Расчет реактора установки каталитического крекинга миллисеконд (mscc фирмы uop)

Подготовка исходных данных

На основе проекта установки MSCC для МНПЗ принимается

производительность реактора

по сырью (смесь ГВГО с мазутом) 250 000 кг/ч; плотность сырья при 15°С 915 кг/м3;

молярная масса сырья 429 кг/моль; содержание серы в сырье 0,2% масс.;

температура сырья на входе в стояк катализатора 190°С;

водяного пара на распыление сырья 190°С;

катализатора в стояке до подачи кислой воды 670°С;

кислой воды на входе в стояк 40°С;

давление в стояке 300 кПа.

Принципиальная схема работы реактора установки MSCC представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема расположения системы ввода катализатора, сырья и реакционных зон реактора

Расчет количества циркулирующего катализатора

На установке каталитического крекинг а катализатор выполняет функ-ции:

ускоряет реакции крекинга углеводородов;

вносит необходимое количество тепла в реактор для испарения и на-грева паров сырья до температуры реакции;

вносит необходимое количество тепла для проведения реакций кре-кинга;

выносит из реактора в регенератор на своей поверхности образовав-шийся кокс.

Сначала мы рассчитываем количество циркулирующего катализатора для выполнения его функции теплоносителя.

Для более полного понимания процессов, имеющих место в реакторе, составляем принципиальную схему его работы, которая представлена на ри-сунке 1.

Необходимое количество тепла, которое должен внести катализатор в реактор определяется по уравнению:

где GK, CK – расход цирк улирующего катализатора, кг/ч, и его теплоем-кость, кДж/(кг·°С); СК = 1,68 кДж/(кг·°С) (Manual SSCC фирмы UOP, стр.VIII-22); ТК – температура катализатора, поступающего из регенератора в стояк, °С;

ТК = 670°С (принимаем); 540 – температура потока выходящего из стояка в реактор (пары сырья, катализатор, водяной пар), °С, она принята с учетом понижения температуры в реакторе за счет расхода тепла на реакции. QC, QВП, QBO, QR – тепло затраченное на нагрев сырья, водяного пара (распылитель), воды в стояке, превращенной в пар и тепло реакции, кДж/ч (кВт).

Количество тепла, которое вносит катализатор в реактор, определяется на основе теплового баланса стояка. Принимаем, что температура продуктов реакции на выходе из реактора равна 527°С. С учетом падения температуры по высоте реактора за счет расхода тепла на реакцию, принимаем температуру выхода смеси паров сырья, катализатора и водяного пара из стояка 540°С. Расход циркулирующего катализатора определяется на основе теплового ба-ланса стояка, который представлен в таблице 4.1 с учетом рисунка 4.1.

При составлении теплового баланса стояка катализатора температура сырья и пара распылителя, теплоемкость кокса и водяного пара, теплота реак-ции крекинга углеводородов приняты из кн. Manual SSCC фирмы UOP, стр.VIII-14, 22, 23, 27.

Температура кипения воды при 300 кПа и теплота парообразования ки-слой воды взяты из кн. Хорошко С.И., Хорошко А.Н. Сборник задач по химии и технологии нефти и газа. – Приложение 19. Энтальпии жидкого и парооб-разного сырья определены по уравнению Крэга.

На основе теплового баланса стояка катализатора представленного в таблице 1 составляется уравнение:

из которого определяется Х – расход циркулирующего катализатора

т.е. кратность циркуляции катализатора составляет

что можно считать нормальным. См. Manual SSCC фирмы UOP, стр.VIII-24.

Кроме того, расход циркулирующего катализатора должен быть таким, чтобы содержание образовавшегося кокса на его поверхности было не более 1% (см. Manual SSCC фирмы UOP, стр.VIII-24). По данным фирмы UOP при крекинге смеси ГВГО с мазутом образуется не более 4,8% кокса на сырье.

В наших условиях содержание

Подача кислой воды в стояк катализатора позволяет уменьшить темпе-ратуру катализатора перед его контактом с сырьем и понизить плотность по-тока катализатора. Уменьшение температуры катализатора перед его контак-том с сырьем позволяет иметь более высокую кратность катализатор/сырье, что способствует сохранению активности катализатора. Пониженная плот-ность (менее 100 кг/м3) потока катализатора позволяет иметь его интенсивный контакт с сырьем.

При движении катализатора в катализатопроводе под действием силы тяжести частицы катализатора касаются друг друга, а между ними имеется дымовой газ, катализатор имеет насыпную плотность. В этих условиях части-цы с дымовым газом занимают объем равный объему куба с длиной ребра равного диаметру частицы (см. рис. 4.2, а).

Равномерно распределить жидкие частицы сырья и его пары в таком по-токе катализатора невозможно. Подача кислой воды в такой поток катализа-тора и превращение ее в водяной пар позволяет увеличить расстояние между частицами и, следовательно, движение сырья через слой катализатора. Основ-ная масса катализатора (90%) представлена частицами с диаметром до 100 микрон. В связи с этим для расчета принимаем частицы этого диаметра d = 100 микрон (см. рис. 4.2). Тогда объем, занимаемый частицей с дымовым га-зом (плотный слой катализатора) составит

Рисунок 4.2 – Схема расположения частиц катализатора а – при движении в катализатопроводе;

б – при движении в стояке в присутствии водяного пара, полученного из кислой воды.

Распределительное устройство для сырья по данным фирмы UOP позво-ляет иметь частицы сырья, подаваемого в стояк катализатора, диаметр кото-рых в среднем составляет 80 микрон. При таком размере частиц сырья рас-стояние между поверхностями частиц катализатора можно принять ~100 мик-рон (S = 100 микрон, см. рис. 4.2, б).

При этих данных частица катализатора с водяным паром будет занимать объем куба с ребром равным

и объем занимаемый частицей катализатора составит VP = 200Ч200Ч200 = 8Ч106 микрон3 .

Это говорит о том, что плотность потока катализатора надо понизить минимум в 8 раз. В принятых нами условиях плотность потока катализатора, разбавленного полученным водяным паром составит (см. кн. Хорошко С.И., Хорошко А.Н. Сборник задач по химии и технологии нефти и газа. – С.10):

где РК – плотность потока катализатора с водяным паром, кг/м3;

1400 – плотность частиц катализатора, кг/м3 (см. Суханов В.П. Катали-

тические процессы в нефтепереработке. – 1973 г. – С.106); 0,711 (PV) – плотность водяного пара, кг/м3

где 652 – температура потока катализатора с водным паром, °С; 300 – давление в стояке, кПа.

Такую пониженную плотность потока катализатора в лифр-реакторе создать невозможно, т.к. увеличение подачи водяного пара приводит к значи-тельному увеличению диаметра лифт-реактора, т.е. его надо заменить на реак-тор, применяемый на установках MSCC. Повышенная плотность потока ката-лизатора в лифт-реакторе (400-500 кг/м3) не позволяет катализатору проявить в полной мере свою активность и применить его для крекинга тяжелого сырья.

Насыпная плотность катализатора в среднем равна 720 кг/м3, т.е. подача

раз, что обеспечит расстояние между частицами более 100 микрон.