proiect ptc

UNIVERSITATEA PETROL – GAZE PLOIEŞTI

FACULTATEA: TEHNOLOGIA PETROLULUI ŞI PETROCHIMIE

SPECIALIZAREA: INFORMATICĂ INDUSTRIALĂ

CATEDRA: INGINERIE CHIMICĂ ŞI PETROCHIMICĂ

PROIECT DE AN

PROCESE TERMOCATALITICE

ÎNDRUMĂTOR: STUDENT:

prep. MIHAI OANA BENEA SILVIU ANDREI

An IV

Grupa 3122

2007

TEMĂ PROIECT:

PROIECTAREA TEHNOLOGICĂ A SERPENTINEI

DE REACŢIE A UNUI CUPTOR INDUSTRIAL DE

PIROLIZĂ A BENZINEI

PRINCIPALELE DATE DE PROIECTARE

1. Capacitatea secţiei de reacţie a cuptorului: 88000 t/an

2. Natura materiei prime: benzină de distilare primară

3. Caracteristicile de bază ale materiei prime:

- densitatea:

- factorul de caracterizare:

- masa moleculară: kg/kmol

- curba de distilare STAS: C5

% volum Temperatura, 0C

i 59

5 64

10 70

20 78

30 88

40 96

50 104

60 114

70 124

80 135

90 142

95 148

f 155

Masa moleculara medie comb 286

4. Temperatura de intrare în cuptor:

5. Presiunea de intrare în cuptor: atm

6. Temperatura de începere a reacţiilor:

7. Raportul apă/materie primă:

8. Parametrii cinetici:

9. Distribuţia produşilor de reacţie la ieşirea din cuptor: P4

Component % gr.

H2 0,87

CH4 15,02

C2H2 0,44

C2H4 30,55

C2H6 3

C3H4 0,47

C3H6 17,53

C3H8 0,28

C4H6 3,39

C4H8 7,13

C4H10 0,72

Benzină 18

Combustibil 2,6

10. Tensiunea termică în zona de convecţie: kcal/m2·h

11. Tensiunea termică în zona de radiaţie: kcal/m2·h

12. Date constructive ale tuburilor din cuptor:

- diametrul interior: mm

- diametrul exterior: mm

- lungimea tuburilor: m

13. Conversia globală ape reactor: % vol

14. Numărul de ore de funcţionare: h/an

15. Sarcina maximă a serpentinei (materie primă + abur): kg/h

CONŢINUTUL PROIECTULUI

1. Piroliza benzinelor (generalităţi, materii prime, randamente, caracteristici, tipuri de

reactoare folosite)

2. Modelul matematic pentru dimensionarea reactorului tubular de piroliză

3. Calculul serpentinei de reacţie în zona de convecţie

4. Calculul serpentinei de reacţie în zona de radiaţie

5. Schema tehnologică a cuptorului de piroliză (a reactorului tubular)

6. Aspecte economice legate de procesul de piroliză. Normele de protecţia muncii. Noutăţi

privind dezvoltarea procesului de piroliză

7. Concluzii

8. Bibliografie

9. Anexe

1. GENERALITATI PRIVIND PROCESUL DE PIROLIZA A

BENZINELOR

Consumul de materie primă în instalaţia de piroliză presupune obţinerea de etan, propan,

butan, benzină, motorină uşoară şi motorină grea. Instalaţiile de piroliză produc hidrocarburi ca:

etilenă, propilenă, butadienă, benzen, xilen, toluen, izopren, stiren.

Instalaţiile de piroliză sunt amplasate în vecinătatea rafinăriilor de prelucrare a ţiţeiului, de

unde-şi procură materie primă (benzină de distilare primară, rafinate de reformare catalitică,

petrol, motorină, fracţii de etan, fracţii de propan) şi returnează produse secundare pentru

valorificare (benzină de piroliză folosită precum component în benzinele auto, fracţii C4 pentru

alchilare, gaze combustibile, hidrogen).

Variabilele care caracterizează procesul de piroliză sunt:

- temperatura de reacţie care influenţează viteza reacţiei globale şi conversia globală

- timpul de şedere

- presiunea parţială a hidrocarburilor

- căderea de presiune în serpentina de reacţie

- durata de funcţionare a cuptorului între două decocsări

- temperatura maximă a peretelui ţevii

Temperatura de reacţie variază în lungul serpentinei de reacţie şi nu se poate vorbi de

temperatuă de reacţie ci de un profil de temperatură.

O dată cu scăderea timpului de şedere, creşte temperatura de reacţie, timpul de şedere

fiind determinat de profilul de temperatură, de raportul abur/materie primă, de presiune, de

diametrul ţevii, de lungimea serpentinei de reacţie.

