Энерго- и ресурсосбережение в переработке топлив

При расчете площади поверхности теплообмена в установках для нагрева жидкого топлива пользуются среднелогарифмической разностью температур, которая вычисляется по формуле:

где Δt_ср - среднелогарифмическая разность темпера­тур, К;

Δt₁ —разность температур теплоносителя (на входе) и нагреваемого вещества (на выходе);

Δt₂ — разность температур теплоносителя (на выходе) и на­греваемого вещества (на входе).

Относительное движение теплоносителя и нагревае­мого вещества рассматривается здесь и далее только противоточное, ибо это наиболее распространенный слу­чай в процессах химической переработки топлива. Ана­логично рассчитывается движущая сила адсорбции при улавливании продуктов химической переработки топлив.

В промышленности данные материального баланса процессов химической переработки топлив принято при­водить в массовых долях, а состав образующейся при этом газовой фазы в объемных долях. Для того чтобы эти данные были сопоставимы, надо сначала найти среднюю молярную массу, газа (по аддитивности, с уче­том доли каждого компонента), затем условное число молей газовой смеси.

М=∑ω_i* М_i

где М— молярная масса газа, выраженная в кг/кмоль;

ω_i - массовая доля компонента в газе, выраженная в долях единицы;

М_i - молярная масса компонента, выраженная в кг/кмоль.

где п — условное число молей;

т — масса вещества, из которого получается газ, кг;

ω— массовая доля газа, выраженная в долях единицы;

М — средняя молярная масса газа (выраженная в кг/кмоль).

 

Природный и по­путный нефтяной газы широко используются как топли­во. Для расчетов в этом случае пользуются правилом аддитивности:

q_н = ω_i*q_i

где ω_i — массовая или объемная доля газа от исходного сырья, выраженная в долях единицы;

q_i — удельная или объемная теплота сгорания компонента газа, выражен­ная в кДж/кг или кДж/м³.

Зная теплоту сгорания топлива, можно рассчитать нужную его массу или объем для обеспечения того или иного процесса по формуле:

где т — масса или объем топлива, кг или м³;

q — необ­ходимое количество теплоты для обеспечения процесса, кДж;

η — коэффициент полезного действия установки, в долях от единицы;

q_i — удельная или объемная теп­лота сгорания топлива, кДж/кг или кДж/м³.

 

Пример 1. Определите среднелогарифмическую раз­ность температур для второй ступени АВТ, где нефть нагревается от 380 К до 630 К дымовыми газами, имею­щими на входе температуру 1200 К, а на выходе 620 К. Решение.

 

; Δt₁=1200 К - 630 К = 570 К

; Δt₂=620 К - 380 К = 240 К

 

 

Пример 2. При каталитическом крекинге керосина массовая доля газа равна 18 % от сырья. Определите массу метана, которая получится из 1 т керосина, если объемные доли компонентов газа крекинга: H₂=9; CH₄=27; C₂H₆=12 C₃H₈=3,5; C₂H₄=25; C₃H₆=15; C₄H₈=8,5%.

Решение. Среднюю молярную массу смеси опреде­ляют по формуле:

М =0,09*2+0,27*16+0,12*30+0,035*44+0,25*28+0,15*42+0,085*56 =27,7кг/кмоль

Условное число молей смеси:

Масса метана в смеси:

m(СН₄)=6,5 кмоль*16 кг/кмоль*0,27 = 28,08 (кг).

Элементы расчетов реакторов

Пример 1. Производительность реактора дегидрирования н -бутана до н -бутенов составляет 17400 кг целевого продукта в час. Процесс проводят при 600 °С, и в этих условиях степень конверсии н -бутана равна 30%, а селективность по н -бутенам составляет 75%. Определить вместимость реактора, приняв для расчета константы скорости формулу:

lg k'

Решение.Уравнение реакции:

СН₃ — СН₂ — СН₂ — СН₃ ↔ СН₂ = СН — СН₂ — СН₃ + Н₂

58 кг (22,4 м³) 56 кг 2 кг

Расход н -бутана для проведения процесса:

 

теоретический = 6960 м³/ч

фактический = 30933 м³/ч,

или 30933: 3600 = 8,6 м³/с.

