Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет ректификационных колонн установок перегонки нефти. Учебное пособие.pdf
41
3.1.8 Определение доли отгона нефти в колонне на тарелке питания
Температура
и фракции
Итого
1,0 ∑ 1,0
(
)
По данным производства принимаются давление и температура в зоне питания колонны или среднее между температурой верха и
температурой низа. Сырье поступает в колонну в парожидкостном состоянии. Доля отгона находится методом постепенного приближения с
помощью формулы (3.10).
Исходные данные для расчета доли отгона приведены в
табл. 3.7.
Таблица 3.7 – Состав исходной нефти и расчетные характеристики
Компо-
ненты
сырья
Массо-
вая
доля
Молеку-
лярная
масса
Моль-
ные
доли
кипения индиви-
дуальных угле-
водородов
Парциальное давле-
ние, Pi, атм.
k
i
Примечание. Если в составе нефти имеется вода, то она входит как компонент нефти. Парциальное давление воды при заданных
условиях можно определить, используя константы Антуана или график Кокса (Прил. 1, рис. П.1).
Определить долю отгона можно графическим методом, задаваясь мольной долей отгона и методом постепенного приближения
уравнения (3.10) к единице:
Далее переводят мольную долю в массовую по формуле (3.13).
Мольный состав жидкости и пара рассчитывают по формулам (3.11) и
(3.12).
Результаты расчета доли отгона питания колонны должны
быть представлены в табл. 3.8. Полученные данные будут использованы при расчете теплового баланса колонны.
Рассчитанная температура низа колонны поддерживается циркуляцией части нижнего продукта колонны через печь и вводом этой
горячей струи в низ колонны.
42
Мольная доля отгона
Состав потока
в мольных долях
Состав потока
в массовых долях
Расход потока,
кг/ч (т/ч)
X
i
’ Y’
i Xi
Yi жидкой
паровой
Итого
1,0
1,0
1,0
1,0 ∑ ∑
Рис. 3.3. Определение доли отгона графическим методом
Таблица 3.8 – Расчет доли отгона нефти на тарелке питания
Компо-
нент нефти
Доля отгона нижнего продукта рассчитывается при давлении
низа колонны и температуры нагрева горячей струи в печи.
Зная эти параметры, долю отгона находят методом постепенного приближения, используя те же формулы, как при расчете доли
отгона нефти на тарелке питания. За исходный продукт принимается
состав отбензиненной нефти. Расчетные данные представляют в виде
таблиц и рисунка (доли отгона).
3.1.9 Тепловой баланс колонны
Для расчета теплового баланса колонны необходимо определить количество тепла, вносимое в колонну сырьем, флегмой и количество тепла, выносимое из колонны отбензиненной нефтью, парами
бензина и флегмы. По разности отводимого и вводимого тепла рассчитывают тепло, которое необходимое подвести «горячей струей», и количество этой струи. При расчете теплового баланса учитывают агрегатное состояние потоков и отдельно рассчитывают теплоту паровых и
жидких потоков.
Тепловой баланс в общем виде можно записать как
Q
1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6
, (3.41)
43
где Q1 – тепло, приходящее в колонну с питанием (отдельно по
G, кг/ч
ρ
15
15
t, °C
i, кДж/кг
Q, кДж/ч
Приход
Итого
∑Q
прихода
Расход
нефть
Итого
∑Q
расхода
жидкому и паровому потоку);
Q
– тепло, приходящее в низ колонны с горячей струей;
2
Q
– тепло, приходящее с флегмой;
3
Q
– тепло, уходящее с верхним продуктом;
4
Q
– тепло, уходящее с флегмой;
5
Q
– тепло, уходящее с отбензиненной нефтью.
6
Для тепловых расчетов определяются энтальпии материальных
потоков, исходя из их агрегатного состояния.
Для паровых потоков (кДж/кг):
=
4
308,9. (3.42)
Для жидких потоков:
=
, (3.43)
где a1 и a2 – справочные расчетные данные, исходя из температуры
потоков и их агрегатного состояния.
Количество тепла рассчитывается по формуле
Q = G·i, (3.44)
где G – количество потока, кг/ч.
Результаты расчетов тепловых потоков сводятся в табл. 3.9.
