Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 1

MỤC LỤC
1. Các số liệu ban đầu 2
2. Tính toán các phản ứng chính xảy ra trong quá trình reforming xúc
tác………………………………………………………………………………………2
2.1. Tính năng suất thiết bị 5
2.2. Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết 6
2.3. Tính toán phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và thành
phần khí tuần hoàn. 7
3. Tính toán cho lò thứ nhất 8
3.1. Tính cân bằng vật chất 8
3.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 12
4. Tính toán cho lò thứ 2 15
4.1. Tính toán cân bằng vật chất 15
4.2. Tính toán cân bằng nhiệt lượng 19
5. Tính toán cho lò thứ 3 22
5.1. Tính cân bằng vật chất 22
5.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 26
6. Tính toán cho lò thứ 4 29
6.1. Tính cân bằng vật chất 29
6.2. Tính cân bằng nhiệt lượng 34




Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 2

1. Các số liệu ban đầu
Công suất : 1.500.000 tấn/ năm.
Nhiệt độ : 470 530
0
C.
Tốc độ thể tích : 1,5 h
-1
.
áp suất : 3,5 kg/ cm
2
= 343.234,5 pa.
Tỷ lệ H
2
/ RH : 2,5 kmol.
Phân bố xúc tác trong lò phản ứng lần lượt là: 1/1,5/2,5/5.
Bảng 1: Thành phần nguyên liệu.
Khối lượng riêng
Thành phần phân đoạn
% khối lượng

293

T
0
s
đầu
T
0
s

10%
T
0
s
50%
T
0
s
90%
T
0
s
cuối
P
N
A
0,7288
329
0
K
348
0
K
385
0
K
428
0
K
453

0
K
50
38
12

2. Tính toán các phản ứng chính xảy ra trong quá trình reforming xúc tác
- Phản ứng chính chuyển hoá 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 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)
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 :





 

 




 

 







(4)





 


 




 





(5)
277

Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 3









 




(6)
Trong đó:
P
P
: áp suất của parafin [pa].
P
A
: áp suất của các hợp chất thơm. [pa]
P
H2
: áp suất của hydro [pa]
P
N
: áp suất của naphten [pa].
P : áp suất của hệ [pa].
N
N
, N
P
: Lần lượt là phần mol của hydrocacbon naphten và parafin trong nguyên
liệu bị chuyển hoá (kmol/ kmol).
V
R
: Đại lượng nghịch đảo của tốc độ nạp liệu theo mol (kg xúc tác/h.nguyên liệu)
K
1
: Hằng số tốc độ phản ứng (1) được xác định bằng đồ thị (kg xúc
tác/h.pa.nguyên liệu).
K

2
: Hằng số tốc độ phản ứng (2) được xác định bằng đồ thị kg xúc tác/h.nguyên
liệu.
K
3
: Hằng số tốc độ phản ứng (3) được xác định bằng đồ thị 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 xác
định theo phương trình sau :
K
P1
= 9,81
3
. 10
12
. e
46,15 - 25600/T

K
P2
= 98,1
-1
. 10
-3
. e
(4450/T)


- 7,12

Bảng 2: 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


% mol
86
4
5
3
1
1
Để tính toán thành phần của hỗp hợp dùng công thức:
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 4

M
e
. y
i
= M
i
. y
i
’
Trong đó :
M
e
: khối lượng phân tử trung bình của nguyên liệu .
M
i
: khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon trong nguyên liệu .
y
i

, y’
i
lần lượt là phần khối lượng và phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu
Mặt khác thì M = 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
e
= 0,4 x 385 - 45 = 109 .
Bảng 3: Khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu.
Hydrocacbon
Công thức hóa học
Công thức khối lượng
Parafin (P)
C
n
H
2n +2
Mp = 14n + 2
Naphaten (N)
C
n
H
2n
M
N

= 14n

Aromatic (A)
C
n
H
2n - 6
M
A
= 14n - 6

Ngoài ra M
e
còn tính theo công thức :



Trong đó :
Y
P
,Y
N
,Y
A
lần lượt là phần khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu
M
A
M
N
, M

P
là khối lượng phân tử của các hydrocacbon: Aromatic, naphten và
parafin trong nguyên liệu :



M
e
=
1
Y
A
Y
N
Y
P

14n - 6 14n 14n+2
+
+
M
e
=
1
Y
A
Y
N
Y
P


M
A
M
N
M
P
+
+
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 5

Biến đổi ta được phương trình sau :
n
3
- (M
e
+ 4)n
2
- [6 + ( Y
A
- 2Y
N
- 3 Y
P
)M
e
]n + Y
N

M
e
= 0
Giải phương trình trên ta được n = 7,77
Vậy khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon như sau :
M
P
= 14n + 2 = 14x 7,77 + 2 = 110,78,
M
N
= 14n = 14 x 7,77 = 108,78,
M
A
= 14n - 6 = 14x 7,77 - 6 = 102,78,
Bảng 4: 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
.Me/Mi
C
n
H
2n + 2

