Prokofeva_T.V._i_dr._Tehnolog._raschet_reaktornogo_bloka_ustanovki_katalit._riforminga

где Vc20 – объемный расход сырья в жидкой фазе при 20оС, м3/ч; Wо – объемная скорость подачи сырья, м3/(м3·ч).

Распределение объема катализатора в реакторах установки принимаем в соотношении 0,15 : 0,35 : 0,5, таким образом, реакционные объемы пропорциональны принятым соотношениям и равны 5,55 м3, 12,95 м3 и 18,50 м3 для I-го, II-го и III-го реакторов, соответственно.

Рассчитываем объемную скорость паров и газов в любом сечении реактора:

n	z G			V 0		t 273,15		p
V	i	i						0	, м3/с,
	Mi			3600		273,15		p
i 1

где Gi – массовый расход i-го компонента, входящего в состав парового потока, кг/ч;

Mi – молекулярная масса i-го компонента;

zi – коэффициент сжимаемости i-го компонента; определяется по рис. П-7, в зависимости от температуры τпр и давления

πпр;

t – температура в сечении реактора, оС; p – давление в сечении реактора, МПа;

V0 – молярный объем идеального газа при нормальных условиях, V0 = 22,4 л/моль;

p0 – нормальное давление, p0 = 0,1 МПа.

Данные расчета объемных скоростей паров на входе и выходе из первого реактора приведены в табл. 11.

21

Таблица 11 Расчет объемных скоростей паров на входе и выходе из первого

реактора

	Компонент	G,	M	z	пр	пр
		кг/ч
	Вход (tвх = 520оС, рвх = 4,0 МПа)
	Сырье	41600	123	0,82	1,33	1,4
	Циркулирующий газ, в
	т.ч.:
	а) водород	6455	2	1,0*	-	-
	б) у.в. газы	12245	31	1,0	2,75	0,909
		Vвх = 1,76 м3/с
	Выход (tвых = 490оС, рвых = 3,98 МПа)
	Сырье (непрореагиро-	20800	123	0,79	1,278	1,39
	вавшее)
	Циркулирующий газ и
	газы реакции, в т.ч.:
	а) водород	7122	2	1,0*	-	-
	б) у.в. газы	13513	31	1,0	2,65	0,905
	Риформат	17550	118	0,81	1,285	1,24
	Бутан-бутиленовая	1315	58	0,96	1,79	1,06
	фракция
		Vвых = 1,87 м3/с

* При высокой температуре водород близок по своим свойствам к идеальному газу, поэтому коэффициент сжимаемости z принимается 1,0.

Таким образом, средняя объемная скорость паров в реакторе равна Vср = 1,81 м3/с.

Принимаем допустимую линейную скорость паров в полном поперечном сечении реактора wдоп = 0,450 м/с.

Вычисляем расчетный диаметр реактора:

Dр		4Vср		2, 26 м.
		wдоп

22

Выбираем стандартный реактор, применяемый на установках каталитического риформинга, с внутренней футеровкой, без защитной облицовки:

внутренний диаметр корпуса 2600 мм (по металлу);

толщина футеровки 150 мм.

Витоге, внутренний диаметр проходного сечения реактора

D = 2300 мм.

Площадь полного поперечного сечения реактора S = 4,15 м2, при этом средняя линейная скорость паров и газов в полном поперечном сечении

wср = Vср / S = 0,436 м/с.

С учетом объема катализатора в I-ом реакторе установки (5,55 м3) высота слоя катализатора в аппарате

Hсл.к 5,55 1,34 м.

S

2.4.2. Определение внутренних диаметров технологических штуцеров реактора

Сначала рассчитываем внутренний диаметр входного и выходного штуцера реактора.

Примем максимально допустимую линейную скорость течения потока паров и газов в штуцерах входа и выхода wmax = 30,0 м/с.

Таким образом, расчетный внутренний диаметр входного штуцера

	dвх.р	4Vвх	0, 27м.
		wmax

В соответствии с таблицей П-2 выбираем значение ближайшего наибольшего номинального диаметра DN входного штуцера

300.

