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

Thời gian làm việc xúc tác

Lượng cốc bám trên xúc tác (% trọng lượng)

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/m3) Thành phần phân đoạn, (K) %, Khối lượng

733

Ts đầu Ts 50 Ts cuối Parafin Naphten Aromatic

 Trong quá trình reforming xúc tác thường xảy ra các phản ứng sau

- Phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành RH thơm

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:

- = K1×PN -

×PA×PH2

3 (5)

Trong đó: PN: là áp suất của naphten

PA: là áp suất của aromatic

PA: là áp suất của parafin

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

Để tính thành phần của hỗn hợp ta dùng công thức sau:

Mc×Yi = Mi×Yi’

Trong đó: Mc là khối lượng phân tử trung bình của nguyên liệu

Mi là khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon trong nguyên liệu

Yi và Yi’ lần lượt là phần khối lượng và phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu

Bảng 11: Khối lượng tổng quát của các hydrocacbon

Hydrocacbon Công thức hóa học Công thức khối lượng

YP, YN, YA lần lượt là phần khối lượng của các hydrocacbon parafin, naphten

và aromatic trong nguyên liệu

MA, MN, MP là khối lượng phân tử của các hydrocacbon Aromatic, naphten

.32

698

14

p

M

Y M

Y M Y

Y n

Y

c

A N

P

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

MN = 14n = 14×8,038 = 112,53

MA = 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

Yi phần khối lượng Yi’ = Yi×Mc/Mi

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:

Gc = 2 200 000×1000/ (24×340) = 269607,8431 (Kg/h)

Năng suất thiết bị tính ra (Kmol/h)

G’c = Gc/Mc = 269607,8431/ 113 = 2385,9101 (Kmol/h)

Vậy ta có bảng sau:

Bảng 13: Lượng hydrocacbon trong nguyên liệu

 Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết

Với tỷ lệ H2/HC nguyên liệu lưu lượng thể tích của nguyên liệu trong một giờ được tính theo công thức sau:

G r = (Gc/Pc) ×NiTrong đó: Gc là năng suất của thiết bị, (Kg/h)

Pc là tỷ trọng của nguyên liệu Pc = 733 (kg/m3)

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

- Lượng hydrocacbon tuần hoàn là:

28640,02 - 24630,42= 4009,6 (kmol/h)

 Lượng chất xúc tác cho quá trình

- Thể tích xúc tác:

Vxt= Gc / (c ×Vo) ,(m3) Trong đó:

Vo: là tốc độ thể tích Vo=2 h-1

GC: là năng xuất thiết bị , (Kg/h)

c : khối lượng riêng của nguyên liệu ở thể lỏng c=733 Kg/m3

Suy ra:

Vxt =

= 183,91 (m

3) Vậy lượng xúc tác được tính là:

Mxt = Vxt ×xt (Kg) Trong đó:

xt là khối lượng riêng của chất xúc tác, (Kg/m3)

Trong đó: P : là áp suất chung trong lò phản ứng, (Pa)

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)

Bảng 15: Phân bố áp suất theo từng cấu tử

Cấu tử Ni (Kmol/h) Y'i = Ni/ Ni Pi=P×Y'i(Pa)

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 Tr1 = 803oK

- Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành RH thơm

Tr1 = 803oK  1000/Tr1 = 1,245 Theo đồ thị (8) ta tra được K1 = 3,145×10-7 (kmol/h×kg xúc tác×Pa2)

- Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là:

46 

e = 14,866×1020 (Pa3)

Suy ra: - NN11= 0,025×VR11 mà VR11=

Trong đó: Mi là lượng xúc tác lò 1 : 11034,6 (Kg)

NC1 lượng nguyên liệu vào lò thứ nhất : 2385,91 (Kmol/h)

Ta nhận thấy KP2<<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:

Với KP2= 98,1-1 ×10-3×e(4450/803) - 7,12= 0,0021×10-3(Pa-1)

Suy ra: NN21 = 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 + NN21 - NN11)×Gc

= (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

276,76 CnH2n 276,76 CnH2n-6 + 276,76×3 H24,14 CnH2n+2 4,14 CnH2n + 4,14 H2

Bảng 18: Thành phần lượng nguyên liệu trong lò phản ứng thứ nhất

* Tổng hợp các số liệu cân bằng vật chất của lò thứ nhất

Từ đó ta tính được :

MP = 14n + 2= 8,014×14 + 2 = 114,2

MN = 14n = 8,014×14 = 112,2

MA = 14n - 6 = 8,014×14 – 6 = 106,2

II.1.2 Tính toán cân bằng nhiệt

Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát có thể viết như sau:

Q11 = Q12 + Q13 + Q14

Trong đó:

Q11 : là nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào

Q12 : là nhiệt lượng tiêu tốn cho phản ứng reforming

Q13 : là nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra

Q14 : là nhiệt mất mát

Trước tiên ta cần tính entanpy của dòng hơi nguyên liệu ở cửa vào của lò phản ứng thứ nhất Các số liệu entanpy của H2, CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12 ở nhiệt độ

803oK được tra ở các đồ thị( sổ tay hóa lý)

