Đồ án Thiết kế phân xưởng isome hoá công suất 350.000 tấn/năm

a trong thiết bị Molex và sản phẩm đồng phân hóa được thu gom cho qua phân xưởng pha trộn xăng. Nhiều dạng thiết bị tách được chỉ ra trong hình 8. Sự chuẩn bị điều kiện tốt nhất để pha trộn vào thành phần nguyên liệu và đạt yêu cầu về trị số octan của sản phẩm. Lùa chọn dòng chảy của công nghệ Penex[7] [7] Để làm tăng thêm trị số octan, lợi Ých khác nhau của sự phối hợp dòng chảy cơ bản của quá trình Penex nhằm bảo hoà tất cả benzen chuyển thành cyclohexan. Hướng phát triển này có vai trò quan trọng đối với các quá trình lọc dầu ở đó người ta muốn loại bỏ lượng lỏng benzen trong hổn hợp xăng nghèo của chúng. §Ó lµm t¨ng thªm trÞ sè octan, lîi Ých kh¸c nhau cña sù phèi hîp dßng ch¶y c¬ b¶n cña qu¸ tr×nh Penex nh»m b¶o hoµ tÊt c¶ benzen chuyÓn thµnh cyclohexan. H­íng ph¸t triÓn nµy cã vai trß quan träng ®èi víi c¸c qu¸ tr×nh läc dÇu ë ®ã ng­êi ta muèn lo¹i bá l­îng láng benzen trong hæn hîp x¨ng nghÌo cña chóng. Một vài nguyên liệu, nh­ nguyên liệu reforming nhẹ, có thể chứa một lượng lớn benzen lỏng. Việc thực hiện quá trình Penex có thể gây ra tác hại khi quá trình sử dụng loại nguyên liệu này bởi vì benzen bị hyđrohoá ở đó phản ứng toả nhiệt lớn. Nhiệt phát ra bởi phản ứng hyđro hóa benzen là nguyên nhân mà thiết bị phản ứng làm việc tại điều kiện đó thì không thuận lợi cho việc làm tăng trị số octan (không thuận lợi cho quá trình isome hoá). Thực hiện với các ứng dụng, UOP đề nghị quá trình Penex, ở đó bao gồm hai thiết bị phản ứng. Thiết bị thứ nhất thì được thiết kế để bão hoà benzen chuyển thành cyclohexan. Thiết bị thứ hai thì được thiết kế để đồng phân hoá nguyên liệu cho trị số octan cao. Mỗi thiết bị phản ứng thì hoạt động tại điều kiện mà ở đó thuận lợi cho quá trình chuyển hoá các phản ứng theo mong muốn là lớn nhất. Các ứng dụng của quá trình Với sự đề cập trên, mục đích đầu tiên của quá trình Penex là cải thiện trị số octan của phân đoạn xăng nhẹ mạch thẳng (LSR). Mức độ cải thiện trị số octan cho nguyên liệu C5-C6 thì được đưa ra bởi các mô hình chọn lùa khác nhau được chỉ ra ở (bảng 10) Bảng 10. Dạng nguyên liệu và sản phẩm octan RON Nguyên liệu vào 69 Sản phẩm: Chọn lùa 1: không tuần hoàn Chọn lùa 2: Tuần hoàn 2 và 3-MeC5+nC6 Chọn lùa 3: Tuần hoàn nC5+nC6 Chọn lùa 4: Tuần hoàn nC5+nC6+ 2 và 3MeC5 83 88 89 92 Nếu nh­ yêu cầu về trị số octan có phù hợp bởi sự tuần hoàn của các metylpentan, sù tinh chế hầu nh­ chọn lùa quá trình tinh cất là lý do trên hết. Ở đó có giá trị thực tiễn cao, sù tinh chế có thể chọn lùa một thiết bị Molex, khi đó sẽ tách cả nC5 và nC6 để tuần hoàn. Sự tách nC5 và nC6 bằng thiết bị Molex thì có giá trị thực tiễn thấp hơn khi tách các metylpentan bởi quá trình tinh cất, và khi đó sẽ đạt được trị số RON cao hơn. Thiết kế dây chuyền Vì mục đích của quá trình là ta đi isome hoá phân đoạn n-C5,C6 để có sản phẩm có trị số octan cao pha vào xăng do đó ta không cần tách riêng từng cấu tử, do đó em lùa chọn thiết kế dây chuyền công nghệ isme hoá có tuần hoàn n-C5,C6. Đó là sự kết hợp giữa