Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 1

MỤC LỤC
1. Các số liệu ban đầu 2
2. Tính toán các phản ứng chính xảy ra trong quá trình reforming xúc
tác………………………………………………………………………………………2
2.1. Tính năng suất thiết bị 5
2.2. Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết 6
2.3. Tính toán phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và thành
phần khí tuần hoàn. 7
3. Tính toán cho lò thứ nhất 8
3.1. Tính cân bằng vật chất 8
3.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 12
4. Tính toán cho lò thứ 2 15
4.1. Tính toán cân bằng vật chất 15
4.2. Tính toán cân bằng nhiệt lượng 19
5. Tính toán cho lò thứ 3 22
5.1. Tính cân bằng vật chất 22
5.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 26
6. Tính toán cho lò thứ 4 29
6.1. Tính cân bằng vật chất 29
6.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 34

Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 2

10%
T
0
s
50%
T
0
s
90%
T
0
s
cuối
P
N
A
0,7288
329
0
K
348
0
K
385
0
K
428
0
K
453

(2)
- Phản ứng hydro cracking naphten
C
n
H
2n
+ n/3 H
2 n/15 (CH
4
+ C
2
H
6
+ C
3
H
8
+ C
4
H
10
+ C
5
H
12
) (3)
Ta có thể mô ta sự giảm hàm lượng hydrocacbon do chuyển hóa hoá học ở các


 




 





(5)
277

Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 3









 



2
: Hằng số tốc độ phản ứng (2) được xác định bằng đồ thị kg xúc tác/h.nguyên
liệu.
K
3
: Hằng số tốc độ phản ứng (3) được xác định bằng đồ thị kg xúc tác/h.nguyên
liệu.
K
P1
, K
P2
lần lượt là hằng số cân bằng hóa học của phản ứng (1), (2) được xác
định theo phương trình sau :
K
P1
= 9,81
3
. 10
12
. e
46,15 - 25600/T

K
P2
= 98,1
-1
. 10
-3
. e
(4450/T)

% mol
86
4
5
3
1
1
Để tính toán thành phần của hỗp hợp dùng công thức:
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 4

M
e
. y
i
= M
i
. y
i
’
Trong đó :
M
e
: khối lượng phân tử trung bình của nguyên liệu .
M
i
: khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon trong nguyên liệu .
y
i

= 14n

Aromatic (A)
C
n
H
2n - 6
M
A
= 14n - 6

Ngoài ra M
e
còn tính theo công thức :
Trong đó :
Y
P
,Y
N
,Y
A
lần lượt là phần khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu
M
A
M
N
, M


M
A
M
N
M
P
+
+
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 5

Biến đổi ta được phương trình sau :
n
3
- (M
e
+ 4)n
2
- [6 + ( Y
A
- 2Y
N
- 3 Y
P
)M
e
]n + Y
N

110,78
0,50
0,492
C
n
H
2n

108,78
0,38
0,381
C
n
H
2n – 6

102,78
0,12
0,127
Tổng

1,000
1,000

2.1. Tính năng suất thiết bị
G
c
= L/(24 x 340) , kg/h.
Với L: là năng suất năm, L = 1.500.000 tấn/năm .
Trong đó số ngày hoạt động trong năm là 340 ngày (có 25 ngày nghỉ để sửa

C
n
H
2n + 2
0,492
829,735
C
n
H
2n

0,381
642,539
C
n
H
2n - 6

0,127
214,180
Tổng
1,000
1686,454

2.2. Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết
Ta có H
2
/ RH = 2,5 Kmol.
Năng suất H
2


2
0,86
1,72
4216,134
CH
4

16
0,04
0,64
196,099
C
2
H
6
30
0,05
1,50
245,124
C
3
H
8
44
0,03
1,32
147,075
C
4

/ 
c
V
0
(m
3
)
Trong đó :
V
0
là tốc độ thể tích = 1,5h
-1


C
: Khối lượng riêng của nguyên liệu ở thể lỏng. Lấy 
C
= 728,8 (kg/m
3
).





 


Lượng xúc tác: m
XT

P: áp suất chung của lò phản ứng [pa]. Chọn P = 3,5 kg/cm
2
= 343234,5 (pa).
y’
i
: nồng độ phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp.
Bảng 7: Thành phần áp suất.
Cấu tử
n
i
(Kmol/h)
y'
i
= n
i
/ n
i
P
i
= 343.234,5. y'
i
(P
a
)
P

829,735
0,1259
43213,223
N

( m
3
)
M
XT
= V
XT
x 600 (kg)
1
16,8152
10089,12
2
25,2228
15133,68
3
42,0380
25222,80
4
84,0760
50445,60
Tổng
168,1520
100.891,20