Presiunea variază în lungul serpentinei de reacţie şi vorbim de presiune medie, fiind

dependentă de debitul de alimentare cu materie primă, de raportul abur/materie primă, de

pierderile de presiune de-a lungul serpentinei, de diametrul ţevii şi de lungimea serpentinei.

Calculul serpentinei cuptorului de piroliză este necesar atât pentru dimensionarea

cuptorului cât şi pentru determinarea zonei de reacţie care sa asigure descompunerea materiei

prime până la conversia prestabilită.

2. MODELUL MATEMATIC PENTRU DIMENSIONAREA

REACTORULUI TUBULAR DE PIROLIZĂ A BENZINEI DE

DISTILARE PRIMARĂ

Pentru stabilirea modelului matematic se vor face următoarele presupuneri:

1. Reacţiile chimice de transformare a materiei prime în produse de reacţie au loc în zona

de radiaţie a cuptorului de piroliză, iar zona de convecţie constituie zona de încălzire şi

vaporizare a materiei prime.

2. Pentru dimensionarea serpentinei de reacţie se consideră că este împărţită în sectoare

de lungimi suficient de mici (incremente) astfel încât conversia realizate pe fiecare sector să fie

cât mai mică. O dată cu ea, valoarea căderilor de presiune pe sector şi a gradientului de

temperatură din fiecare sector trebuie să fie cât mai mici pentru a se putea calcula cât mai exact

valorile medii ale parametrilor variabili (număr de moli, temperatuă, caracteristici ale materiei

prime şi ai produşilor de reacţie).

3. Pentru fiecare sector, calculul se face prin aproximări succesive (calcul de iteraţii). Se

fac presupuneri de temperatură, presiune şi conversie urmând ca, ulterior, ele să fie verificate

prin calcul. Marja de eroare admisă este de 5 %. Lungimea totală a serpentinei reprezintă suma

lungimilor tuturor sectoarelor necesare atingerii conversiei dorite.

2.1. CALCULUL NUMĂRULUI DE SERPENTINE

Pentru că trebuie respectată condiţia ca încărcarea să nu depăşească sarcina maximă

admisibilă ( kg/h), se va repartiza debitul de materie primă şi cel de alimentare pe mai

multe serpentine; numărul serpentinelor trebuie să fie par şi întreg şi se obţine printr-un algoritm

de calcul.

kg/h

Pornind de la raportul apă/materie primă din datele de proiectare, se află debitul de apă:

kg/h

Debitul de alimentare total al cuptorului este suma dintre debitul de materie primă şi

debitul de apă:

kg/h

Numărul de serpentine este raportul dintre debitul de alimentare total al cuptorului şi

sarcina maximă admisibilă:

serpentine

Pentru calculul de dimensionare a unei serpentine este necesar sa se calculeze debitul de

materie primă şi de debitul de abur corespunzător unei singure serpentine:

kg/h

kg/h

Se verifică dacă numărul de serpentine obţinut a fost bine ales prin compararea încărcării

serpentinei cu Smax:

kg/h

3. CALCULUL SERPENTINEI DE REACŢIE ÎN ZONA DE

CONVECŢIE

Pentru dimensionarea serpentinei din zona de convecţie se face presupunerea că

serpentina este dreaptă şi asigură condiţii de încălzire şi vaporizare a materiei prime între şi

.

Pentru a determina temperaturile şi se va trasa curba de distilare VE pentru

atm pornind de la curba STAS. Pentru obţinerea datelor de vaporizare în echilibru se va

trasa mai întâi VE la atm folosind metoda Edmister-Okamoto.

Etape:

a) Se foloseşte curba STAS ca şi curbă de referinţă care se va împărţi în 6 domenii de

distilare: 0-10%, 10-30%, 30-50%, 50-70%, 70-90% şi 90-100%.

0C

0C

0C

0C

0C

0C

b) Cu ajutorul temperaturii la şi a diferenţei de temperatură pe curba STAS,

se determină diferenţa de temperatură la 50 % distilat între curba VE şi curba.