penex và molex: * Điều kiện phản ứng: - Sử dụng xúc tác Pt/ZSM-5 - Nhiệt độ phản ứng230 230 4 290oC - Áp suất14 14 4 42 kg/cm2 - Tốc độ nạp liệu thể tích1,4 1,4 4 2,2 h-1 - Tỷ lệ H2/nguyên liệu1 1 44 Sử dông Zeolit loại có mao quản trung bình làm rây phân tử để hấp phụ ( ZSMA-5). *Thuyết minh dây chuyền công nghệ: Nguyên liệu đầu được bơm từ bể chứa cho qua thiết bị sấy (1) bằng rây phân tử để tách nước để bảo vệ cho xúc tác. Hydro được bổ sung cũng được cho qua thiết bị sấy (1) để tách nước. Sau đó khí hydro bổ sung được trộn với khí hydro tuần hoàn và đem trộn với hỗn hợp nguyên liệu vào và được trộn với n-parafin tuần hoàn từ công nghệ tách Molex. Hỗn hợp sau trộn lẫn được trao đổi nhiệt với sản phẩm của từng thiết bị phản ứng trước khi đi vào thiết bị gia nhiệt. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu được gia nhiệt tới 230OC trước khi đi vào thiết bị phản ứng. Ở thiết bị phản ứng thứ nhất (3) xẩy ra các phản ứng hydro hoá làm no hoá các hydrocacbon thơm, naphten… Sau thiết bị phản ứng thứ nhất (3) hỗn hợp được trao đổi nhiệt để hạ nhiệt độ đến 230OC vì các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng thứ nhất (3) đều toả nhiệt mạnh do đó ưu tiên xảy ra trước phản ứng đồng phân hoá. Sau khi hỗn hợp sản phẩm lò thứ nhất (3) được hạ nhiệt độ thì được cho qua lò thứ hai (3). Tại đây sẽ xẩy ra các phản ứng đồng phân hoá và có xẩy ra cả phản ứng crackinh. Sản phẩm ra khỏi lò thứ hai (3) được cho qua thiết bị ngưng tụ và vào thiết bị tách (4). Tại đây lượng hydro được tách ra tuần hoàn trở lại còn hỗn hợp sản phẩm được cho qua tháp ổn định (5). Khí nhiên liệu được tách ra ở đỉnh còn sản phẩm ISOME hoá được đưa sang hệ thống tách bằng công nghệ Molex. Công nghệ Molex ở đây sử dụng sàng phân tử là loại Zeolit 5A và dùng chất nhả hấp phụ là khí nhẹ. Sản phẩm lỏng Isome hoá được cho vào cột hấp phụ (6) nhờ van quay (7). Trong cột hấp phụ (6) xẩy ra đồng thời quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ. Sản phẩm ra khái van quay (7) gồm có, một là gồm các sản phẩm izome hoá và chất nhả hấp phụ được đưa qua cột Rafinat (8), hai là các n-parafin cùng chất nhả hấp phụ đi qua tháp chưng cất (9). Ở cột (8) sản phẩm izome hoá được tách ra ở đáy đi vào hệ thống chứa và sẽ được đưa sang phân xưởng pha chế xăng, còn chất nhả hấp phụ được tách ra ở đỉnh và được hồi lưu lại. Ở tháp (9) n-parafin được tách ra ở đáy và hồi lưu lại thiết bị phản ứng, còn ở đỉnh thì chất nhả hấp phụ được tách hồi lưu lại cột hấp phụ (6). Tất cả chất nhả hấp phụ hồi lưu đều được cho qua thiết bị gia nhiệt (10). Sơ đồ công nghệ lùa chọn dùng cho phân xưởng isome 1. Thiết bị sấy khí 2. Máy nén khí 3. Thiết bị phản ứng 4. Thiết bị tách 5. Tháp ổn định 6. Cột hấp phô 7.Van quay 8. Cột Rafinat 9.Tháp tách 10. Thiết bị gia nhiệt 11. Lò đốt 12. Thiết bị làm lạnh hồi lưu Phần II TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ [VII], [X], [XI], [XII], [XIII] TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH I. CƠ SỞ VÀ NHIỆM VỤ CỦA QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN Mặt cắt của thiết bị phản ứng Tính toán lò phản ứng dùa trên các số liệu ban đầu đã cho nh­: công suất, đặc tính của nhiên liệu. Ngoài ra còn một số thông số thông số công nghệ được chọn theo tài liệu. Trình tự tính toán. Chọn các thông số ban đầu. Áp suất trong thiết bị phản ứng Nhiệt độ hỗn hợp nguyên liệu vào. Tốc độ nạp liệu. Tỷ sè H2/RH. Tính cân bằng vật chất. Tính cân bằng nhiệt lượng. Chọn và tính kích thước chính của lò phản ứng. I.1. Những số liệu cần thiết cho trước - Công suất, tấn/năm350.000 350.000 - Nhiệt độ phản ứng, oC230 230 ¸ 290 oC - Tốc độ thể tích, h-1 1,999 ¸ 2 - Áp suất, Mpa2 2 ¸ 4 - Tỷ lệ thể tích giữa khí tuần hoàn và nguyên liệu: 4 I.2. Tính Toán: * Các phản ứng chính xảy ra trong thiết bị phản ứng: - Phản ứng đồng phân hoá: n-C5 i- C i- C5 (1) n- C6 i- C6 (2) - Phản ứng chuyển hóa Naphten thành Parafin. CnH2n + H2 CnH2n+2 (3) - Phản ứng chuyển hoá Hydrocacbon thơm thành Naphten. CnH2n- 6 + 3H2 CnH2n (4) - Phản ứng Hydrocracking Naphten. CnH2n + n/3 H2 n/15(C1 + C2 + C3 + C4 + C5). (5) - Phản ứng Hydrocracking Parafin. CnH2n+2 + (n-3)/3H2 n/15(C n/15(C1 + C2 + C3 + C4 + C5). (6) Trong đó: k1¸6: Hằng số tốc độ của phản ứng thuận 1¸6. KP1¸6: Hằng số cân bằng của các phản ứng 1¸6. Ta có thể mô tả sự giảm hàm lượng của các Hydrocacbon trong hỗn hợp bằng hệ phương trình vi phân sau:[18] - (7). - (8). - (9). (10) (11) (12) VR: Đại lượng nghịch đảo của tốc độ nạp liệu theo mol,[kg xt/kmol/h] NP, NA, NN: Phần mol của Parafin, aromatic, Naphten trong hỗn hợp nguyên liệu. P: áp suất toàn phần, Mpa. PN, PP, PA: áp suất riêng phần của Naphten, Parafin và aromatic, Mpa. k3: Hằng số tốc độ của phản ứng (3) được xác định theo đồ thị (3.13),[kmol/h.Pa.kgxtác]. k4 Hằng số tốc độ của phản ứng (4) được xác định theo đồ thị (3.13), [kmol/h.Pa.kgxtác]. k5, k6: Hằng số tốc độ của phản ứng (5), (6) được xác định theo đồ thị (3.15), [kmol/h.Pa.kgxtác]. KP3, KP4: Hằng số cân bằng của phản ứng (3),(4) được xác định theo phương trình sau: (13) [18] (14) [18] Đồ Thị:[VI] 10,0 5,0 2,0 1,0 0,6 0,4 0,2 0,1 k x10 2 -15 1,25 1,30 1,35 1000 T 1 k 1 k 1,35 1,30 1,25 T 1000 -7 3 2 1 k x10 1 5 4 8 7 6 9 10 h×nh 3.13 h×nh 3.14 1,25 1,30 1,35 k 1 h×nh 3.15 T 1000 - 0,010 0,005 k x10 3 0,020 0,050 0,100 0,200 0,500 Bảng 1: Thành phần của nguyên liệu Nhiệt độ sôi, oC Cấu tử Tỷ trọng, g/cm3 % khối lượng % mol C5 – Parafin 47,5 51,78 29 Iso- pentan 0,617 42,0 21,75 36,05 n- pentan 0,625 58,0 30,03 C6- Parafin 45,2 41,26 49,72 2,2- dimetylbutan 0,650 0,9 0,37 58 2,3- dimetylbutan 0,655 5,0 2,06 60,27 Metylpentan 0,700 48,2 19,89 66,72 n- hecxan 0,647 45,9 18,94 C6 - Cyclics 7,3 6,96 71,19 Metylcyclopentan 0,780 57,0 3,89 80,72 Cyclohecxan 0,770 17,0 1,16 80,11 Benzen 00,860 26,0 1,91 Với công thức chuyển đổi từ % khối lượng sang % sè mol: [4]. Trong đó: Xi: phần mol của cấu tử i, %. ai, aj : Phần khối lượng của cấu tử i j %. Mi, Mj: khối lượng mol phần tử của của cấu tử i, j gam(g) Để tính thành phần của hỗn hợp dùng công thức: Mc.yi=Mi.yi’ Trong đó: Mc: khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp nguyên liệu. Mi: khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon trong nguyên liệu. yi, yi’: phần khối lượng và phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu. Mặt khác: Mc= 0,4.T50-45. Trong đó T50: nhiệt độ sôi tại 50% thể tích nguyên liệu. Ngoài ra ta tính theo công thức sau: Mc= =51,78x72+ 41,26x86+ 5,05x84+ 1,91x78= 78,5 Khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu được tính theo bảng sau: Bảng2 Hydrocacbon Công thức hoá học Công thức khối lượng Parafin CnH2n+2 MP=14.n+2 Naphten CnH2n MN=14.n Aromat CnH2n-6 MA=14.n-6 Bảng 3: Phần khối lượng của các cấu tử Cấu tử Mi Hàm lượng trong nguyên liệu % khối lượng, ai phần mol xi CnH2n+2 78,21 0,9270 0,9304 CnH2n 84 0,0540 0,0505 CnH2n-6 78 0,0190 0,0191 S 1,0000 1,0000 † Tỷ trọng của nguyên liệu rc: áp dụng công thức: [ 9] Trong đó: ri: Tỷ trọng của cấu tử thứ i có trong nguyên liệu. ai: Phần % khối lượng của cấu tử thứ i có trong nguyên liệu. Từ bảng số liệu 1 ta tính được thành phần từng cấu tử nh­ trong bảng 4: Bảng 4: % khối lượng của từng cấu tử trong toàn bộ nguyên liệu Cấu tử Tỷ trọng, g/cm3 % khối lượng (ai) % mol (xi) C5-Parafin Iso- pentan 0,617 19,95 21,75 n- pentan 0,625 27,55 30,03 C6-Parafin 2,2-dimetylbutan 0,650 0,407 0,370 2,3-dimetylbutan 0,655 2,26 2,060 Metylpetan 0,700 21,79 19,89 n-hexan 0,647 20,75 18,94 C6 - Cyclics Metylclopentan 0,780 4,16 3,89 Cyclohecxan 0,770 1,24 1,16 Benzen 0,860 1,9 1,91 Thay sè ta được: => rc = 0,6543 g/cm3. †Năng suất của thiết bị được tính theo công thức: Gc = L/24.n (kg/h). (kg/h). Với L là công suất năm, L = 350.000 tấn/năm. n: Là số ngày hoạt động trong năm. Chọn số ngày nghỉ của thiết bị phản ứng trong 1 năm để sửa chữa lớn và nhỏ là 30 ngày. Vậy số ngày hoạt động của thiết bị trong 1 năm là 365 – 30 = 335 ngày. Do đó ta có: (kg/h). (kmol/h). Bảng 5: Sè mol của các họ cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu trong 1h Cấu tử xi nci= nc.xi(kmol/h) CnH2n+2 0,9304 515,955 CnH2n 0,0505 28,004 CnH2n-6 0,0191 10,591 S 1,000 554,552 †Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết : Với tỷ lệ H2/RH = 4 mol. (kmol/h). †Lượng chất xúc tác cho toàn bộ quá trình trong 1h. Thể tích xúc tác: [18] Trong đó: Vo: Tốc độ thể tích, chọn Vo = 1,8 h-1. rc : Khối lượng riêng của nguyên liệu, kg/m3. rc = 0, 6543.1000 = 654,3 kg/m3. Vậy thể tích xúc tác là : Vxt= (m3). Khối lượng xúc tác: mxt = Vxt. rxt (kg). Trong đó: rxt : Khối lượng riêng của xúc tác, thường được chọn trong khoảng 550 ¸600 kg/m3. Ta chọn rxt = 600, kg/m3. Vậy (kg) Ở đây thực hiện phản ứng ở 2 lò phản ứng do đó ta có sự phân bố xúc tác ở hai lò nh­ sau: 1: 4 Bảng 6: Phân bố xúc tác trong các lò Lò phản ứng Vxt (m3) mxt(kg) 1 9,2405 5544,3907 2 27,7215 16633,172 †Thành phần và áp suất riêng phần. Pi= P.yi Trong đó: Pi: áp suất riêng phần cấu tử i (Pa). P: áp suất chung của lò phản ứng (Pa). yi: nồng độ phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp. P= 20x105 (Pa). Bảng 7: Thành phần và áp suất riêng phần Cấu tử ni, kmol/h yi = ni/Sni Pi = 20.105. yi ,(Pa) CnH2n+2 515,955 0,1861 3,722.105 CnH2n 28,004 0,0101 0,202.105 CnH2n- 6 10,591 0,0038 0,076.105 H2 2218,208 0,8000 16,000.105 S 2772,760 1,0000 20,000.105 II. Tính toán cho từng lò phản ứng II.1. Tính toán cho lò phản ứng thứ nhất Với giả thiết là các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng có tác dụng là làm no hoá các hydrocacbon vòng, vì rằng là phản ứng hydro hoá benzen toả nhiệt lớn hơn những phản ứng khác do đó ta phải thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn để tránh xảy ra những phản ứng Refocming. Thật vậy quá trình hai lò cho phép phản ứng xảy ra ở lò 1 gồm phản ứng (3) và (4). Nhiệt độ xảy ra ở lò này là 230oC. II.1.1. Tính cân bằng vật chất lò 1 † Hằng số tốc độ của phản ứng chuyển hoá hydrocacbon thơm thành Naphten: k4 được tra ở đồ thị (3.13). Tv: Nhiệt độ trung bình ở trong lò phản ứng là 230oC. Tv = 503oK Þ 1000/Tv = 1,988. Áp dụng phương trình Arrhenius về hằng số vận tốc: Trong đó: k là hằng số vận tốc phản ứng ở nhiệt độ T. kO là hằng số. E là năng lượng hoạt hoá. C là hằng số. Theo đồ thị (3.13): 1000/Tv=1,3 tra được k= 2,55.10-7 1000/Tv=1,35 tra được k= 2,00.10-7 Þ k4 = 1,35.10-7 ,[kmol/h.Pa.kgxtác]. †Tính hằng số cân bằng KP4. - Theo (14) ta có: Độ giảm tương đối hàm lượng các Hydrocacbon thơm do phản ứng chuyển hoá aromatic thành Naphten. Độ giảm này là rất lớn điều đó chứng tỏ lượng Hydrocacbon thơm chuyển hoá thành Naphten là gần nh­ hoàn toàn. Ta coi toàn bộ lượng Hydrocacbon thơm đã chuyển hoá toàn bộ thành Naphten. Vậy lượng H2 phản ứng ở phản ứng (4) là: H2(4) = 3.ar = 3. 10,591 = 31,773(kmol/h). (kmol/h). Lượng Naphten tạo ra ở phản ứng (4) là: nN(4) = ar = 10,591 (kmol/h). † Hằng số tốc độ của phản ứng chuyển hoá Naphten thành Parafin. Tv = 503oK Þ 1000/Tv = 1,988. Theo đồ thị (3.14) 1000/Tv=1,25 tra được k= 2,45.10-15 1000/Tv=1,3 tra được k= 1,45.10-15 Þ k3 = 0,975.10-15 ,[kmol/h.Pa.kgxtác]. †Hằng số cân bằng KP3. - Theo (13) ta có: . Điều đó chứng tỏ phản ứng thuận chuyển từ Naphten sang Parafin chiếm ưu thế hơn. Sự giảm hàm lượng Naphten do phản ứng (3) là: Suy ra Mặt khác DnN(3) = -0,9765.10-5.1,999 = -0,0000195 (kmol/h). (kmol/h). Lượng H2(3) tham gia phản ứng 3 chính bằng lượng lượng Naphten tham gia phản ứng: H2(3) = DnN(3).nc = 0,0000195.554,552 = 0,0108 (kmol/h). Vậy sau phản ứng (3) thì hàm lượng Naphten sẽ là: nN(3) = (yN’ - DnN(3)).nc = (0,0505 - 0,0000195).554,552 = 27,994 (kmol/h). Vậy hàm lượng Naphten tổng cộng sau phản ứng (4) là: nN tổng = nN(3) + ar = 27,994 + 10,591 = 38,585(kmol/h). (kmol/h). Vậy tổng lượng Parafin C6 là: nP6= 0,4126.554,552 + 0,0000195.554,552 = 228,818 (kmol/h) Vậy ta có khối lượng phân tử trung bình của Parafin là: MP = Mà MP = 14.n + 2 = 78,21. Þn = 5,4436. Bảng 8: Cân bằng vật chất cho lò phản ứng 1 Cấu tử ni (kmol/h) yi Mi Gi=Mi.ni (kg/h) Đầu vào A 10,591 0,0038 78 826,098 N 28,004 0,0101 84 2352,336 P 515,955 0,1861 78,21 40329,769 H2 2218,208 0,8000 2 4436,416 2772,760 1,0000 47944,644 Đầu ra A 0,0000 - - 0,00 N 38,585 0,0141 84 3241,74 P5 287,14709 0,1048 72 20674,586 