Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет ректификационных колонн установок перегонки нефти. Учебное пособие.pdf
21
Тарелки с пластинчатыми клапанами (рис. 2.4). Их основным
б
элементом является L-образный клапан 2 – пластина шириной около
25 мм, закрывающая щель прямоугольной формы с размерами
12,5×120 мм. В нерабочем состоянии под действием собственного веса
клапан закрывает отверстие. Вращаясь в месте перегиба пластины,
клапан приподнимается проходящими парами. При 70 % проектной
нагрузке клапан полностью открывается. Полное открытие клапана
фиксируется ограничителем 3 в форме скобы.
а
в
Рис. 2.4. Элемент тарелки с пластинчатым клапаном:
а – закрытым; б – полуоткрытым; в – открытым;
1 – диск тарелки; 2 – L-образный клапан; 3 – ограничитель
Клапаны могут быть различными по весу; более легкие располагают ближе к сливу жидкости с тарелки, они открываются при малых скоростях движения пара; более тяжелые клапаны открываются
при скорости примерно 20 % от проектной.
Паровой поток на тарелке направлен горизонтально, что оттесняет от нее жидкость, которая наблюдается при вертикально направленном потоке паров. Удельная производительность тарелок с пластинчатыми клапанами примерно на 40 % больше, чем колпачковых,
они отличаются меньшим сопротивлением и уносом жидкости. Расстояние между тарелками составляет 460-600 мм, их не рекомендуется
применять для разделения загрязненных жидкостей.
Общим недостатком клапанных тарелок является застревание
части клапанов в одном положении либо их вылет из отверстий полотна тарелки при повышении паровой нагрузки. Это приводит к снижению эффективности колонны. В связи с этим представляют интерес
22
конструкции тарелок с неподвижными клапанами, выгодно сочетаю-
а б
щие повышенную производительность и высокую эффективность.
Фиксированные или неподвижные клапаны представляют собой элементы, выштампованные в полотне тарелки и расположенные в
шахматном порядке. Клапан имеет трапециевидную форму и ориентирован параллельно потоку жидкости. Такие клапана обладают следующими преимуществами:
- пониженный унос жидкости благодаря горизонтальному на-
правлению истечения пара на полотно через боковые отверстия;
- организация направленного движения пара, поступающего
через клапан, поможет организовать поток жидкости поперек тарелки,
при этом уменьшается поперечное неравномерность распределения
времени пребывания жидкой фазы на тарелке;
- более высокая производительность – до 30 %, чем у тарелки с
подвижными круглыми клапанами;
- меньшее гидравлическое сопротивление в расчете на теоретическую ступень – до 20 %, чем у тарелки с подвижными круглыми
клапанами;
- широкий диапазон нагрузок – немного меньше, чем у тарелки
с подвижными круглыми клапанами, но значительно большими, чем у
ситчатых тарелок;
- стабильная эффективность в рабочем диапазоне нагрузок;
- отсутствие движущих частей, что исключает механический
износ и обеспечивает более долгий срок службы;
- способность к переработке загрязненных сред [5].
Неподвижный клапан представлен на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Неподвижные клапаны: а – клапан MVG; б – клапан MMVG
23
Насадочные колонны. Для таких контактных устройств харак-
терны:
1) большая удельная поверхность;
2) хорошая смачиваемость их жидкостью;
3) малое гидравлическое сопротивление;
4) равномерность распределения жидких и газовых потоков;
5) высокая химическая стойкость и механическая прочность;
6) низкая стоимость.
Массообмен в таких колоннах происходит в основном в пленочном режиме на смоченной поверхности, чем больше удельная поверхность насадок, тем эффективнее массообмен. Но насадки с большой удельной поверхностью имеют повышенное гидравлическое сопротивление.
Насадки изготавливают из керамики, фарфора, стали, пластмассы.
Насадки делятся на нерегулярные и регулярные.
Нерегулярные насадки – это насыпные насадки: кольца Рашига,
Лессинна, Палля, седла Берля, Инталлокса. Это пустотелые шары с
отверстиями в стенках, трехгранные и многогранные призмы и пирамиды, седлообразные тела, спиральные кольца из глазурованной глины высотой, равной диаметру, и другие. Для увеличения поверхности
контакта внутри колец иногда делают перегородки.
Преимущества кольцевой насадки: малый вес, большая поверхность контакта, большая площадь свободного сечения, химическая инертность, дешевизна.
Насадку укладывают на тарелки, снабженные двумя отверстиями двух видов: малыми (для стока флегмы) и большими – для
прохода паров.
