
qP = - 355.b
Trong đó: b. hiệu suất tạo hydro tinh khiết theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (%
kl).
NH2 = 5350,714 - 4216,135 = 1134,579 (kmol/h)
GH2 = MH2 .1134,579 = 1134,579 x 2 = 2269,158 (kg/h)
b = GH2100%/GC = 2269,158 x 100%/183823,529 = 1,23%
Vậy qp = - 355 . b = - 355 x 1,23 = - 436,65 (KJ/kg)
Nhiệt lượng do hỗm hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào lò phản ứng thứ
nhất.
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 13
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Q11 = Gc . qtr1 = 1908,71x 215594,945 = 411508227,5 (kj/h)
Bảng 15: Entanpi của hỗn hợp hơi vào lò phản ứng thứ nhất.
Cấu tử
Mi
ni
y'i =
ni/ ni
Mi.y'i
yi =
Miy'/Miy'i
Entanpi
qt
qtyi
(KJ/kg)
(KJ/h)
H2
2
4216,135
0,6400
1,280
0,0319
7700
301,07
CH4
16
196,099
0,0298
0,477
0,0146
1618
23,62
C2H6
30
245,124
0,0371
1,113
0,0339
1434
48,76
C3H8
44
147,075
0,0223
0,981
0,0300
1405
42,15
C4H10
58
49,025
0,0074
0,432
0,0132
1400
18,48
C5H12
72
49,025
0,0074
0,536
0,0160
1392
22,27
A
102,78 214,180
0,0325
3,340
0,1020
1715
174,93
N
108,78 642,539
0,0975
10,606
0,3240
1704
552,10
P
110,78 829,735
0,1226
13,958
0,4260
170,3
725,48
6588,937 1,0000
32,723
1,0000
-
1908,71
Tổng
-
Tính Q61. Nhiệt lượng mất mát ra môi trường bên ngoài.
Q61 = 0,01 x(Q11 + Q 21) = 0,01x(9466676,786 + 411508227,5)
= 4209749,04 (kj/h)
Tính Q51. Nhiệt lượng tiêu tốn do phản ứng reforming.
Q51 = Gc.qP = 436,65 x 183823,529 = 80266543,94 (kj/h).
Tính Q31 . Nhiệt lượng do sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Q31 = Q11 + Q21 - Q41 - Q51 - Q61
Q31 =
411508227,5 + 9466676,786 - 8696162,62 - 80266543,94
- 4209749,04 = 335602448,4(kj/h)
Q31 = 335602448,4 (kj/h); mà ta có Q31 = 215594,945 qtr1
qtr1 = 1556,634 (kj/h)
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 14
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
qtr1: hàm nhiệt của sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Bảng 16: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ nhất .
Dòng
Nhiệt độ (oK)
Lượng (Kg/h)
Entanpi (KJ/kg) Nhiệt lượng(KJ/h)
Dòng vào
Q11
803
Q21
803
Tổng
---
215594,945
1908,710
411508227,5
9466676,8
---
---
420974904,3
1556,634
335602448,4
Dòng ra
Q31
733
215594,945
Q41
733
8696162,7
Q51
733
80266543,9
Q61
4209749,3
Tổng
---
---
---
420974904,3
4. Tính toán cho lò thứ 2
4.1.
Tính toán cân bằng vật chất
Bảng 17: Thành phần các cấu tử của lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
nc (kmol/h)
y’C2i = nci/nc2i
Cn H2n + 2
808,975
0,4797
Cn H2n
292,026
0,1732
Cn H2n - 6
585,453
0,3471
Tổng
1686,454
1,0000
Độ giảm áp suất giữa các lò phản ứng thường 0,15 0,35 (kg/cm2). Chọn độ giảm
áp suất ở lò phản ứng thứ hai là 0,2 (kg/cm2). Khi đó áp suất chung của hỗn hợp khí
nguyên liệu vào lò phản ứng thứ hai là:
P2 = 3,5 - 0,2 = 3,3 (kg/cm2) = 3,3 x 98067 = 323621,1 (pa)
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 15
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Bảng 18: Thành phần áp suất.