P6 228,818 0,0835 86 19677,502 H2 2218,208 0,7976 2 4436,416 2772,7482 1,0000 47944,644 II.1.2. Tính cân bằng nhiệt lượng lò 1 Ta có phương trình cân bằng nhiệt: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 Q1 : Nhiệt lượng mang vào bởi nguyên liệu và khí tuần hoàn ở 25oC. Q2 : Nhiệt lượng của lò đốt cần cung cấp để nâng nhiệt độ của nguyên liệu và khí tuần hoàn từ 25oC đến 230oC. Q3 : Nhiệt lượng mang ra khỏi lò phản ứng do các sản phẩm phản ứng và khí tuần hoàn. Q4 : Nhiệt phản ứng. Q5 : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh. Lượng nhiệt được tính theo công thức: Qi=nC-i.Ci.ti (KJ/h) Trong đó : nC-i lưu lượng của từng cấu tử i (kmol/h). Ci Nhiệt dung riêng của cấu tử i (J/mol.độ). ti: Nhiệt độ cấu tử i 0C. Cc=å nci. Ci (kJ/h.độ) Trong đó các: ni: là các thành phần phần khối của cấu tử thứ i. Nhiệt dung riêng của một chất được tính theo: Cp = a0+a1.T+a2.T2 Cp = a0+a1.T+a-2.T-2 Trong đó các giá trị a0 ;a1 ;a2 ;a-2 : là các hằng số thực nghiệm. T : Nhiệt độ tuyệt đối 0k. Ta có các công thức tính nhiệt dung riêng của các loại Hydrocacbon nh­ sau: - Đối với Parafin:[5-415] [5-415] Cp= (-2,1 + 4,8.n) + (27,60 + 69,11.n).10-3.T – (0,53 + 2,19.n).10-5.T2 (j/mol.K) Với n là số nguyên tử cacbon có trong parafin. - Đối với Naphten: + Alkylcyclopentan: Cp= (-19,49 + 3,75.n’) + (399,96 + 70,73.n’).10-3.T – (12,65 + 2,21.n’).10-5.T2 (j/mol.K) (j/mol.K) Với n’= n-5. + Akylcyclohecxan: Cp= (-25,61 + 5,56.n”) + (517,53 + 68,30.n”).10-5.T2 (j/mol.K) Với n” = n- 6. Bảng 9: Giá trị hiệu ứng nhiệt của từng phản ứng Phản ứng Q, kcal/mol 1 2 2 2 3 27 4 50 5 20 6 11 Bảng 10: Giá trị nhiệt dung riêng Cấu tử a0 a1.103 a-2.10-5 a2.106 Cp 250C J/mol.độ Cp 2300C J/mol.độ C1 6,730 10,200 -1,118 - 35,24 47,71 C2 3,890 29,600 - - 52,59 78,62 C3 0,410 64,710 - -22,582 72,98 114,07 n-C4 4,357 72,552 - -22,145 99,28 147,58 i-C4 2,296 82,407 - -38,792 96,76 142,07 n-C5 3,140 100,532 - -35,500 123,69 187,19 Benzen -5,040 95,63 - -40,600 81,9990 137,28 CycloC6 -7,701 124,675 - -41,584 105,75 186,27 n-C6 7,313 104,906 - -32,397 147,67 217,23 Ngoài ra còn có các thành phần khác ta sẽ tra được từ bảng ở [5- 436]. Bảng 11: Nhiệt dung riêng của các cấu tử khác tra được Cấu tử Cp 250C J/mol.độ Cp 2300C J/mol.độ Iso-pentan 119,41 182,88 2,2-Dimetylbutan 142,63 219,66 2,3-Dimetylbutan 141,25 217,15 Metylpentan 143,00 216,80 Metylcyclopentan 110,71 188,03 Bảng12: Nhiệt dung riêng của hyđrô A0 a1.103 a-2.10-5 a2.106 Cp 250C J/mol.độ Cp 2300C J/mol.độ 6,95 -0,2 - 0,48 29,025 29,19 Bảng 13: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nguyên liệu đầu vào và hydro tuần hoàn ở 250C và ở 2300C: Cấu tử nci,(kmol/h) Ci.nci 250C kj/h.độ Ci.nci 2300C kj/h.độ P iso- Pentan 120,61506 14402,644 22058,082 n- Pentan 166,53197 20598,339 31173,119 2,2-Dimetylbutan 2,05184 292,6543 450,707 2,3-Dimetylbutan 11,42377 1613,6077 2480,6719 Metylpentan 110,3003 15772,956 23913,125 n- Hexan 105,0321 15510,098 22816,134 N Metyl-Cyclopentan 21,57207 2388,2442 4056,1969 Cyclohexan 6,4328 680,2689 1198,2383 A Benzen 10,5919 864,3025 1454,0619 H2 2218,2080 64383,487 64749,492 136505,6 174349,83 a, Tính Q1: Lượng nhiệt mang vào của nguyên liệu và khí tuần hoàn ở 25oC: Q1= Qnl + QH Trong đó: Qnl = ni.Ci.t1 = nc.Cc.t1 QH = nH.CH.t1 Q1 = 136505,6 . 