Таблица 3.9 – Результаты расчетов тепловых потоков
Нефть:
1) Жидкая фаза
2) Паровая фаза
3) Флегма
1) Верхний про-
дукт
2) Флегма
3) Отбензиненная
44
Количество тепла, необходимое для поддержания температуры
куба колонны, рассчитывается по разности:
ΔQ = ∑Q
расхода
– ∑Q
(3.45)
прихода.
Для определения количества циркуляционного потока используют ранее определенную долю отгона в низу колонны и рассчитывают энтальпию паровой и жидкой фаз горячей струи.
Количество горячей струи G
ΔQ = G
(e·i
= G
1
·e·i
1
пар.пот.
пар.пот.
+(1 – е)i
+ G1(1 – e)i
ж.пот.
находят по уравнениям:
1
– G1·i
ж.пот.
– i
), (3.46)
куб.ж
куб.ж.
=
отсюда
= ΔQ/(e·i
G
1
пар.пот.
+(1– е) ∙i
ж.пот.
– i
), (3.47)
куб.ж
где е – массовая доля отгона горячей струи в низу колонны;
i
– энтальпия отбензиненной нефти.
куб.ж.
На основе расчетов делают вывод, что для поддержания температуры низа колонны необходимо вводить G
(кг/ч) горячей струи из
1
печи с температурой нагрева в печи.
3.2 Расчет колонны К-1 по схеме 2
Последовательность расчета
1. Расчет состава и количества продуктов колонны перегонки.
2. Определение температурного режима колонны – верха, в зо-
не отбора боковой фракции и низа.
3. Расчет доли отгона верхнего продукта в блоке конденсации,
на основании чего составляется материальный баланс колонны – ко-
личество газа, сконденсированного верхнего продукта, отбензиненной
нефти.
4. Определение флегмового числа колонны.
5. Определение числа тарелок.
6. Определение диаметра колонны.
7. Определение высоты колонны
8. Определение долей отгона нефти в колонне на тарелке пита-
ния и горячей струи, подаваемой в низ колонны.
9. Тепловой баланс колонны.
45
3.2.1 Расчет состава и количества продуктов
Отбор от
циала, %
Состав верхнего
продукта
Состав боковой
фракции
Состав отбензиненной фракции
% мас.
кг/ч
кг/ч
% мас.
кг/ч
% мас.
кг/ч
% мас.
С2Н6 0,0163
8,15
100
8,15
5,10
С3Н8
0,0253
12,65
100
12,65
7,92
i-С4Н10
0,0447
22,35
100
22,35
13,99
i-С5Н12
0,0773
38,65
90
30,385
19,02
4,400
0,176
3,865
0,008
n-С5Н12
0,095
47,50
85
25,575
16,02
14,8
0,56
7,125
0,015
Нк-35
1,4
700,0
70
20,5
12,83
469,5
17,79
210
0,45
35-85
5,4
2700,0
70
1890
71,63
810
1,72
85-150
7,36
3680,0 5 184
6,97
3496
7,41
150-200
7,579
3789,50 2 75,79
2,88
3713,71
7,81
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
Н2О
0,2
100
10
10
6,26
90
0,19
Итого
100
50000
159,725
100
2638,49
100
47201,8
100
перегонки колонны К-1
В колонне отбираются газовые компоненты (сверху), легкий
бензин (н.к.-85) как боковой отгон и отбензиненная нефть (снизу). Колонна работает с поддержанием температуры верха (холодное орошение) и температуры низа (подача горячей струи). Так как перегонка
нефти осуществляется по принципу однократного испарения, не обеспечивающего четкого разделения на отбираемые продукты, то в составе отбензиненной нефти остается в небольшом количестве легкий бензин (н.к.-85), а в отбираемых верхней и боковой фракциях будут примеси (не более 10-15 % мас.).
Для расчета задаются отбором от потенциала легких компонентов в нефти с учетом наложения фракций. Отбор от потенциала
рассчитывается, исходя из состава исходной нефти и требований к отбираемой фракции (лабораторные данные производства). Если исходная нефть содержит остаточную воду, то часть её может отбираться с
фракциями.
Пример составления материального баланса К-1 представлен в
табл. 3.10. В колонну поступает нефть в количестве 50000 кг/ч. Количество и состав верхнего, бокового и нижнего продуктов колонны К-1
приводится в таблице.
