Thiết kế phân xưởng Reforming xúc tác cố định năng suất dây chuyền 2,2 triệu tấn/năm

Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 38

PHẦN II: TÍNH TOÁN
II.Các số liệu đầu
Công suất
Nhiệt độ
Tốc độ thể tích LHSV
Áp suất
Thời gian làm việc xúc tác
Lượng cốc bám trên xúc tác (% trọng lượng)
Tỷ lệ H
2
/RH, (m
3
/m
3
)
Thiết bị phản ứng chính
2,2 triệu tấn/năm
743  803
0
K
2 h
-1

40-45 at
1 năm
3  5%
1500

Lò xuyên tâm
Nguyên liệu có những đặc tính sau:
Bảng 9: Đặc tính của nguyên liệu
Tỷ trọng (kg/m
3
)
Thành phần phân đoạn, (K)
%, Khối lượng

733
Ts đầu
Ts 50
Ts cuối
Parafin
Naphten
Aromatic
358
395
438
62,61
26
11,39

 Trong quá trình reforming xúc tác thường xảy ra các phản ứng sau
- Phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành RH thơm
C
n
H
2n
 C

n
H
2n-6
+ 3H
2
(1)
- Phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành parafin
C
n
H
2n
+ H
2
 C
n
H
2n+2
(2)
- Phản ứng hydro cracking hydrocacbon 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)
- Phản ứng hydro cracking hydrocacbon parafin
C
n
H
2n+2
+ (3-n)/3 H
2


 n/15 (CH
4
+ C
2
H
6
+ C

3
H
8
+ C
4
H
10
+ C
5
H
12
) (4)
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 39

Ta có thể mô ta sự giảm hàm lượng hydrocacbon do chuyển hóa hoá học ở các
phản ứng trên bằng các phương trình vi phân sau:
-





= K
1
×P
N
-





×P
A
×P
H2
3
(5)
-





= K
1
×P
N
-




×P
P
(6)
-







= K
3
×



(7)
-





= K
4
×



(8)
Trong đó: P
N
: là áp suất của naphten
P
A
: là áp suất của aromatic

P
A
: là áp suất của parafin
P : là áp suất của hệ
N
N
, N
P
, N
A
lần lượt là phần mol của hydrocacbon naphten, parafin, aromatic trong
nguyên liệu.
V
R
là đại lượng nghịch đảo của tốc độ nạp liệu theo mol [Kg xúc tác/h×nguyên
liệu].
K
1
là hằng số tốc độ phản ứng (1) được xác định bằng đồ thị hình (8) Kg xúc
tác/h×Pa
2
×nguyên liệu.
K
2
là hằng số tốc độ phản ứng (2) được xác định bằng đồ thị hình (9) Kg xúc
tác/h×Pa×nguyên liệu.
K
3
, K
4

lần lượt là hằng số tốc độ của phản ứng (3), (4) được xác định bằng đồ thị
hình (10) 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 tính theo
phương trình sau:
K
P1
= 9,81
3
×10
12
×e
46,15 - 25600/T
(Pa
3
) (9)
K
P2
= 98,1
-1
×10
-3
×e
(4450/T)

- 7,12
(Pa

-1
) (10)
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 40

14
12
10
8
6
4
2
1,20 1,25 1,30 1,35 1,40

1000/ T 1/K
Hình 8: Xác định
K
1
×10
-7
(Kmol/Pa
2
×h×Kg xúc tác )
160
140
120
100
80
60

40
20
1,20 1,25 1,30 1,35 1,40
1000/ T 1/K
Hình 9 : Xác định
K
2
×10
-15
(Kmol/Pa×h×kg xúc tác)


0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0.01
1.20 1.25 1.30 1,35 1.40

1000/T 1/T
Hình 10: Xác định hằng số K
3
, K
4
(Kmol/h×kg xúc tác).
Thành phần tuần hoàn khí ở bảng sau.
Bảng 10: Thành phần khí tuần hoàn

Cấu tử
H
2
CH
4
C
2
H
6
C
3
H
8
C
4
H
10
C
5
H
12
%
86
4
5
3
1
1
Để tính thành phần của hỗn hợp ta dùng công thức sau:
M

c
×Y
i
= M
i
×Y
i’

Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 41

Trong đó: M
c
là khối lượng phân tử trung bình của nguyên liệu.
M
i
là khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon trong nguyên liệu.
Y
i
và Y
i’
lần lượt là phần khối lượng và phần mol của cấu tử i trong nguyên
liệu.
Mặt khác thì: M
c
= 0,4 × T
50
- 45
Trong đó: T