25 = 3412640 (kj/h) (kj/h) b, Tính Q2: Lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ của nguyên liệu từ 25o đến 230oC: Q2 = Qt2 - Qt1 Từ bảng thống kê ta có: Q2= 174349,83 . 230 - 136505,6 . 25 = 36687821 (kj/h) (kj/h) c, Tính Q4: Lượng nhiệt sinh ra do quá trình phản ứng. ở thiết bị phản ứng 1 xảy ra các phản ứng (3) và phản ứng (4). Vậy Q Q4 = n3 . Q3 + n4 . Q4 Ta có: Q3 = 27 . 4,186 = 113,022 (kj/mol) (kj/mol) Q4 = 50 . 4,186 = 209,3 (kj/mol) (kj/mol) n3 = 0,0108 (kmol/h) (kmol/h) n4 = 10,591(kmol/h) (kmol/h) Q4 = 0,0108. 113,022 . 103 + 10,591. 209,3 . 103 Q4 = 2217916,9 (kj/h) d, Tính Q3: Chọn nhiệt lượng mất mát ra khỏi môi trường phản ứng = 5% nhiệt lượng của sản phẩm mang ra: Q5 = 0,05 . Q3 Vậy tổng lượng nhiệt của đầu ra là = Q3 + 0,05 . Q3 = 1,05 .Q3 1,05 . Q3 = Q1 + Q2 – Q4 Mà ta có các phản ứng là toả nhiệt do đó: 1,05 . Q3 = 3412640 + 36687821 + 2217916,9 = 42318378 (kj/h) (kj/h) Q3 = 40303217 (kj/h) Q5 = 2015160,9 (kj/h) (kj/h) Bảng 14: Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị phản ứng 1 Dòng Lượng Kmol/h Nhiệt lượng Kj/h Đầu vào Q1 3412640 Q2 36687821 Q4 2217916,9 2772,760 42318378 Đầu ra Q3 40303217 Q5 2015160,9 2772,7492 42318378 II.1.3. Tính toán kích thước chính của lò phản ứng 1 Lò phản ứng là loại lò xuyên tâm. Việc lùa chọn đường kính của lò phải thoả mãn sao cho tổn thất áp suất [] tại líp xúc tác không vượt quá giá trị cho phép. Theo một số tài liệu thì tổn thất áp suất này được tính theo công thức: [] = (Pa)[6-269] [6-269] Trong đó: nP = 1 là số lò phản ứng. [] = 0,5 . 0,158 . 106 = 0,79.105 (Pa) (*) Trong đó: - H1: chiều dày của líp xúc tác. - : Tổn thất áp suất trên 1m chiều dày của líp xúc tác (Pa/m). - : Độ rỗng của líp xúc tác, m3/m3. - : Vận tốc của dòng hơi qua líp xúc tác, m/s. - : Khối lượng riêng của hỗn hợp khí, kg/m3. - : Độ nhít động học của hỗn hợp khí, m2/s. - : Đường kính tương đương của hạt xúc tác, m. *Công thức tính các giá trị trên nh­ sau: ØTính : Trong đó: VC: Thể tích hạt chất xúc tác hình cầu tương đương với thể tích một hạt xúc tác hình trụ, m3. VTT: Thể tích hình lập phương ngoại tiếp hình cầu của hạt chất xúc tác. Nếu chọn đường kính hình trụ d= 0,003 (m), và chiều cao H=0,005 (m) thì: ,m3 Đường kính tương đương của hạt xúc tác ,m Do đó: = = 0,524 (m3/m3) ØTính : Vận tốc theo phương bán kính của hỗn hợp khí ở thiết diện nhỏ nhất tại lưới của ống trung tâm được tính: [6-250] Trong đó: VG: Thể tích hỗn hợp khí đi qua tiết diện tự do trong 1 giây, m3/s. FC: là tiết diện của lưới ống, m2. *Tính VG: Trong đó: G: Hỗn hợp khí ở trong lò, kg/h. Ttb: Nhiệt độ trung bình trong lò phản ứng, oK. Z: Hệ số nén của hỗn hợp khí. Mtb: Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí, kg/kmol. Ptb: áp suất trunh bình trong lò phản ứng, Pa. (Pa). Ttb = (oK). Mtb = 0,0038.78+ 0,101.84+ 0,1861.78,21+ 