Объём отгона не должен превышать 2%.
Физико-химические характеристики некоторых веществ приведены в табл. 1.5 [5].
1.4. Тепловой баланс окислительной колонны
Цель расчета теплового баланса колонны – определение избыточного тепла, которое необходимо отводить циркуляционным орошением или подбором необходимой температуры ввода сырья в колонну.
Приход тепла:
1. Тепло с сырьем, кДж/ч, определяется по формуле [5]
|
Q = G t · c , |
И |
(1.13) |
|
|
|
на входе |
||
в колонну; tвх − температура сырья на входе в колонну, °С. |
||||
|
||||
2. Тепло, выделяющееся при окислении гудрона, кДж/ч, |
|
|||
|
АД |
(1.14) |
||
|
с учётом |
|||
процесса окисления. |
температуры |
|||
|
||||
|
б |
|
|
|
3. Тепло с воздухом на окисление |
|
|
||
и |
|
|
||
|
Qвозд = Gвозд · свозд · tвозд, |
(1.15) |
||
где tвозд − температура воздуха, идущего на окисление, °С; свозд −
теплоемкость воздуха при tвозд , кДж/(кг К), свозд=1,023 кДж/(кг К) при |
|
tвозд=50 °С. |
|
Всего приход тепла, кДж/ч, |
|
Qприход = Qс + Qр + Qвозд . |
(1.16) |
Расход теплаС: |
|
1. Тепло с битумом, кДж/ч, [17] |
|
Qб= Gб · t · cб, |
(1.17) |
где сб − теплоемкость битума, кДж/(кг К); t − температура процесса окисления, °С. Теплоёмкость битума при температуре 200°С и 300°С равна соответственно cб =2,09 и cб =2,39 кДж/(кг К).
11
гудрона, |
|
|
окисления кДж/кг |
|
|
Энтальпия |
|
|
|
Температура размягчения, °С |
|
|
|
|
Рис. 1.4. Зависимость теплового эффекта окисления гудрона от |
|
|
достигаемой температуры размягчения битума при различной |
|
|
|
Д |
|
температуре окисления гудрона: 220, 225, 250, 275, 300 °С |
|
|
|
А |
|
2. Тепло, уходящее с газами окисленияИи отгоном, [7] |
|
|
|
Qг.о = ΣGi с i t, |
(1.18) |
где Gi − количество отдельных составляющих газов окисления, кг/ч; сi − теплоемкость отдельных составляющих газов окисления, кДж/(кг К), сi=1,26; t − температура процесса окисления, °С; или по
формуле [5] |
С |
бQг.о = ΣGi Ii, |
(1.19) |
|
|
||||
где Ii – энтальпия отдельных составляющих газов окисления, кДж/кг. |
||||
Энтальпия составляющихи |
вычисляется по формуле |
|
||
|
|
Ii = (а + b t) t, |
(1.20) |
|
где а, b − коэффициенты, значения которых приведены в табл. 1.6. Энтальпия углеводородов (отгона) Iув, кДж/кг, определяется при
температуре верха колонны и плотности отгона по следующим уравнениям:
– энтальпия жидких нефтепродуктов, кДж/кг,
Iж |
|
|
1,689 |
t + 0,0017 t 2 |
|
||||
= |
|
|
|
|
|
, |
(1.21) |
||
|
|
|
|
|
|||||
0,9943 ρ420 |
+ 0,00915 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
где ρ420 – плотность жидкости при температуре 20 °С, отнесенная к плотности воды при 4 °С; t – температура, при которой определяется энтальпия, °С;
12
– для углеводородных газов и паров при невысоких давлениях
Iп = (210 + 0,457 t + 0,000584 t2) (4,013 – ρ4) –309. |
(1.22) |
|
Потери тепла в окружающую среду Qпот |
принимаются в |
|
количестве 5–10% от количества тепла, приходящего в колонну: |
||
Qпот=αS (tc−t0), |
|
(1.23) |
где α − коэффициент теплоотдачи, кДж/(м2 ч К), |
можно |
принять |
α=25 кДж/(м2 ч К); S − теплопередающая поверхность, м2; tc − температура на наружней оболочке, °С; t0 − температура окружающей среды, °С.
Таблица 1.6
Коэффициенты для расчета энтальпии составляющих газов окисления |
||||||||
Вещество |
|
|
|
|
а |
И |
в ·10-4 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Кислород |
|
|
|
|
0,909 |
|
1,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Азот |
|
|
|
|
Д |
1,21 |
|
|
|
|
|
|
1,014 |
|
|
||
Углекислый газ |
|
|
|
А |
|
3,93 |
|
|
|
|
|
|
0,845 |
|
|
||
Водяной пар |
|
|
|
|
1,944 |
|
1,00 |
|
|
|
б |
|
|
|
|
||
|
и |
|
|
|
|
|
||
Всего расход тепла составляет, кДж/кг, |
|
|
||||||
С |
Qрас |
= Q + Qг.о + Qпот. |
(1.24) |
|||||
Определение температуры сырья на входе в колонну
Температура сырья на входе в колонну вычисляется, исходя из равенства прихода и расхода тепла, то есть по формуле Qприх=Qрас, или
(Gf tвх c) + Qр = Qб +Qг.о+ (0,05…0,1) (Gf t c) +Qр. (1.25)
Если имеет место избыток тепла (Qизб = Qприх–Qрас), то ег о можно снять разными способами и из формулы (1.25) выразить
температуру сырья на входе:
1. Циркуляционным орошением. Количество циркуляционного орошения вычисляется по формуле
G |
= |
Qизб |
, |
(1.26) |
|
||||
цо |
|
I1 − I2 |
|
|
13
где I1 и I2 − энтальпии смеси при температурах вывода и ввода орошения.
2. За счет снижения температуры сырья, входящего в колонну окисления,
Qизб = Gf · (Iок – Iсыр). |
(1.27) |
|||
Отсюда |
Iок −Qизб |
|
|
|
Iсыр = |
. |
(1.28) |
||
|
||||
|
G f |
|
||
3. Путем подачи холодной воды (в количестве Gв) через распылитель на верх окислительной колонны. Зная значения энтальпий подаваемой воды Iв и полученного водяного пара I в окислительной колонне, можно рассчитать расход воды для
охлаждения: |
Qизб |
|
И |
|
|
|
|
||
Gв = |
. |
|
(1.29) |
|
|
|
|||
|
Iвп − Iв |
|
|
|
|
Д |
|
||
Образующийся при этом водяной пар разбавляет отгон, снижая
в нем относительное содержание кислорода, поэтому съём
строительных битумов в окислительнойА колонне, когда в отгоне содержание свободного кислородабможет превышать 5% масс.
избыточного тепла подачей воды целесообразнее при получении
1.5. Определен е геометрических размеров ок сл тельной колонны
Реакционный объем ок слительной колонны определяется по |
||||
производительностииколонны по исходному сырью и объемной |
||||
скорости ее подачи [5]: |
|
|
|
|
С |
Vр = |
Gf |
, |
(1.30) |
|
|
ρf w |
|
|
где ρf − плотность сырья, кг/м3; w − объемная скорость подачи сырья, ч-1.
Площадь поперечного сечения колонны S, м2, вычисляется по формуле
S = π D2 /4, |
(1.31) |
где D – диаметр колонны, принимаемый от 1 до 3 м. |
|
Полезная высота слоя окисления, м, |
|
h1 = Vр / S. |
(1.32) |
14
Рекомендуется, чтобы полезная высота колонны была не менее
10 м, а отношение Н/D – не менее 3. |
|
Высота газового пространства, м, |
|
h2 = D / 2. |
(1.33) |
Общая высота колонны, м, |
|
Н = h1 + h 2. |
(1.34) |
Во избежание уноса капель жидкости |
высота газового |
пространства под уровнем жидкости не должна быть менее 4 м. Отношение Н / D проверяется по данным рис. 1.5.
,
Температураразмягчения °С |
|
|
И |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжительность окисления, ч |
|
||||||
|
|
Д |
|
|
|
||
Рис. 1.5. Зависимость температуры размягчения битума от |
|
||||||
продолжительности окисления при различном соотношении |
|
||||||
|
А |
|
|
|
|
|
|
высоты ок сл тельной колонны к диаметру: |
|
||||||
♦– Н/D = 1; ■ – Н/D = 2; ▲ – Н/D = 3; • – Н/D = 4 |
|
||||||
б |
|
|
|
|
|
|
|
Для проверки ирассчитанного диаметра окислительной колонны |
|||||||
необходимо определить по скорости подачи воздуха скорость паров и |
|||||||
газов, покидающих колонну. |
|
|
|
|
|
|
|
В условияхСпроцесса скорость подачи воздуха, м3/c, |
|
||||||
V |
= Gвозд t + 273 |
|
|
0,1 |
. |
(1.35) |
|
|
|
||||||
возд |
ρвозд |
273 |
|
3600ρвозд |
|
||
Линейная скорость воздуха, м/с, |
|
|
|
|
|
||
|
Uвозд |
= Vвозд / S. |
|
|
(1.36) |
||
Если расчетная скорость в колонне не превышает допустимой
скорости, равной 0,1 − 0,12 м/с, то диаметр колонны принят верно. Если же фактическая линейная скорость в колонне превышает значения допустимой скорости, то размеры окислительной колонны необходимо пересчитать.
15