50
là nhiệt độ sôi tại 50% thể tích của nguyên liệu.
Vậy ta tính được M
c
= 0,4 ×395 - 45 =113
 Một cách tổng quát ta có thể tính khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên
liệu như sau:
Bảng 11: Khối lượng tổng quát của các hydrocacbon
Hydrocacbon
Công thức hóa học
Công thức khối lượng
Aromatic
C
n
H
2n - 6
M
A
= 14n – 6
Naphaten
C
n
H
2n
M
N
= 14n

Parafin
C

n
H
2n +2
Mp = 14n+2
Ngoài ra còn tính theo công thức:


Trong đó:
Y
P
, Y
N
, Y
A
lần lượt là phần khối lượng của các hydrocacbon parafin, naphten
và aromatic trong nguyên liệu.
M
A
, M
N
, M
P
là khối lượng phân tử của các hydrocacbon Aromatic, naphten
và parafin.


Biến đổi ta được phương trình sau

Với Y
A

= 0,1139; Y
A
= 0,26; Y
P
= 0,6261
   
 
0.
686
3
326
98
1
4
14
1
23
 McYnMcYYYnMcn
NPNA
A
A
n
n
p
p
M
Y
M
Y
M

Y
c


1
61414214
1




n
Y
n
Y
n
Y
c
A
N
P
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 42

Giải phương trình trên ta có: n=8,038
Vậy khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon như sau:
Mp = 14n + 2 = 14×8,038 + 2 = 114,53
M
N

= 14n = 14×8,038 = 112,53
M
A
= 14n - 6 = 14×8,038 - 6 = 106,53
Từ đó ta có các số liệu về nguyên liệu như sau:
Bảng 12: Thành phần của nguyên liệu
Cấu tử

Khối lượng
phân tử
Hàm lượng trong nguyên liệu
Y
i
phần khối lượng
Y
i’
= Y
i
×M
c
/M
i
C
n
H
2n + 2
114,53
0,6261
0,618
C

n
H
2n

112,53
0,26
0,261
C
n
H
2n – 6

106,53
0,1139
0,121

-
1,000
1,000
 Tính năng suất của thiết bị ta dùng công thức sau :
G
c
=


(Kg/h)
Với L là năng suất năm, L = 2 200 000 tấn/năm.
Trong đó n là số ngày hoạt động trong năm, ở đây n = 340 ngày (có 25 ngày nghỉ
để sửa chữa và bảo dưỡng).
Vậy ta tính được năng suất trong ngày là:

G
c
= 2 200 000×1000/ (24×340) = 269607,8431 (Kg/h)
Năng suất thiết bị tính ra (Kmol/h)
G’
c
= G
c
/Mc = 269607,8431/ 113 = 2385,9101 (Kmol/h)
Vậy ta có bảng sau:


Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 43

Bảng 13: Lượng hydrocacbon trong nguyên liệu
Cấu tử
Y
i’
G’
c
×Y
i’
C
n
H
2n + 2
0,618
1474,49

C
n
H
2n

0,261
622,72
C
n
H
2n - 6

0,121
288,69

1,000
2385,91
 Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết
Với tỷ lệ H
2
/HC nguyên liệu lưu lượng thể tích của nguyên liệu trong một giờ
được tính theo công thức sau:
G
r
= (G
c
/P
c
) ×N
i

Trong đó: G
c
là năng suất của thiết bị, (Kg/h)
P
c
là tỷ trọng của nguyên liệu P
c
= 733 (kg/m
3
)
N
i
là tỷ lệ H
2
/RH, với N
i
= 1500 (m
3
/m
3
)
- Vậy lưu lượng thể tích của H
2
trong một giờ là:
G
r
= (269607,8431/733) ×1500= 551721,3706 (m
3
/h)

- Năng suất khí tuần hoàn được tính :
N'
r
=G
r
×100/(86×22,4)=551721,3706×100/(86×22,4)=28640,02 (Kmol/h)
Vậy thành phần khí tuần hoàn được cho ở bảng sau :
Bảng 14: Thành phần của khí tuần hoàn
Cấu tử
Khối lượng
phân tử Mi
Thành phần
mol Y'
i

M
i
×Y'
i
M
ri
= N'
r
×Y'
i

H
2
2
0,86

1,72
24630,42
CH
4

16
0,04
0,64
1145,60
C
2
H
6

30
0,05
1,50
1432,00
C
3
H
8

44
0,03
1,32
859,20
C
4
H

10

58
0,01
0,58
286,40
C
5
H
12

72
0,01
0,72
286,40

-
1,00
6,50
28640,02
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 44

- Lượng hydrocacbon tuần hoàn là:
28640,02 - 24630,42= 4009,6 (kmol/h)
 Lượng chất xúc tác cho quá trình
- Thể tích xúc tác:
V
xt

