dimensionarea serpentinei unui cuptor de piroliza
TRANSCRIPT
Universitatea : “Petrol si Gaze” din PloieştiFacultatea : Tehnologia Petrolului si PetrochimieSpecializarea : Informatica IndustrialaCatedra : Ingineria Petrolului si PetrochimieiDisciplina : Procese termocatalitice
PROIECTPROCESE
TERMOCATALITICE
-Ploiesti 2008-
Catedra : Tehnologia Petrolului si Petrochimiei
CALCUL TEHNOLOGIC AL SERPENTINEI DINTR-UN CUPTOR DE PIROLIZA A
BENZINEI
Indrumator StudentProf.Dr.Ing Dorin Stanica Ezeanu
1
-Ploiesti 2008-CUPRINS
Capitolul 1 – Generalitati privind procesul de piroliza....................5Capitolul 2 – Calculul zonei tehnologice........................................8Capitolul 3 – Tabel centralizator de date obtinut la piroliza..........26Anexe...........................................................................................27Bibliografie................................................................................... 29
2
DATE DE PROIECTARE
1. Capacitatea cuptorului: 145 000 t/an;
2. Natura materiei prime: benzina nafta;
3. Caracteristicile de baza ale materiei prime:
- densitatea, =0.715;
- factorul de caracterizare, =12;
- masa molara, M=110 kg/kmol;
- curba de distilare STAS: .
% volum Temperatura, 0C
i 60
10 76
30 88
50 97
70 114
90 140
f 160
4. Temperatura de intrare in cuptor: ;
5. Presiunea de intrare in cuptor: ;
6. Temperatura de incepere a reactiilor: ;
7. Raportul apa/materie prima, a=0.55 kg/kg;
8. Parametrii cinetici: ; ******** A= 1.78 * 1014 ,
Ea=66000 cal/mol
9. Distributia produsilor de reactie la iesirea din cuptor: ; 3
Component % gr.
H2 0,75
CH4 14.37
C2H2 0.41
C2H4 30.12
C2H6 3.50
C3H4 0.55
C3H6 14.32
C3H8 0.18
C4H6 3.84
C4H8 8.80
C4H10 1.18
Benzină 14.5
Combustibil 4.5
X%(cons) 82.5
10. Tensiunea termica in zona de convectie:
kcal/(m2*h*oC);
11. Tensiunea termica in zona de radiatie:
kcal/(m2*h*oC);
12. Date constructive ale tuburilor din cuptor:
- diametrul interior: ;
- diametrul exterior: ;
- lungimea tuburilor: L=8m.
13.Conversia globala pe reactor: ;
14.Numarul de ore de functionare: N=8000 h/an;
15.Sarcina maxima a serpentinei:
Capitolul I – Generalitati privind procesul de piroliza
4
Piroliza reprezinta procesul de cracare termica a hidrocarburilor
la temperaturi înalte si presiuni joase pentru a obţine hidrocarburi
olefinice uşoare.
Materiile prime folosite sunt:
- hidrocarburi gazoase pure;
- fracţiuni petroliere uşoare lichide;
- reziduuri petroliere.
Obţinerea hidrocarburilor olefinice uşoare este posibila datorita
parametrilor la care se desfasoara procesul:
temperature inalte (>650oC)- care favorizeaza ruperea
hidrocarburilor, reactiile de cracare fiind endoterme ;
presiuni joase (< 3 atm) care fac ca radicalii obtinuti prin ruperea
hidrocarburilor sa aiba un timp suficient sa se descompuna in
continuare, in produse cu greutati moleculare mai mici.
Realizare industriala a pirolizei
Instalatia de piroliza se poate imparti in doua zone :
- sectia de piroliza propriu zisa numita sectie ‘calda’ ;
- sectia de separare a produselor gazoase numita sectia’rece’.
1. SECTIA DE PIROLIZA
Aceasta contine reactorul si utilajele de racire si de separare ale
produsilor de reactie. Materia prima intra in cuptor in zona de convectie
unde se incalzeste la 550-650oC, aici se amesteca cu abur, pentru a se
elimina formarea cocsului, apoi trece in zona de radiatie , se incalzeste
la 780-850oC unde au loc principalele reactii de cracare termica.
Produsele de reactie sunt racite brusc la 450-550oC in
generatorul de abur, dupa care trec in coloana de fractionare in
5
produsul de varf format din gaze si benzina. Dupa condensarea
benzinei gazele sunt trimise la sectia ‘rece’ de separare a gazelor.
Cuptorul reprezinta reactorul instalatie de piroliza si de aceea
proiectarea lui este esentiala pentru procesul de piroliza. Conversia
materiei prime depinde de timpul de stationare si de temperatura de
reactie. Cu cresterea temperaturii creste conversia in etilena deci
randamentul in etilena.
Unul din inconvenientele pirolizei in serpentinele cuptoarelor este
depunerea progresiva a cocsului in interiorul tevilor, periodic instalatia
de piroliza trebuie intrerupta pentru eliminarea cocsului depus in tuburi.
2. SECTIA DE SEPARARE A PRODUSELOR GAZOASE
Obtinerea produsilor puri se realizeaza prin distilare fractionata intr-
un domeniu de presiune de la 1 - 35 atm si la temperaturi scazute de
pana la -140oC.
Principalele operatii la care sunt supuse produsele de reactie
gazoase dupa sectia de piroliza propriu zisa :
- comprimarea gazelor ;
- neutralizarea gazelor prin tratare cu solutii alcaline ;
- uscarea gazelor ;
- refrigeratia - se separa un flux bogat de hidrogen si metan la
temperaturi foarte scazute, operatia numindu-se demetanare;
- deetanarea – separarea prin distilare fractionata a unei fractiuni
de etan ;
- hidrogenare catalitica a urmelor de acetilena din fractia etan-
etena ;
- separarea prin distilare fractionata a etenei de etan care este
retrimis la piroliza ;
6
- depropanarea – separarea fractiei propan –propena de fractia
C4+;
- hidrogenarea catalitica a urmelor de metil-acetilena din fractia
propan-propena ;
- separarea prin distilare fractionata a propenei de propan care
este retrimis la piroliza ;
- debutanarea – separarea fractiei butan-butena de fractia C5+.
Schema unei instalatii de piroliza cu indicarea sectiei calde si reci
1- cuptor; 2- generator de abur; 3- coloana de fractionare; 4- compresor; 5 –
sectie de fractionare.
Capitolul 2 – Calculul tehnologic
7
2.1 Calculul numarului de serpentine
Calculam debitul de materie prima si cel de alimentare :
kg/h
kg/h
Debitul de alimentare total:
kg/h
Numarul de serpentine:
serpentine
Pentru calculul de dimensionare a unei serpentine trebuie sa calculam
debitul de materie primă şi debitul de abur corespunzător unei singure serpentine:
kg/h
kg/h
Verificam dacă numărul de serpentine obţinut a fost ales bine prin
compararea încărcării serpentinei cu Smax:
kg/h
2.2 CALCULUL SERPENTINEI DE REACŢIE ÎN ZONA
DE CONVECŢIE
8
2.2.1 Calculul sectorului 1
Pentru a dimensiona serpentina din zona de convectie, facem presupunerea
ca serpentina este dreapta si asigura conditii de incalzire si vaporizare a materiei
prime intre şi .
Presupunem caderea de presiune pe sectorul 1: atm
Se determină densitătea funcţie de densitatea din datele de proiectare :
Calculul entalpiilor în fază lichidă la intrarea şi ieşirea din sectorul 1:
kcal/kg
kcal/kg
Calculul lungimii din sectorul 1:
m
<8 m
Determinarea densităţilor la intrare şi ieşire din sectorul 1:
g/cm3 kg/m3
g/cm3 kg/m3
Densitatea medie pe sectorul 1:
kg/m3
Calculul vitezei pe sectorul 1:
9
m/s
Vâscozitatea dinamică a fracţiei petroliere pe sectorul 1 se determină cu
ajutorul diagramei funcţie de temperatura medie pe sector şi masa moleculară, iar
masa moleculară se determină funcţie de şi de factorul de caracterizare (k):
kg/m·s
Criteriul Reynolds:
Căderea de presiune pe sector se determină cu ajutorul relaţiei Fanning:
N/m2 atm
Presiunea de ieşire din sectorul 1 se calculează funcţie de presiunea de
intrare în sectorul 1 şi căderea de presiune pe sectorul 1:
atm
Determinarea erorii căderii de presiune:
%
2.2.2 Calculul sectorului 2
Presupunem căderea de presiune pe sectorul 2: atm
10
kcal/kg
m
m
kg/m3 atm
atm
kg/m3
kg/m3
m/s
kg/m·s
N/m2 atm
%
2.2.3 Calculul sectorului 3
Se presupune căderea de presiune pe sectorul 3: bar
11
kcal/kg
m
m
kg/m3
atm
atm
kg/m3
kg/m3
m/s
kg/m·s
N/m2 =0.145 atm
%
12
2.3. CALCULUL SERPENTINEI DE REACŢIE ÎN
ZONA DE RADIAŢIE
2.3.1 Calculul sectorului 1
Sectorul I – ( 650 oC - 700 oC )Sectorul II – ( 700 oC - 750 oC )Sectorul III – ( 750 oC - 892 oC )
Se presupune căderea de presiune pe sectorul 1: atm
Se presupune conversia pe sectorul 1:
2.3.1.1 Calculul termic
13
kcal/h
kcal/h
kg/h
kcal/h
atm
0C
kcal/h
kcal/kg·grd
kcal/h
kcal/h
14
kcal/h
kcal/h
m
2.3.1.2 Calculul cinetic
kg/kmol
kg/kmol
kg/h
kg/kmol
kmol/h
kmol/h
m3/h
m3/h
m3/h
15
m3
sec
0C
sec-1
%
2.3.1.3. Calculul hidraulic
atm
atm
kg/m3
kg/m3
kg/m3
m/s
16
atm
%
2.3.2 Calculul sectorului 2
Se presupune căderea de presiune pe sectorul 2: atm
Se presupune conversia pe sectorul 2:
2.3.2.1 Calculul termic
kca
l/h
kcal/h
kg/h
kcal/h
1 atm
17
0C
kcal/h
kcal/kg·grd
kcal/h
kcal/h
kcal/h
kcal/h
kcal/h
m
m
2.3.2.2 Calculul cinetic
18
kg/kmol
kg/kmol
kg/h
kg/kmol
kmol/h
kmol/h
m3/h
m3/h
m3/h
m3
sec
0C19
sec-1
Determinarea erorii conversiei pe sectorul 2:
%
2.3.2.3 Calculul hidraulic
atm
kg/m3
kg/m3
kg/m3
m/s
atm
%
20
2.3.3 Calculul sectorului 3
Se presupune căderea de presiune pe sectorul 3: atm
Se presupune conversia pe sectorul 3:
2.3.3.1. Calculul termic
kcal/h
kcal/h
kg/h
kcal/h
atm
0C
kcal/h
kcal/kg·grd
kcal/h
21
kcal/h
kcal/h
kcal/h
kcal/h
m
m
2.3.3.2. Calculul cinetic
kg/kmol
kg/kmol
kg/h
kg/kmol
22
kmol/h
kmol/h
m3/h
m3/h
m3/h
m3
sec
0C
sec-1
%
2.3.3.3. Calculul hidraulic
atm
kg/m3
23
kg/m3
kg/m3
m/s
atm
%
Capitolul 3 – Tabel centralizator de date obtinut la piroliza
24
3.1. In zona de convectie
Sector (0C) (0C) (atm) (atm) (atm) (m)
1 110 132 5,5 5,5 1.218 · 10-5 2.51
2 132 273 5,5 5,4997 37.837 · 10-5 39.24
3 273 650 5,4997 5,4741 25 · 10-3 82.23
3.2 In zona de radiatie
Sector (0C) (0C) (atm) (atm) (atm) (m) (s) k (s-1) (m/s)
1 650 700 5,679 5,566 0,0151 3.9 0,13 0,42 0,047 33,1
2 700 750 5,566 5,471 0,094 25,8 0,56 1,9 0,2 34,77
3 750 800 5,471 5.29 0,168 37,1 0,72 2.9 0,37 42,6
ANEXE
Căldura de reacţie la piroliza unei benzine la 1100 K
Component% gr.
(kg/100 kg mp)
ΔH (kcal/kg)
M (kg/kmol)
kg H2/100 kg mp
H2 (% gr.)
ΔHp
(kcal/kg mp)
H2 0,87 0 2 0,87 100 0
CH4 15,02 -1348,2 16 3,76 25 - 202,5
C2H2 0,44 2039,4 26 0,034 7,7 8,97
C2H4 30,55 321,2 28 4,37 14,3 98,13
25
C2H6 3 - 817,2 30 0,6 20 - 24,52
C3H4 0,47 1052,3 40 0,047 10 4,95
C3H6 17,53 - 4,3 42 2,51 14,3 - 0,75
C3H8 0,28 - 704,4 44 0,051 18,2 - 1,97
C4H6 3,39 417,8 54 0,38 11,1 14,16
C4H8 7,13 -147,7 56 1,01 14,3 - 10,53
C4H10 0,72 - 643,4 58 0,124 17,2 - 4,63
Benzină 18 - 161 104 1,98 11 - 28,98
Combustibil 2,6 261 288 0,1625 6,25 679
Total 100 - - - - -140,88
mp 100 - 511 - 15,10 15,10 - 511
Entalpia aburului in zona de radiatie
P (atm) (kcal/h) (kcal/h) (kcal/h) (kcal/h)
5 910,6 937,5 964,9 992,7
5,5 910,5 937,4 964,8 992,6
5,4803 910,5039
5,466 937,4068
5,38 964,8264
5,2 992,66
Caldura specifica medie a gazelor in zona de radiatie
cp (cal/g · grd) 900 K 1000 K 1100 K
H2 4,968 4,968 4,968
CH4 16,21 17,21 18,09
C2H2 15,45 15,92 16,35
C2H4 21,45 22,57 23,54
C2H6 27,69 29,33 30,77
C3H4 30,6 31,23 33,8
C3H6 32,7 34,46 35,99
26
C3H8 39,61 41,83 43,75
C4H6 38,16 40,02 41,62
C4H8 44,49 46,82 4,85
C4H10 51,44 54,22 56,64
cp (cal/g · grd) 973 K 1023 K 1073 K
H2 4,968 4,968 4,968
CH4 16,94 17,44 17,85
C2H2 15,79 16,03 16,23
C2H4 22,27 22,83 23,28
C2H6 28,89 29,71 30,38
C3H4 31,06 31,67 33,11
C3H6 33,98 34,86 35,56
C3H8 41,32 42,34 43,23
C4H6 39,52 40,45 41,19
C4H8 46,19 47,36 48,3
C4H10 53,47 54,86 55,99
BIBLIOGRAFIE
- Suciu, G.C., Ţunescu, R.C., Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol. I, Ed.
Tehnică, Bucureşti, 1983;
- Suciu, G.C., Ţunescu, R.C., Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol. V, Ed.
Tehnică, Bucureşti, 1999;
- Dumitru Dobrinescu - Echipamente de transfer termic si utilaje specifice.
27