110,78
0,50
0,492
C
n
H
2n

108,78
0,38
0,381
C
n
H
2n – 6

102,78
0,12
0,127
Tổng

1,000
1,000

2.1. Tính năng suất thiết bị
G
c
= L/(24 x 340) , kg/h.
Với L: là năng suất năm, L = 1.500.000 tấn/năm .
Trong đó số ngày hoạt động trong năm là 340 ngày (có 25 ngày nghỉ để sửa

chữa và bảo dưỡng thiết bị).
Vậy ta tính được năng suất của thiết bị trên giờ là :
G
c
= (15x 10
8
)/(24 x 340) = 183.823,529 (kg/h)
Năng suất thiết bị tính ra (Kmol/h)
N
C
= G
c
/Me = 183.823,529 / 109 = 1686,454 (Kmol/h)

Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 6

Bảng 5: Thành phần các cấu tử trong nguyên liệu.
Cấu tử
y’
i
(phần mol)
N
i
= N
C
. y'
i
(kmol/h)

C
n
H
2n + 2
0,492
829,735
C
n
H
2n

0,381
642,539
C
n
H
2n - 6

0,127
214,180
Tổng
1,000
1686,454

2.2. Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết
Ta có H
2
/ RH = 2,5 Kmol.
Năng suất H
2

là:
n
H2
= 2,5 . N
C
= 2,5 x 1686,454 = 4216,135 (kmol/h).
Vậy lượng khí tuần hoàn lại là:
n
kth
= n
H2
. 100/86 = 4216,135 x 100/86 = 4902,483 (kmol/h).
Bảng 6: Thành phần các cấu tử trong khí tuần hoàn.
Cấu tử
M
i
y
i
M
i
. y
i
n
i
= n
kth
. y
i
H
2


2
0,86
1,72
4216,134
CH
4

16
0,04
0,64
196,099
C
2
H
6
30
0,05
1,50
245,124
C
3
H
8
44
0,03
1,32
147,075
C
4

H
10
58
0,01
0,58
49,025
C
5
H
12
72
0,01
0,72
49,025
Tổng
-
1,00
6,48
4902,483
- Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn là:
P* = 4902,483 - 4216,135 = 686,348 (kmol/h).
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 7

- Lượng chất xúc tác cho quá trình là:
Thể tích xúc tác: V
xt
= G
c

/ 
c
V
0
(m
3
)
Trong đó :
V
0
là tốc độ thể tích = 1,5h
-1


C
: Khối lượng riêng của nguyên liệu ở thể lỏng. Lấy 
C
= 728,8 (kg/m
3
).





 


Lượng xúc tác: m
XT

= V
XT
.
XT

Trong đó: 
XT
khối lượng riêng xúc tác; 
XT
= 550  650 (kg/m
3
).Chọn 
XT
= 600
(kg/m
3
).
Suy ra m
XT
= 168,152 x 600 = 100.891,270 (kg).
2.3. Tính toán phân bố áp suất của các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu và
thành phần khí tuần hoàn.
Ta có công thức: P
i
= P . y’
i
Trong đó:
P
i
: áp suất riêng phần cấu tử i [pa].

P: áp suất chung của lò phản ứng [pa]. Chọn P = 3,5 kg/cm
2
= 343234,5 (pa).
y’
i
: nồng độ phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp.
Bảng 7: Thành phần áp suất.
Cấu tử
n
i
(Kmol/h)
y'
i
= n
i
/ n
i
P
i
= 343.234,5. y'
i
(P
a
)
P

829,735
0,1259
43213,223
N

642,539
0,0975
33465,364
A
214,180
0,0325
11155,121
H
2
4216,135
0,6399
219635,757
P
*
686,348
0,1040
35765,035
Tổng
6588,937
1,0000
343.234,500
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 8

Phân bố xúc tác trong các lò phản ứng theo tỷ lệnhư sau: 1/1,5/2,5/5.
Bảng 8: Sự phân bố xúc tác trong các lò phản ứng.
Lò phản ứng
V
XT

( m
3
)
M
XT
= V
XT
x 600 (kg)
1
16,8152
10089,12
2
25,2228
15133,68
3
42,0380
25222,80
4
84,0760
50445,60
Tổng
168,1520
100.891,20

3. Tính toán cho lò thứ nhất
3.1. Tính cân bằng vật chất
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic.
T = 803
0
K 1000/ T = 1000/803 = 1,245

Tra đồ thị phụ lục [1] ta được K
1
= 11. 10
-7
(kmol/h.pa
3
.kg xúc tác).
Phương trình tính hằng số cân bằng phản ứng:
K
P1
= 9,81
3
. 10
12
. e
46,15 - 25600/T

= 9,81
3
. 10
12
. e
46,15 - 25600/803

= 14,866 . 10
20
(pa
3
).
Độ giảm tương đối hàm lượng naphten do phản ứng thơm hoá (phản ứng 1).