0C

c) Din diferenţele de temperatură la capetele segmentelor pe curba STAS, se determină

diferenţele de temperatură la capetele segmentelor curbei VE:

0C

0C

0C

0C

0C

0C

d) Pornind de la temperatura la cu ajutorul diferenţelor de temperatură la capetele

segmentelor pe curba VE, se calculează temperaturile la 0%, 10%, etc. pe curba VE:

0C

0C

0C

0C

0C

0C

Pentru trasarea curbei VE şi determinarea şi la atm se folseşte

metoda Edmister care stabileşte coordonatele punctului focal funcţie de densitate, temperatura

medie volumetrică, panta curbei, iniţialul şi finalul curbei VE ale produşilor.

a) Panta curbei:

b) Temperatura medie volumetrică pe curba STAS:

c) Densitatea bezinei din datele de proiectare ( )

d) Raportul:

% vol. t (0C) (0C) (0C)tVE (0C)

atmtVE (0C)

atm

0 59 - - 80,5 145

10 70 11 3,5 84 -

30 88 18 10,2 94,2 -

50 104 16 7,8 102 -

70 124 20 10 112 -

90 142 18 8 120 -

100 155 13 2,5 122,5 195210

3.1. Calculul sectorului 1

Se presupune căderea 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

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:

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 de 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:

% < 5 % merge



kcal/kg

m

m

kg/m3

atm

atm

kg/m3

kg/m3

m/s

kg/m·s

N/m2 atm

% < 5 % merge

Tabel centralizator de date obţinut la piroliză în zona de convecţie

Sector (0C) (0C) (atm) (atm) (atm) (m)

1 111 145 5,5 5,4999 2,2 · 10-5 4,1

2 145 195 5,4999 5,4998 9,06 · 10-5 11,4

3 195 300 5,4998 5,4973 1,47 · 10-3 8,16

4 300 440 5,4973 5,4908 6,3 · 10-3 22,5

5 440 650 5,4908 5,4803 10,3 · 10-3 35,5

Tabel centralizator de date obtinut la piroliza in zona de radiatie

Sector (0C) (0C) (atm) (atm) (atm) (m) (s) k (s-1) (m/s)

1 650 700 5,4803 5,466 0,0141 4,5 0,13 0,52 0,067 35,1

2 700 750 5,466 5,38 0,084 22,8 0,56 1,4 0,3 36,77

3 750 800 5,38 5,2 0,168 34,1 0,72 3,1 0,45 44,6

4. CALCULUL SERPENTINEI DE REACŢIE ÎN ZONA DE

RADIAŢIE

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 mpH2 (% 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

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

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



Se presupune conversia pe sectorul 1:

4.1.1. Calculul termic

kcal/h

kcal/h

kg/h

kcal/h

atm

0C

kcal/h

kcal/kg·grd

kcal/h

kcal/h

kcal/h

kcal/h

m

4.1.2. Calculul cinetic

kg/kmol

kg/kmol

kg/h

kg/kmol

kmol/h

kmol/h

m3/h

m3/h

m3/h

m3

sec

0C

sec-1

% < 5 % → merge

4.1.3. Calculul hidraulic

atm

atm

kg/m3

kg/m3

kg/m3

m/s

atm

%





kcal/h

kcal/h

kg/h

kcal/h

atm

0C

kcal/h

kcal/kg·grd

kcal/h

kcal/h

kcal/h

kcal/h

kcal/h

m

m


kg/kmol

kg/kmol

kg/h

kg/kmol

kmol/h

kmol/h

m3/h

m3/h

m3/h

m3

sec

0C

sec-1

Determinarea erorii conversiei pe sectorul 2:

% → merge


atm

kg/m3

kg/m3

kg/m3

m/s

atm

%





kcal/h

kcal/h

kg/h

kcal/h

atm

0C

kcal/h

kcal/kg·grd

kcal/h

kcal/h

kcal/h

kcal/h

kcal/h

m

m


kg/kmol

kg/kmol

kg/h

kg/kmol

kmol/h

kmol/h

m3/h

m3/h

m3/h

m3

sec

0C

sec-1

% → merge


atm

kg/m3

kg/m3

kg/m3

m/s

atm

%

BIBLIOGRAFIE

1. Suciu, G.C., Ţunescu, R.C., Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol. I, Ed. Tehnică,

Bucureşti, 1983.

2. Suciu, G.C., Ţunescu, R.C., Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol. IV, Ed. Tehnică,

Bucureşti, 1993.

3. Suciu, G.C., Ţunescu, R.C., Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol. V, Ed. Tehnică,

Bucureşti, 1999.

4. Vântu, V., Mihail, R., Măcriş, V., Piroliza hidrocarburilor, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1980.

5. Raşeev, C., Conversia hidrocarburilor, vol. I, Ed. Zecasin, Bucureşti, 1996.

6. Raşeev, C., Procese distructive de prelucrare a ţiţeiului, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1964.

7. Teşcan, V., Apostol, D., Tehnologia distilării petrolului. Coloane de fracţionare.

Îndrumător pentru proiecte de an şi de diplomă, Partea I, Ploieşti, 1996.

proiect ptc

Documents