Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет ректификационных колонн установок перегонки нефти. Учебное пособие.pdf
61
Далее из суммарного парового потока формируется состав отбираемых фракций. Пусть с верха колонны отводится фракция н.к.150, боковые фракции: керосиновые-150-250°С, дизельное 250-350°С.
В табл. 3.19 показано распределение суммарного парового потока по фракциям, и наиболее тяжелая часть его – компоненты мазута
(350°С) попадают в состав нижнего продукта колонны К-2. Этот нижний продукт формируется как сумма жидкости в низу колонны вместе
с конденсированными компонентами из паровой фазы.
По табл. 3.19 можно составить материальный баланс колонны
К-2, но предварительно необходимо рассчитать долю отгона фракции
н.к.-150 в блоке охлаждения и конденсации. Поэтому продуктами колонны К-2 являются несконденсированный газ, конденсат н.к.-150,
фракции 150-250°С, 250-350°С и мазут.
3.4.2 Определение температурного режима работы колонны К-2
Давление в зоне питания – 2 атм.
Давление на верху колонны – 1,8 атм.
Составы отводимых фракций даны в табл. 3.19
Боковые фракции отводятся в отпарные секции, где за счет подачи водяного пара или нагрева их специальными теплообменниками
происходит отпарка захваченных нежелательных легких фракций и
возвращение их в колонну К-2. Вместе с ними в К-2 подается водяной
пар, который вводится в стрипинг-секции.
В случае использования водяного пара его необходимо учиты-
вать при расчете температуры отводимых фракций.
По рассматриваемому примеру при определении температуры
вывода фракции 250-350°С учитывают водяной пар, подаваемый в низ
колонны, имеющийся в составе суммарного парового потока. При расчете температуры вывода фракции 150-250°С дополнительно учитывают и водяной пар, подаваемый в отпарную секцию и вводимый в К-2.
При расчете температуры вывода фракции н.к.-150 учитывают
все имеющиеся водяные пары (в составе суммарного парового потока,
вместе с отпарными секциями).
В присутствии водяного пара необходимо рассчитать парци-
альное давление паров на тарелках вывода фракций.
=
.
.
, (3.54)
62
При расчете констант фазового равновесия углеводорода вместо общего давления подставляется парциальное давление углеводородов P
, соответствующее сечению колонны:
y
=
, (3.55)
При расчете температуры верха можно не рассчитывать парциальное давление, но к составу фракции добавляется еще компонент –
водяной пар и пересчитывается состав смеси с учетом суммарного потока водяных паров. Далее температуры отводимых фракций определяются аналитическим методом по уравнениям паровой фазы (3.1)
(фр. н.к.-150) и жидких фаз (фр.150-250 и фр. 250-350°С) (3.2).
Массовые доли потоков переводят в мольные; находят давление насыщенных паров, парциальное давление и константу фазового
равновесия по формуле (3.55).
Методом последовательных приближений подбирают искомые
температуры, при которых уравнения фаз обращаются в множество.
Результаты расчетов сводятся в таблицу, по которым уравнения фаз соблюдаются, т.е. равны 1.
Пусть найдено:
- для фракции н.к.-150 – температура t
- для фракции 150-250°С – температура t
- для фракции 250-350°С – температура t
Температура куба принимается на 10-15°С ниже температуры
подачи отбензиненной нефти в колонну или с использованием состава
мазута по уравнению жидкой фазы определяется температура
вывода (t
).
3.4.3 Расчет числа теоретических тарелок
Колонна К-2 является сложной, и ее разбивают на простые колонны, количество которых равно количеству отбираемых фракций. В
нашем примере это три простые колонны – I, II, III.
В колонну I входит отбензиненная нефть, и сверху отбирается
сумма дистиллятов н.к.-350, а снизу – мазут.
В колонну II входит сумма дистиллятов н.к.-350 и делится на
фракции н.к.-250 и 250-350°С.
В колонну III входит сумма дистиллятов н.к.-250 и делится на
фракции н.к.-150 и 150-250°С. Составы фракций, мазута и отбензи-
63
ненной нефти даны в табл. 3.19 и 3.14, температуры отводимых фрак-
Легкий ключевой
компонент
Тяжелый ключевой
компонент
I
300-350
>350
II
200-250
250-300
III
85-150
150-200
ций по сечению К-2 найдены в разделе 3.4.2.
Рассчитываются массовые и мольные доли компонентов и константы фазовых равновесий.