Cấu tử
y'i = ni/ ni
Pi = 323621,1. y'i (Pa)
P
0,105
33980,22
N
0,037
11973,98
A
0,076
24595,20
H2
0,693
224269,42
P*
0,089
28802,28
Tổng
1,000
323621,10
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic.
Ta có nhiệt độ đầu vào của lò phản ứng thứ hai là T = 8030K
T = 8030K
1000/ T = 1000/803 = 1,245
Tra đồ thị phụ lục [1] ta được K1 = 11. 10-7 (kmol/h.pa3.kg xúc tác).
Phương trình tính hằng số cân bằng phản ứng:
KP1 = 9,813 . 1012 . e46,15 - 25600/T
= 9,813 . 1012 . e46,15 - 25600/803
= 14,866 . 1020 (pa3).
Độ giảm tương đối hàm lượng naphten do phản ứng thơm hoá:
dN12
dVR2
= K 1 . PN
K1 . PA .PH3 = 0,01317
2
KP1
Mà VR2 = m2/NC
Trong đó :
mxt2 : lượng xúc tác vào lò phản ứng thứ hai; mxt2 = 15133,68 (kg)
NC: Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ hai (kmol/h).
VR2 =
15133,68/1686,454 = 8,974 (kg/kmol).
Vậy N21 = 0,01317 x 8,974 = 0,1185 (kmol/h)
Lượng naphten tham gia phản ứng (1) là:
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 16
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
nN12 = 0,1185 x 1686,454 = 199,845 (kmol/h)
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin ở T = 803 0K
Tra đồ thị phụ lục [2] ta đượcK2 = 100.10-15 (kmol/h.Pa2 kg xúc tác).
KP2 = 98,1-1 . 10-3 . e(4450/T)
- 7,12
= 98,1-1 . 10-3 . e(4450/803)
dN22
= K 2 . PN
dVR2
- 7,12
K 2 . PP
KP2
= 0,0021.10-3 [pa-1].
= - 0,0017
Do KP2 << 1 nên hàm lượng naphten tăng do phản ứng nghịch xảy ra chiếm ưu
thế.
Suy ra
NN22 = 0,0017 x VR2 = 0,0017 x 8,974 = 0,0153.
Hàm lượng naphten tăng do phản ứng (2) là:
nN22 = 0,0153 x1686,454 = 25,803.
Bảng 19: Cân bằng hoá học của lò phản ứng thứ hai.
Lượng chất tham gia phản ứng (kmol/h)
199,845 CnH2n
25,803 CnH2n+2
Lượng sản phẩm (kmol/h)
199,845 CnH2n
- 6
+ 199,845x 3H2
25,803 CnH2n + 25,803 H2
Bảng 20: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra của lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
Lượng vào(kmol/h)
Lượng ra (kmol/h)
P
808,975
808,975 - 25,803 = 783,172
N
292,026
292,026 + 25,803 - 199,845 = 117,984
A
585,453
585,453 + 199,845 = 785,298
Tổng
1686,454
1686,454
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 17
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Bảng 21: Tính lượng khí tuần hoàn.