Mà V
R1
= m
xt 1
/N
C

Trong đó : m
xt 1
= 10089,120 (kg)
N
C
: Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ nhất (kmol/h).
V
R1
= 10089,120 / 1686,454 = 5,9824 (kg/kmol).
Vậy: N
1
= 0,0368 x 5,9824 = 0,2202
dN
1

dV
R1

H
2
K

1
. P
A
.P
3

K
P1

= K
1
. P
N
= 0,0368
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 9

Lượng naphten tham gia phản ứng (1) là:
nN
1
= 0,2202 x 1686,454 = 371,273 (kmol/h)
Vậy lượng naphten còn lại sau phản ứng (1) là.
nN
1
= ( y’
i
- N
1
) x N

C
= ( 0,381 - 0,2202 )x 1686,454 = 271,266 (kmol/h)
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin ở(2)T = 803
0
K
1000/T = 1000/803 = 1,245
Tra đồ thị phụ lục [2] ta đượcK
2
= 100.10
-15
(kmol/h.kg xúc tác).
K
P2
= 98,1
-1
. 10
-3
. e
(4450/T)

- 7,12

= 98,1
-1
. 10
-3
. e
(4450/803)

- 7,12

= 0,0021.10
-3
[pa
-1
].
Do K
P2
<< 1 nên chứng tỏ phản ứng nghịch xảy ra chiếm ưu thế hơn cả.Như vậy
trong lò phản ứng nhất thì ngoài phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic thì còn
xảy ra phản ứng chuyển hoá parafin thành naphten.
Sự tăng hàm lượng naphten trong lò phản ứng(2) là:


N
12
= 0,00206 x V
R1
= 0,00206 x 5,9824 = 0,0123
Lượng naphten tạo thành do phản ứng (2) là.
nN
12
= 0,0123 x 1686,454 = 20,760
Lượng naphten còn lại sau phản ứng (1) và (2) là.
nN
12
= ( y’
N1
- N
N1
+ N

N12
) . N
C
= ( 0,381 - 0,2202 + 0,0123) x 1686,454
= 292,026 (kmol/h).




dN
12

dV
R

K
2
. P
P

K
P2

= K
2
. P
N
= - 0,00206
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR


BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 10

Bảng 9: Cân bằng hoá học cho lò phản ứng thứ nhất.
Lượng chất tham gia phản ứng (kmol/h)
Lượng sản phẩm (kmol/h)
371,273 C
n
H
2n

371,273 C
n
H
2n - 6
+ 371,273x 3H
2

20,760C
n
H
2n+2

20,760C
n
H
2n
+ 20,760H
2
Bảng 10: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra của lò phản ứng thứ nhất.
Cấu tử

Lượng vào(kmol/h)
Lượng ra (kmol/h)

P

829,735
829,735 - 20,76 = 808,975
N
642,539
642,539 - 371,273 + 20,76 = 292,026
A
214,180
214,180 + 371,273 = 585,453
Tổng
1686,454
1686,454

Bảng 11: Tính lượng khí tuần hoàn.
H
2

4216,135
4216,135 + 371,273x3 + 20,76 = 5350,714

CH
4
196,099
196,099
C
2

H
6

245,124
245,124
C
3
H
8
147,075
147,075
C
4
H
10
49,025
49,025
C
5
H
12

49,025
49,025
Tổng
4902,483
6037,062

Lượng khí tuần hoàn:
( 5350,714 + 686,348 )x 5,637 = 34030,918 (kg/h)

Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn là:
215594,945 - 34030,18 = 181564,027 (kg/h)
Vậy ta có phương trình sau:
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 11

585,453x(14n - 6) + 292,026x14n + 808,975x(14n + 2) = 181564,027
suy ra n = 7,7703
M
A
= 14n - 6 = 14 x 7,7703 - 6 = 102,784
M
N
= 14n = 14 x 7,7703 = 108,784
M
P
= 14n +2 = 14 x 7,7703 + 2 = 110,784

Bảng 12: Lượng khí tuần hoàn ra khỏi lò phản ứng thứ nhất.
Cấu tử
M
i

n
i
(kmol/h)
y'
i
= n'

i
/n
i

M
i
y'
i

H
2

2
5350,714
0,8863
1,773
CH
4
16
196,099
0,0325
0,520
C
2
H
6

30
245,124
0,0406

1,218
C
3
H
8

44
147,075
0,0244
1,074
C
4
H
10
58
49,025
0,0081
0,469
C
5
H
12

72
49,025
0,0081
0,583
Tổng
-
6037,062

1,0000
5,637

Bảng 13: Cân bằng vật chất của lò phản ứng thứ nhất.
Cấu tử
n
i
(kmol/h)
y’
i
M
i

G
i
= M
i
. n
i
Đầu vào
P
829,735
0,1259
110,780
91918,043
N
642,539
0,0975
108,780
69895,392

A
214,180
0,0325
102,780
22013,420
H
2

4216,135
0,6399
6,480
27320,555
P*
686,348
0,1042
6,480
4447,535
Tổng
6588,937
1,0000
-
215594,945
Đầu ra
P
808,975
0,1050
110,784
89621,486
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR


BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 12

N
292,026
0,0378
108,784
31767,756
A
585,453
0,0758
102,784
60175,201
H
2
5350,714
0,6930
5,637
30161,975
P*
686,348
0,0889
5,637
3868,944
Tổng
7723,516
1,0000
-
215594,945

3.2. Tính cân bằng nhiệt lượng

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Q
11
+ Q
21
= Q
31
+ Q
41
+ Q
51
+ Q
61
Trong đó:
Q
11
: Nhiệt lượng hỗn hợp khí nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào (kj/h)
Q
21
: Nhiệt lượng do xúc tác mang vào lò phản ứng (kj/h)
Q
31
: Nhiệt lượng do khí sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra khỏi lò phản ứng
(kj/h).
Q
41
: Nhiệt lượng do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng (kj/h);
Q
51
: Nhiệt lượng tổn thất do phản ứng reforming (kj/h).

Q
61
: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường bên ngoài (kj/h).
 Tính Q
21
:
Q
21
= m
XT
. q
21
= m
XT
. C
Pxt
.T
Trong đó:
q
21
= C
Pxt
.T : hàm nhiệt xúc tác (kj/h)
C
Pxt
: nhiệt dung riêng của xúc tác ở nhiệt độ T(
0
K)
C
Pxt

= a
0
+ a
1
.T - a
2
. T
-2
(kj/kgh)
Tra sổ tay hoá lý C
Pxt
(Al
2
0
3
)
C
Pxt
= 22,08 + 8,971.10
-3
.T - 5,225. 10
5
T
-2

Tại nhiệt độ T = 803
0
K thay vào ta có
C
Pxt

= 28,473 (kcal/kmol) = 1,1685 (kj/kg.
0
K)
q
21
= C
Pxt
.T = 1,1685 x 803 = 938,3055(kj/kg)
Vậy Q
21
= m
xt 1
.q
21
= 10089,12 x 938,3055 = 9466676,786 (kj/h)
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 13

 Tính Q
41
: Giả thiết nhiệt độ tại lò phản ứng thứ nhất giảm điT = 70
0
K
Q
41
= m
XT2
. C
Pxt

.T
Trong đó: m
xt2
lượng xúc tác ra khỏi lò phản ứng thứ nhất.
C
Pxt
: Nhiệt dung riêng xúc tác ở T = 803 - 70 = 733
0
K
C
Pxt
= 22,08 + 8,91.10
-3
x 733 - 5,225.10
5
x(733)
-2

= 28,654 (kcal/kmol.
0
K)
C
Pxt
= 1,1759 (kj/kg.
0
K)
Q
41
= m
xt 1

C
Pxt
.T = 10089,12 x 1,1759 x 733 = 8696162,62 (kj/h)
 Tính Q
11
: Ta cần xác định entanpi của dòng hơi nguyên liệu ở cửa vào của lò
phản ứng thứ nhất.
Số liệu entanpi của H
2
, CH
4
, C
2
H
6
, C
3
H
8
, C
4
H
10
, C
5
H
12
tra ở sổ tay hoá lý. Để
xác định entanpi của aromatic, naphten, parafin, ta dựa vào trọng lượngphân tử trung
bình của các cấu tử

Bảng 14: Tỷ trọng của các cấu tử.

Cấu tử

Đầu vào
Đầu ra
P
0,733
0,737
N
0,721
0,733
A
0,718
0,722

Để tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng ta dùng công thức sau:
q
P
= - 355.b
Trong đó: b. hiệu suất tạo hydro tinh khiết theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (%
kl).
N
H2
= 5350,714 - 4216,135 = 1134,579 (kmol/h)
G
H2
= M
H2
.1134,579 = 1134,579 x 2 = 2269,158 (kg/h)

b = G
H2
100%/G
C
= 2269,158 x 100%/183823,529 = 1,23%
Vậy q
p
= - 355 . b = - 355 x 1,23 = - 436,65 (KJ/kg)
Nhiệt lượng do hỗm hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào lò phản ứng thứ
nhất.
298

298

Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 14

Q
11
= G
c
. q
tr1
= 1908,71x 215594,945 = 411508227,5 (kj/h)

Bảng 15: Entanpi của hỗn hợp hơi vào lò phản ứng thứ nhất.
Cấu tử
Mi
n

i
y'
i
=
n
i
/  n
i
Mi.y'
i

y
i
=
Miy'/Miy'
i

Entanpi
q
t

(KJ/kg)
q
t
yi
(KJ/h)
H
2

2

4216,135
0,6400
1,280
0,0319
7700
301,07
CH
4
16
196,099
0,0298
0,477
0,0146
1618
23,62
C
2
H
6

30
245,124
0,0371
1,113
0,0339
1434
48,76
C
3
H

8
44
147,075
0,0223
0,981
0,0300
1405
42,15
C
4
H
10
58
49,025
0,0074
0,432
0,0132
1400
18,48
C
5
H
12

72
49,025
0,0074
0,536
0,0160
1392

22,27
A
102,78
214,180
0,0325
3,340
0,1020
1715
174,93
N
108,78
642,539
0,0975
10,606
0,3240
1704
552,10
P
110,78
829,735
0,1226
13,958
0,4260
170,3
725,48
Tổng
-
6588,937
1,0000
32,723