Для каждой простой колонны выбирают легкий и тяжелый
ключевой компонент. Это два соседних компонента, и за легкий принимают самый тяжелый из желаемых компонентов дистиллята. За тяжелый компонент – нежелаемый из легких в дистилляте. Для данного
примера это будут следующие компоненты:
Таблица 3.20 – Данные для расчета доли компонентов и константы
фазовых равновесий
Простые колонны
Рассчитывают относительные летучести этих компонентов
ai =
, (3.56)
причем константы фазового равновесия находят по температурам:
а) для I – температуру ввода сырья в колонну.
б) для II – температуру вывода фракции 250-350°С из колонны,
т.е. t
;
3
в) для III – температуру вывода фракции 150-250°С из колонны, т.е. t
.
2
Соответственно учитывается давление в каждой простой колонне, для данного примера это будет:
а) I – 2 атм.;
б) II – 1,9 атм.;
в) III – 1,8 атм.
Минимальное число теоретических тарелок определяют по
формуле
где у
(
N
и у
лкк
=
(
– количество легко- и тяжелокипящего компонента в
ткк
)
, (3.57)
)
паровой фазе, мольные доли;
64
х
Компо-
ненты
Жид. фаза,
мас. доля
Пар. фаза
мас. доля
Жид. фаза,
мольн. доля
Пар.фаза,
мольн. доля
Давление
насыщ. пара
и х
лкк
– количество легко- и тяжелокипящего компонентов
ткк
в жидкой фазе;
и а
а
лкк
– относительная летучесть легко- и тяжелокипящих
ткк
компонентов.
Оптимальное число рабочих тарелок определяется по формулам (3.22), (3.23). Рабочее число тарелок в каждой секции находят по
формулам (3.24), (3.25), где η – к.п.д. тарелки (0,4-0,6) в зависимости
от типа тарелки.
Далее находят общее число тарелок в колонне.
Исходные данные для расчета числа тарелок в каждой секции
(простой колонны) записывают в табл. 3.21.
Таблица 3.21 – Данные для расчета числа тарелок в каждой секции
(простой колонны)
ki a
3.4.4 Расчет доли отгона в блоке конденсации
В блок поступают отводимые с верха колонны пары бензинной
фракции и водяной пар. По формулам (3.7) находят давление нефтяных и водяных паров в блоке. При заданной температуре охлаждения
и давления находят константы фазового равновесия.
Порядок расчета представлен в разделе 3.1.2.
Зная массовую долю отгона в блоке конденсации, составляют
материальный баланс колонны К-2 (газ, н.к.-150, 150-250, 250-350,
мазут).
3.4.5 Расчет флегмового числа
Порядок расчета представлен в разделе 3.1.4., используется состав фракции 85-150
0
С.
3.4.6 Расчет теплового баланса колонны К-2
Целью расчета является определение количества циркулирующих орошений (дизельной фракции и атмосферного газойля) и количества верхнего орошения.
i
65
Количество,
Количество
кДж/ч
1
2 3 4 5 6
1 часть колонны
Приход
2) Водяной пар
tв.п.
Итого
∑Q
1прих.
флегма
в.п.
в.п.
керосиновая фр-я 150-250
ДТ 250-350
бензин НК-150
t
1
t2 t3 t
t4 нефть
вод. пар
II
III I
мазут
0
Рис. 3.7. Схема колонны К-2 для расчета теплового баланса
колонны (рис. 3.7).
табл. 3.22.
Таблица 3.22 – Данные для расчета теплового баланса колонны К-2
Статьи баланса
1) Отбензиненная
нефть
а) Пар
б) Жидкость
Для расчета теплового баланса колонна делится на три простые
Последовательность расчета теплового баланса представлена в
кг/ч
Плотность
Температура,
°С
t0
t
0
t0
Энтальпия,
кДж/кг
тепла,
66
Окончание табл. 3.22
1
2 3 4 5 6
Расход
t
Итого
∑Q
1расх.
2 часть колонны
Приход
колон.
t3
Итого
∑Q
2прих.
t2
Итого
∑Q
2расх.
3 часть колонны
Приход
ных сек.
Итого
∑Q
3прих.
Расход
пар
Итого
∑Q
3расх.
1) Н.к.-350 (пар.фаза)
2) Мазут
3) Водяной пар
t3
t
4
1) Н.к.-350 (пар.фаза)
2) Вод.пар снизу
3) Вод.пар с отпар.
Расход
1) Н.к.-250
2) ДТ.250-350 (ж.ф.)
3) ∑вод.пар
1) Н.к.-250 (п.ф.)
2) Пар снизу
3) Пар с двух отпар-
1) Бензин (п.ф.)
2) Кер.фр. (ж.ф.)