Для правильной работы насадочной колонны очень важно равномерное распределение стекающей флегмы по всему поперечному
сечению колонны. Этому благоприятствуют однородность тела насадки, максимально возможная скорость восходящего потока паров и
строгая вертикальность колонны. Практика показала, что достигнутое
вначале равномерное распределение флегмы нарушается по мере её
стекания, т.к. пар стремится оттеснить жидкость к стенкам колонны и
перемещаться через центр насадки. В связи с этим слой насадки разбивают на несколько маленьких слоев высотой 1-1,5 м, разделяя их
свободным пространством.
Интенсивность ректификации достигается подбором насадки
надлежащих размеров. Чем мельче насадочные кольца, тем лучше
24
контакт между парами и флегмой, но тем выше гидравлическое сопротивление движение паров в колонне. При некотором предельном значении нагрузки насадочной колонны, т.е. при высокой скорости паров
или жидкости, может наблюдаться «захлебывание» насадки, когда
прекращается стекание жидкости и начинается ее выброс из колонны.
Основной недостаток нерегулярных насадок – это неравномер-
ность распределения контактных потоков по сечению колонны.
Регулярные насадки изготавливают из металлических сеток,
перфорированных металлических листов, многослойных сеток; обеспечивают более однородное распределение жидкости и пара в колоннах.
Они имеют низкое гидравлическое сопротивление – до 1-2 мм
рт. столба (130-260 Па) на 1 теоретическую тарелку. Отсюда – более
глубокий вакуум, большой отбор масляных фракций с температурой
кипения до 600°С, либо при заданной глубине отбора существенно
повышается четкость разделения (возрастает относительная летучесть).
Вакуумные колонны с регулярными насадками по способу организации относительного движения контактирующих фаз делятся на
две группы:
1) противоточные;
2) перекрестноточные.
При противотоке насадки занимают все поперечное сечение
колонны, а пар и жидкость двигаются навстречу друг другу. В колонне
устанавливают блоки (модули) из регулярной насадки, и число таких
блоков равно числу отбираемых фракций. Давление наверху колонны
– 5 мм рт. ст., в секции питания – 27 мм рт. ст.
В перекрестноточных колоннах насадки занимают только часть
поперечного сечения колонны в виде различных геометрических фигур – кольца, треугольники, многоугольники.
Подобные насадки изготавливают из плетеной или вязаной металлической сетки (рукавные насадки), просечно-вытяжных листов,
пластин.
Такие насадки проницаемы для пара в горизонтальном направлении, а для жидкости – в вертикальном направлении [3].
По высоте такая колонна разделена распределительной плитой
на несколько секций (модулей), представляющих собой единую совокупность элемента регулярной насадки с распределением жидкостного
орошения. В пределах каждого модуля пар движется в горизонтальном
25
направлении, жидкость по насадке сверху вниз. Жидкость и пар проходят различные независимые сечения, площадь которых можно регулировать, в то время как при противотоке площадь сечения одна и та
же. Поэтому перекрестноточные колонны позволяют регулировать в
оптимальных пределах плотность жидкого и парового орошения изменением толщины и плотности поперечного сечения насадочного слоя
и тем самым почти на порядок превышающую скорость паров (в расчете на горизонтальное сечение) без повышения гидравлического сопротивления и значительно более широкий диапазон устойчивой работы колонн. Здесь нет захлёбывания, образования байбасных потоков,
брызгоунос и прочего, что характерно для противоточных насадочных
или тарельчатых колонн.
Слой сетчато-вязаного рукава высотой 0,5 м эквивалентен одной тарельчатой тарелки при гидравлическом сопротивлении 1 мм рт.
ст. (133,3 Па), что в 3-5 раз ниже, чем у клапанной тарелки. Средний
КПД таких тарелок в укрепляющей секции составляет 0,66.
Если в колонне 10-15 модулей, то остаточное давление в секции питания – 20-30 мм рт. ст. Поэтому выше отбор углеводородов от
мазута, или можно повысить четкость погоноразделения.
Малое гидравлическое сопротивление регулярных насадок позволяет «вместить» в вакуумную колонну стандартных размеров в 3-5
раз большее число теоретических тарелок, а также позволяет снизить
температуру нагрева мазута в печи или проводить «сухую» перегонку
его без подачи водяного пара.