Để xác định entanpy của P, N, A trước tiên ta cần xác định 288

288

 của nguyên liệu

Bảng 22 : 288288 của hỗn hợp hơi ở cửa ra và ở cửa vào

Cấu tử

288 288

Bảng 22: Entanpy của hỗn hợp hơi vào lò phản ứng

qt×Yi (KJ/kg)

Lượng (Kg/h)

Entanpy (KJ/kg)

Nhiệt lượng (KJ/h) Dòng vào

I.2 Tính toán lò thứ hai

I.2.1 Tính toán cân bằng vật chất

Bảng 24: Thành phần của nguyên liệu vào lò thứ hai

Cấu tử Ni, (Kmol/h) Y’i = Ni/N i

40 - 0,3 = 39,7 kg/cm2 = 3893301,952 (Pa)

Bảng 25: Áp suất chung của hỗn hợp khí nguyên liệu vào lò thứ hai

Theo đồ thị (8) ta tra được K1 = 3,145×10-7 (Kmol/ph×Kg xúc tác×Pa2)

- Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là:

10 145 3

46 

e = 14,866×1020 (Pa3)

- NN12= 0,013×VR2 mà VR2=

Trong đó: M2 là lượng xúc tác lò 2: 16551,9 Kg

NC2 lượng nguyên liệu vào lò thứ hai: 2385,9 Kmol/h

Suy ra: NN22 = 0,0115×10-3 ×6,94= 0,0008 (Kmol/h)

+ Vậy lượng naphten sau phản ứng (1) và (2) là:

N’N22 = (Y'N2 + NN22 - NN12) ×Gc

= (0,147 + 0,0008 - 0,09) ×2385,9 = 137,9 (Kmol/h)

 Lượng parafin chuyển hóa thành naphten là:

NP = 0,0008×2385,9 = 1,9 (Kmol/h)

Vậy ta có cân bằng vật chất các phản ứng hoá học sau:

Bảng 26: Cân bằng các phản ứng hóa học cho phản ứng hoá học thứ hai

Lượng các chất tham gia phản ứng

214,7 CnH2n 214,7 CnH2n-6 +214,7×3 H21,9 CnH2n+2 1,9 CnH2n +1,9 H2

Bảng 27: Thành phần nguyên liệu trong lò phản ứng thứ hai

Bảng 28: Thành phần khí tuần hoàn trong lò thứ hai

* Tổng hợp các số liệu cân bằng vật chất của lò thứ hai

Bảng 30: Cân bằng vật chất của lò phản ứng thứ hai

Từ đó ta tính được: MP = 14n + 2= 8,055×14 + 2 = 114,77

MN = 14n= 8,055×14 = 112,77

MA = 14n - 6 = 8,055,14 - 6 = 106,77

I.2.2 Tính toán cân bằng nhiệt

Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát có thể viết như sau:

Q21 = Q22 + Q23 + Q24

Trong đó:

Q21 : là nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào

Q22 : là nhiệt lượng tiêu tốn cho phản ứng reforming

Q23 : là nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra

qt×Yi (KJ/kg)

qp= - 335×b Với b: hiệu suất tạo hydro tính theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (% khối lượng)

Ta có: GH2 = (26109,04 - 25464,84) ×2 = 1288,4 (Kmol/h) Suy ra : b=

Entanpy (KJ/kg)

Nhiệt lượng (KJ/h) Dòng vào

I.3 Tính toán cho lò phản ứng thứ ba

I.3.1 Tính cân bằng vật chất

Bảng 33: Thành phần của nguyên liệu vào lò thứ ba

Cấu tử Ni, Kmol/h Y’i = Ni/N i

Bảng 39: Áp suất chung của hỗn hợp khí nguyên liệu vào lò thứ ba

Cấu tử N’i Y’i = Ni/N i Pi=3863881,534,Y’I

Theo đồ thị hình (8) ta tra được K1 = 3,145×10-7 (Kmol/ph×Kg xúc tác×Pa3)

- Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là:

- = K1×PN -

×PA×PH2

3

- dN13/dVR3 = 3,145×10-7×16321,133 - 20

710.866,14

10.145,

×92738,035×( 3103635,293)3=0,0045

Với KP1 = 9,81×1012× 803

25600 15

46 

e = 14,866×1020 (Pa3)

- NN13 = 0,00177×VR3 mà VR3 =

Trong đó : M3là lượng xúc tác ở lò 3 là: 27586,5 (Kg)

NC3 lượng nguyên liệu vào lò thứ hai: 2385,9 (Kmol/h)

Với KP2= 98,1-1 ×10-3×e(4450/803) - 7,12= 0,0021×10-3(Pa2)

Ta nhận thấy KP2<<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:

- = K1×PN -

- Lượng naphten tạo thành từ phản ứng (2):

Vậy ta có cân bằng vật chất các phản ứng hoá học sau:

Bảng 40: Cân bằng các phản ứng hóa học cho phản ứng hoá học

Lượng chất tham gia phản ứng (Kmol/h) Lượng chất sản phẩm (Kmol/h)