0,8.2=16,18. Z = 1. G = 54820 (kg/h). (kg/h). Vậy thay số vào ta có: VG= (m3/s). ØDiện tích lưới tại ống trung tâm được tính nh­ sau: [6-271] Trong đó: -D1: Đường kính lưới, m. -H1: Chiều cao lưới, m. Đường kính của lò phản ứng được chọn là 1,4 m, đường kính lưới là 0,5 m. Chiều cao của lưới xúc tác: H1 = Hxt – 0,4[6-271] [6-271] Hxt : Chiều cao của líp xúc tác trong lò phản ứng, m. 0,4: Chiều cao của ống trung tâm không đục lỗ. Hxt =Vxt/F. Vxt: Thể tích xúc tác trong lò, m3. F: Tiết diện vòng giữa của các ống lọc. [6-271] Trong đó: -D: Đường kính của lò phản ứng, m. -D1: Đường kính lưới, m. -: Khoảng cách trong thân lò và vỏ lò, m. =0,04, m. -2.0,02: là tổng chiều dày của thân và vỏ ống trung tâm. Vậy: Hxt= 9,2405/2,578= 3,58436(m). Vậy: H1 =3,58436– 0,4 = 3,18436(m). FC = 3,14. 0,5. 3,18436= 4,99944(m2). Do đó: = VG/FC = 2,021/4,4999= 0,40408 (m/s). +Khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng: [9] Trong đó: -: khối lượng riêng của cấu tử i, kg/m3. -yi: phần mol của cấu tử i. (kg/m3). +Tính độ nhít động học của hỗn hợp theo công thức sau: [6-272] Trong đó: -yi : Phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp. - : Độ nhít động học của cấu tử i tại nhiệt độ phản ứng, m2/s. Bảng 15: Độ nhít động học của các cấu tử ở 230oC Cấu tử yi .106, m2/s yi/(.106) P5 0,1036 6,716 0,015426 P6 0,0825 5,352 0,015415 CnH2n 0,0101 0,265 0,038113 CnH2n-6 0,0038 0,277 0,013718 H2 0,8000 295 0,002712 0,085384 Từ kết quả tính toán ta được: . Thay vào (*) ta được: =105072,79,Pa/m. Chiều dày của líp xúc tác: H1 = (m). = 0,41.105072,79= 39927,661 (Pa). Ta thấy: < [] = 0,79.105, Pa. Do đó: D = 2 (m) là thoả mãn. Khi đó chiều cao là: H = Hxt + 0,2 + D +0,225 + D +0,425 H = 3,58+0,2 +1,4 + 0,225 + 1,4 + 0,425 H = 7,234(m). Qui chuẩn thành 7 (m). Vậy lò phản ứng 1 có D = 2 (m) và chiều cao H = 7 (m). II.2. TÍNH TOÁN CHO LÒ PHẢN ỨNG THỨ 2 Ở lò này thực hiện ở nhiệt độ cao hơn lò 1 và sẽ xảy ra các phản ứng isome hoá và phản ứng Cracking. Nhiệt độ phản ứng trong lò là 230oC. Độ tụt áp giữa các lò thường là: 0,15-0,35 at. II.2.1. Tính cân bằng vật chất lò 2 Bảng 16: Thành phần nguyên liệu vào lò 2: Cấu tử ni (kmol/h) yi Mi Gi=Mi.ni (kg/h) N 38,585 0,0141 84 3241,74 P5 287,14709 0,1048 72 20674,586 P6 228,818 0,0835 86 19677,502 H2 2218,208 0,7976 2 4436,416 2772,7482 1,0000 47944,644 Ta chọn độ tụt áp ở lò thứ 2 là: 0,3 at. Khi đó áp chung của hỗn hợp khí nguyên liệu vào lò thứ 2 là: P2= 20 – 0,3 = 19,7 at = 19,7 . 105 Pa Bảng17: Thành phần áp suất nguyên liệu và khí tuần hoàn vào lò 2 Cấu tử ni (kmol/h) yi Mi Pi=19,7.105.yi(Pa) Gi=Mi.ni (kg/h) N 38,585 0,0141 84 0,27777.105 3241,74 P 515,9552 0,1883 78,21 3,70951.105 40352,088 H2 2218,208 0,7976 2 15,71272.105 4436,416 2772,7482 1,0000 19,7.105 47944,644 †Hằng số tốc độ của phản ứng Hydrocracking Naphten. Từ Tv = 563oK ® 1000/Tv = 1,776 theo đồ thị (3.15) ta có : k5 = 0,002647 (kmol/h.kgxtác). Sự giảm hàm lượng Naphten tương đối do phản ứng (5) là: . Mặt khác => - - DNN = 0,0000373.VR2 = 0,0000373.5,9988 = 0,0002237 (kmol/h). (kmol/h