23

Аналогично для штуцера выхода получаем

d			4Vвых	0, 28м.
	вых.р
			wmax

Принимаем DN выходного штуцера также равным 300. Рабочие параметры реактора имеют максимальные значения

на входе в аппарат – tвх = 520оС, рвх = 4,0 МПа. С учетом этого, по ГОСТ 356 определяем номинальное давление PN для трубопроводной арматуры, изготовленной из хромомолибденовой стали марки 12МХ. Для входного штуцера номинальным будет давление PN 10 (100) МПа (кгс/см2). Так как температура и давление в реакторе снижаются незначительно по направлению движения потока паров и газов (tвых = 490оС, рвых = 3,98 МПа), для штуцера на выходе принимаем такое же PN.

Для выбранных значений DN 300 и PN 100 по ГОСТ 33259 определяем внутренний диаметр арматурного фланца (стального приварного встык) для штуцеров входа и выхода – d1 = 284 мм.

Фактическим внутренним диаметром входного dвх и выходного dвых штуцеров примем внутренний диаметр фланца d1.

Аналогично определяются размеры реакторов последующих II-ой и III-й ступеней.

2.5. Гидравлический расчет реактора

Гидравлический расчет реактора имеет цель определить полную потерю давления в аппарате, уточнить принятое ранее давление рвых на выходе из аппарата.

Суммарная потеря давления в реакторе состоит из перепадов давления в слое катализатора, на местных сопротивлениях (в уз-

24

где dр.ш

лах входа и выхода), в слое фарфоровых шаров и на опорной решетке.

2.5.1. Перепад давления в слое катализатора

Перепад давления в слое катализатора рассчитывается по уравнению Эргуна

(1 )2 w

(1 ) w2

p

H

150

ср

ср

1, 75

ср ср

, Па ,

3

2

3

сл.к

сл.к

dэкв

dэкв

где dэкв – эквивалентный диаметр частиц катализатора, м;– порозность слоя катализатора;

ср – динамическая вязкость паров и газов при средней температуре и давлении в реакторе, Па·с;

ср – плотность паров и газов при средней температуре и давлении в реакторе, кг/м3.

Уравнение Эргуна применимо для ламинарного, переходного и турбулентного режимов, следовательно, для расчета не требуется определения типа режима движения потока.

Порозность слоя катализатора вычисляется по формуле

ε = 1 - ρнас / ρч = 0,455 ,

где ρнас и ρч – насыпная плотность слоя и плотность материала частиц катализатора (истинная плотность слоя), соответственно, кг/м3.

Эквивалентный диаметр частиц катализатора

dэкв dр.ш , мм ,

– диаметр шара, равновеликого по объему частице катализатора, мм;

– фактор формы частицы катализатора.

Объем частицы катализатора рассчитывается по среднему значению диаметра dч и высоты hч цилиндрических частиц.

25

Средний объем частицы катализатора Vч = 22,1 мм3, соответственно, dр.ш = 3,5 мм.

Фактор формы частицы катализатора рассчитывается как отношение площади поверхности равновеликого шара fр.ш = 38,5 мм2 к средней площади поверхности цилиндрической частицы fч = 45,2 мм2, соответственно, = fр.ш / fч = 0,85.

Таким образом, эквивалентный диаметр частиц катализатора dэкв = 3,0 мм.

Динамическая вязкость газообразной реакционной смеси вычисляется при средней температуре tср = 505оС и давлении рср = 3,99 МПа в реакторе.

Средняя молекулярная масса потока паров сырья и циркулирующего газа на входе в реактор находится так:

Mср	1				1		15, 2,
	n	/ Mi		y / M с	y	/ M цг
	yi			с ср	цг	ср

i 1

где yс и yцг – массовые доли паров сырья и циркулирующего газа в потоке (табл. 3).

Самым близким по молекулярной массе углеводородом является метан CH4 (M = 16), поэтому можно принять его динамическую вязкость при tср и рср в качестве динамической вязкости реакционной смеси ср = 22,78·10-6 Па·с.

Средняя плотность потока паров и газов при tср и рср

	ср		G		9, 25 кг/м3,
			3600	Vср

где G – массовый расход реакционной смеси (загрузка реактора в соответствии с таблицей 4), кг/ч.

В итоге, перепад давления в слое катализатора pсл.к = 8652 Па.

26

2.5.2. Перепад давления на местных сопротивлениях

Перепад давления определяется с учетом местных сопротивлений при расширении потока паров и газов на входе в реактор и его сужении на выходе из аппарата.