3. Tính toán cho lò thứ nhất
3.1. Tính cân bằng vật chất
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic.
T = 803
0
K 1000/ T = 1000/803 = 1,245
Mà V
R1
= m
xt 1
/N
C

Trong đó : m
xt 1
= 10089,120 (kg)
N
C
: Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ nhất (kmol/h).
V
R1
= 10089,120 / 1686,454 = 5,9824 (kg/kmol).
Vậy: N
1
= 0,0368 x 5,9824 = 0,2202
dN
1

dV
R1

H
2
K

C
= ( 0,381 - 0,2202 )x 1686,454 = 271,266 (kmol/h)
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin ở(2)T = 803
0
K
1000/T = 1000/803 = 1,245
Tra đồ thị phụ lục [2] ta đượcK
2
= 100.10
-15
(kmol/h.kg xúc tác).
K
P2
= 98,1
-1
. 10
-3
. e
(4450/T)

- 7,12

= 98,1
-1
. 10
-3
. e
(4450/803)

- 7,12

N12
) . N
C
= ( 0,381 - 0,2202 + 0,0123) x 1686,454
= 292,026 (kmol/h).

dN
12

dV
R

K
2
. P
P

K
P2

= K
2
. P
N
= - 0,00206
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR


Lượng vào(kmol/h)
Lượng ra (kmol/h)

P

829,735
829,735 - 20,76 = 808,975
N
642,539
642,539 - 371,273 + 20,76 = 292,026
A
214,180
214,180 + 371,273 = 585,453
Tổng
1686,454
1686,454

Bảng 11: Tính lượng khí tuần hoàn.
H
2

4216,135
4216,135 + 371,273x3 + 20,76 = 5350,714

CH
4
196,099
196,099
C
2

Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn là:
215594,945 - 34030,18 = 181564,027 (kg/h)
Vậy ta có phương trình sau:
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 11

585,453x(14n - 6) + 292,026x14n + 808,975x(14n + 2) = 181564,027
suy ra n = 7,7703
M
A
= 14n - 6 = 14 x 7,7703 - 6 = 102,784
M
N
= 14n = 14 x 7,7703 = 108,784
M
P
= 14n +2 = 14 x 7,7703 + 2 = 110,784

Bảng 12: Lượng khí tuần hoàn ra khỏi lò phản ứng thứ nhất.
Cấu tử
M
i

n
i
(kmol/h)
y'
i
= n'

1,218
C
3
H
8

44
147,075
0,0244
1,074
C
4
H
10
58
49,025
0,0081
0,469
C
5
H
12

72
49,025
0,0081
0,583
Tổng
-
6037,062

A
214,180
0,0325
102,780
22013,420
H
2

4216,135
0,6399
6,480
27320,555
P*
686,348
0,1042
6,480
4447,535
Tổng
6588,937
1,0000
-
215594,945
Đầu ra
P
808,975
0,1050
110,784
89621,486
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR


Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Q
11
+ Q
21
= Q
31
+ Q
41
+ Q
51
+ Q
61
Trong đó:
Q
11
: Nhiệt lượng hỗn hợp khí nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào (kj/h)
Q
21
: Nhiệt lượng do xúc tác mang vào lò phản ứng (kj/h)
Q
31
: Nhiệt lượng do khí sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra khỏi lò phản ứng
(kj/h).
Q
41
: Nhiệt lượng do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng (kj/h);
Q
51
: Nhiệt lượng tổn thất do phản ứng reforming (kj/h).

= a
0
+ a
1
.T - a
2
. T
-2
(kj/kgh)
Tra sổ tay hoá lý C
Pxt
(Al
2
0
3
)
C
Pxt
= 22,08 + 8,971.10
-3
.T - 5,225. 10
5
T
-2

Tại nhiệt độ T = 803
0
K thay vào ta có
C
Pxt

.T
Trong đó: m
xt2
lượng xúc tác ra khỏi lò phản ứng thứ nhất.
C
Pxt
: Nhiệt dung riêng xúc tác ở T = 803 - 70 = 733
0
K
C
Pxt
= 22,08 + 8,91.10
-3
x 733 - 5,225.10
5
x(733)
-2

= 28,654 (kcal/kmol.
0
K)
C
Pxt
= 1,1759 (kj/kg.
0
K)
Q
41
= m
xt 1

Bảng 14: Tỷ trọng của các cấu tử.

