2.2 Технологический расчет реакторного блока установки гидроочистки дизельного топлива

2.2.1 Выход гидроочищенной дизельной фракции

Выход гидроочищенного дизельного топлива В_ДТ, % (масс.) на исходное сырьё равен:

В_ДТ= 100 - В_б - В_г - ?S, (2.1)

где В_г, В_Б, ?S- выход газа, бензина и количество удаленной из сырья серы соответственно на сырье, % масс.

Бензин и газ образуются преимущественно при гидрогенолизе сернистых соединений, и выход можно рассчитать по следующим формулам:

В_Б = ?S, (2.2)

B_г = 0,3•?S, (2.3)

?S_ост = 0,005,

?S = S-S_ост=0,96 - 0,005 = 0,955 % масс.

В_Б = 0,955 % масс.

В_г = 0,3 · 0,955 = 0,2865 % масс.

В_ДТ = 100 - 0,955 - 0,2865-0,955 = 97,80 % (масс.)

Полученная величина в дальнейших расчётах уточняется после определения количества водорода, вошедшего в состав дизельного топлива при гидрогенолизе сернистых соединений и гидрировании непредельных и ароматических углеводородов.

2.2.2 Расчёт расхода водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений

Водород в процессе гидроочистки расходуется на:

- гидрогенолиз сероорганических соединений;

- гидрирование непредельных углеводородов;

- потери водорода с отходящими потоками (отдувом и жидким гидрогенизатом);

Расход водорода на гидрогенолиз сераорганических соединений рассчитывается по формуле:

G₁ = (m · ?S) (2.4)

где G₁ - расход 100 % водорода, % масс. на сырьё;

?S - количество серы, удаляемое при гидроочистке, % масс. на сырьё;

m -коэффициент, зависящий от характера сернистых соединений.

Поскольку в нефтяном сырье присутствуют различные сернистые соединения, то определяют расход водорода на гидрогенолиз каждого из них и результаты суммируются.

Значение m для соединений серы:

- меркаптановой серы 0,0625;

- сульфидной серы 0,125;

дисульфидной серы 0,09375;

тиофеновой серы 0,250.

Наиболее стабильны при гидроочистке тиофеновые соединения, поэтому при расчёте принимаем, что вся остаточная сера (0,005 % масс.) в гидрогенизате тиофеновая, а остальные сераорганические соединения разлагаются полностью.

При этом получаем:

G₁ = 0,05 · 0,0625 + 0,35 · 0,125 + 0,09·0,09375 + (0,47 - 0,005) · 0,250 = 0,17 % масс.

Расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов.

Принимаем, что гидроочистке подвергается только прямогонная дизельная фракция, поэтому расход водорода на гидрирование непредельных углеводородов не учитываем, G₂ = 0.

2.2.3 Потери водорода с жидким гидрогенизатом

Мольную долю водорода, растворенного в гидрогенизате, можно рассчитать из условий фазового равновесия в газосепараторе высокого давления:

x_H2 = y_H2 / K_р, (2.5)

где y_H2 - объемная концентрация водорода в циркулирующем газе;

K_р - константа фазового равновесия (для условий холодного газосепаратора при 230 °С и 5,0 МПа K_р = 30).

x_H2 = 0,8 / 30 = 0,027

Потери водорода от растворения в гидрогенизате G₃ (% масс.) на сырье составляют:

G₃, (2.6)

Среднюю молекулярную массу сырья рассчитываем по формуле:

М =, (2.7)

(2.8)

где - относительная плотность сырья при температуре 15°С,

,

М= кг/кмоль.

Вычисляем потери водорода с жидким гидрогенизатом:

G₃

Кроме этого, имеются также потери водорода за счет его диффузии через стенки аппаратов и утечки через неплотности, так называемые механические потери.

По практическим данным, эти потери составляют около 1% от общего объема циркулирующего газа.

Механические потери на сырье равны:

G₄ = х · 0,01 · M_H2 · 100 / (с · 22,4), (2.9)

где х - кратность циркуляции водородсодержащего газа, нм³ / м³;

с - плотность сырья, кг / м³.

G₄ = 350 · 0,01 · 2 · 100 / (835 · 22,4) = 0,037 % масс.

2.2.4 Потери водорода с отдувом

В таблице 2.3 приведен состав водородсодержащего газа, подаваемого на установки гидроочистки.