Константа скорости:

lg k'= = -0,7943

k'=1,2057

k = 0,1614 с^-1

Предполагая, что дегидрирование н -бутана протекает по уравне­нию первого порядка, определим время пребывания реагирующих газов в зоне контакта:

τ =

Вместимость реактора:

V_р=8,6*2,2= 19 м³

Пример 2. Время пребывания углеводородов при получении аце­тилена электрокрекингом равно 0,001 с, объемный расход газов пи­ролиза равен 25500 м³/ч, скорость газов в реакционной камере со­ставляет 900 м/с. Определить площадь сечения, высоту и объем ре­акционной камеры электродугового реактора.

Решение. Секундная объемная производительность реактора (по газам электрокрекинга):

N = 25 500: 3600 = 7,08 м³/с

Объем реакционной камеры:

V_р= N_cτ

7,08 • 0,001 =0,0071 м³

Площадь сечения реакционной камеры:

S = N_c/ω = 7,08: 900 = 0,0079 м²

Высота реакционной камеры:

H = =0,0071: 0,0079 = 0,9 м или 900*0,001 =0,9 м

Пример 3. Объемная скорость подачи этилена в реактор пря­мой гидратации равна 1900 ч^-1, а объемный расход этилена состав­ляет 22000 м³/ч. Определить объем катализатора, необходимый для проведения процесса.

Решение. Объем катализатора:

22000: 1900 = 11,6 м ³

Пример 4. Производительность реактора окисления метанола составляет 3500 кг формалина в час; массовая доля формальдегида в нем равна 37%. Диаметр сечения аппарата 1,4 м, высота слоя контактной массы 75 мм. Определить производительность 1 кг и 1 л контактной массы. Насыпная плотность катализатора равна 600кг/м³.

Решение.Производительность реактора по целевому продукту — формальдегиду:

3500 • 0,37 = 1295 кг/ч

Объем катализатора в реакторе (V=πD²H/4=0,785D²H):

0,785 (1,4)² * 0,075=0,115 м³ или 115 л

Производительность 1 л катализатора:

1295: 115 = 11,3 кг/(л ^. ч)

Масса катализатора в реакторе:

0,115 • 600 = 69 кг

Производительность 1 кг катализатора:

1295: 69= 18,8 кг/(кг ^. ч)

 

Переработка нефти

Пример 1. Определить компонентный состав бензиновой фракции (пределы выкипания 93—123 °С), полученной в процессе прямой гонки нефти, если количество получаемой фракции составляет 34800 кг/ч. Состав бензиновой фракции в массовых долях следующий: парафиновые углеводороды 27,2%, непредельные углеводород 0,7%, ароматические углеводороды 0,9%, нафтеновые углеводород 71,2%. Определить массовый расход нефти, необходимой для получения указанной фракции, если выход фракции составляет 20% общей массы нефти, затраченной на прямую гонку.

 

Решение.Массовый расход нефти для получения бензиновой фракции с учетом 20%-ного выхода:

Компонентный состав бензиновой фракции:

Парафины

Непредельные

Ароматические

Нафтены

 

 

Пример 2. Определить компонентный состав бензиновой фракции (52 800 кг/ч, пределы выкипания 58—93 °С), полученной пиролизом нефтяного сырья, если ее состав в массовых долях следующий: парафиновые углеводороды 4,9%, непредельные углеводороды 37,9%, ароматические углеводороды 56,2%, нафтеновые углеводороды 1%. Определить массовый расход нефти, необходимой для получения указанной фракции,, если выход фракции составляет 60 от общей массы нефти, затраченной на пиролиз. Условно принять молекулярную массу для нефти 282, для бензиновой фракции 14.

 

Решение.Массовый расход нефти для получения бензинов фракции:

 

Массовый расход нефти с учетом 60%-ного выхода:

 

Компонентный состав бензиновой фракции:

 

Парафины

Непредельные

Ароматические

Нафтены

Пример 3. Производительность установки платформинга по жидкому сырью составляет 1760 т/сут. Объемный расход смеси па­ров и циркуляционного водорода равен 2,57 м³/с в условиях про­цесса. Объемная скорость жидкого сырья, имеющего плотность 748 кг/м³, составляет 1,53 ч^-1; линейная скорость паро-газовой смеси в сечении реактора равна 0,39 м/с. Определить общий объем катализатора в реакторах.