1,0000
-
1908,71

 Tính Q
61
. Nhiệt lượng mất mát ra môi trường bên ngoài.
Q
61
= 0,01 x(Q
11
+ Q
21
) = 0,01x(9466676,786 + 411508227,5)
= 4209749,04 (kj/h)
 Tính Q
51
. Nhiệt lượng tiêu tốn do phản ứng reforming.
Q
51
= G
c
.q
P
= 436,65 x 183823,529 = 80266543,94 (kj/h).
 Tính Q
31
. Nhiệt lượng do sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Q
31

= Q
11
+ Q
21
- Q
41
- Q
51
- Q
61

Q
31
= 411508227,5 + 9466676,786 - 8696162,62 - 80266543,94
- 4209749,04 = 335602448,4(kj/h)
Q
31
= 335602448,4 (kj/h); mà ta có Q
31
= 215594,945 q
tr1

q
tr1
= 1556,634 (kj/h)
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 15

q

tr1
: hàm nhiệt của sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Bảng 16: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ nhất .
Dòng
Nhiệt độ (
o
K)
Lượng (Kg/h)
Entanpi (KJ/kg)
Nhiệt lượng(KJ/h)
Dòng vào
Q
11
803
215594,945
1908,710
411508227,5
Q
21
803


9466676,8
Tổng



420974904,3
Dòng ra
Q

31
733
215594,945
1556,634
335602448,4
Q
41

733


8696162,7
Q
51

733


80266543,9
Q
61



4209749,3
Tổng



420974904,3


4. Tính toán cho lò thứ 2
4.1. Tính toán cân bằng vật chất
Bảng 17: Thành phần các cấu tử của lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
n
c
(kmol/h)
y’
C2i
= n
ci
/n
c2i

C
n
H
2n + 2
808,975
0,4797
C
n
H
2n

292,026
0,1732
C
n

H
2n - 6

585,453
0,3471
Tổng
1686,454
1,0000
Độ giảm áp suất giữa các lò phản ứng thường 0,15 0,35 (kg/cm
2
). Chọn độ giảm
áp suất ở lò phản ứng thứ hai là 0,2 (kg/cm
2
). Khi đó áp suất chung của hỗn hợp khí
nguyên liệu vào lò phản ứng thứ hai là:
P
2
= 3,5 - 0,2 = 3,3 (kg/cm
2
) = 3,3 x 98067 = 323621,1 (pa)

Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 16

Bảng 18: Thành phần áp suất.
Cấu tử
y'
i
= n

i
/ n
i
P
i
= 323621,1. y'
i
(P
a
)
P

0,105
33980,22
N
0,037
11973,98
A
0,076
24595,20
H
2
0,693
224269,42
P
*
0,089
28802,28
Tổng
1,000

323621,10

Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic.
Ta có nhiệt độ đầu vào của lò phản ứng thứ hai là T = 803
0
K
T = 803
0
K 1000/ T = 1000/803 = 1,245
Tra đồ thị phụ lục [1] ta được K
1
= 11. 10
-7
(kmol/h.pa
3
.kg xúc tác).
Phương trình tính hằng số cân bằng phản ứng:
K
P1
= 9,81
3
. 10
12
. e
46,15 - 25600/T

= 9,81
3
. 10
12

. e
46,15 - 25600/803

= 14,866 . 10
20
(pa
3
).
Độ giảm tương đối hàm lượng naphten do phản ứng thơm hoá:



Mà V
R2
= m
2
/N
C

Trong đó :
m
xt2
: lượng xúc tác vào lò phản ứng thứ hai; m
xt2
= 15133,68 (kg)
N
C
: Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ hai (kmol/h).
V
R2

= 15133,68/1686,454 = 8,974 (kg/kmol).
Vậy N
21
= 0,01317 x 8,974 = 0,1185 (kmol/h)
Lượng naphten tham gia phản ứng (1) là:
dN
12

dV
R2

K
1
. P
A
.P
3

K
P1

H
2
= K
1
. P
N
= 0,01317
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR


BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 17

nN
12
= 0,1185 x 1686,454 = 199,845 (kmol/h)
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin ở T = 803
0
K
Tra đồ thị phụ lục [2] ta đượcK
2
= 100.10
-15
(kmol/h.Pa
2
kg xúc tác).
K
P2
= 98,1
-1
. 10
-3
. e
(4450/T)

- 7,12

= 98,1
-1
. 10
-3

. e
(4450/803)

- 7,12
= 0,0021.10
-3
[pa
-1
].


