3.4.7 Определение основных размеров колонны к-2

Определение диаметра колонны К-2.

Расчет диаметра ведется в двух сечениях колонны:

1. На верху колонны.

2. На месте ввода сырья.

Диаметр на верху колонны.

Рассчитывают плотность паров по формулам:

М=∑yᵢ×Мᵢ (3.55)

(3.56)

Р (3.57)

Определяют допустимую массовую скорость паров

, (3.58)

где υ- массовая скорость паров , кг/м³×час;

ρ_п, ρ_ж – плотности паров и жидкости в данном сечении колонны, кг/м³;

К – коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками.

Линейная скорость паров определяется по формуле, м/с

(3.59)

Количество паров рассчитывается с учетом флегмы.

Наибольший секундный объем паров находится по формуле

V= , (3.60)

где I – количество паров с учетом флегмы кг/час;

M.М. – молекулярная масса паров;

Z – коэффициент сжимаемости;

T – температура, К;

P – давление, атм.;

T₀, P₀ – стандартные температура и давление.

Внутренний диаметр колонны определяется по формуле:

, м (3.61)

Рассчитанный диаметр сравнивают с фактическим диаметром колонны.

Для определения диаметра в месте ввода сырья в колонну необходимо знать суммарный паровой поток сырья вместе с водяным паром (см. таблицу 3.18). Последовательность расчета аналогична расчету диаметра на верху колонны.

Расчет высоты колонны К-2.

Для расчета высоты принимается расстояние между верхним днищем и верхней тарелкой h_d=1,0 м.

Высоту куба находят исходя из 5-10 минутного запаса продукта внизу колонны, необходимого для нормальной работы насоса.

Объем кубового остатка:

, (3.62)

I_маз. – количества мазута, кг/с;

τ – время, в течении которого необходимо обеспечить запас на 600 с.

ρ_маз. – плотность мазута.

Площадь поперечного сечения низа колонны по известному диаметру рассчитывается по формуле:

(3.63)

Необходимая высота:

(3.64)

Расстояние между тарелками (h_t) принимается от 0,3 до 0,9 м, чаще 0,5- 0,7 м.

Рабочая высота колонны:

H = h_d + h_g + h_w + h_t×(N – 1) (3.65)

где N – суммарное количество тарелок всех секций.

Полученную высоту сравнивают с высотой колонны К-2 действующей установки.

3.5 Расчет вакуумной колонны

Необходимые данные для расчета.

1) Фракционный состав мазута.

2) Расход водяного пара, в % масс. на мазут или на гудрон.

3) Характеристика применяемого водяного пара.

4) Температура нагрева мазута в печи перед вакуумной колонны.

5) Остаточное давление в колонне в зоне питания, на верху и внизу колонны, в местах вывода боковых фракций.

6) Схема работы вакуум-создающего узла.

Последовательность расчета.

1. Расчет состава мазута, поступающего в колонну с учетом частичного разложения.

2. Расчет доли отгона мазута в зоне питания колонны и определение состава паровой и жидкой фаз.

3. Обработка жидкой фазы водяным паром и получение дополнительной паровой фазы и жидкой части (гудрона).

4. Объединение двух паровых потоков в единый поток вместе с имеющимися в них водяным паром и формирование составов дистиллятов.

5. Составление материального баланса вакуумной перегонки.

6. Определение температурного режима работы колонны.

7. Расчет числа теоретических тарелок.

8. Расчет теплового баланса колонны.

9. Определение основных размеров колонны.

10. Подбор оборудования для вакуум-создающего блока.

Пояснения к расчету.

Вакуумная колонна является сложной колонной, в которой кроме нижнего продукта (гудрона), отбираются 1-3 боковые фракции, выкипающие в различных температурных пределах, поэтому колонна состоит из нескольких простых колонн. С верха колонны отводят водяные пары, газы разложения и легкие углеводороды. Как показано в [1, 3], вакуум в колонне создается различными способами. В данном примере блок вакуумирования имеет в составе:

1. Паровые эжектора.

2. Поверхностный барометрический конденсатор.

3. Вакуумные насосы.

4. Холодильник вакуумного насоса.

5. Барометрический сборник.

Пары углеводородов с верха колонны отсасываются паровыми эжекторами, далее смесь поступает в межтрубное пространство конденсатора, где пар и часть углеводородов конденсируется и жидкая фаза сливается с конденсатора в барометрический отстойник и происходит разделение на водную фазу и углеводороды.

Вакуумная колонна имеет регулярные насадки с накопительными глухими тарелками для отбора циркуляционных орошений.