 

Решение.Объемный расход жидкого сырья на установке платформинга:

 

Объем катализатора в реакторах:

 

 

III. ПРИМЕРНЫЕ ЗАДАЧИ

1. Производительность реактора окислительного пиролиза метана равна 45 000 м³ газов пиролиза в час при времени реакции 0,003 с. Определить диаметр реакционной зоны, если ее длина составляет 600 мм.

2. Производительность реактора одностадийного дегидрирования н -бутана составляет 72 т бутадиена в сут­ки. Определить объем катализатора в реакторе, если производительность катализатора по бутадиену равна 90 кг/(м^3. ч)

3. Массовый расход этилбензола в реакторе получения стирола равен 12,9 т/ч, а объемная скорость подачи жидкого этилбензола равна 0,5 ч^-1. Плотность бензола равна 867 кг/м³. Определить высоту слоя катализатора в реакторе диаметром 6,5 м.

4. Массовый расход н -пентана в реакторе изомеризации равен 8,25 т/ч; плотность жидкого н -пентана равна 626 кг/м³. Определить объемную скорость подачи углеводорода в реактор, если объем катализатора составляет 12 м³.

5. Объемный расход метана, подаваемого в реактор газофазного хлорирования, равен 400 м³/ч; мольное от­ношение подаваемых метана и хлора равно 5: 1, а объ­емная скорость подачи газов в реакционное пространство составляет 240 ч^-1. Определить рабочий объем реактора.

6. Производительность установки гидрохлорирования ацетилена равна 1,2 т винилхлорида в час при производительности катализатора по винилхлорид 50 кг/(м^3. ч). Определить число реакторов, необходимых для обеспечения заданной производительности, если объем катализатора в каждом реакторе равен 6 м³.

7. Объемный расход синтез-газа в реакторе получения метанола равен 600 тыс. м³/ч, а объемная скорость подачи сырья составляет 10 000 ч^-1. Определить производительность катализатора, если производительность реактора равна 12 т метанола в час.

8. В результате прямой перегонки нефти получено
в час 34 000 кг бензиновой фракции (123—153°С), массовые доли компонентов в которой: парафины 18,8%, ароматические 4,7%, непредельные 0,5%, нафтены 76%. Определить компонентный состав фракции и массовый расход нефти, если выход фракции составляет 18% от общего расхода нефти, поступающей на установку пря­мой перегонки.

9. В результате прямой перегонки нефти получено
в час 52 000 кг бензиновой фракции (58—93°С), массовые
вые доли компонентов в которой равны: парафины 4,9 %,
непредельные 37,9%, ароматические 56,2%, нафтены 1,0%. Определить компонентный состав фракции и массовый расход нефти, если выход фракции составляет 62% от общего расхода нефти, поступающей на установку прямой перегонки.

10. В результате пиролиза нефти получено, в час 71 000 кг бензиновой фракции (93—123 °С), массовые доли компонентов в которой равны: парафины 7,1 %, непредельные 43%, ароматические 48,2%, нафтены 1,7%. Определить компонентный состав фракции и массовый расход нефти, если выход фракции составляет 68% от общего расхода нефти, поступающей на установку пиролиза.

11. В результате пиролиза нефти получено в час 68 000 кг бензиновой фракции (123—153 °С), массовые доли компонентов в которой равны: парафины 10,2%, непредельные 47,3%, ароматические 40,3%, нафтены 2,2%. Определить компонентный состав фракции и массовый расход нефти, если выход фракции составляет 70% от общего расхода нефти, поступающей на установку пиролиза.

12. При коксовании нефтяных остатков образуются нефтепродукты следующего состава (в массовых долях): 28% нефтяного кокса, 60% жидких дистиллятов, 12% крекинг-газа Рассчитать компонентный состав указанных продуктов, если на установку подают 38 800 кг нефтяного остатка в час, а степень его конверсии составляет 90%.

13. Вычислите теоретические расходные коэффици­енты для получения сульфатным методом 1 т 30%-ной соляной кислоты.