Таблица 3.10 – Материальный баланс колонны К-1
Состав
Нефть
потен-
n-С4Н10 0,0634 31,70 95 30,115 18,86 1,585 0,003
46
3.2.2 Определение температурного режима колонны К-1
в зонах вывода продуктов
Температура вывода газовых компонентов (верхнего продукта)
определяется по изотерме паровой фазы
= 1, (3.1)
а температура вывода бокового и нижнего продуктов – то изотерме
жидкой фазы
= 1. (3.2)
На основе табл. 3.10 состав отбираемых из колонны продуктов
переводят в мольные доли.
Далее рассчитывают давление насыщенных паров индивиду-
альных компонентов и фракции, используя формулы Антуана (3.6) и
Ашворта (3.7).
Зная давление в колонне К-1, определяют константы фазовых
равновесий компонентов.
Температура потоков определяется методом постепенного
приближения уравнений изотерм к единице. Более подробный расчет
представлен в разделе 3.1.2.
Для определения температуры вывода продуктов из колонны
расчеты представлены в виде таблиц (табл. 3.2 и 3.3).
3.2.3 Расчет доли отгона верхнего продукта в блоке конденсации
Порядок расчета представлен в разделе 3.1.3.
Для расчета принимается состав верхнего продукта согласно
материальному балансу колонны (табл. 3.10).
При расчете сначала определяют мольную долю отгона верхнего продукта в блоке конденсации и переводят её в массовую долю.
Это позволяет определить выход газа и сконденсированного дистиллята. Зная количество этих продуктов и выхода боковой фракции и отбензиненной нефти, составляют уточненный материальный баланс
колонны К-1 с учетом несконденсированного газа.
47
3.2.4 Определение флегмового числа колонны
н.к.-85
н.к.-35
II
отбензиненная нефть
I
флегма
Колонна К-1 относится к сложной колонне, т.к. по схеме 2 в
ней отбираются не только верхний и нижний продукт, но и боковая
фракция. Поэтому для дальнейшего расчета её делят на две простые
колонны по схеме 2 (рис. 3.4).
В первой (I) из сырья отбирают сверху сумму газа + н.к.-85 и
снизу – отбензиненную нефть.
Во второй (II) смесь (газ+н.к.-85) разделяется на газы и легкий
бензин (н.к.-85).
Расчет флегмового числа представлен в разделе 3.1.4 на основе
состава верхнего продукта. За легкий ключевой компонент принимают
углеводород n-C
, за тяжелый ключевой компонент – фракцию
5H12
н.к.-35.
Рис. 3.4. Схема колонны К-1 для определения флегмового числа
уравнению Фенске (3.20).
мают 35-85, за тяжелый ключевой компонент – фракцию 85-150.
3.2.5 Определение числа тарелок в К-1
В каждой простой колонне определяется число тарелок по
Для I простой колонны за легкий ключевой компонент прини-
48
Для II простой колонны за легкий ключевой компонент прини-
G, кг/ч
Ρ
15
15
t, °C
I, кДж/кг
Q, кДж/ч
Приход
6) Флегма
Итого
∑Q
прихода
Расход
ная нефть
Итого
∑Q
расхода
мают n-C
, за тяжелый – н.к.-35.
5H12
Концентрацию ключевых компонентов сырья в I и II колоннах
рассчитывается, исходя из данных табл. 3.10.
Находят общее число тарелок в К-1 (см. раздел 3.15).
3.2.6 Расчет диаметра колоны К-1
Порядок расчета представлен в разделе 3.1.6.
3.2.7 Расчет высоты колонны К-1
Порядок расчета представлен в разделе 3.1.7.
3.2.8 Определение долей отгона нефти в колонне на тарелке
питания и в месте ввода горячей струи в колонну из печи нагрева
Порядок расчета представлен в разделе 3.1.8.
3.2.9 Тепловой баланс колонны
Порядок расчета представлен в разделе 3.1.9. Цель расчета –
определение количества горячей струи, вводимой в низ колонны.
Результаты расчета теплового баланса вносятся в табл. 3.11.
Таблица 3.11 – Результаты расчетов тепловых потоков
Нефть:
4) Жидкая фаза
5) Паровая фаза
4) Верхний про-
дукт
5) Флегма
6) Н.к.-35
7) Отбензинен-
49
По разности ∆Q определяется количество тепла и горячей
струи в низ колонны.
