tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ ccr

Trang 1

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

Trang 2

1 Các số liệu ban đầu

Công suất : 1.500.000 tấn/ năm

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

277

Trang 3

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 :

Trang 4

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

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 :

Trang 5

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

Cấu tử Khối lượng phân tử Hàm lượng trong nguyên liệu

yi phần khối lượng yi' =yi .Me/Mi

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)

Trang 6

Bảng 5: Thành phần các cấu tử trong nguyên liệu

Cấu tử y’i (phần mol) Ni = NC y'i (kmol/h)

Trang 7

- Lượng chất xúc tác cho quá trình là:

Trong đó: XT khối lượng riêng xúc tác; XT = 550  650 (kg/m3).Chọn XT = 600 (kg/m3)

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

Trang 8

Phân bố xúc tác trong các lò phản ứng theo tỷ lệnhư sau: 1/1,5/2,5/5

Độ giảm tương đối hàm lượng naphten do phản ứng thơm hoá (phản ứng 1)

Trang 9

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 = 8030

K 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:

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)

dN12

dVR

K2 PP

KP2 = K2 PN = - 0,00206

Trang 10

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 - 6 + 371,273x 3H220,760CnH2n+2 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)

Trang 11

585,453x(14n - 6) + 292,026x14n + 808,975x(14n + 2) = 181564,027 suy ra n = 7,7703

Trang 12

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(0

K)

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 -2Tại nhiệt độ T = 8030

K 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)

Trang 13

 Tính Q41: Giả thiết nhiệt độ tại lò phản ứng thứ nhất giảm điT = 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 = 7330

Trang 14

Entanpi

qt

(KJ/kg)

qtyi (KJ/h)

Trang 15

qtr1: hàm nhiệt của sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra

Bảng 16: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ nhất

Bảng 17: Thành phần các cấu tử của lò phản ứng thứ hai

Cấu tử nc (kmol/h) y’C2i = nci/nc2i

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)

Trang 16

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:

Mà VR2 = m2/NCTrong 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)

Trang 17

nN12 = 0,1185 x 1686,454 = 199,845 (kmol/h)

Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin ở T = 8030

K 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) - 7,12 = 0,0021.10-3 [pa-1]

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

199,845 CnH2n 199,845 CnH2n - 6 + 199,845x 3H2

25,803 CnH2n+2 25,803 CnH2n + 25,803 H2

Bảng 20: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra của lò phản ứng thứ hai

Trang 18

Bảng 21: Tính lượng khí tuần hoàn

Trang 19

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 = Mi ni

4.2 Tính toán cân bằng nhiệt lượng

Q12 + Q22 = Q32 + Q42 + Q52 + Q62

Trong đó:

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);

 Tính Q22 :

Trang 20

Nhiệt lượng Q22 do xúc tác mang vào lò phản ứng thứ hai chính là nhiệt lượng

CPxt: nhiệt dung riêng xúc tác ở T = 803 - 60 = 7430

Entanpi

qt(KJ/kg)

qtyi (KJ/h)

Trang 21

qP = - 355.b Trong đó: b hiệu suất tạo hydro tinh khiết theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (% kl)

Bảng 25: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ hai

Trang 22

Bảng 26: Thành phần các cấu tử của lò phản ứng thứ ba

Cấu tử nc (kmol/h) y’C2i = nci/nc2i

Trang 23

Ta có nhiệt độ đầu vào của lò phản ứng thứ ba là T = 8030K

T = 8030K 1000/ T = 1000/803 = 1,245

KP1 = 9,813 1012 e46,15 - 25600/T = 9,813 1012 e46,15 - 25600/803 = 14,866 1020 (pa3)

Mà VR3 = mxt3/NC

Trong đó :

mxt3 : lượng xúc tác vào lò phản ứng thứ ba; mxt3 = 25222,8 (kg)

NC: Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ ba (kmol/h)