H2
5350,714
5350,714 + 199,845x3 + 25,803= 5976,052
CH4
196,099
196,099
C2H6
245,124
245,124
C3H8
147,075
147,075
C4H10
49,025
49,025
C5H12
49,025
49,025
Tổng
6037,062
6662,400
Bảng 22: Khí tuần hoàn ra khỏi lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
Mi
ni (kmol/h)
y'i = n'i/ni
Miy'i
H2
2
5976,052
0,8970
1,794
CH4
16
196,099
0,0294
0,470
C2H6
30
245,124
0,0368
1,104
C3H8
44
147,075
0,0220
0,968
C4H10
58
49,025
0,0074
0,429
C5H12
72
49,025
0,0074
0,533
Tổng
-
6662,400
1,0000
5,299
Lượng khí tuần hoàn:
(5976,052 + 686,348) x 5,299 = 35304,058 (kg/h)
Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn là:
215594,945 - 35304,058 = 180290,887 (kg/h)
Vậy ta có phương trình sau;
785,298 x(14n - 6) + 117,984 x14n + 783,172 x(14n + 2) = 186746,753
suy ra
n = 7,769
MA = 14n - 6
= 14x 7,769 - 6
= 102,766
MN = 14n
= 14 x 7,769
= 108,766
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 18
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
MP = 14n +2
= 14 x7,769+ 2
= 110,766
Bảng 23: Cân bằng vật chất của lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
ni (kmol/h)
y’i
Mi
Gi = M i . n i
Đầu vào
P
808,975
0,105
110,784
89621,487
N
292,026
0,039
108,784
31767,756
A
585,453
0,076
102,784
60175,202
H2
5350,714
0,692
5,637
30161,976
P*
686,348
0,088
5,637
3868,944
Tổng
7723,516
1,000
-
215594,945
0,094
110,766
86748,30
Đầu ra
P
783,172
N
117,984
0,014
108,766
12832,648
A
785,298
0,094
102,766
80701,934
H2
5976,052
0,716
5,299
31667,099
P*
686,348
0,082
5,299
3636,956
Tổng
8348,854
1,000
4.2.
215594,922
Tính toán cân bằng nhiệt lượng
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Q12 + Q22 = Q32 + Q42 + Q52 + Q62
Trong đó:
Q12: Nhiệt lượng hỗn hợp khí nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào (kj/h)
Q22: Nhiệt lượng do xúc tác mang vào lò phản ứng (kj/h)
Q32: Nhiệt lượng do khí sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra (kj/h).
Q42: Nhiệt lượng do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng (kj/h);
Q52: Nhiệt lượng tổn thất do phản ứng reforming (kj/h).
Q62: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường bên ngoài (kj/h).
Tính Q22:
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 19
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR
Nhiệt lượng Q22 do xúc tác mang vào lò phản ứng thứ hai chính là nhiệt lượng
do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng thứ nhất.
Q22 = Q41 = 8696162,62 (kj/h)
Tính Q42
Giả thiết nhiệt độ tại lò phản ứng thứ hai giảm điT = 600K
Q42 = mXT2. CPxt .T
Trong đó: mxt2 lượng xúc tác ra khỏi lò phản ứng thứ hai.
CPxt: nhiệt dung riêng xúc tác ở T = 803 - 60 = 7430K
CPxt = 22,08 + 8,91.10-3 x 743 - 5,225.105x(743)-2 = 27,80 (kcal/kmol.0K)
CPxt = 27,80 x 4,186 /102 = 1,1409 (kcal/kg0K)
Q42 = mxt2CPxt.T = 15133,68 x 1,1409 x 743 = 12828649,53 (kj/h)
Tính Q12: Ta cần xác định entanpi của dòng hơi nguyên liệu ở cửa vào lò phản
ứng thứ hai.
Bảng 24: Entanpi của hỗn hợp hơi vào lò phản ứng thứ hai .
Cấu tử
Mi
ni
y'i =
ni/ ni
Mi.y'i
Entanpi
yi =
Miy'/Miy'i
qt
qtyi
(KJ/kg)
(KJ/h)
H2
2
5350,714
0,6928
1,387
0,0497
7700
382,69
CH4
16
196,099
0,0254
0,406
0,0146
1618
23,62
C2H6
30
245,124
0,0317
0,951
0,0341
1434
48,90
C3H8
44
147,075
0,0190
0,836
0,0299
1405
42,01
C4H10
58
49,025
0,0063
0,359
0,0129
1400
18,06
C5H12
72
49,025
0,0063
0,454
0,0163
1392
22,69
A
102,784 585,453
0,0758
7,791
0,2793
1715
479,00
N
108,784 292,026
0,0378
4,112
0,1474
1704
251,17
P
110,784 808,975
0,1047
11,599
0,4158
1703
708,11
1,0000
27,894
1,0000
Tổng
-
7723,516
1976,25
Để tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng ta dùng công thức sau:
BTL Công nghệ Chế biến dầu
Page 20
- Xem thêm -
.PDF 
36 
752 
126 