Cấu tử

Đầu vào
Đầu ra
P
0,733
0,737
N
0,721
0,733
A
0,718
0,722

Để tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng ta dùng công thức sau:
q
P
= - 355.b
Trong đó: b. hiệu suất tạo hydro tinh khiết theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (%
kl).
N
H2
= 5350,714 - 4216,135 = 1134,579 (kmol/h)
G
H2
= M
H2
.1134,579 = 1134,579 x 2 = 2269,158 (kg/h)

i
y'
i
=
n
i
/  n
i
Mi.y'
i

y
i
=
Miy'/Miy'
i

Entanpi
q
t

(KJ/kg)
q
t
yi
(KJ/h)
H
2

2

8
44
147,075
0,0223
0,981
0,0300
1405
42,15
C
4
H
10
58
49,025
0,0074
0,432
0,0132
1400
18,48
C
5
H
12

72
49,025
0,0074
0,536
0,0160
1392

1,0000
-
1908,71

 Tính Q
61
. Nhiệt lượng mất mát ra môi trường bên ngoài.
Q
61
= 0,01 x(Q
11
+ Q
21
) = 0,01x(9466676,786 + 411508227,5)
= 4209749,04 (kj/h)
 Tính Q
51
. Nhiệt lượng tiêu tốn do phản ứng reforming.
Q
51
= G
c
.q
P
= 436,65 x 183823,529 = 80266543,94 (kj/h).
 Tính Q
31
. Nhiệt lượng do sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Q
31

tr1
: hàm nhiệt của sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Bảng 16: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ nhất .
Dòng
Nhiệt độ (
o
K)
Lượng (Kg/h)
Entanpi (KJ/kg)
Nhiệt lượng(KJ/h)
Dòng vào
Q
11
803
215594,945
1908,710
411508227,5
Q
21
803 9466676,8
Tổng
420974904,3
Dòng ra
Q


4. Tính toán cho lò thứ 2
4.1. Tính toán cân bằng vật chất
Bảng 17: Thành phần các cấu tử của lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
n
c
(kmol/h)
y’
C2i
= n
ci
/n
c2i

C
n
H
2n + 2
808,975
0,4797
C
n
H
2n

292,026
0,1732
C
n

i
/ n
i
P
i
= 323621,1. y'
i
(P
a
)
P

0,105
33980,22
N
0,037
11973,98
A
0,076
24595,20
H
2
0,693
224269,42
P
*
0,089
28802,28
Tổng
1,000

. e
46,15 - 25600/803

= 14,866 . 10
20
(pa
3
).
Độ giảm tương đối hàm lượng naphten do phản ứng thơm hoá:
Mà V
R2
= m
2
/N
C

Trong đó :
m
xt2
: lượng xúc tác vào lò phản ứng thứ hai; m
xt2
= 15133,68 (kg)
N
C
: Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ hai (kmol/h).
V
R2

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 17

nN
12
= 0,1185 x 1686,454 = 199,845 (kmol/h)
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin ở T = 803
0
K
Tra đồ thị phụ lục [2] ta đượcK
2
= 100.10
-15
(kmol/h.Pa
2
kg xúc tác).
K
P2
= 98,1
-1
. 10
-3
. e
(4450/T)

- 7,12

= 98,1
-1
. 10
-3

2n

199,845 C
n
H
2n - 6
+ 199,845x 3H
2

25,803 C
n
H
2n+2

25,803 C
n
H
2n
+ 25,803 H
2

Bảng 20: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra của lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
Lượng vào(kmol/h)
Lượng ra (kmol/h)

P

808,975
808,975 - 25,803 = 783,172

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 18

Bảng 21: Tính lượng khí tuần hoàn.
H
2

5350,714
5350,714 + 199,845x3 + 25,803= 5976,052
CH
4
196,099
196,099
C
2
H
6

245,124
245,124
C
3
H
8
147,075
147,075
C
4
H
10
49,025

i

H
2

2
5976,052
0,8970
1,794
CH
4
16
196,099
0,0294
0,470
C
2
H
6

30
245,124
0,0368
1,104
C
3
H
8

44

Vậy ta có phương trình sau;
785,298 x(14n - 6) + 117,984 x14n + 783,172 x(14n + 2) = 186746,753
suy ra n = 7,769
M
A
= 14n - 6 = 14x 7,769 - 6 = 102,766
M
N
= 14n = 14 x 7,769 = 108,766
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 19

M
P
= 14n +2 = 14 x7,769+ 2 = 110,766
Bảng 23: Cân bằng vật chất của lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
n
i
(kmol/h)
y’
i
M
i

G
i
= M
i

Tổng
7723,516
1,000
-
215594,945
Đầu ra
P
783,172
0,094
110,766
86748,30
N
117,984
0,014
108,766
12832,648
A
785,298
0,094
102,766
80701,934
H
2
5976,052
0,716
5,299
31667,099
P*
686,348
0,082

32
: Nhiệt lượng do khí sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra (kj/h).
Q
42
: Nhiệt lượng do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng (kj/h);
Q
52
: Nhiệt lượng tổn thất do phản ứng reforming (kj/h).
Q
62
: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường bên ngoài (kj/h).
 Tính Q
22
:
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 20