= G
c
/ (
c
×V
o
) ,(m
3
)
Trong đó:
V
o
: là tốc độ thể tích V
o
=2 h
-1

G
C
: là năng xuất thiết bị , (Kg/h)

c
: khối lượng riêng của nguyên liệu ở thể lỏng 
c
=733 Kg/m
3

Suy ra:
V
xt

=


= 183,91 (m
3
)
Vậy lượng xúc tác được tính là:
M
xt
= V
xt
×
xt
(Kg)
Trong đó:

xt
là khối lượng riêng của chất xúc tác, (Kg/m
3
)

xt
= 500 - 650 (Kg/m
3
). Chọn 
xt
= 600 (Kg/m
3
)
Vậy: M

xt
= 183,91×600 = 110346 (Kg)
 Tính toán sự phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và khí
tuần hoàn.
Công thức tính:
P
i
= P×Y'
i
Trong đó: P : là áp suất chung trong lò phản ứng, (P
a
)
Y'
i
: Phần mol cấu tử trong hỗn hợp.
Thành phần áp suất được cho ở bảng sau, chọn áp suất P = 40 at =3922722,37 (Pa)



Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 45

Bảng 15: Phân bố áp suất theo từng cấu tử
Cấu tử
N
i
(Kmol/h)
Y'
i

= N
i
/ N
i
P
i
=P×Y'
i
(Pa)
A

288,69
0,0093
36481,32
N
622,72
0,0201
78846,72
P
1474,49
0,0475
186329,31
H
2
24630,42
0,7939
3114249,29
P
*
4009,6

0,1292
506815,73

31025,93
1,000
3922722,37
Trong bảng trên P* là lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn ;A, N, P lần lượt là ký
hiệu của aromatic, naphten, parafin trong nguyên liệu.
Lượng phân bố xúc tác trong các lò phản ứng 1:1,5:2,5:5 nên ta có bảng sau:
Bảng 16 : Phân bố chất xúc tác
Lò phản ứng
Lượng chất xúc tác

V
xt
(m
3
)
M
xt
(kg)
1
18,391
11034,6
2
27,59
16551,9
3
45,98
27586,5

4
91,96
55173

183,91
110346
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 46

II.1 Tính toán lò thứ nhất
II.1.1 Tính toán cân bằng vật chất
Chọn nhiệt độ dòng nguyên liệu vào lò thứ nhất T
r1
= 803
o
K
- Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành RH thơm.
T
r1
= 803
o
K  1000/T
r1
= 1,245
Theo đồ thị (8) ta tra được K
1
= 3,145×10
-7
(kmol/h×kg xúc tác×Pa

2
)
- Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là:
-





= K
1
×P
N
-




×P
A
×P
H2
3

Thay vào ta có: - dN
11
/ dV
R1
=
=3,145×10

-7
×78846,72-




×36481,32× (3114249,29)
3
= 0,025
Với K
P1
= 9,81×10
12
×
803
25600
15.46 
e
= 14,866×10
20
(Pa
3
)
Suy ra: - N
N11
= 0,025×V
R11
mà V
R11
=






Trong đó: M
i
là lượng xúc tác lò 1 : 11034,6 (Kg)
N
C1
lượng nguyên liệu vào lò thứ nhất : 2385,91 (Kmol/h)
Suy ra: V
R1
=


= 4,62 (Kg xúc tác/ Kmol)
Với V
R1
= 4,62 vậy ta có N
N11
= 0,025×4,62 = 0,116
- Lượng naphten sau khi phản ứng (1) là :
N’
N11
= (Y’
N1
- N
N11
)×G

c
= (0,261 - 0,116)×2385,91= 345,96 (Kmol/h)
- Vậy lượng naphten tham gia phản ứng (1) là:
0,116×2385,91= 276,76 (Kmol/h)
 Hằng số tốc độ của phản ứng chuyển hóa naphten thành parafin ở nhiệt độ 803
o
K.
T
r2
= 803

K  1000/T
r2
= 1,245 (K
-1
)
Tra đồ thị (8) ta được K
2
= 2,398×10
-15
(Kmol/Pa×h×Kg xúc tác).
- Tính K
P2
:
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 47

Ta nhận thấy K
P2

<<1 chứng tỏ ưu thế phản ứng nghịch chuyển hóa từ
hydrocacbon parafin thành naphten.
- Sự tăng hàm lượng naphten do phản ứng (2) là:
-





= K
1
×P
N
-




×P
P

-




= 2,398×10
-15
×78846,72×3114249,29 –





×186329,31
= 0,376×10
-3
(Kmol/h×Kg xúc tác).
Với K
P2
= 98,1
-1
×10
-3
×e
(4450/803)

- 7,12
= 0,0021×10
-3
(Pa
-1
)
Suy ra: N
N21
= 0,376×10
-3
×4,62= 1,73712×10
-3
(Kmol/h).
- Vậy lượng naphten sau phản ứng (1) và (2) là:

N’
N21
= (Y'
N1
+ N
N21
- N
N11
)×G
c

= (0,261 + 1,73712×10
-3
- 0,116) ×2385,91= 350,1 (Kmol/h).
 Lượng parafin chuyển hóa thành naphten là:
N’
P
= 1,73712×10
-3
×2385,91 = 4,14 (Kmol/h).
Vậy ta có cân bằng vật chất các phản ứng hoá học sau:
Bảng 17: Cân bằng các phản ứng hóa học cho phản ứng hoá học thứ nhất
Lượng các chất tham gia phản ứng
(Kmol/h)
Lượng các sản phẩm
276,76 C
n
H
2n
276,76 C

n
H
2n-6
+ 276,76×3 H
2

4,14 C
n
H
2n+2

4,14 C
n
H
2n
+ 4,14 H
2
Bảng 18: Thành phần lượng nguyên liệu trong lò phản ứng thứ nhất
Cấu tử
Lượng vào
Lượng ra

A

288,69
288,69 + 276,76 = 565,45
N
622,72
622,72+4,14 – 276,76 = 350,1
P

1474,49
1474,49 – 4,14 = 1470,35

2385,9
2385,9

Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 48

Bảng 19: Thành phần khí tuần hoàn
H
2

24630,42
25464,84

CH
4
1145,60
1145,60
C
2
H
6

1432,00
1432,00
C
3

H
8
859,20
859,20
C
4
H
10
286,40
286,40
C
5
H
12

286,40
286,40

28640,02
29474,44
Bảng 20: Khí tuần hoàn ra khỏi lò phản ứng
Cấu tử
M
i
N
i
Y'
i
= N
i

/N
i
M
i
×Y'
i
H
2

2
25464,84

0,864
1,728
CH
4
16
1145,60
0,039
0,624
C
2
H
6

30
1432,00
0,049
1,47
C

3
H8
44
859,20
0,029
1,276
C
4
H
10
58
286,40
0,0097
0,5626
C
5
H
12

72
286,40
0,0097
0,6984

-
29474,44
1,000
6,4
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 49

* Tổng hợp các số liệu cân bằng vật chất của lò thứ nhất.
Bảng 21: Cân bằng vật chất của lò phản ứng thứ nhất
Cấu tử
N
i
(Kmol/h)
Y'
i
M
i
G = M
i
×N
i
(kg/h)
Dòng vào
A

288,69
0,0093
106,53
30754,15
N
622,72
0,0201
112,53
70074,68
P

1474,49
0,0475
114,53
168873,34
H
2
24630,42
0,7939

6,5

186160,13
P
*
4009,6
0,1292

31025,92
1,000

455862,3
Lượng ra (Thành phần)
A

565,45
0,0178
106,2
60050,79
N
350,1

0,0110
112,2
39281,22
P
1470,35
0,0461
114,2
167913,97
H
2
25464,84
0,7993

6,4
188636,42
P
*
4009,6
0,1258

31860,34
1,000

455862,3
Lượng khí tuần hoàn là: (25464,84+ 4009,6) ×6,4 = 188636,42 (Kg/h)
Lượng hydrocacbon là : 455862,3 - 188636,42= 267225,88 (Kg/h)
Vậy ta có phương trình sau :
267225,88 = 565,45 × (14n-6)

+ 350,1 × 14n +1470,35 × (14n+2)

 n = 8,014 là thỏa mãn
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 50

Từ đó ta tính được :
M
P
= 14n + 2= 8,014×14 + 2 = 114,2
M
N
= 14n = 8,014×14 = 112,2
M
A
= 14n - 6 = 8,014×14 – 6 = 106,2
II.1.2 Tính toán cân bằng nhiệt
Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát có thể viết như sau:
Q
11
= Q
12
+ Q
13
+ Q
14

Trong đó:
Q
11
: là nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào.

Q
12
: là nhiệt lượng tiêu tốn cho phản ứng reforming.
Q
13
: là nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Q
14
: là nhiệt mất mát.
Trước tiên ta cần tính entanpy của dòng hơi nguyên liệu ở cửa vào của lò phản
ứng thứ nhất. Các số liệu entanpy của H
2
, CH
4
, C
2
H
6
, C
3
H
8
, C
4
H
10
, C
5
H
12