Do K
P2
<< 1 nên hàm lượng naphten tăng do phản ứng nghịch xảy ra chiếm ưu
thế.
Suy ra N
N22
= 0,0017 x V
R2
= 0,0017 x 8,974 = 0,0153.
Hàm lượng naphten tăng do phản ứng (2) là:
nN
22
= 0,0153 x1686,454 = 25,803.
Bảng 19: Cân bằng hoá học của lò phản ứng thứ hai.
Lượng chất tham gia phản ứng (kmol/h)
Lượng sản phẩm (kmol/h)
199,845 C
n
H

2n

199,845 C
n
H
2n - 6
+ 199,845x 3H
2

25,803 C
n
H
2n+2

25,803 C
n
H
2n
+ 25,803 H
2

Bảng 20: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra của lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
Lượng vào(kmol/h)
Lượng ra (kmol/h)

P

808,975
808,975 - 25,803 = 783,172

N
292,026
292,026 + 25,803 - 199,845 = 117,984
A
585,453
585,453 + 199,845 = 785,298
Tổng
1686,454
1686,454
dN
22

dV
R2

K
2
. P
P

K
P2

= K
2
. P
N
= - 0,0017
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR


BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 18

Bảng 21: Tính lượng khí tuần hoàn.
H
2

5350,714
5350,714 + 199,845x3 + 25,803= 5976,052
CH
4
196,099
196,099
C
2
H
6

245,124
245,124
C
3
H
8
147,075
147,075
C
4
H
10
49,025

49,025
C
5
H
12

49,025
49,025
Tổng
6037,062
6662,400

Bảng 22: Khí tuần hoàn ra khỏi lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
M
i

n
i
(kmol/h)
y'
i
= n'
i
/n
i

M
i
y'

i

H
2

2
5976,052
0,8970
1,794
CH
4
16
196,099
0,0294
0,470
C
2
H
6

30
245,124
0,0368
1,104
C
3
H
8

44

147,075
0,0220
0,968
C
4
H
10
58
49,025
0,0074
0,429
C
5
H
12

72
49,025
0,0074
0,533
Tổng
-
6662,400
1,0000
5,299

Lượng khí tuần hoàn:
(5976,052 + 686,348) x 5,299 = 35304,058 (kg/h)
Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn là:
215594,945 - 35304,058 = 180290,887 (kg/h)

Vậy ta có phương trình sau;
785,298 x(14n - 6) + 117,984 x14n + 783,172 x(14n + 2) = 186746,753
suy ra n = 7,769
M
A
= 14n - 6 = 14x 7,769 - 6 = 102,766
M
N
= 14n = 14 x 7,769 = 108,766
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 19

M
P
= 14n +2 = 14 x7,769+ 2 = 110,766
Bảng 23: Cân bằng vật chất của lò phản ứng thứ hai.
Cấu tử
n
i
(kmol/h)
y’
i
M
i

G
i
= M
i

. n
i
Đầu vào
P
808,975
0,105
110,784
89621,487
N
292,026
0,039
108,784
31767,756
A
585,453
0,076
102,784
60175,202
H
2

5350,714
0,692
5,637
30161,976
P*
686,348
0,088
5,637
3868,944

Tổng
7723,516
1,000
-
215594,945
Đầu ra
P
783,172
0,094
110,766
86748,30
N
117,984
0,014
108,766
12832,648
A
785,298
0,094
102,766
80701,934
H
2
5976,052
0,716
5,299
31667,099
P*
686,348
0,082

5,299
3636,956
Tổng
8348,854
1,000

215594,922

4.2. Tính toán cân bằng nhiệt lượng
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Q
12
+ Q
22
= Q
32
+ Q
42
+ Q
52
+ Q
62
Trong đó:
Q
12
: Nhiệt lượng hỗn hợp khí nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào (kj/h)
Q
22
: Nhiệt lượng do xúc tác mang vào lò phản ứng (kj/h)
Q

32
: Nhiệt lượng do khí sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra (kj/h).
Q
42
: Nhiệt lượng do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng (kj/h);
Q
52
: Nhiệt lượng tổn thất do phản ứng reforming (kj/h).
Q
62
: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường bên ngoài (kj/h).
 Tính Q
22
:
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 20

Nhiệt lượng Q
22
do xúc tác mang vào lò phản ứng thứ hai chính là nhiệt lượng
do xúc tác mang ra khỏi lò phản ứng thứ nhất.
Q
22
= Q
41
= 8696162,62 (kj/h)
 Tính Q
42


Giả thiết nhiệt độ tại lò phản ứng thứ hai giảm điT = 60
0
K
Q
42
= m
XT2
. C
Pxt
.T
Trong đó: m
xt2
lượng xúc tác ra khỏi lò phản ứng thứ hai.
C
Pxt
: nhiệt dung riêng xúc tác ở T = 803 - 60 = 743
0
K
C
Pxt
= 22,08 + 8,91.10
-3
x 743 - 5,225.10
5
x(743)
-2

= 27,80 (kcal/kmol.
0
K)