Nhiệt lượng Q
22
do xúc tác mang vào lò phản ứng thứ hai chính là nhiệt lượng
do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng thứ nhất.
Q
22
= Q
41
= 8696162,62 (kj/h)
 Tính Q
42


C
Pxt
= 27,80 x 4,186 /102 = 1,1409 (kcal/kg
0
K)
Q
42
= m
xt2
C
Pxt
.T = 15133,68 x 1,1409 x 743 = 12828649,53 (kj/h)
 Tính Q
12
: Ta cần xác định entanpi của dòng hơi nguyên liệu ở cửa vào lò phản
ứng thứ hai.
Bảng 24: Entanpi của hỗn hợp hơi vào lò phản ứng thứ hai .
Cấu tử
Mi
n
i
y'
i
=
n
i
/  n
i
Mi.y'
i

0,0254
0,406
0,0146
1618
23,62
C
2
H
6

30
245,124
0,0317
0,951
0,0341
1434
48,90
C
3
H
8
44
147,075
0,0190
0,836
0,0299
1405
42,01
C
4

108,784
292,026
0,0378
4,112
0,1474
1704
251,17
P
110,784
808,975
0,1047
11,599
0,4158
1703
708,11
Tổng
-
7723,516
1,0000
27,894
1,0000

1976,25

Để tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng ta dùng công thức sau:
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 21

q

22
+ Q
21
) = 0,01x (426069508,10 + 8696162,62)
= 5130356,71 (kj/h)
 Tính Q
52
. Nhiệt lượng tiêu tốn do phản ứng reforming.
Q
52
= G
c
.q
P
= 183823,529 x 241,40 = 44374999,90 (kj/h).
 Tính Q
32
. Nhiệt lượng do sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Q
32
= Q
12
+ Q
22
- Q
42
- Q
52
- Q
62

426069508,10
Q
22
803 8696162,62
Tổng
434765670,70
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 22

Dòng ra
Q
32
743
215594,922
1513,294
326258455,6
Q
42

743 12828649,53

/n
c2i

C
n
H
2n + 2
783,172
0,464
C
n
H
2n

117,984
0,070
C
n
H
2n - 6

785,298
0,466
Tổng
1686,454
1,000
Độ giảm áp suất giữa các lò phản ứng thường 0,15 0,35 (kg/cm
2
). Chọn độ giảm
áp suất ở lò phản ứng thứ ba là 0,2 (kg/cm

2
0,7158
217608,712
P
*
0,0822
24989,433
Tổng
1,0000
304007,700
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 23 Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic.
Ta có nhiệt độ đầu vào của lò phản ứng thứ ba là T = 803
0
K
T = 803
0
K 1000/ T = 1000/803 = 1,245
Tra đồ thị phụ lục [1] ta được K
1
= 11. 10
-7
(kmol/h.pa
3
.kg xúc tác).
Phương trình tính hằng số cân bằng phản ứng:

C

Trong đó :
m
xt3
: lượng xúc tác vào lò phản ứng thứ ba; m
xt3
= 25222,8 (kg)
N
C
: Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ ba (kmol/h).
V
R3
= 14,956 (kg/kmol).
Vậy N
13
= 14,956 x 0,004715 = 0,07052 (kmol/h)
Lượng naphten tham gia phản ứng (1) là:
nN
13
= N
C
x 0,07052 = 0,07052 x 1686,454 = 118,929 (kmol/h)
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin ở T = 803
0
K
Tra đồ thị phụ lục [2] ta đượcK
2
= 100.10
-15

thế.
dN
13

dV
R3

H
2
K
1
. P
A
.P
3

K
P1

= K
1
. P
N
= 0,004715
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 24




N23
)N
c
= (0,070 - 0,07052 + 0,0203)x1686,454
= 33,29 ( kmol/h)
Bảng 28: Cân bằng hoá học của lò phản ứng thứ ba.
Lượng chất tham gia phản ứng (kmol/h)
Lượng sản phẩm (kmol/h)
118,929 C
n
H
2n

118,929 C
n
H
2n - 6
+118,929 x 3H
2

34,235 C
n
H
2n+2

34,235 C
n
H
2n
+ 34,235 H

M
A
= 14n - 6 = 14x - 6 = 14 x 7,774 - 6 = 102,836
M
N
= 14n = 14 x 7,774 = 108,836
M
P
= 14n +2 = 14x + 2 = 14 x 7,774 + 2 = 110,836
Bảng 30: Tính lượng khí tuần hoàn.
H
2

5976,052
5976,052 + 3x118,929 +34,235 = 6367.074
CH
4
196,099
196,099
C
2
H
6

245,124
245,124
C
3
H
8

i
/n
i

M
i
y'
i

H
2

2
6367,074
0,9030
1,806
CH
4
16
196,099
0,0277
0,443
C
2
H
6

30
245,124
0,0347

1,0000
5,102