ở nhiệt độ
803
o
K được tra ở các đồ thị( sổ tay hóa lý).
Để xác định entanpy của P, N, A trước tiên ta cần xác định
288
288

của nguyên liệu.
Bảng 22 :
288
288

của hỗn hợp hơi ở cửa ra và ở cửa vào
Cấu tử
288
288


Lối vào
Lối ra
P
0,746
0,747
N
0,742
0,743
A
0,731
0,732

Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 51

Bảng 22: Entanpy của hỗn hợp hơi vào lò phản ứng
Cấu tử
M
i
N
i
Y'
i
=
N
i
/  N
i
M
i
×Y'
i
Y
i
=
M
i
×Y'/M

i
×Y'
i
Entanpy
q
t

(KJ/kg)
q
t
×Y
i
(KJ/kg)
H
2

2
24630,42
0,794
1,588
0,1084
7700
834,68
CH
4
16
1145,60
0,037
0,592
0,0404

1618
65,37
C
2
H
6

30
1432,00
0,046
1,38
0,0942
1434
135,08
C
3
H
8
44
859,20
0,028
1,232
0,0841
1405
118,16
C
4
H
10
58

286,40
0,009
0,522
0,0356
1400
49,84
C
5
H
12

72
286,40
0,009
0,648
0,0442
1392
61,53
A
106,53
288,69
0,0093
0,991
0,0676
1715
115,93
N
112,53
622,72
0,0201

2,262
0,1544
1704
263,10
P
114,53
1474,49
0,0475
5,44
0,3712
1703
632,15

-
31025,92
1,000
14,655
1,000
-
2275,84
Để tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng ta dùng công thức sau:
q
p
= - 335×b
Với b: hiệu suất tạo hydro tính theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (% khối
lượng).
Ta có: G
H2
= (25464,84 - 24630,42) × 2 = 1668,84 (Kmol/h),
Suy ra b=



×100% = 0,619 %
Vậy q
p
= - 335×0,619= - 207,365 (KJ/kg)
- Nhiệt độ hỗn hợp và khí tuần hoàn mang vào:
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 52

Q
11
= 455862,3× 2275,84= 1037469657 (KJ/h)
- Nhiệt mất mát do tỏa ra môi trường:
Ta có: Q
14
= 0,01×Q
1
= 0,01×1037469657= 10374696,57 (KJ/h)
- Nhiệt lượng tiêu tốn cho phản ứng reforming
Q
12
= G
C
×q
p
= 269607,8431× 207,365 = 55907230,38 (KJ/h)
- Do vậy nhiệt do sản phẩm và khí mang ra là :
Q

13
= Q
11
–Q
12
– Q
14
= 1037469657- 55907230,38- 10374696,57= 971187730,1 (KJ/kg)
mà Q
13
= 455862,3×q
tr
suy ra q
tr
= 2130,4 (KJ/kg)
Ta có bảng sau :
Bảng 23: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ nhất
Dòng
Nhiệt độ
(
o
K)
Lượng
(Kg/h)
Entanpy
(KJ/kg)
Nhiệt lượng
(KJ/h)
Dòng vào
Q

11
803
455862,3
2275,84
1037469657


455862,3

1037469657
Dòng ra
Q
12

269607,8431
391,28
55907230,38
Q
13

T
r1
455862,3
2130,4
971187730,1
Q
14

10374696,57




1037469657

Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 53

I.2 Tính toán lò thứ hai
I.2.1 Tính toán cân bằng vật chất
Bảng 24: Thành phần của nguyên liệu vào lò thứ hai
Cấu tử
N
i,
(Kmol/h)

Y’
i
= N
i
/

i
N

C

n
H
2n-6

565,45
0,237
C
n
H
2n

350,1
0,147
C
n
H
2n +2

1470,35
0,616


2385,9
1,000
Độ tụt áp giữa các lò thường từ: 0,15 –0,35kg/cm
2
, chọn 0,3 kg/cm
2
khi đó áp suất
chung của khí nguyên liệu vào lò:

40 - 0,3 = 39,7 kg/cm
2
= 3893301,952 (Pa)
Bảng 25: Áp suất chung của hỗn hợp khí nguyên liệu vào lò thứ hai
Cấu tử
N
i

Y’
i

P
i
=3893301,952×Y’
i





C
n
H
2n-6

565,45
0,0178
69300,775

C
n
H
2n

350,1
0,0110
42826,321



C
n
H
2n +2

1470,35
0,0461
179481,22



H
2

25464,84
0,7993
3111916,25

C
n
H
2n +2
*
4009,6
0,1258
489777,386





31860,34
1,000
3893301,952




Nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu vào lò thứ hai là: T
r2
= 830 K
Ta có:
T
r2
= 803

K  1000/T
r2
= 1,245 (K
-1
)
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 54

Theo đồ thị (8) ta tra được K
1
= 3,145×10
-7
(Kmol/ph×Kg xúc tác×Pa
2
)
- Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là:
- dN
12
/dV
R2
= K1×PN -




×P
A
×P
H2

3

- dN
12
/dV
R2
= 3,145×10
-7
× 42826,321-
20
7
10866.14
10145.3



69300,775×( 3111916,25)
3
= 0,013


Với K
P1
= 9,81×10
12
×
803
25600
15.46 
e

= 14,866×10
20
(Pa
3
)
- N
N12
= 0,013×V
R2
mà V
R2
=





Trong đó: M
2
là lượng xúc tác lò 2: 16551,9 Kg
N
C2
lượng nguyên liệu vào lò thứ hai: 2385,9 Kmol/h
V
r2
=


= 6,94 (Kg xúc tác/Kmol)
Với V

R2
= 6,94, vậy ta có N
N12
= 0,013×6,94= 0,09
- Lượng naphten sau khi phản ứng (1) là:
N’
N12
= (Y’
N12
- N
N12
)×G
c
= (0,147- 0,09)×2385,9 = 136 (Kmol/h)
- Vậy lượng naphten tham gia phản ứng (1) là:
0,09×2385,9= 214,7 (Kmol/h)
Hằng số tốc độ của phản ứng chuyển hóa hydrocacbon thành parafin thơm ở
nhiệt độ 803
o
K.
T
r2
= 803 K



= 1,245
K
2
= 2,398×10

-15
(Kmol/pa
2
×h Kg xúc tác).
 Tính K
P2
: K
P2
= 98,1
-1
×10
-3
×e
(4450/803)

- 7,12
= 0,0021×10
-3
(Pa
-1
)
Ta nhận thấy K
P2
<<1 chứng tỏ ưu thế phản ứng nghịch chuyển hóa từ
hydrocacbon parafin thành naphten.
- Sự tăng hàm lượng naphten do phản ứng (2) là:
-






= K
1
×P
N
-




×P
P

Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 55

-




= 2,398×10
-15
× 42826,321× 3111916,25 –





×179481,22
= 0,000115 (Kmol/h.Kg xúc tác)
Suy ra: N
N22
= 0,0115×10
-3
×6,94= 0,0008 (Kmol/h).
+ Vậy lượng naphten sau phản ứng (1) và (2) là:
N’
N22
= (Y'
N2
+ N
N22
- N
N12
) ×G
c

= (0,147 + 0,0008 - 0,09) ×2385,9 = 137,9 (Kmol/h).
 Lượng parafin chuyển hóa thành naphten là:
N
P
= 0,0008×2385,9 = 1,9 (Kmol/h).
Vậy ta có cân bằng vật chất các phản ứng hoá học sau:
Bảng 26: Cân bằng các phản ứng hóa học cho phản ứng hoá học thứ hai
Lượng các chất tham gia phản ứng
(Kmol/h)
Lượng các sản phẩm
214,7 C

n
H
2n
214,7 C
n
H
2n-6
+214,7×3 H
2

1,9 C
n
H
2n+2

1,9 C
n
H
2n
+1,9 H
2
Bảng 27: Thành phần nguyên liệu trong lò phản ứng thứ hai
Cấu tử
Lượng vào
Lượng ra

A

565,45
565,45+ 214,7 = 780,15

N
350,1
350,1+1,9 – 214,7 = 137,3
P
1470,35
1470,35 – 1,9= 1468,45

2385,9
2385,9


Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 56

Bảng 28: Thành phần khí tuần hoàn trong lò thứ hai
H
2

25464,84

25464,84+214,1×3 +1,9= 26109,04

CH
4
1145,60
1145,60
C
2
H

6

1432,00
1432,00
C
3
H
8
859,20
859,20
C
4
H
10
286,40
286,40
C
5
H
12

286,40
286,40

29474,44
30118,64

Bảng 29: Khí tuần hoàn ra khỏi lò phản ứng hai
Cấu tử
M

i
N
i
Y'
i
= N
i
/N
i
M
i
×Y'
i
H
2

2
26109,04

0,867
1,734
CH
4
16
1145,60
0,038
0,609
C
2
H

6

30
1432,00
0,048
1,426
C
3
H8
44
859,20
0,029
1,255
C
4
H
10
58
286,40
0,010
0,552
C
5
H
12

72
286,40
0,010
0,685


-
30118,64
1,000
6,260


Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 57

* Tổng hợp các số liệu cân bằng vật chất của lò thứ hai
Bảng 30: Cân bằng vật chất của lò phản ứng thứ hai
Cấu tử
N
i
(Kmol/h)
Y'
i
M
i
G = M
i
×N
i
(kg/h)
Dòng vào
A

565,45

0,0178
106,2
60050,79
N
350,1
0,0110
112,2
39281,22
P
1470,35
0,0461
114,2
167913,97
H
2
25464,84
0,7993

6,4
188636,42
P
*
4009,6
0,1258

31860,34
1,000

455862,3
Lượng ra (Thành phần)

A

780,15
0,0240
106,77
83232,6
N
137,3
0,0042
112,77
15551,0
P
1468,45
0,0452
114,77
168534,0
H
2
26109,04
0,8032

 6,26

188542,69
P
*
4009,6
0,1234

32504,54

1,0000

455862,3
Lượng khí tuần hoàn là: (26109,04 + 4009,6) × 6,26=188542,69 (Kg/h)
Lượng hydrocacbon là: 455862,3– 188542,69 = 267319,61 (Kg/h)
Vậy ta có phương trình sau :
267319,61 = 780,15×(14n-6)

+ 137,3×14n + 1468,45×(14n+2)
 n = 8,055 là thỏa mãn
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 58

Từ đó ta tính được: M
P
= 14n + 2= 8,055×14 + 2 = 114,77
M
N
= 14n= 8,055×14 = 112,77
M
A
= 14n - 6 = 8,055,14 - 6 = 106,77
I.2.2 Tính toán cân bằng nhiệt
Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát có thể viết như sau:
Q
21
= Q
22
+ Q

23
+ Q
24

Trong đó:
Q
21
: là nhiệt lượng hỗn hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào.
Q
22
: là nhiệt lượng tiêu tốn cho phản ứng reforming.
Q
23
: là nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Q
24
: là nhiệt mất mát.
Bảng 31: Entanpy của hỗn hợp hơi vào lò phản ứng
Cấu tử
M
i
N
i
Y'
i
=
N
i
/ N
i

M
i
×Y'
i
Y
i
=
M
i
×Y'/M
i
×Y'
i
Entanpy
q
t

(KJ/kg)
q
t
×Y
i
(KJ/kg)
H
2

2
25464,84
0,799
1,60

0,111
7700
858,35
CH
4
16
1145,6
0,036
0,58
0,040
1618
64,91
C
2
H
6

30
1432
0,045
1,35
0,094
1434
134,84
C
3
H
8
44
859,2

0,027
1,19
0,083
1405
116,26
C
4
H
10
58
286,4
0,009
0,52
0,036
1400
50,90
C
5
H
12

72
286,4
0,009
0,65
0,045
1392
62,83
A
106,53

288,69
0,009
0,97
0,067
1715
115,44
N
112,53
622,72
0,020
2,20
0,153
1704
261,36
P
114,53
1474,49
0,046
5,30
0,370
1703
629,47

-
31860,34
1,000
14,34
1,000
-
2294,35

Để tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng ta dùng công thức sau:
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 59

q
p
= - 335×b
Với b: hiệu suất tạo hydro tính theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (% khối
lượng).
Ta có: G
H2
= (26109,04 - 25464,84) ×2 = 1288,4 (Kmol/h).
Suy ra : b=


×100%= 0,478%
Vậy q
p
= - 335×0,478 = - 160,13 (KJ/kg)
- Nhiệt lượng hỗn hợp và khí tuần hoàn mang vào:
Q
21
= 455862,3× 2294,35= 1045907668 (KJ/h)
- Nhiệt mất mát do tỏa ra môi trường:
Q
24
= 0,01×Q
12
= 0,01×1045907668=10459076,68 (KJ/h)

- Nhiệt lượng tiêu tốn cho phản ứng reforming:
Q
22
= G
C
×q
p
=269607,8431×160,13 = 43172303,92 (KJ/h)
 Do vậy nhiệt lượng sản phẩm và khí mang ra là :
Q
23
= Q
21
-

Q
22
- Q
24
= 1045907668 - 43172303,92 - 10459076,68
= 992276287,4 (KJ/kg)
Mà Q
23
= 455862,3× q
tr ,
suy ra q
tr
= 2176,7 (KJ/kg)
Bảng 32: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ hai
Dòng

Nhiệt độ
(
o
K)
Lượng
(Kg/h)
Entanpy
(KJ/kg)
Nhiệt lượng
(KJ/h)
Dòng vào
Q
21
803
455862,3
2294,35
1045907668


455862,3

1045907668
Dòng ra
Q
22
803
269607,8431
92,125
43172303,92
Q

23

803

455862,3
2176,7
992276287,4
Q
24

803


10459076,68




1045907668
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 60

I.3 Tính toán cho lò phản ứng thứ ba
I.3.1 Tính cân bằng vật chất
Bảng 33: Thành phần của nguyên liệu vào lò thứ ba
Cấu tử
N
i
, Kmol/h

Y’
i
= N
i
/

i
N

C
n
H
2n-6

780,15
0,327
C
n
H
2n

137,3
0,058
C
n
H
2n +2

1468,45
0,615



2385,9
1,000
Độ tụt áp giữa các lò thường từ: 0,15 –0,35kg/cm
2
, chọn 0,3 kg/cm
2

khi đó áp suất chung của khí nguyên liệu vào lò 39,7- 0,3=39,4 kg/cm
2
=3863881,534 Pa
Bảng 39: Áp suất chung của hỗn hợp khí nguyên liệu vào lò thứ ba
Cấu tử
N’
i

Y’
i
= N
i
/

i
N

P
i
=3863881,534,Y’
I

C
n
H
2n-6

780,15
0,024
92738,035
C
n
H
2n

137,3
0,004
16321,133
C
n
H
2n +2

1468,45
0,045
174557,672
H
2

26109,04
0,803

3103635,293
C
n
H
2n +2
*
4009,6
0,123
476629,400
Tổng
32504,54
1,000
3863881,534
Ta có nhiệt độ T
r3
= 803
o
K  1000/T
r3
= 1,245(K
-1
)
Theo đồ thị hình (8) ta tra được K
1
= 3,145×10
-7
(Kmol/ph×Kg xúc tác×Pa
3
)
- Độ giảm tương đối do hàm lượng naphten thơm hóa là:

-





= K
1
×P
N
-




×P
A
×P
H2
3

Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 61

- dN
13
/dV
R3
= 3,145×10

-7
×16321,133 -
20
7
10.866,14
10.145,3

×92738,035×( 3103635,293)
3
=0,0045
Với K
P1
= 9,81×10
12
×
803
25600
15.46 
e
= 14,866×10
20
(Pa
3
)
- N
N13
= 0,00177×V
R3
mà V
R3

=





Trong đó : M
3
là lượng xúc tác ở lò 3 là: 27586,5 (Kg)
N
C3
lượng nguyên liệu vào lò thứ hai: 2385,9 (Kmol/h)
V
R3
=


= 11,56 (kg xúc tác /Kmol)
Với V
R3
= 12,84 vậy ta có: N
N3
= 0,0045×11,56= 0,052
- Vậy lượng naphten tham gia phản ứng (1) là:
0,052×2385,9 = 124,07 (Kmol/h)
- Lượng naphten sau khi phản ứng (1) là:
(0,058 - 0,052)×2385,9 = 11,93 (Kmol/h)
 Hằng số tốc độ của phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành parafin ở
nhiệt độ 803
o

K.
T
r2
= 803 K



= 1,245
Suy ra : K
2
= 2,398,10
-15
(Kmol/Pa×h× Kg xúc tác).
Với K
P2
= 98,1
-1
×10
-3
×e
(4450/803)

- 7,12
= 0,0021×10
-3
(Pa
2
)
Ta nhận thấy K
P2

<<1 chứng tỏ ưu thế phản ứng nghịch chuyển hóa từ
hydrocacbon parafin thành naphten.
- Sự tăng hàm lượng naphten do phản ứng (2) là:
-





= K
1
×P
N
-




×P
P





= 2,398×10
-15
× 16321,133×3103635,293 - 





×174557,672
= 0,0779×10
-3

Suy ra: N
23
= 0,0779×10
-3
×11,56 = 9×10
-4
(Kmol/h)
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác cố định năng suất 2,2 triệu tấn/năm

Mai Ngọc Chiến – KTHH5 – K54 62

- Lượng naphten tạo thành từ phản ứng (2):
N
N23
= 9×10
-4
×G
C
=9×10
-4
×2385,9 = 2,15 (Kmol/h)
- Lượng naphten còn lai sau phản ứng (1) và (2):
N
N32

= (Y
2
’- N
N31
+N
N32
) ×G
c
= (0,058 + 9×10
-4
– 0,052 ) ×2385,9
= 16,46 (Kmol/h)
 Lượng parafin chuyển hóa thành naphten là:
N
N
= N’
N32
- N’
N31
= 16,46 - 11,93 = 4,53 (Kmol/h).
Vậy ta có cân bằng vật chất các phản ứng hoá học sau:
Bảng 40: Cân bằng các phản ứng hóa học cho phản ứng hoá học
Lượng chất tham gia phản ứng (Kmol/h)
Lượng chất sản phẩm (Kmol/h)
124,07C
n
H
2n
124,07C
n

H
2n-6
+ 124,07×3H
2

4,53C
n
H
2n+2

4,53C
n
H
2n
+ 4,53H
2
Bảng 41: Lượng chất ở dòng vào và dòng ra ở lò ba
Cấu tử
Lượng vào (Kmol/h )
Lượng ra(Kmol/h)
A

780,15
780,15 + 124,07 =904,22
N
137,3
137,3 + 4,53- 124,07 =17,76
P
1468,45
1468,45- 4,53 =1463,92


2385,9
2385,9
Bảng 42: Lượng khí tuần hoàn
H
2

26109,04

26485,88
CH
4
1145,60
1145,60
C
2
H
6

1432,00
1432,00
C
3
H
8
859,20
859,20
C
4
H

10
286,40
286,40
C
5
H
12

286,40
286,40

30118,64
30495,48