Таким образом, вакуумная колонна с регулярными насадками
имеет ряд преимуществ:
1) повышение производительности работы колонны;
2) четкость разделения дистиллятов;
3) стабильность и надежность работы колонны на различных
режимах;
4) легкость управления колонной при изменении режима и ка-
чества сырья.
В табл. 2.1 приведены сравнительные характеристики некоторых типов насадок.
По основным параметром регулярные насадки существенно
превосходят нерегулярные.
Насадка Зульцера состоит из перемежающихся слоев гофрической сетки или перфорированного металлического листа, причем гофры в соседних слоях повернуты в противоположную сторону.
26
Таблица 2.1 – Характеристика насадок различных типов
Высота слоя насадки,
(ВЭТТ)
Кольца Рашига (25 мм)
1
1
1
Кольца Палля (25 мм)
1,4-1,5
1,0-1,3
0,7-0,8
Седла Берля
1,1-1,3
1,1
0,6-0,7
Седла Инталлокс
1,2-1,4
1,3
0,45-0,5
Насадки Гудлоу
1,1-1,2
3,2
0,13
Насадки Зульцера
1,8-2,0
2,5
0,25-0,45
Тип насадки
Производи-
тельность
Эффектив-
ность
эквивалентная одной
теоретической тарелке
Насадка Гудлоу (Панченкова) представляет собой свернутую
спираль из сетчатого чулка, в колонну укладывается послойно, и пар
проходит в щелях между сетчатыми слоями.
Наклонно-пакетная насадка представляет собой прямоугольные пакеты из уложенных в них чулочной сетки, которые устанавливаются под углом 45-60° друг к другу (или вертикально).
Любая насадка эффективно работает только при равномерном
распределении жидкости по её поверхности. Поэтому применяют различные конструкции распределительных устройств жидкости в колоннах (перфорированные плиты, плиты с патрубками, плиты с наклонными отражателями, напорный маточник-распылитель). Выбор типа
распределителя зависит от диаметра колонны, типа насадки, расхода
орошения и других факторов. Варианты колонн с различными насадками показаны в [3].
27
3 РАСЧЕТ КОЛОНН ПЕРЕГОНКИ НЕФТИ
Атмосферная перегонка нефти в основном осуществляется по
схеме двукратного испарения в двух ректификационных колоннах.
В первой колонне К-1 отбирают газ и легкий бензин. Во второй
колонне К-2 с боковыми отпарными секциями отбензиненную нефть
разделяют на несколько фракций и мазут. Такая схема понижает общее давление паров в системе и давление в основной ректификационной колонне, в результате чего происходит более полное отделение
светлых нефтепродуктов из нефти и более четкое разделение их в колонне.
Преимущества такой схемы перечислены ниже:
1) высокая технологическая гибкость;
2) отбор легких фракций в первой колонне, что позволяет ком-
пенсировать возможные колебания в составе нефти;
3) обеспечение более стабильной работы основной атмосфер-
ной колонны;
4) снижение давления на сырьевом насосе, разгрузка печи от
легких фракций.
Но такая схема требует более высокой температуры нагрева
нефти перед основной атмосферной колонной, т.е. больших энергетических затрат.
Схема двукратного испарения применяется при разделении
нефти с большим содержанием легких бензиновых фракций и газа, для
переработки обводненной нефти и сернистых нефтей. Коррозионноактивные вещества (H
S, RSH) удаляются в первой колонне, и основ-
2
ная сложная колонна защищена от их воздействия. Благодаря предварительному удалению в отбензинивающей колонне растворенных газов и легкого бензина, в змеевиках печи перед основной колонной не
создается большого давления и основная колонна не перегружается
паром [6].
3.1 Расчет колонны К-1 по схеме 1
Колонна отбензинивания нефти К-1 может работать по различным схемам и режимам.
1. В колонне отбирается сверху легкий бензин н.к.-85, темпе-
ратура низа поддерживается горячей струей (рис. 3.1, схема 1).
28
2. В колонне отбирается сверху газ, а фракция н.к.-85 выводит-
ся из колонны в качестве бокового погона. Температура низа колонны
поддерживается горячей струей (рис. 3.1, схема 2).
3. В колонне отбирается сверху легкий бензин н.к.-85, в низ
колонны не вводится горячая струя (рис. 3.1, схема 3).
При всех схемах нефть перед К-1 нагревается последовательно
в теплообменниках до температуры 200-220°С.
Возможные схемы работы колонн отбензинивания нефти К-1
представлены на рис. 3.1. Технологический расчет колонн отбензинивания осуществляется в зависимости от схемы работы [7].
Необходимые данные для расчета колонны К-1
1. ИТК исходной нефти.