14. Определите расходный коэффициент техническо­го ацетальдегида (99%-ной чистоты) для получения 1 т уксусной кислоты: СН₃СНО + 0,5О₂→СН₃СООН, если выход кислоты по альдегиду 93,5%.

15. Определите расходные коэффициенты сырья для производства 1 т фосфата аммония (NH₄)₃PO₄, если ис­ходные продукты: 55%-ная фосфорная кислота; 98%-ный аммиак, влаги — 2%.

16. Вычислите расходные коэффициенты на 1 т ок­сида серы (IV), если содержание серы в руде серного колчедана 45%, влаги—1,5%, воздух на обжиг колче­данаподают с избытком в 1,5 раза.

17. Для получения 1 т метилового спирта израсходо­вано 12065 м³ синтез-газа (СО: Н₂= 1: 2). Рассчитайте выход метилового спирта при конверсии, если превра­щение за проход исходной смеси газов — 20%.

Суммарная реакция получения дивинила по спо­собу С. В, Лебедева выражается уравнением

2С₂Н₅ОН→СН₂ = СН — СН = СН₂ + 2Н₂О + Н₂

Выход дивинила составляет 80%. Вычислите, сколько кг дивинила можно получить из 2000 м³ 96%-ного спир­та (ρ = 80,0 кг/м³).

18. Составьте материальный баланс процесса упаривания 100 т раствора NaOH, если первоначальная концентрация его была 15%-ной, а упаренного раствора 60%-ной. Потери при упаривании составляют 0,3%.

19. Составьте материальный баланс на получение 1 т карбида кальция, содержащего 90% СаС₂, сырье —антрацит марки АК с содержанием 96% углерода, а известь — 85% СаО.

20. Составьте материальный баланс производства 1000 м³ аммиака, если азотно-водородная смесь полу­чается смешением сырого азота (N₂ — 99,6%, О₂ — 0,2%, Аг —0,2%) и сырого водорода (Н₂ —99,6%, СН₄ —0,2%, СО—0,2%). Синтез ведут под давлением 30,3 ^. 10⁶ Па, при температуре 673К. Концентрация аммиака в газах после колонны синтеза 18%, а в циркуляционном газе 4%, содержание других газов в циркуляционном га­зе 3%.

21. Составьте материальный баланс производства 1 т чистого метилового спирта, если исходная смесь га­зов состоит только из СО и Н₂ в соотношении 1: 2, кон­версия синтез — газа 20%. Выход метилового спирта со­ставляет 87% от теоретического.

22. Составьте упрощенный материальный баланс на получение 1 т уксусной кислоты (без учета побочных реакций), если выход кислоты по реакции

СН₃СНО + 0,5 О₂→СН₃СООН

составляет 96% (от теоретического), технический ацетальдегид 99%-ной чистоты и реагирует на 98%, кис­лород связывается на 99%, иепрореагировавшего ацетальдегида остается 2%, кислорода 1% (2% ацетальдегида расходуется на побочные реакции).

 

23. Определите энтальпию и тепловой эффект ре­акции газификации твердого топлива, если из генера­тора водяного газа выходит газ следующего состава (в % по объему): СО —38, Н₂ —50; С0₂ —6,2; N₂ —5,8. Расчет следует вести на 1000 м³ генераторного газа. Теплота образования (в кДж/моль): СО— 110,580; Н₂О (пар) —242,0; СО₂ —343,79.

24. Определите теплоту образования ацетилена, ес­ли известно, что при сгорании 1 моль его выделяет 1608,1 кДж теплоты, а теплоты образования воды и углекислого газа составляют соответственно 241,840 кДж/моль и 394,08 кДж/моль.

25. Составьте тепловой баланс реактора синтеза метанола, если исходный газ имеет состав (в % по объему): 20 СО и 80 Н₂, скорость его подачи 80000 м³/ч при температуре на входе в реактор 473К, а на выходе 573 К. Конверсия СО 35%. Теплоемкость газа на вхо­де и на выходе одинакова и равна 32,3 (кДж/моль*К). С помощью холодильника отводится 20 240 000 кДж.

26. В 1975—1977 гг. в мире производили ежегодно 30 млн. т водорода. При этом около 70% получали из природного газа. Если известно, что за данный период добывали 700 млрд. м³ природного газа, рассчитайте, какая массовая доля его шла на производство водоро­да. Реальный выход водорода при паровой конверсии метана 2,3 моль/моль СН₄. Необходимо принять во внимание, что объемная доля метана в природном газе равна 90%.