Таблица 2.3 - Состав водородсодержащего газа

Для нормальной эксплуатации установок гидроочистки содержание водорода в циркулирующем газе должна быть не ниже 70 % (об.). Уменьшению концентрации водорода способствует следующие факторы:

- химическое потребление водорода на реакции гидрирования и гидрогенолиза;

- растворение водорода в жидком гидрогенизате, выводимом с установки;

Концентрация водорода в системе повышается за счёт растворения углеводородных газов в жидком гидрогенизате и увеличения концентрации водорода в водородсодержащем газе, поступающем с других установок (например, установки каталитического риформинга).

В зависимости от требуемой степени очистки сырья определяется оптимальное нормальное давление водорода.

Расход водорода на отдув появляется в связи с тем, что для поддержания оптимального его парциального давления приходится непрерывно выводить (отдувать) из системы небольшую часть циркулируемого ВСГ и заменять его свежим водородом.

Примем расход 100%-го водорода на отдув G_отд=0,4% (масс.).

Общий расход водорода:

G_H2 = G₁ + G₂ + G₃ + G4+Gотд (2.10)

G_Н2= 0,17+ 0+ 0,028+ 0,037+0,4 = 0,635 % масс.

Расход свежего водородсодержащего газа на гидроочистку равен:

= G_H2 / 0,29 (2.11)

где 0,29 - содержание водорода в свежем ВСГ, % масс.

= 0,635 / 0,29 = 2,19 % масс.

2.2.5 Материальный баланс установки гидроочистки

Выход сероводорода рассчитывается по уравнению:

В_H2S = ?S · М_H2S / М_S (2.12)

B_Н2S = 0,955 · 34 / 32 = 1,015 % масс.

Таким образом, балансовым сероводородом поглощается

1,015 - 0,955 = 0,06 % масс. водорода.

Количество водорода, вошедшего при гидрировании в состав гидрогенизата, равно:

G_Н2 = G₁ + G₂ - 0,075 (2.13)

G_Н2= 0,17 + 0 - 0,075 = 0,095 % масс.

Уточненный выход гидрогенизата:

ДТ = 97,80 +0,095 = 97,895 % масс.

Выход сухого газа, выводимого с установки, складывается из углеводородных газов, поступающих со свежим водородсодержащим газом, газов, образующихся при гидрогенолизе, а также абсорбированного гидрогенизатом водорода:

2,19 · (1 - 0,29) + 0,2865 + 0,027 = 1,87% масс.

На основе полученных данных составляем материальный баланс установки (таблица 2.4).

Таблица 2.4 - Материальный баланс установки гидроочистки

2.2.6 Материальный баланс реактора гидроочистки

В реактор кроме сырья и свежего водородсодержащий газ поступает еще циркулирующий ВСГ, состав которого приведен в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Состав циркулирующего водородсодержащего газа

Средняя молекулярная масса циркулирующего водородсодержащего газа Мц равна:

М_ц = ? Мi· y_i, (2.14)

М_Ц= 2·0,720+16·0,200+30·0,050+44·0,020+58·0,010=7,6кг/кмоль.

Расход циркулирующего водородсодержащего газа на 100 кг сырья Gц равно:

G_ц = (100·х ·Мц )/ ( 22,4· с _с ), (2.15)

G_ц = (100·350·7,6) /(22,4·835) = 14,22 кг.

На основе данных материального баланса гидроочистки составляем материальный баланс реактора (таблица 2.6).

Таблица 2.6 - Материальный баланс реактора гидроочистки

2.2.7 Тепловой баланс реактора

Уравнение теплового баланса реактора гидроочистки:

Qc + Qц +Qs +Qг.н = ? Qсм, (2.16)

где Qс, Qц - тепло, вносимое в реактор со свежим сырьем и циркулирующим водородсодержащим газом, кДж/ч.

Qs, Qг.н - тепло, выделяемое при протекании реакций гидрогенолиза сернистых и гидрирования непредельных соединений, кДж/ч.

УQсм - тепло, отводимое из реактора реакционной смесью, кДж/ч.

Средняя теплоемкость реакционной смеси при гидроочистке незначительно изменяется в ходе процесса, поэтому тепловой баланс реактора можно записать в следующем виде: