Calculul tehnologic.area tehnologica a unui reactor industrial de hidrotratare.

Calculul tehnologic. Proiectarea tehnologica a unui reactor industrial de hidrotratare.

1 Modelul matematic al reactorului

Procesul de hidrodezoxigenare propriu-zis are loc in reactor. De aceea modelul matematic al procesului este in acelasi timp si modelul matematic al reactorului.Intru-cat, in general, materia prima este caracterizata prin continutul de oxigen total, fara a se detalia pe compusi individuali cu sulf, pentru schema cinetica a procesului se va adopta formal schema globala:

O_x +H₂ H₂S +RH

In care : O_x- totalitatea compusilor cu oxigen (pseudoreactorul);

RH- totalitatea hidrocarburilor saturate rezultate prin ruperea legaturilor

C-O din heterocompusii cu oxigen

De exemplu

A + B → C + D

Unde: A=R₁−O−CO−R₂ (Trigliceride)

B=H₂

C= Metili esteri ai acizilor grasi (EMAG)

D=H₂O

Reactiile de hidrogenoliza sunt slab exoterme, dar daca materia prima contine si olefine, atunci hidrogenarea acestora este puternic exoterma. De aceea, in general, cresterea de temperatura in reactor este importanta. Din aceasta cauza, modelul matmatic va contine o ecuatie de bilant de materiale pentru O₂ si o ecuatie de bilant termic (hidrogenarea olefinelor este o reactie rapida, astfel incat de aceasta reactie se va tine seama doar pentru ∆H_ox ).

Se face ipoteza ca regimul de curgere aproximeaza bine regimul ideal de tip piston, fara gradienti radiali de concentratie, temperatura, viteza liniara.

Reactorul folosit pentru reactia de hidrodesulfurare este un reactor continuu tubular cu strat fix de catalizator.

Operarea adiabatica a reactoarelor este practicata frecvent in industrie avand avantajul unei constructii si unui mod de operare a reactorului mai simple decat sistemele neadiabatice.

Aceste avantaje sunt evidente pentru procesele chimice cu efecte termice moderate, pentru care realizarea gradului de transformare dorit este posibila economic cu o singura zona de reactie adiabatica.

Ecuatia generala de bilant este de forma:

I=E+C+A, unde

I - fluxul de masa, energie sau impuls intrat in sistemul de reactie ;

E - fluxul de masa, energie sau impuls iesit din sistemul de reactie ;

C - masa, energia consumata sau produsa ca efect al reactiei chimice ;

A - variatia de masa sau temperatura in timp ca urmare a conservarii acestei marimi in interiorul elementului de volum.

Reactorul continuu tubular este un sistem cu parametrii distribuiti; in reactor

compozitia, temperatura si presiunea variaza spatial. Lucreaza practic in regim nestationar.

Din acest motiv, exprimarea matematica a legilor de conservare se face pe un element infinit ezimal de volum, dV.

Ecuatia de bilant material:

G_ox = G_ox + dG_ox + (-r_ox)dw + 0, (3.1)

Ecuatia de bilatt termic:

G_oxC_pT = GC_p(T + dT) + ∆H_ox(-r_ox)dw + 0,

Rezulta:

(3.3)

(3.5)

(3.8)

Conditii la limita , (3.9)

In aceste ecuatii :

-debitul masic al oxigenului total la intrare in reactor, kg/h;

-conversia oxigenului total;

-debitul masic total al fluidului reactant, kg/h;

-masa catalizatorului solid, kg;

-viteza reactiei globale de desulfurare,

Ecuatiile (3.7) 3.8) si conditiile initiale (3.9) reprezinta modelul matematic al procesului.

2 Date de proiectare si determinarea parametrilor modelului

• =500 000 t/an
• Durata de functionare=8000 h/an
• =62500 kg/h - debitul de motorina de alimentare (materie prima)
• =868 kg/m -densitatea materiei prime la 20sC;
• =30 bar -presiunea din reactor este constanta;
• =2000 ppm-continutul de oxigen al materiei prime;
• = 500 Nm/m-raportul H₂ pur/materie prima in alimentarea reactorului;
• =0,82 fractii molare-concentratia H in gazele de alimentare;
• =8,84 kg/kmol -masa molara a gazelor cu H₂ in alimentare;
• =6,7 kJ/kg*K -caldura specifica a gazelor cu H₂ in alimentare;
• =2,27 kJ/kg*K -caldura specifica a motorinei (total vaporizata);
• =-504,560 kJ/kg oxigen transformat-caldura de reactie;
• =800 kg/m -densitatea in vrac a catalizatorului;

(3.10)

Simularea va urmari determinarea cantitatii de catalizator necesar pentru diferite temperaturi de alimentare () si pentru diferite valori ale continutului total de oxigen in motorina hidrofinata.

Se vor considera valorile:

T₀ =400sC;

=10 ppm;

Determinarea parametrilor modelului matematic:

;

; (3.11)

Unde : - debitul volumic de materie prima, m³/h;

;

;

- debit volumic de hidrogen, Nm³/h;

;

;

- debit volumic de gaze, Nm³/h;

;

; 

- debitul molar de gaze, kmol/h;

;

;

;

;

Unde : G- debitul masic total, kg/h;

- debitul de materie prima de alimentare kg/h;

- debitul masic de gaze, kg/h;

;

;

-debitul masic al oxigenului total la intrare in reactor kg/h

;

; (3.18)

- caldura specifica totala, kJ/kg*K;

;

3 Rezolvarea modelului matematic si dimensionarea tehnologica a reactorului;

Sistemul de ecuatii algebrice (3.7) si (3.8) se rezolva fie printr-o metoda numerica de integrare (Euler, Runge-Kutta etc.) fie grafic.

Se calculeaza caldura reactiei de desulfurare (-∆H_ox) exprimata in kcal degajate/kg O₂ si cantitatea de catalizator necesara, W kg catalizator.

Din ecuatiile (3.7) si (3.8) rezulta:

;  (3.19)

;

;

Acizi grasi legati de glicerina in ilei de rapita

Palmitic  4 % vol 16:0

Stearic 1 % vol 18:0

Oleic 33 % vol 18.1

Linoleic  20% vol 18:2

Linolenic 7,6% vol 18:3

Eicosenoic 9,9% vol 20.1

Erucic 23,0% vol 22:1

Palmitic: C₁₆H₃₂O₂ =

Stearic : C₁₈H₃₆O_{2 =}

Oleic : C₁₈H₃₄O₂=

Linoleic : C₁₈H₃₂O₂=

Linolenic : C₁₈H₃₀O₂=

Eicosenoic : C₂₀H₃₈O₂=

Erucic : C₂₂H₄₂O₂=

Integram relatia (3.18

, (3.21)

Si rezulta:

,

;

;

;

;

; reactie izoterma

Cantitatea de catalizator necesara,W exprimata in kg catalizator, rezulta din ecuatia (3.8) prin integrare:

; (3.23)

;  (3.24)

;  (3.25)

;  (3.26)

Volumul catalizatorului V, exprimat in m³:

;

Viteza volumara, h^-1:

(3.28)

; H=5D

;  (3.29)

; (3.30)

;

H=5*1,38=6,9m

;  (3.31)

; (3.32)

;  (3.33)

;

; (3.34)

4 Concluzii

In urma calculului tehnologi s-a dimensionat reactorul cilindric vertical pentru urmatoarele conditii de lucr:materie prima-motorina Lukoil 1 in proportie de 75% si ulei de rapita in proportie de 25%,densitatea materiei prime de 868 kg/m,temperatura de intrare in reactor de 400sC,presiunea pe reactor de 30 bar,continutul de oxigen 2000 ppm,continutul de oxigen in produsul final de 10 ppm,conversi 99,5% ,a rezultat un volum de catalizator de 10,30 m pentru un vas cu inaltimea de 6,9 m si diametrul 1,38 m cu viteza volumara de 6,99 h si timpul de stationare de 5,593 secunde.