124,07CnH2n 124,07CnH2n-6 + 124,07×3H24,53CnH2n+2 4,53CnH2n + 4,53H2

Bảng 43: Thành phần tuần hoàn ra khỏi lò phản ứng thứ ba

Cấu tử Mi Ni, (Kmol/h) Yi = Ni/Ni Mi×Yi

Bảng 44: Tổng hợp số liệu cân bằng vật chất của lò thứ 3

- Lượng khí tuần hoàn là: 30495,48×6,207 = 189285,4 (Kg/h)

- Lượng hydrocacbon ra khỏi lò 3 là:

455862,3- 189285,4 = 266576,9 (Kg/h)

Vậy ta có phưong trình tính n:

904,22 × (14n-6) + 17,76 ×14n + 1463,92 × (14n+2) = 266576,9

Suy ra: n= 8,054

Trong đó : Q31: Nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn vào lò 3,(KJ/h)

Q32: Nhiệt lượng sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra lò 3, (KJ/h)

Q33: Nhiệt tiêu tốn cho phản ứng refoming, (KJ/h)

i i

y M

y M

'

'



Entanpy

qt(KJ/kg)

qt ×Yi (KJ/kg)

Với b: hiệu suất tạo hydro tính theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (% khối lượng)

Suy ra: qtr= 2234,47 (KJ/h)(qtr hàm nhiệt của sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra )

Bảng 46: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ 3

Dòng

Nhiệt độ (oK)

Lượng (Kg/h)

Entanpy (KJ/kg)

Nhiệt lượng (KJ/h) Dòng vào

Theo đồ thị (8) ta tra được K1= 3,145×10-7 (Kmol/ph×Kg xúc tác×Pa2)

- Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là:

- = K1×PN -

10 145 3



×105445,587×( 3088650,080)3 = 0,0059×10-3 Với KP1= 9,81×1012× 803

25600 15

46 

e = 14,866×1020 (Pa3)

Suy ra: -NN14 =0,0059×10-3×VR4

Ta có: VR4 = = 23,12 (Kg/mol×h-1)

Ta nhận thấy KP2<<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:

- = K1×PN - ×PP

Với KP2 = 98,1-1 ×10-3×e(4450/803) - 7,12= 0,0021×10-3(Pa-1)

Suy ra: N24 = 0,18×10-3 ×23,12 = 4,16×10-3 (Kmol/h)

- Lượng naphten tạo thành từ phản ứng (2):

Ta có: 1000/T =1,245, với T= 803 K tra đồ thị (3): K3 =0,038 (Kmol/h×Kg xúc tác)

-

= K3× = = 2,05×10-5 Suy ra: NN34 = - 2,05×10-5×VR4 = -4,74×10-4

Lượng Naphten tham gia phản ứng (3) là : N’N34 = 4,74×10-4×2385,9 =1,13 (Kmol/h) Lượng naphten sau phản ứng (1), (2), (3) là: N34= 26,30 – 1,13= 25,17 (Kmol/h)

 Xét phản ứng hydrocracking parafin (4):

- Hằng số tốc độ chuyển hoá của phản ứng hydrocracking parafin ở nhiệt độ 803K

Ta có: 1000/803 = 1,245

Tra đồ thị (3) phụ lục ta được K4 = 0,038 (Kmol/h×Kg xúc tác)

- Sự giảm hàm lượng parafin qua phản ứng (4):

-

= K4× =

= 1,69×10

1,13CnH2n + 1,13×n/3 H2 1,13×n/15(CH4+ C2H6 +C3H8+C4H10

+ C5H12) 38,17 CnH2n+2 +38,17×(n-3)/3,H2 38,17×(n/15),(C1+C2+C3+C4+C5)

- Lượng H2 tiêu tốn ở lò 4 là: với n = 8,054.Ta tính được lượng H2 tham gia phản ứng (3) và (4):

nH2 =38,17×

3

3054

Bảng 52:Thành phần khí tuần hoàn ra khỏi lò phản ứng thứ 4

Cấu tử Mi Ni, (kmol/h) Yi = Ni/Ni Mi×Yi

Lượng khí tuần hoàn là: 30544,52 × 6,34 = 193652,3 (Kg/h)

Lượng hydrocacbon ra khỏi lò 4 là:

455862,3 - 193652,3 = 262210 (Kg/h)

Vậy ta có phương trình tính n:

904,54×(14n-6) + 27,37×14n + 1415,82×(14n+2) = 262210

Suy ra: n= 8,057

MN= 14×8,057 = 112,80

MP= 14×8,057+2 =114,80

I.4.3.2 Tính cân bằng nhiệt lượng

Ta có phương trình cân bằng nhiệt

Q41 = Q42 + Q43 + Q44

Trong đó : Q41 : là nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào

Q42 : là nhiệt lượng tiêu tốn cho phản ứng reforming

Q43 : là nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra

i i

Y M

Y M

'

'



Entanpy

qtKJ/kg

qt ×Yi (KJ/h)

+ Để tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng ta dùng công thức sau :

qp = - 335×b Với b: hiệu suất tạo hydro tính theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (% khối lượng)

Lượng (Kg/h)

Entanpy (KJ/kg)

Nhiệt lượng (KJ/h) Dòng vào