2. Состав нефти с включением в нее газообразных компонен-
тов и остаточной воды, % мас.
3. Годовая производительность установки по сырью.
4. Количество рабочих дней в году.
5. Давление в колонне (по данным производства), ата.
6. Температура питания колонны (по данным производства).
7. Температура в блоке конденсации верхнего продукта, исхо-
дя из применяемого оборудования и хладагента.
8. Компонентный состав отбираемых фракций.
Примечание. В режимных листах установок давление записывают по показаниям манометра, который показывает избыточное
давление (ати). Для расчета используют давление в ата, т.е.
ати + 1 атм. Это давление следует использовать при расчетах.
Последовательность расчета К-1 по схеме 1
1. Расчет состава и количества верхнего и нижнего продуктов
колонны.
2. Определение температурного режима колонны – верха и низа.
3. Расчет доли отгона верхнего продукта в блоке конденсации,
на основании чего рассчитывается материальный баланс колонны (газ,
сконденсированный верхний продукт, отбензиненная нефть).
4. Определение флегмового числа колонны.
5. Определение числа тарелок в колонне.
6. Определение диаметра колонны.
7. Определение высоты колонны.
8. Определение долей отгона нефти в колонне на тарелке пита-
ния и горячий струи, подаваемой в низ колонны.
9. Тепловой баланс колонны.
29
нефть
220°С
н.к.-85
В колонну К-2
Схема 3
Б.К.
нефть
220°С
газы
Сконд. газ
350°С
В колонну К-2
н.к.-85
Схема 2
Б.К.
нефть
220°С
н.к.-85
350°С
В колонну К-2
Схема 1
Б.К.
Рис. 3.1. Возможные схемы работы колонны К-1
30
3.1.1 Расчет состава верхнего и нижнего продуктов колонны
Отбор
кг/ч
% мас.
кг/ч
% мас.
C2H6 0,0163
8,15
100
8,15
0,29 - -
C3H8
0,0253
12,65
100
12,65
0,45 - -
i-C4H10
0,0447
22,35
100
22,35
0,799 - -
n-C4H10
0,0634
31,70
95
30,115
1,08
1,585
0,003
i-C5H12
0,0773
38,65
90
34,785
1,243
3,865
0,008
n-C5H12
0,095
47,50
85
40,375
1,44
7,125
0,015
н.к.-35
1,4
700,0
70
490,0
17,51
210
0,45
35-85
5,4
2700,0
70
1890
67,54
810
1,72
85-150
7,36
3680,0 5 184
6,575
3496
7,41
150-200
7,579
3789,50
2
75,79
2,71
3713,71
7,87
200-250
8,224
4112,0 - - 4112,0
8,71
250-300
8,803
4401,5 - - 4401,5
9,32
300-350
9,261
4630,5 - - 4630,5
9,81
>350
51,451
25725,5 - - 25725,5
54,50
H2О
0,2
100
10
10
0,357
90
0,19
Итого
100
50000
2798,22
100
47201,785
100
В колонне отбирается легкий бензин н.к.-85, и снизу уходит
отбензиненная нефть. Колонна работает с поддержанием температуры
верха (холодное орошение) и температуры низа (подача горячей струи
в низ колонны). В составе отбензиненной нефти должны остаться в
небольшом количестве (до 10-15 % мас.) от потенциального содержания их в нефти компоненты фракции н.к.-85, т.к. они будут способствовать более легкому выкипанию светлых (н.к.-350) в основной атмосферной колонне К-2.
Для расчета материального баланса задаются отбором от потенциала легких компонентов нефти. На его основе рассчитывается состав
верхнего продукта и отбензиненной нефти. Отбор от потенциала можно
рассчитать по данным состава верхнего продукта колонны (лабораторные данные производства) и составу исходной нефти. Кроме того, в составе верхнего продукта всегда присутствуют в виде примесей и более
тяжелые компоненты (не более 10-15 % мас.). Если исходная нефть содержит остаточную воду, то часть её уходит с верхним продуктом.
Пример составления материального баланса колонны К-1 представлен в табл. 3.1. В колонну подается нефть в количестве 50000 кг/ч
следующего состава. Далее, зная количество и состав верхнего и нижнего продуктов колонны, делают технологические расчеты.
Таблица 3.1 – Материальный баланс колонны К-1
Компо-
ненты
нефти
% мас. Кг/ч
от по-
тециа-
ла, %
Состав верхнего
продукта
Состав отбензиненной
нефти