chương iv :TíNH TOáN QUá TRìNH REFOMING XúC TáC

Đồ án tốt nghiệp

tác

-



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc



k

dNn

3

= k1 .P − 1 .PA .PH 2

dVr

k p1

dN



k



N

2

- dV = k 2 .PN − k .PP

R

p2



dN



(4).

(5).



P



P

P

- dV = k 3 P

R



(6).



Trong đó :

N N, NP lần lượt là phần mol của hydrocacbon naphten và paraffin trong

nguyên liệu bị chuyển hoá (kmol/kmol).

Vr : đại lượng nghịch đảo của tốc độ của tốc độ nạp liệu theo mol, [kgxúc

tác /(kmol/h)nguyên liệu ] .

k1 : Hằng số tốc độ của phản ứng (1) được xác định theo đồ thị phụ lục[1]

[kmol/h.Pa.kg.xúc tác]

k 2 : Hằng số tốc độ của phản ứng (2) được xác định theo đồ thị phụ lục [2]

[kmol/h.Pa.kg.xúc tác]

k3 : Hằng số tốc độ của phản ứng (3) được xác định theo đồ thị phụ lục

[3] [kmol/h.Pa.kg.xúc tác]

k P1,kP2 lần lượt là hằng số cân bằng của phản ứng (1)và (2) được xác định

theo công thức sau :[5]



k P1 = 9,81 .10 .e

3



−1



12



−3



46 ,15.



k P 2 = 9,81 .10 .e



25600

T



[ Pa]



4450

− 7 ,12

T



[ Pa −1 ]



T nhiệt độ phản ứng : 0K.



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



65



Đồ án tốt nghiệp

tác



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc



PA , PN ,PP ,PH2 ,P : lần lượt là áp suất của hợp chất thơm naphten , paraffin,

hydro ,và áp suất chung của hệ [Pa] .

Thành phần của khí tuần hoàn chọn : Bảng 13

Cấu tử

% mol



H2

86



CH4

4



C2H6

5



C3H8

3



C4H10

1



C5H12

1



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

Mc. y i = Mi. y i'



[5]



Trong đó :

Mc :Khối lượng phân tử trung bình 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 : Mc= 0,4.T50- 45.

Trong đó T50 : nhiệt độ sôi tại 50% thể tích nguyên liệu .

Nên Mc= 0,4.358 - 45 = 109.

Khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu được tính theo bảng sau:

Bảng 14

Hydrocacbon

Công thức hoá học

Parafin

CnH2n+2

Naphten

CnH2n

Aromat

CnH2n-6

Ngoài ra Mc còN được tính theo công thức :



Công thức khối lượng

MP = 14.n +2

MN = 14.n

MA = 14.n - 6



1

Mc = Y A + YN + YP

MA MN MP



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



66



Đồ án tốt nghiệp

tác



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc



YA ,YN , YP : là phần khối lượng của aromatic , naphten và paraffin trong nguyên

liệu .

MA , MN , MP : là khối lượng



phân tử trung bình của các hydrocacbon:



aromatic,naphten , parafin :

1

Mc = YA + YN + YP

14.n − 6 14n 14n + 2



Biến đổi phương trình này ta được ;



n3 −



1

1

3

.( Mc + 4).n 2 − [6 + ( y A − 2 y N − 3 y P ).Mc]n +

. y N .Mc = 0

14

98

686



Với yA = 0,12Mc ,yN =0,38 Mc , yP =0,59 Mc , Mc =109.

Giải phương trình trên ta được : n=7,7.

Khi đó ta có :

MA = 14n- 6 =14.7,7 -6 =101,8

MN = 14n



= 14.7,7



= 107,8



MP = 14n +2 = 14.7,7+2 =109.8

Bảng thành phần : Bảng 15

Cấu tử



Mi

Hàm lượng các hydrocacbon các loại

Khối lượng phân Yi phần khối Y'i =yi.Mc/Mi

tử



CnH2n-6

CnH2n

CnH2n+2

Tổng



lượng

101,8

107,8

109,8



0,12

0,38

0,5

1



0,127

0,382

0,491

1



Tính năng suất thiết bị :



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



67



Đồ án tốt nghiệp

tác



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc



Giả thiết một năm nhà máy làm việc 350 ngày , có 15 ngày dùng để bảo

dưỡng thiết bị.

Năng suất thiết bị :

Gc =



L

kg/h.

24.350



L : Công suất 1 năm của thiết bị .



Gc =



1,2.10 6.10 3

= 142857,14 kg/h

24.350



Năng suất thiết bị tính theo kmol/h:



Nc =



Gc Gc

=

= 1310,6 kmol/h.

Mc 109



Vậy ta có bảng sau :

y'i

0,127

0,382

0,491

1



Cấu tử

CnH2n-6

CnH2n

CnH2n+2

Tổng



Nci= Nc.y'i

166,446

500,649

643,505

1310,60



Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết :

ta có H2/RH = 2,5 mol.