3.3 Расчет колонны К-1 по схеме 3
Последовательность расчета
1) Расчет доли отгона нефти на тарелке питания колонны.
2) Формирование состава верхнего продукта колонны и отбен-
зиненной нефти.
3) Определение температурного режима колонны – верха и
низа.
4) Расчет доли отгона верхнего продукта в блоке конденсации.
5) Определение флегмового числа колонны.
6) Определение числа тарелок в колонне.
7) Определение диаметра колонны.
8) Определение высоты колонны.
9) Тепловой баланс колонны.
Такая схема работы К-1 без горячей струи применяется при перегонке высокосернистых нефтей, чтобы снизить дополнительное разложение сернистых соединений нефти при нагреве её в печи. Поэтому
верхний продукт формируется из паровой части сырья, вводимого на
тарелку питания К-1 после нагрева его в теплообменниках.
3.3.1 Расчет доли отгона нефти на тарелке питания К-1
Принимается температура нагрева нефти 230°С, давление в колонне – 4 атм.
По формулам (3.10)-(3.12) методом постепенного приближения
определяется состав паровой и жидкой фаз. В табл. 3.12 представлены
результаты расчета.
Из парового состава формируется состав верхнего продукта
колонны с учётом технических требований к его качеству и необходимости присутствия в отбензиненной нефти части легких фракций для
облегчения отделения светлых в последующей колонне К-2. В составе
верхнего продукта допускается присутствие фракций 85-150.
50
Таблица 3.12 – Состав паровой и жидкой фазы нефти на тарелке
Состав парового потока
Состав жидкого потока
% мас.
доля
% мас.
доля
С2Н6 0,0163
8,15
7,936
0,001308
0,213
0,000005
С3Н8
0,0253
12,65
11,971
0,001198
0,678
0,000015
i-С4Н10
0,0447
22,35
20,255
0,003338
2,094
0,000048
n-С4Н10
0,0634
31,70
28,372
0,004675
3,327
0,000076
i-С5Н12
0,0773
38,65
32,287
0,00532
6,362
0,000145
n-С5Н12
0,095
47,50
39,167
0,006454
8,332
0,00019
н.к.-35
1,4
700,0
542,811
0,08944
157,188
0,003578
35-85
5,4
2700,0
1906,009
0,314055
793,99
0,018074
85-150
7,36
3680,0
1784,675
0,294063
1895,324
0,043143
150-200
7,579
3789,50
919,310
0,151476
2870,1893
0,06334
200-250
8,224
4112,0
421,790
0,068016
3699,209
0,084205
250-300
8,803
4401,5
151,172
0,024909
4250,327
0,09675
300-350
9,261
4630,5
52,492
0,008649
4578,008
0,104209
>350
51,451
23725,5
79,996
0,013181
25645,50
0,583768
Н2О
0,2
100
79,781
0,013146
20,218
0,00046
Итого
100
50000
6069,032
1
43930,97
1
Компоненты пар.
ненную нефть
мас.
доли
мас.
доли
мас.
доли
мас.
доли 1 2 3 4 5 6 7 8
9
С2Н6 7,936
0,001308
7,936
0,002 - -
0,213
0,000
С3Н8
11,971
0,001978
11,971
0,0032 - -
0,678
0,000
i-С4Н10
20,255
0,003338
20,255
0,0055 - -
2,094
0,000
n-С4Н10
28,372
0,004675
28,372
0,0077 - -
3,327
0,000
i-С5Н12
32,287
0,00532
32,287
0,0088 - -
6,362
0,000
n-С5Н12
39,167
0,006454
39,167
0,010 - -
8,332
0,000
н.к.-35
542,811
0,08944
510
0,139
32,811
0,0136
189,999
0,004
питания
Компоненты
нефти
% мас. Кг/ч
кг/ч
кг/ч
3.3.2 Формирование состава верхнего продукта колонны
и отбензиненной нефти
В табл. 3.13 представлено распределение парового потока ме-
жду верхним и нижним продуктами в соответствии с требованиями
производства.
Таблица 3.13 – Формирование состава верхнего и нижнего продуктов
колонны К-1
Ком-
понен-
ты
Паровой поток
сырья
кг/ч
Состав верхнего
продукта
кг/ч
потока, перехо-
дящие в отбензи-
кг/ч
Суммарный состав
отбензиненной
нефти
кг/ч