27. Возможно получение метана из бурого угля с использованием теплоты ядерного реактора. Переработка такого угля массой 660 т с массовой долей угле­рода в угле 55,6% дает метан объемом 1,1*10⁵ м³. Определите выход метана в процентах от теоретичес­кого.

28. Один ядерный реактор мощностью 3000 кВт мо­жет обеспечить работу семи газогенераторов с массо­вым расходом 40 т/ч буроугольного полукокса с мас­совой долей углерода 72%. При этом получается синтез-газ для производства метанола, объемная доля СО в котором 31,5, а водорода 66,3%. Приняв выход метанола 80% от теоретического, а степень превращения полукокса в газ 90%, рассчитайте массу метанола, кото­рую можно получить на установке за сутки.

29. Рассчитайте, какой объем аммиака в год мо­жет быть получен при совместной работе коксохими­ческого завода, перерабатывающего в год шихту мас­сой 6 млн. т, и кислородно-конверторного цеха, где в сутки подвергают разделению 1,88*10⁶ м³ воздуха. Принять выход газа от шихты 300 м³/т. Объемная доля водорода в газе равна 55%, объемная доля азота в воздухе 78%.

30. При полукоксовании торфа получается газ, в котором объемные доли компонентов равны: Н₂—16; СН₄—18; СО₂—41; азот—11,5; СО—13,5%. Выход газа 18% от массы исходного сырья. Рассчитайте, какую массу торфа следует подвергнуть полукоксованию для заполнения газом газгольдера диаметром 18 м и высо­той 6 м (н. у.).

31. Энерготехнологический комбинат, где в год
перерабатываются сланцы массой 16 млн. т, обеспечивается электроэнергией от собственной ТЭЦ установленной мощностью 240 тыс. кВт. ТЭЦ работает на газе, получающемся при термической переработке сланца. Выход газа 240 м³/т, его теплота сгорания 51 500 кДж/м³.Коэффициент полезного действия ТЭЦ 10%. Определите массовую долю сланца в процентах, расходующегося на производство электрической и тепловой энергии.

32. Рассчитайте теплоту, которую нужно отвести с помощью холодильника из реактора синтеза метанола, если тепловой эффект реакции Q_ρ=90 085 кДж/моль; исходный синтез-газ имеет состав 20% СО и 80% Н₂ (по объему), скорость подачи его 80 000 м³/ч при температуре на входе в реактор 473К, а на выходе 573 К. Конверсия СО 35%. Теплоемкость газа на входе и на выходе одинакова и равна С_ρ= 32,3 кДж/(кмоль*град). Тепловыми потерями пренеб­речь.

33. Синтез метилового спирта ведут под давлени­ем 3 ^. 10⁷ Па и при температуре 623—673 К. Выходящий из реактора газ имеет состав (в % по объему): СН₃ОН—16, СО—12, Н₂—72. Рассчитайте соотношение СО и Н₂ в исходном газе, поступающем в колонну син­теза.

34. Состав газа (в % по объему), образующегося при электрокрекинге метана: С₂Н₂—13,3; С₂Н₄—0,9; СН₄—27,5; Н₂—48,4, других ацетиленовых углеводоро­дов и бензола 9,9%. Из газа выделяют ацетилен аб­сорбцией диметилформамидом. При этом происходит отделение этилена и других органических примесей. Отходящие газы содержат в основном водород и метан. Вычислите: 1) состав газа после обработки диметил­формамидом; 2) сколько аммиака (теоретически) мож­но получить из 1000 м³ газа электрокрекинга метана?

35. При окислительном пиролизе природного га­за с целью получения ацетилена необходимая теплота получается за счет сжигания части метана. Подсчитай­те общий тепловой эффект реакций термоокислительного крекинга (пиролиза) метана, если основные реак­ции пиролиза следующие:

СН₄+2О₂→СО₂+2Н₂О

СН₄+0,5О₂→СО+Н₂

2СН₄→С₂Н₂ + ЗН₂

На основании расчетов докажите, что необходимая теп­лота для реакции получения ацетилена выделяется при сжигании части метана.