Năng suất H2 là : n H = 2,5.Nc = 2,53.1310,6 = 3276,54 kmol/h.

2



Vậy lượng khí tuần hoàn là :

n kth = n H 2 .100 / 86 = 3809,93



Thành phần các cấu tử trong khí tuần hoàn : Bảng 16



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



68



Đồ án tốt nghiệp

tác

Cờu tử

H2

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

Tổng



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc

Mi

2

16

30

44

58

72



y'i

0,86

0,04

0,05

0,03

0,01

0,01

1



Mi.y'i

1,75

0,64

1,5

1,32

0,58

0,72

6,5



ni=nkth.y'i(kmol/h)



Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn :

3809,93 -3276,54 = 533,39

Tính lượng xúc tác cho toàn bộ quá trình :

Vxt = Gc/ρc.Vo

Gc : Năng suất thiế bị kg/h.

ρc :khối lượng riêng của nguyên liệu ở thể lỏng .

ρc : 728,8 kg/m3.

Vo = 1,5.h-1 : tốc độ thể tích .

Vậy Vxt =



142857,14

= 130,68 m3

728,8



Lượng xúc tác : mxt = Vxt.ρxt (kg).

Trong đó :

ρxt : Khối lượng riêng xúc tác.

ρxt = 550 ÷ 650 kg/m3. Chọn ρxt = 600 kg/ m3

mxt = 130,68.600 = 78406,77 kg.

Tính toán sự phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và khí tuần

hoàn :

Pi = P.yi.

Trong đó : Pi : áp suất riêng phần cấu tử i [Pa].



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



69



Đồ án tốt nghiệp

tác



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc



P: áp suất chung của lò phản ứng [Pa].

y'i : nồng độ phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp .

P = 3,5kg/cm3 = 343234,5 Pa.

Bảng thành phần áp suất:

Cấu tử

ni (kmol/h)

y'i/Σni

CnH2n-6

166,448

0,0325

CnH2n

500,665

0,0978

CnH2n+2

643,51

0,12567

H2

3276,54

0,63988

P*

533,39

0,1042

Tổng

5120,553

1,000

Trong đó P* là lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn.



Pi=343234,5.y'iPa

11155,12

33568,33

43134,28

219628,89

35765,04

343234,5



Phân bè xúc tác trong các lò phản ứng là:

1:1,5:2,5:5.

Nên ta có bảng sau :

Lò phản ứng

1

2

3

4

Tổng



Vxt(m3)

13,068

19,602

32,67

65,34

130,68



Mxt (kg)

7840,8

11761,2

19602

39204

78408



ii.1.Tính toán cho lò phản ứng thứ 1:

a,Tính cân bằng vật chất:

Hằng số tốc độ của phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic:

T= 803oK →1000/T =1000/803 =1,245

Tra đồ thị phụ lục [1] k1 =11.10-7 (kmol/h.Pa.kg xúc tác).

Phương trình tính hằng số cân bằng phản ứng :



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



70



Đồ án tốt nghiệp

tác



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc



kp1 =9,81.1012.e46,15-25600/803 =14,96.1020[Pa3]

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



−



dN 11

k

3

= k1 .PN − 1 .PA .PH 2

dVR1

k p1



dN 11

11.10 −7

= 11.10 −7.33568,33 −

.11155,12.(219628,43) 3

20

dVR1

14,96.10



− dN N 11

= 0,037; → N N 11 = −0,037

dN N 11



Mà VR1 = m1/(nC1).

Trong đó :

m1 = 7840,8 kg.

nC1 : Lượng nguyên liệu vào lò thứ nhất kmol/h.

7840,8



VR1 = 1310,6 = 5,983

Vậy



N11=-0,037.5,983=-0,221371



Lượng naphten còn lại sau phản ứng (1) là :

nN11= (y'N1- NN11).Nc = (0, 382-0,221371).1310,6 =210,5

Lượng naphten tham gia phản ứng (1) là :

Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten tạo thành paraffin ở T=

803oK là 1000/T =1000/803 =1,245 tra đồ thị phụ lục [2] ta được k 2 = 100.10-15

[kmol/h.Pa.kg xúc tác].

Ta có : kP2 =9,81.10-3.e4450/803-7,12 = 0,00209.10-3 [Pa-1].



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



71



Đồ án tốt nghiệp

tác



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc



Do kp2 <<1 ,chứng tỏ ưu thế thuộc về phản ứng nghịch tức là phản ứng chuyển hoá

paraffin thành naphten .

Sự tăng hàm lượng naphten lò phản ứng (1) là :

dN



k



N 12

2

- dV = k 2 .PN − k .PP .

R1

p2



dN N 12

100.10 −15

= 100.10 −15.33568,33.219601,43 −

.43134,28

dV R1

0,00209.10 −3



−



dN N 12

= −0,0013 ⇒ N N 12 = 0,0013.VR1 = 0,0013.5,983 = 0,0078

dV R1



Lượng naphten sau phản ứng (1) và (2) là :

nN12 =(yN1 - NN11 - NN12).Nc = (0,382 - 0,22137 + 0,0078).1310,6 =220,744

(kmol/h).

