Федеральное агентство по образованию

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Методическое указание

по курсовому проектированию по дисциплине

«Химическая технология топлив»

для студентов специальности 240.403 – 65 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»

очной и заочной форм обучения.

Тюмень, 2008

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: доцент, к.х.н. Трушкова Л.В.

© государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 2008 г.

Технология термических и каталитических процессов

1. Расчёт реакционных устройств термических процессов.

   1. Термический крекинг и висбрекинг тяжелого нефтяного сырья

Характеристика процесса. Термический крекинг нефтяных остатков с получением высокооктановых компонентов бензина в последние годы утратил свое первоначальное значение. В настоящее время большее распространение получает лёгкая форма термического крекинга – висбрекинг, который осуществляется при давлениях до 2 МПа и температурах до 450 °С. Цель висбрекинга заключается в получении котельного топлива за счет понижения вязкости исходного сырья – гудрона. Наряду с котельным топливом образуется некоторое количества газа, бензина и дизельной фракции. Средние выходы продуктов приведены ниже:

Массовый выход, %:

Газ 3 – 4

Бензин 7 – 8

Дизельная фракция 8 – 9

Котельное топливо 79 – 82.

Основным реакционным аппаратом висбрекинга является трубчатая печь, в которой под действием температуры происходит частичный крекинг сырья и его «облегчение».

Расчет печи висбрекинга сводится к определению скорости процесса, выходов продуктов и геометрических размеров змеевика печи.

Скорость процесса [ 1] .

Суммарная скорость процесса термического крекинга является результирующей скоростью отдельных химических реакций разложения, конденсации, полимеризации и т.п. Из-за многокомпонентности сырья невозможно учесть все химические реакции. Поэтому на практике условно понимают под скоростью процесса выход бензина в единицу времени (рассматривая как реакцию первого порядка).

Выход бензина выражается уравнением

(1)

или

(2),

где : , -массовый выход бензина при температурах t₁ и t₂ ; % ;

α– температурный градиент;

К_t – температурный коэффициент;

Значения температурных коэффициентов и градиента представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Величины температурных коэффициентов и градиентов скорости крекинга

Сырье	Кt при температуре, °С				ά при температуре, °С
	4 400	450	500	550	400	450	500	550
Мазут	1,8	1,7	1,6	1,5	11,5	13,3	15,2	17,2
Гудрон	1, 1,7	1,6	-	-	12,2	15,5	17,7	-

Взаимосвязь между температурами и продолжительностью процесса устанавливается уравнением

(3)

или (4),

где t_{1 ,} t₂ – время, необходимое для достижения одинаковой глубины превращения (выхода бензина) при температурах t₁ и t₂ , с.

Пример 1. Время пребывания гудрона в печи висбрекинга при 420° С составляет 3000 с. Каким будет время пребывания при 450° С, если глубина превращения сырья остается той же?

Решение: По данным таблице 1 методом интерполяции находит значение среднего температурного градиента и среднего температурного коэффициента в интервале температур 420 - 450°С.

α = 14,2 ; К_t = 1,65

По формуле (3).

=3000*2^-2,1 ;

lg τ₂ = lg 3000 – 2,1 lg 2 = 2,84 ;

τ₂ = 692 с.

Проверим результаты по формуле (4).

τ₂ = 3000*1,65^{-0,1(450-420)} = 3000*1,65^-3 ;

lg τ₂ = lg 3000 – 3 lg 1,65 = 2,82 ;

τ₂ = 661 с.

Получим удовлетворительную сходимость результатов.

Материальный баланс процесса. Особенностью висбрекинга, как вторичного процесса, является частичная или полная рециркуляция непревращенного сырья. В материальных балансах установок обычно отражают суммарный выход каждого продукта с учетом рециркуляции. Для подсчета суммарного выхода вводится величина К_р :

К_р = G_с/ G_р (5)

и коэффициент загрузки К_з :

К_з = (G_с + G_р ) / G_с = 1 + К_р (6) ,

где G_с – расход свежего сырья, кг/с ;

G_р – расход циркулирующего остатка или фракции, кг/с.

Если известна массовая доля какого-либо продукта, образовавшегося за однократный пропуск, х_ί (%), суммарный выход при полной циркуляции непревращенного сырья определится

X_ί = х_ί (1+ К_р) = х_ί*к₃ .

Расчет реакционного змеевика печи висбрекинга.

Расчет геометрических размеров змеевика печи осуществляется по методу Обрядчикова (2). Скорость движения сырья (V_с , м/с) по трубам змеевика подсчитывают по формуле

(7),

где G_с – расход сырья, кг/с ;

ρ_с – плотность парожидкостной смеси при 470°С ;

d_вн - внутренний диаметр труб змеевика, м.

Длина змеевика (L, м) составляет

L = V_с*τ (8),

где τ – время пребывания сырья в реакционной зоне, с.

Тепловой расчет реакционной печи. Особенностью теплового расчета нагревательно – реакционной печи проявляется в составлении баланса. Химические превращения сырья протекает с поглощением (чаще) или выделением (реже) теплоты. Суммарный тепловой эффект необходимо включать в приходную или расходную часть теплового баланса. Полезная тепловая мощность печи ( Q_пол.,,Вт ) термического крекинга

(9),

где G_с – расход сырья, кг/с ;

е – массовая доля отгона ;

, , - энтальпия парообразных, жидких продуктов и жидкого сырья на входе (t₁ ) и выходе (t₂) из печи, Дж/кг ;

– глубина превращения сырья, доли от его первоначального количества ;

- удельный тепловой эффект реакции, Дж/кг .

Удельный тепловой эффект реакции висбрекинга составляет от 120 до 230 кДж/кг. Остальной расчет можно проводить по аналогии с расчетом нагревательной печи [ 1] .