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]

dN13

K1 PA P3

KP1 = K1 PN = 0,004715

Trang 24

Suy ra N N23 = 0,001358x 14,956 = 0,0203

Hàm lượng naphten tạo thành do phản ứng (2) là

nN23 = 0,0203 x 1686,454 = 34,235 (kmol/h) Lượng naphten sau phản ứng (1) và (2) là

nN23 = (yN3 - NN13 + NN23)Nc = (0,070 - 0,07052 + 0,0203)x1686,454

= 33,29 ( kmol/h)

Bảng 28: Cân bằng hoá học của lò phản ứng thứ ba

118,929 CnH2n 118,929 CnH2n - 6 +118,929 x 3H2

34,235 CnH2n+2 34,235 CnH2n + 34,235 H2

Bảng 29: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra ở lò phản ứng thứ ba

Trang 26

Bảng 32: Cân bằng vật chất của lò phản ứng thứ ba

Q13 + Q23 = Q33 + Q43 + Q53 + Q63 Trong đó:

Q33: Nhiệt lượng do khí sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra (kj/h)

Q43: Nhiệt lượng do lượng xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng (kj/h);

Trang 27

 Tính Q23 : Nhiệt lượng Q23 do xúc tác mang vào lò phản ứng thứ ba chính là nhiệt lượng do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng hai

Q23 = Q42 = 12828649,53 (kj/h)

 Tính Q43 Giả thiết nhiệt độ tại lò phản ứng thứ ba giảm điT = 500K

Q43 = mXT3 CPxt T Trong đó: mxt3 lượng xúc tác ra khỏi lò phản ứng thứ ba

Entanpi

qt

(KJ/kg)

qtyi (KJ/h)

Trang 28

Trong đó: b hiệu suất tạo hydro tinh khiết theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (% kl)

Bảng 35: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ ba

Trang 29

Bảng 36: Thành phần các cấu tử của lò phản ứng thứ tư

Cấu tử nc (kmol/h) Y’C2i = nci/nc2i

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 tư là 0,2 (kg/cm2) Khi đó áp suất chung của hỗn hợp khí nguyên liệu vào lò phản ứng thứ tư là:

Trang 30

Ta có nhiệt độ đầu vào lò phản ứng thứ tư là T= 8030K

T = 8030K 1000/ T = 1000/803 = 1,245

KP1 = 9,813 1012 e46,15 - 25600/T = 9,813 1012 e46,15 - 25600/803 = 14,866 1020 (pa3)

Mà VR4 = mxt4/NCTrong đó :

mxt4 : lượng xúc tác vào lò phản ứng thứ tư; mxt4 = 50445,60 (kg)

NC: Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ tư (kmol/h)

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]

dN14

dVR4

K1 PA P3

KP1 H2 = K1 PN = 0,00119

Trang 31

Tra đồ thị phụ lục [3] ta được K3 = 0,038 (kmol/h.Pa.kg xúc tác)

Sự giảm tương đối hàm lượng parafin do phản ứng thứ (3) là

Bảng 38: Cân bằng hoá học của lò phản ứng thứ tư

60,038CnH2n 60,038 CnH2n - 6 + 60,038x3H258,520 CnH2n+2 58,520 CnH2n + 58,520 H2

dN N34

dVR4

K3 PP

P = 0,00326

Trang 32

NH2 = 164,429 x n/3 =164,429 x(7,774 - 3)/3 = 261,661 (kmol/h)

Lượng khí hydrocacbon sinh ra trong lò phản ứng thứ tư là

RH = 164,429 x n/15 = 164,429 x 7,774 /15 = 85,218 (kmol/h)

Bảng 39: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra của lò phản ứng thứ tư

Trang 33

Bảng 42: Cân bằng vật chất của lò phản ứng thứ tư

Trang 34

Q14 + Q24 = Q34 + Q44 + Q54 + Q64 Trong đó:

Q14: Nhiệt do hỗn hợp khí nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào (kj/h)

Q34: Nhiệt do khí sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra (kj/h)

Q44: Nhiệt do lượng xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng (kj/h);

Entanpi

qt(KJ/kg)

qtyi (KJ/h)

H2 2 6367,074 0,7285 1,457 0,059 7700 454,30

CH4 16 196,099 0,0224 0,358 0,0145 1618 23,46

Định dạng
Số trang	36
Dung lượng	616,9 KB