Lượng naphten tạo thành do phản ứng (2) là :

NN12 - nN11 = 220,744 - 210,5 =10,244 (kmol/h) .

Cân bằng hoá học của lò (1) :Bảng 17



Lượng chất tham gia phản ứng



Lượng sản phẩm (kmol/h)



(kmol/h)

290,165 CnH2n

10,244 CnH2n+2



290,165 CnH2n-6 + 290,165.3.H2

10,244.CnH2n + 10,244.H2



Lượng chất ở dòng vào và ra ở lò thứ (1) cho ở bảng sau : Bảng 18



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



72



Đồ án tốt nghiệp

tác

Cấu tử

A



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc



Lượng vào (kmol/h)

166,448

500,665



P

∑



456,613

500,665-290,165 +10,224



643,51



N



Lượng ra (kmol/h)

166,448+290,165 =



= 220,724

643,51 - 10,224



1310,6

Khí tuần hoàn

3276,54



H2

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

∑khí tuần hoàn

∑tổng tất cả



= 633,286

1310,6

327,54+290,165*3+10,224

=4157,259

152,397

190,497

114,298

38,099

38,099

4690,649

6001,249



152,397

190,497

114,298

38,099

38,099

3809,93

5120,53



Khí tuần hòan ra khỏi lò (1) như sau: Bảng 19

Cấu tử

H2

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

Tổng



Mi

2

16

30

44

58

72



ni (kmol/h)

4157,259

152,397

190,497

114,298

38,099

38,099

4690,649



y'i =ni/∑ni

0,8882

0,03256

0,0407

0,02442

0,00814

0,00814

1,000



Mi.y'i

1,7764

0,52096

1,2200

1,07448

0,47212

0,58608

5,65004



Lượng khí tuần hoàn :



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



73



Đồ án tốt nghiệp

tác



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc



(4157,259 +533,39)*5,65004 = 26502,354 kg/h

Lượng hydrocacbon là :

166338,0364 - 26502,34 = 139835,6824 kg/h

Vậy ta có phương trình là :

456,613.(14n-6) + 220,724.14n +633,286(14n +2) = 139835,6824

suy ra



n = 7,7013

MA = 14n- 6 = 14.7,7013-6=101,818

MN = 14n



= 14.7,7013=107,818



MP = 14n + 2= 14.7,7013 +2 =109,818

Bảng tổng kết cân bằng vật chất tại lò thứ (1): Bảng 20



Cấu tử



ni (kmol/h)



y'i



Mi



Gi=Mi.ni

(kg/h)



A

N

P

H2

P*

∑



166,448

500,665

643,51

3276,54

533,39

5120,53



A

N

P

H2

P*

∑



456,613

220,724

633,286

4157,259

533,39

6001,272



Đầu vào

0,0325

0,0978

0,12567

0,63988

0,1042

1,000

Đầu ra

0,076

0,03678

0,1055

0,69273

0,08888

1,000



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



101,8

107,8

109,8

6,5



16944,4064

53971,687

70657,398

24764,545

166338,0364



101,818

107,818

109,818

5,65044



46491,442

23798,02

69546,2

21408,873

166338,0369

74



Đồ án tốt nghiệp

tác



Thiết kế phân xưởng Reforming xúc



b. Tính cân bằng nhiệt lượng lò (1) :

Ta có phương trình cân bằng nhiệt :

Q1 +Q2 = Q3 + Q4 + Q5 + Q6

Trong đó :

Q1 : Nhiệt do hỗn hợp khí nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào kj/h.

Q2 : Nhiệt do lượng xúc tác mang vào lò kj/h.

Q3 : Nhiệt do hỗn hợp khí sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra lò kj/h.

Q4 : Nhiệt do lượng xúc tác mang ra lò kj/h.

Q5 : Nhiệt tổn thất do phản ứng reforming kj/h.

Q6 : Nhiệt mất mát kj/h.

Tính Q2:

Ta có : Q2 = mxt.q2 =mxt.Cpxt.T

Trong đó :

q2 = Cp xt.T : hàm nhiệt xúc tác kj/kg.

Cp: Nhiệt dung riêng của chất xúc tác ở nhiệt độ T (oK).

Cp = ao + a1 .T - a2.T-2 kj/kg.K.

Tra sổ tay hoá lý [9]: Cpxt (Al2O3)

Cpxt = 22,08 +8,971.10-3.T - 5,225.105.T-2.

Tại T = 803K ta được :

Cpxt = 22,08 +8,971.10- 3.803 - 5,225.105.803-2 = 28,47 kcal/kmol.K.

Hay

Cpxt =



28,47.4,184

= 1,17 Kj / kg.K

102



Hoàng Minh Thư - HDII - K42 - ĐHBKHN



75