С верхней глухой тарелки отводится легкий вакуумный газойль, насосом прокачивается для охлаждения через трубное пространство теплообменника и часть возвращается в колонну в виде циркуляционного орошения для регулирования температуры верха колонны.

С нижней глухой тарелки отводится насосом тяжелый вакуумный газойль, прокачивается через межтрубное пространство теплообменника и часть подается как циркуляционное орошение под верхнюю тарелку.

В низ вакуумной колонны подается водяной пар для отпарки темных углеводородов от гудрона. Кубовый остаток колонны насосом прокачивается через теплообменник для охлаждения и часть потока возвращается в колонну для регулирования температуры куба.

При нагреве мазута перед вакуумной колонной в печах неизбежно термическое разложение его, которое становится значительным при переработке тяжелого высокосернистого сырья и эксплуатации установки на пониженных нагрузках. В меньшей степени термическое разложение влияет на процессы переработки вакуумного газойля. При перегонке мазута в первую очередь разлагаются серосодержащие и асфальтосмолистые соединения. Поэтому, при проектирования вакуумного блока необходимо охарактеризовать фракционный состав мазута до печи нагрева и на входе его в колонну, т.к. сырье до печи не идентично сырью после печи. Кроме того, в результате термического разложения повышается выход газов разложения, что увеличивает нагрузку на вакуумсоздающую систему. Термическое разложение сырья сказывается на изменении его химического состава, что приводит к изменению состава отбираемых дистиллятов.

Продукты вакуумной перегонки обогащаются непредельными и сернистыми соединениями, протекает процесс ароматизации фракций и содержание аренов увеличивается до 30-50%. Происходит обогащение фракций вакуумного газойля ванадием и никелем. ( в 2-10 раз в зависимости от времени нагрева, температуры и давления). Термическое разложение мазута начинается с разложения гудроновой фракции. Наиболее существенным фактором, влияющим на процесс крекинга, является время нахождения мазута в реакционной зоне (печи). Роль давления на термическое разложение весьма незначительно. Давление влияет опосредованно через фактор температуры, поскольку позволяет обеспечить определенную долю отгона сырья при определенной температуре.

При расчете вакуумного блока выход газов разложения может составлять 0,05-0,3% масс. на мазут.

В составе мазута после печи нагрева увеличивается содержание вакуумного газойля и дизельных фракций приблизительно на 9% масс. при соответствующем уменьшении содержания фракции гудрона на 11-12% масс.

Основными направлениями в минимизации термическом разложении вакуумных установок могут быть:

1. Регулирование времени пребывания сырья в печи различными методами.

2. Реконструкции вакуумсооздающей системы, замена внутренних контактных устройств колонн на новые высокоэффективные устройства с меньшим гидравлическим сопротивлением, снижение перепада давления по трансфертному трубопроводу.

Максимальное снижение остаточного давления в печи нагрева мазута, а, следовательно, и необходимой температуры является самым эффективным способом борьбы с термическим разложением мазута в условиях переработки. В таблице 3.22 представлены возможные составы газов разложения.

Таблица 3.22 – Состав газов разложения, уходящих с верха колонны

Показатели	Сернистые нефти				Высокосернистая Арланская нефть
	Смесь ромашкинской и ухтинской нефтей		Туймазинская девонская нефть	Западно-сибирская нефть
1	2	3	4	5	6	7
Состав газа, % об.
СО₂	-	-	-	1,61	3,43	3,27
Н₂	-	-	-	0,25	0,28	0,10
H₂S	10,79	8,45	15,67	6,97	26,6	36,71
CH₄	7,73	10,74	18,63	16,85	13,19	9,4
∑C₂	17,74	12,14	14,33	14,30	14,78	7,88

Продолжение таблицы 3.22

1	2	3	4	5	6	7
∑C₃	21,22	23,30	22,12	21,49	17,64	11,07
∑C₄H₈	9,57	8,02	5,14	8,80	6,16	6,44
∑C₄H₁₀	12,94	14,83	9,67	14,06	8,68	7,36
∑C₅H₁₀	8,59	6,65	4,44	5,18	3,36	6,34
∑C₅H₁₂	9,20	10,60	6,03	10,38	4,34	9,00
∑C₆ и выше	2,22	5,48	3,70	0,11	1,64	2,43
Молекулярная масса	39,2	39,0	32,7	44,1	31	34,6
Температура мазута на выходе из печи, °С	407	425	410	425	390	410
Выход газов разложения, %мас.	0,0525	0,4530	0,1115	0,021	0,0337	0,15466
Характеристика мазута: -плотность, - содержание серы, %	0,9480 2,01	0,95 1,65	-	0,9535 2,36	0,9839 4,15	0,9846 4,04