Внутренние диаметры входного и выходного штуцеров dвх = dвых = 284 мм, реактора D = 2300 мм. Таким образом, отношение площадей сечений штуцера и реактора составляет 0,015. При этом коэффициенты местных сопротивлений: на входе в реактор вх = 0,95, на выходе – вых = 0,5.

Перепад давления рассчитывается по формуле ДарсиВейсбаха:

p				w2				w2
			вх	вх			вых	вых	, Па ,
м.с		вх		2		вых		2

где ρвх, ρвых – плотности паров и газов на входе в реактор и выходе из реактора, соответственно, кг/м3;

wвх, wвых – линейные скорости паров и газов во входном и выходном штуцерах реактора, соответственно, м/с.

Плотность паров и газов на входе в реактор и выходе из реактора таковы:

	вх	G	9,52 кг/м3;	вых	G	8,96 кг/м3.
		3600 Vвх			3600 Vвых

Линейные скорости паров и газов во входном и выходном штуцерах реактора:

	w		4Vвх	27,8	м/с;	w		4Vвых	29,5	м/с.
			2					2
	вх					вых
			dвх					dвых

Таким образом, фактические линейные скорости паров и газов не превышают максимально допустимого значения wmax = 30,0 м/с.

В итоге, перепад давления на местных сопротивлениях

рм.с = 5444 Па.

27

2.5.3. Перепад давления в слоях фарфоровых шаров

Фарфоровые шары располагаются над слоем катализатора и опорной решеткой. Перепад давления рассчитывается по уравнению Эргуна, так же, как и для слоя катализатора.

Средний диаметр шаров составляет dш = 13 мм. Общая высота

всех слоев h	ш	= 390 мм, насыпная плотность ρ				= 1800 кг/м3,
				нас.ш
истинная плотность материала шаров ρ			ш	= 2700 кг/м3. Порозность
слоя шаров = 0,333.
Перепад давления в слоях фарфоровых шаров					рш = 1709 Па.

2.5.4. Перепад давления на опорной решетке

Принимаем долю площади отверстий от общей площади решетки = 0,06. Диаметр отверстий dо = 12 мм, толщина решетки b = 10 мм. Далее по рисунку П-8 определяем коэффициент сопротивления решетки с = 0,815, зависящий от отношения dо / b = 1,2.

Линейная скорость паров и газов в полном поперечном сечении нижней части аппарата

w	4Vвых	0, 45м/с.
н	D2

Линейная скорость паров и газов в отверстиях опорной решетки

wwн 7,5м/с.

Перепад давления на опорной решетке

p	0,503 (1 2 )	w2		380Па.
р	c2	о	вых

В результате, суммарный перепад давления в аппарате

р = pсл.к + рм.с + рш + рр = 16185 Па = 0,0162 МПа.

28

Расчетное давление на выходе из реактора p'вых = pвх - р = 3,9838 МПа.

Таким образом, принятое ранее давление на выходе из реактора pвых = 3,98 МПа незначительно расходится с расчетным, поэтому нет необходимости в повторных вычислениях.

3. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТНОЙ РАБОТЫ

Типовая отчетная работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части.

Расчетно-пояснительная записка включает:

титульный лист;

форму задания;

описание процесса со схемой установки;

схему аппарата с указанием внешних технологических потоков (наименования, составы, температуры, давления);

описание устройства и работы аппарата;

исходные данные для расчета;

технологический расчет аппарата, содержащий используемые формулы в общем виде и с конкретными числовыми значениями.

Графическая часть содержит:

эскиз аппарата в разрезе с изображением внутренних устройств, габаритных размеров и пронумерованных позиций основных элементов с выносными линиями;

спецификацию (таблицу) основных элементов по позициям;

29

таблицу технических характеристик аппарата (рабочие параметры процесса, характеристика рабочей среды, производительность);

таблицу технологических штуцеров с их обозначениями на эскизе, назначения (наименования потока), массового расхода потока, номинального диаметра DN и номинального

давления PN.

Графическую часть следует выполнить на листе формата А3 со штампом в соответствии с ГОСТ, ЕСКД, если нет иных указаний. Таблицы могут быть на отдельных листах формата А4. При разработке графической части предпочтительно применение современных систем автоматизированного проектирования.

30