Модуль 3 Термодеструктивные процессы
Термический крекинг нефтяных дистиллятов с получением высокооктановых компонентов бензина в последние годы утратил свое первоначальное значение. В настоящее время большее распространение получает легкая 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 количество 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, продолжительности пребывания сырья в реакционной зоне при заданной температуре, выходов продуктов и геометрических размеров змеевика печи.
Скорость процесса. Суммарная скорость процесса термического крекинга является результирующей скоростей отдельных химических реакций разложения, конденсации, полимеризации и т.п. Из-за исключительно большого многообразия углеводородов и неуглеводородных компонентов, представленных в сырье, невозможно учесть все химические реакции. Поэтому на практике условно понимают под скоростью процесса выход бензина в единицу времени. Это допустимо, так как процесс крекинга можно приближенно рассматривать как реакцию первого порядка. Выход бензина при одной и той же продолжительности процесса выражается уравнением
или
где - массовый выход бензина при температурах t1 и t2, %; α- температурный градиент; kt - температурный коэффициент.
Значения температурных коэффициентов и градиента приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Величины температурных коэффициентов и градиентов скорости крекинга
Сырье | kt при температуре, оС | α при температуре, оС | ||||||
Газойль | 1,8 | 1,7 | 1,6 | 1,5 | 11,5 | 13,3 | 15,2 | 17,2 |
Гудрон | 1,7 | 1,6 | - | - | 12,2 | 15,0 | 17,0 | - |
Формулы (4.1) и (4.2) справедливы и для скорости образования бензина, выраженной обычно в массовых процентах на секунду.
При неизменном выходе бензина взаимосвязь между температурами и продолжительностью процесса устанавливается уравнением
(4.3)
или
(4.4)
где τ1 и τ2 - время, необходимое для достижения одинаковой глубины превращения (выхода бензина) при температурах t1 и t2.
Материальный баланс процесса. Особенностью многих вторичных процессов, в том числе и висбрекинга, является частичная или полная рециркуляция непревращенного сырья. Так, приведенные выше выходы продуктов висбрекинга даны при полном возврате непрореагировавшего остатка в реакционную зону. В связи с этим различают выход продуктов за однократный пропуск сырья при условии его рециркуляции. В материальных балансах установок обычно отражают суммарный выход каждого продукта с учетом рециркуляции. Для подсчета суммарного выхода вводятся величины:
коэффициент рециркуляции kр:
(4.5)
и коэффициент загрузки kз:
(4.6)
где Gс – расход свежего сырья, кг/с; Gр – расход рециркулирующего остатка или фракции, кг/с.
Если известна массовая доля какого-либо продукта, образовавшегося
за однократный пропуск, xi (в процентах), суммарный выход при полной
циркуляции непревращенного сырья определится
Xi=xi(1+k)=xikз (4.7)
Расчет реакционного змеевика печи висбрекинга. Определение длины реакционного змеевика для процесса, протекающего при 470°С, осуществляется по методу Обрядчикова [8]. В качестве исходной величины принимается скорость реакции крекинга при 450°С, равная образованию 0,007% бензина за 1 с. По этой величине определяют время реакции, необходимое для получения требуемого количества бензина. По выходу бензина и давлению в змеевике находят с помощью графика (рис. 4.1) плотность парожидкостной смеси при 470°С.
Рисунок 4.1 Зависимость плотности парожидкостной смеси в реакционном змеевике печи легкого термического крекинга от содержания бензина при давлении в мегапаскалях: 1– 1,96; 2 – 2,45; 3 – 2,94; 4 – 3,43
Скорость движения сырья (vс, м/с) по трубам змеевика подсчитывают по формуле
где Gс – расход сырья, кг/с; ρсм – плотность парожидкостной смеси при 470°С, кг/м3; dвн – внутренний диаметр труб змеевика, м.
Длина змеевика (L, м) составит
L = vсτ, (4.9)
где – время пребывания сырья в реакционной зоне, с.
Тепловой расчет реакционной печи. Особенность теплового расчета нагревательно-реакционной печи проявляется в составлении баланса.
Химические превращения сырья протекают с поглощением (чаще) или выделением (реже) теплоты. Суммарный тепловой эффект необходимо включать в приходную или расходную часть теплового баланса. Так, полезная тепловая мощность печи (Qпол, Вт) термического крекинга
где Gc – 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; γ - глубина превращения сырья, доли от его первоначального количества; - удельный тепловой эффект реакции, Дж/кг.
Удельный тепловой эффект висбрекинга составляет от 120 до 230 кДж/кг сырья. Остальной расчет можно проводить по аналогии с расчетом нагревательной печи.