C
Pxt
= 27,80 x 4,186 /102 = 1,1409 (kcal/kg
0
K)
Q
42
= m
xt2
C
Pxt
.T = 15133,68 x 1,1409 x 743 = 12828649,53 (kj/h)
 Tính Q
12
: Ta cần xác định entanpi của dòng hơi nguyên liệu ở cửa vào lò phản
ứng thứ hai.
Bảng 24: Entanpi của hỗn hợp hơi vào lò phản ứng thứ hai .
Cấu tử
Mi
n
i
y'
i
=
n
i
/  n
i
Mi.y'
i


y
i
=
Miy'/Miy'
i

Entanpi
q
t

(KJ/kg)
q
t
yi
(KJ/h)
H
2

2
5350,714
0,6928
1,387
0,0497
7700
382,69
CH
4
16
196,099

0,0254
0,406
0,0146
1618
23,62
C
2
H
6

30
245,124
0,0317
0,951
0,0341
1434
48,90
C
3
H
8
44
147,075
0,0190
0,836
0,0299
1405
42,01
C
4

H
10
58
49,025
0,0063
0,359
0,0129
1400
18,06
C
5
H
12

72
49,025
0,0063
0,454
0,0163
1392
22,69
A
102,784
585,453
0,0758
7,791
0,2793
1715
479,00
N

108,784
292,026
0,0378
4,112
0,1474
1704
251,17
P
110,784
808,975
0,1047
11,599
0,4158
1703
708,11
Tổng
-
7723,516
1,0000
27,894
1,0000

1976,25

Để tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng ta dùng công thức sau:
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 21

q

P
= - 355.b
Trong đó: b. hiệu suất tạo hydro tinh khiết theo khối lượng nguyên liệu ban đầu (%
kl).
N
H2
= 5976,052 - 5350,714 = 625,338 (kmol/h)
G
H2
= M
H2
. 625,338 = 2 x 625,338 = 1250,676 (kg/h)
b = G
H2
100%/G
C
= (1250,676 x100%)/183823,529 = 0,68%
Vậy q
p
= - 355 . b = - 355 x 0,68 = - 241,40 (KJ/kg)
Nhiệt do hỗm hợp nguyên liệu và khí tuần hoàn mang vào lò phản ứng thứ hai.
Q
12
= 216538,301 x 1976,25 = 426069508,10 (kj/h)
 Tính Q
62
. Nhiệt mất mát ra môi trường bên ngoài.
Q
62
= 0,01 x(Q

22
+ Q
21
) = 0,01x (426069508,10 + 8696162,62)
= 5130356,71 (kj/h)
 Tính Q
52
. Nhiệt lượng tiêu tốn do phản ứng reforming.
Q
52
= G
c
.q
P
= 183823,529 x 241,40 = 44374999,90 (kj/h).
 Tính Q
32
. Nhiệt lượng do sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Q
32
= Q
12
+ Q
22
- Q
42
- Q
52
- Q
62


Q
32
= 426069508,10 + 8.696.162,62 - 12828649,53 - 44374999,90
- 5130356,71 = 326258455,6 (kj/h)
Q
32
= 215594,922 qtr
2

q
tr2
= 1513,294 (kj/h)
q
tr2
: hàm nhiệt của sản phẩm và khí tuần hoàn mang ra.
Bảng 25: Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng thứ hai .
Dòng
Nhiệt độ(
o
K)
Lượng (Kg/h)
Entanpi (KJ/kg)
Nhiệt lượng (KJ/h)
Dòng vào
Q
12
803
215594,945
1976,25

426069508,10
Q
22
803


8696162,62
Tổng



434765670,70
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 22

Dòng ra
Q
32
743
215594,922
1513,294
326258455,6
Q
42

743


12828649,53

Q
52

743


44374999,90
Q
62
743


5130356,71
Tổng



434765670,70

5. Tính toán cho lò thứ 3
5.1. Tính cân bằng vật chất
Bảng 26: Thành phần các cấu tử của lò phản ứng thứ ba.
Cấu tử
n
c
(kmol/h)
y’
C2i
= n
ci

/n
c2i

C
n
H
2n + 2
783,172
0,464
C
n
H
2n

117,984
0,070
C
n
H
2n - 6

785,298
0,466
Tổng
1686,454
1,000
Độ giảm áp suất giữa các lò phản ứng thường 0,15 0,35 (kg/cm
2
). Chọn độ giảm
áp suất ở lò phản ứng thứ ba là 0,2 (kg/cm

2
). Khi đó áp suất chung của hỗn hợp khí
nguyên liệu vào lò phản ứng thứ ba là:
P
3
= 3,3 - 0,2 = 3,1 (kg/cm
2
) = 3,1 x 98067 = 304007,7(pa)
Bảng 27: Thành phần áp suất.
Cấu tử
y'
i
P
i
= 304007,7y'
i
(P
a
)
P

0,0938
28515,922
N
0,0141
4286,509
A
0,0941
28607,125
H

2
0,7158
217608,712
P
*
0,0822
24989,433
Tổng
1,0000
304007,700
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 23


Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic.
Ta có nhiệt độ đầu vào của lò phản ứng thứ ba là T = 803
0
K
T = 803
0
K 1000/ T = 1000/803 = 1,245
Tra đồ thị phụ lục [1] ta được K
1
= 11. 10
-7
(kmol/h.pa
3
.kg xúc tác).
Phương trình tính hằng số cân bằng phản ứng:

K
P1
= 9,81
3
. 10
12
. e
46,15 - 25600/T

= 9,81
3
. 10
12
. e
46,15 - 25600/803

= 14,866 . 10
20
(pa
3
).
Độ giảm tương đối hàm lượng naphten do phản ứng thơm hoá:



Mà V
R3
= m
xt3
/N

C

Trong đó :
m
xt3
: lượng xúc tác vào lò phản ứng thứ ba; m
xt3
= 25222,8 (kg)
N
C
: Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng thứ ba (kmol/h).
V
R3
= 14,956 (kg/kmol).
Vậy N
13
= 14,956 x 0,004715 = 0,07052 (kmol/h)
Lượng naphten tham gia phản ứng (1) là:
nN
13
= N
C
x 0,07052 = 0,07052 x 1686,454 = 118,929 (kmol/h)
Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin ở T = 803
0
K
Tra đồ thị phụ lục [2] ta đượcK
2
= 100.10
-15

(kmol/h.Pa
2
kg xúc tác).
K
P2
= 98,1
-1
. 10
-3
. e
(4450/T)

- 7,12

= 98,1
-1
. 10
-3
. e
(4450/803)

- 7,12
= 0,0021.10
-3
[pa
-1
].
Do K
P2
<< 1 nên hàm lượng naphten tăng do phản ứng nghịch xảy ra chiếm ưu

thế.
dN
13

dV
R3

H
2
K
1
. P
A
.P
3

K
P1

= K
1
. P
N
= 0,004715
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 24






 

 




 




 
Suy ra N
N23
= 0,001358x 14,956 = 0,0203
Hàm lượng naphten tạo thành do phản ứng (2) là.
nN
23
= 0,0203 x 1686,454 = 34,235 (kmol/h)
Lượng naphten sau phản ứng (1) và (2) là.
nN
23
= (y
N3
- N
N13
+ N

N23
)N
c
= (0,070 - 0,07052 + 0,0203)x1686,454
= 33,29 ( kmol/h)
Bảng 28: Cân bằng hoá học của lò phản ứng thứ ba.
Lượng chất tham gia phản ứng (kmol/h)
Lượng sản phẩm (kmol/h)
118,929 C
n
H
2n

118,929 C
n
H
2n - 6
+118,929 x 3H
2

34,235 C
n
H
2n+2

34,235 C
n
H
2n
+ 34,235 H

2
Bảng 29: Tính lượng chất ở dòng vào và dòng ra ở lò phản ứng thứ ba.
Cấu tử
Lượng vào(kmol/h)
Lượng ra (kmol/h)

P

783,172
783,172 - 34,235 = 748,937
N
117,984
117,984 - 118,929 + 34,235 = 33,29
A
785,298
785,298 + 118,929 = 904,227
Tổng
1686,454
1686,454

Lượng khi tuần hoàn là: (6367.074 + 686,348 ) x 5,102 = 35986,559 (kg/h)
Lượng hydrocacbon trong khí tuần hoàn:
215594,922 - 35986,559 = 179608,363 (kg/h)
Vậy ta có phương trình sau;
904,227x(14n - 6) + 33,29x14n + 748,937x(14n + 2) = 179608,363
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của công nghệ CCR

BTL Công nghệ Chế biến dầu Page 25

suy ra n = 7,774

M
A
= 14n - 6 = 14x - 6 = 14 x 7,774 - 6 = 102,836
M
N
= 14n = 14 x 7,774 = 108,836
M
P
= 14n +2 = 14x + 2 = 14 x 7,774 + 2 = 110,836
Bảng 30: Tính lượng khí tuần hoàn.
H
2

5976,052
5976,052 + 3x118,929 +34,235 = 6367.074
CH
4
196,099
196,099
C
2
H
6

245,124
245,124
C
3
H
8

147,075
147,075
C
4
H
10
49,025
49,025
C
5
H
12

49,025
49,025
Tổng
6662,400
7053,422

Bảng 31: Khí tuần hoàn ra khỏi lò phản ứng thứ ba.
Cấu tử
M
i

n
i
(kmol/h)
y'
i
= n'

i
/n
i

M
i
y'
i

H
2

2
6367,074
0,9030
1,806
CH
4
16
196,099
0,0277
0,443
C
2
H
6

30
245,124
0,0347

1,041
C
3
H
8

44
147,075
0,0208
0,915
C
4
H
10
58
49,025
0,0069
0,400
C
5
H
12

72
49,025
0,0069
0,497
Tổng
-
7053,422

1,0000
5,102