 

 

IV. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ДОМАШНИХ РАБОТ

Работа должна быть выполнена на компьютере. В виде исключения работа может быть выполнена в рукописном варианте. Образец выполнения титульного листа контрольной работы, представлен в приложении Б. Листы контрольной работы должны быть пронумерованы. Первой страницей считается титульный лист, на котором номер не ставится. На титульном листе должна быть надпись исполнителя и дата. В конце работы должна быть подпись исполнителя и дата. В конце работы должен быть представлен список использованной литературы по правилам, определяемым ГОСТом 7.1 – 84. Рекомендуется использовать алфавитный вариант группировки литературы. Если при выполнении работы были использованы законодательные и нормативные документы и акты, то они излагаются в начале списка литературы в порядке от более значимых к менее значимым.

Дополнительный справочный материал допускается помещать в приложениях. Приложения обозначаются заглавными буквами русского алфавита, начиная с А. Каждое приложение следует начинать с новой страницы и оно должно иметь заголовок. Приложения должны иметь общую с остальной частью сквозную нумерацию страниц.

 

V. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Грей Ф. Добыча нефти/Пер. с англ. З.П. Свитнько.-М.: Олимп-Бизнес, 2007.-416 с.: ил.-(Для профессионалов и неспециалистов).

2. Вержичинская С.В. Химия и технология нефти и газа: Учебное пособие/С.В. Вержичинская, Н.Г. Дигуров, С.А. Синицин.2-е изд., испр. и доп. - М.: Форум: 2009.-400 с.: ил.-(Профессиональное образование).

3. Никитин Е.Е. Ресурсосберегающие технологии: учеб. пособие. – СПб.: СПбГИЭУ, 2009. – 158 с.

4. Карпов К.А. Технологическое прогнозирование развития химических производств: Учебное пособие. СПб, СПбГИЭУ, 2009. – 275 с.

Дополнительная литература

1. Мстиславская Л.П. Основы нефтегазового производства: Учебное пособие/Министерство образования РФ; РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина; Л.П.Мстиславская, М.Ф.Павлинич, В.П.Филиппов.-3-е изд., испр. и доп.-М.: Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005.-276 с.

2. Коршак А.А. Ресурсосберегающие методы и технологии при транспортировке и хранении нефти и нефтепродуктов: Учебное пособие.- Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2006.-192 с.: ил.

3. Программа энергосбережения в ОАО «Газпром» на 2004-2006г.г. в 3-х кн. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004.

4. Ресурсосберегающая техника и технология при обустройстве и эксплуатации нефтяных месторождений. Тр. Гипровостокнефти., Куйбышев, 1989.-137с.

5. Ресурсология: В 3-х частях (под ред. В.Р. Богатарова/Н.Новгород: Изд. Волго-Вят. акад. Гос. службы, 1999.

6. Бардик Д.Л. Нефтехимия=Petrochemicals in Nontechnical language: Пер. с англ./Д.Л.Бардик, У.Л.Леффлер.-3-е изд., перераб. и доп.-М.: ЗАО "Олимп-Бизнес", 2007.-496 с.: ил.-(Для профессионалов и неспециалистов).

7. Вержичинская С.В. Химия и технология нефти и газа: Учебное пособие/С.В. Вержичинская, Н.Г. Дигуров, С.А. Синицин.-М.: Форум: Инфра-М, 2007.-400 с.: ил.-(Профессиональное образование).

8. Интеллектуализация предприятий нефтегазохимического комплекса: экономика, менеджмент, технология, инновации, образование / Под общ. ред. И.А. Садчикова, В.Е. Сомова. – СПб.: СПбГИЭУ, 2006. - 762с.

9. Стратегические приоритеты российских нефтеперерабатывающих предприятий/Сомов В.Е., Садчиков И.А., Шершун В.Г., Кореляков Л.В.;Под ред. В.Е.Сомова.-М.: ОАО "ЦНИИТЭ-нефтехим", 2002.-292 с.

Приложение 1

Лист регистрации изменений

№ п/п	Номера разделов, где произведены изменения	Документ, в котором отражены изменения	Подпись	Расшифровка подписи	Дата введения изменений