3) Суммарный вод.
t3
t
3
(t2)
t
3
t
2
t
2
t2
t
1
t
2
t
1
Для определения количества циркулирующих орошений рассчитывают количество тепла, которое необходимо снять в первой и
второй части колоны:
ΔQ
ΔQ
=∑Q
1
=∑Q
2
1прих.
2 прих
– ∑Q
.
– ∑Q
.
, (3.58)
1расх
.
, (3.59)
2 расх
где ΔQ
и ΔQ2 определяется по формуле
1
1
ΔQ = J(i
– i2), (3.60)
67
Определяется количество циркулирующих орошений в первой и второй части колонн К-2, при этом необходимо знать их плотность и температуру выхода и входа в колонны К-2 для каждой части
простой колонны. По этим параметрам определяется энтальпия потока и далее – количество циркуляционного орошения (в кг/ч). Для
третьей части колонны определяется количество тепла, которое необходимо снять:
ΔQ
=∑Q
3
прих
3
– ∑Q
расх.
. (3.61)
3
По формуле определяют количество верхнего орошения
(флегмы), зная энтальпию жидкости входящего холодного орошения и энтальпию паров при температуре выхода бензина из колонны (t
).
1
Флегмовое число находится делением количества холодного
орошения на количества бензина, выходящего с верха колонны:
. . =
.
. (3.62)
Флегмовое число, найденное из теплового баланса и найденное
при расчете числа тарелок, сравнивают, и большее значение используют при расчете диаметра колонны К-2.
3.4.7 Определение основных размеров колонны К-2
Определение диаметра колонны К-2
Расчет диаметра ведется в двух сечениях колонны:
1) наверху колонны;
2) на месте ввода сырья.
Диаметр на верху колонны
Рассчитывают плотность паров по формулам:
М = ∑yi∙М
=
; (3.63)
i
; (3.64)
,
=
. (3.65)
Определяют допустимую массовую скорость паров
= 0,305 (
) , (3.66)
68
где υ – массовая скорость паров, кг/м³∙ч;
, ρж – плотности паров и жидкости в данном сечении колон-
ρ
п
ны, кг/м³;
К – коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками.
Линейная скорость паров определяется по формуле, м/с:
=
,
, (3.67)
Количество паров рассчитывается с учетом флегмы.
Наибольший секундный объем паров находится по формуле
22.40
V=
..Т
0
, (3.68)
3600
где I – количество паров с учетом флегмы, кг/ч;
M.М. – молекулярная масса паров;
Z – коэффициент сжимаемости;
T – температура, К;
P – давление, атм.;
, P – стандартные температура и давление.
T
Внутренний диаметр колонны определяется по формуле (м):
.
=
. (3.69)
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 (табл. 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
= 1,0 м.
d
Высоту куба находят, исходя из 5-10-минутного запаса продукта в низу колонны, необходимого для нормальной работы насоса.
Объем кубового остатка
.
где I
=
маз.
, (3.70)
.
– количество мазута, кг/с;
τ – время, в течение которого необходимо обеспечить запас на
600 с;
– плотность мазута.
ρ
маз.
69
Площадь поперечного сечения низа колонны по известному
диаметру рассчитывается по формуле
=
. (3.71)
,
Необходимая высота
=
. (3.72)
Расстояние между тарелками (ht) принимается от 0,3 до 0,9 м,
чаще – 0,5-0,7 м.
Рабочая высота колонны
H = h
+ hg + hw + ht∙(N – 1), (3.73)
d
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 (% мас.) на мазут или гудрон.
3) Характеристика применяемого водяного пара.
4) Температура нагрева мазута в печи перед вакуумной колонны.
5) Остаточное давление в колонне в зоне питания, наверху и
внизу колонны, в местах вывода боковых фракций.
6) Схема работы вакуумсоздающего узла.
Последовательность расчета
1) Расчет состава мазута, поступающего в колонну с учетом
частичного разложения.
2) Расчет доли отгона мазута в зоне питания колонны и опреде-
ление состава паровой и жидкой фаз.
3) Обработка жидкой фазы водяным паром и получение допол-
нительной паровой фазы и жидкой части (гудрона).
4) Объединение двух паровых потоков в единый поток вместе с
имеющимся в них водяным паром и формирование составов дистиллятов.
5) Составление материального баланса вакуумной перегонки.
6) Определение температурного режима работы колонны.
70
7) Расчет числа теоретических тарелок.
8) Расчет теплового баланса колонны.
9) Определение основных размеров колонны.
10) Подбор оборудования для вакуумсоздающего 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
[3, 11], 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 конденсируются, 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 его 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 его 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