Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет ректификационных колонн установок перегонки нефти. Учебное пособие.pdf
71
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 асфальтово-смолистые соединения. Поэтому при проектировании 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 обо-
гащение 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 незначительна. 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 % мас. на мазут.
В составе мазута после печи нагрева увеличивается содержание вакуумного газойля и дизельных фракций приблизительно на 9 %
мас. при соответствующем уменьшении содержания фракции гудрона
на 11-12 % мас.
Основными направлениями в минимизации термическом разложении вакуумных установок могут быть:
1) регулирование времени пребывания сырья в печи различны-
ми методами;
2) реконструкции вакуумсооздающей системы, замена внут-
ренних контактных устройств колонн на новые высокоэффективные
устройства с меньшим гидравлическим сопротивлением, снижение
перепада давления по трансфертному трубопроводу.
72
Максимальное снижение остаточного давления в печи нагрева
Туйма-
нефть
Температура мазута
на выходе из печи, °С
Выход газов разложе-
ния, % мас.
Характеристика
- содержание серы, %
2,01
1,65
2,36
4,15
4,04
мазута, а, следовательно, и необходимой температуры, является самым
эффективным способом борьбы с термическим разложением мазута в
условиях переработки. В табл. 3.23 представлены возможные составы
газов разложения.
Таблица 3.23 – Состав газов разложения, уходящих с верха колонны
Сернистые нефти
Показатели
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
∑C3 21,22 23,30 22,12 21,49 17,64 11,07
∑C4 Н8 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
Смесь Ромашкинской и Ухтинской
нефтей
407 425 410 425 390 410
0,0525 0,4530 0,1115 0,021 0,0337 0,15466
зинская
девон-
ская
Западно-
Сибир-
ская
нефть
Высокосернистая
Арланская нефть
мазута:
- плотность,
Состав исходного мазута и мазута с учетом разложения
представлен в табл. 3.24.
0,9480
0,95
-
0,9535
0,9839
3.5.1 Расчет состава мазута с учетом разложения
0,9846
73
Таблица 3.24 – Состав мазута с учетом разложения
Исходный мазут
Мазут после печи нагрева
% мас.
кг/ч
кг/ч
% мас.
1. Дизельная фракция, в том числе:
200-250°С
1
300
327
1,09
250-350°С
6,7
2010
2190,9
7,3
2. Вакуумный газойль, в том числе:
380-410°С
6,196
1858,9
2025
6,75
410-420°С
2,4
720,1
786
2,62
420-430°С
4,01
1205,5
1311
4,37
430-460°С
7,08
2125,2
2316
7,72
460-500°С
8,35
2506,4
2730
9,10
500-520°С
8,35
2506,9
2730
9,10
3. Гудрон (>520°С)
51,67
15501
14136,9
47,123
4. Водяной пар
0,03 9 9
0,03
5. Газы разложения
- - 67,2
0,277
Итого
100
30000
30000
100
Давление
ных паров
Константы
новесия
1
2 3 4 5 6
7
1. Дизельная фракция, в том числе:
200-250°С
327
1,09
250-350°С
2190,9
7,3
Компоненты
350-380°С 4,19 1257,0 1371 4,57
Примечание. На основании вышеприведенных данных в разделе принимаются:
1) выход газов разложения – 0,277 % на исходный мазут;
2) выход вакуумного газойля и дизельных фракций увеличива-
ется на 9 %.
3.5.2 Расчет доли отгона мазута в зоне питания колонны
По практическим данным задаются температурой нагрева мазута в печи и давлением в вакуумной колонне в зоне питания. Примем
температуру нагрева мазута 370°С и давление 75 мм рт. ст.
В табл. 3.25 вносятся необходимые данные для расчета.
Таблица 3.25 – Данные расчета доли отгона
Компоненты т/ч % мас. М.М.
Мольные
доли
насыщен-
фазового рав-
74
Окончание табл. 3.25
1
2 3 4 5 6
7
350-380°С
1371
4,57
302
380-410°С
2025
6,75
335
410-420°С
786
2,62
357 420-430°С
1311
4,37
368
430-460°С
2316
7,72
391
460-500°С
2730
9,10
434 500-520°С
2730
9,10
3. Гудрон (>520°С)
14136,9
47,123
4. Водяной пар
9
0,03
18
5. Газы разложения
67,2
0,277
44
Итого
30000
100
200-250°С
0,01
1,449
0,712
326,288
250-350°С
0,2
9,66
14,949
2175,951
350-380°С
0,393
5,956
29,363
1341,637
380-410°С
1,026
8,649
76,653
1948,347
410-420°С
0,586
3,295
43803
742,197
420-430°С
1,186
5,427
88,615
1222,385
430-460°С
3,059
9,267
228,644
2087,356
460-500°С
6,583
9,935
492,043
2237,957
500-520°С
9,806
8,866
732,9
1997,061
>520°С
77,152
37,159
5766,574
8370,326
Водяной пар
0
0,04
0,001
8,999
Газы разлоИтого
100
100
7474,299
22525,7
2. Вакуумный газойль, в том числе:
Расчет проводится по формулам раздела 3.4.1, определяется
массовая доля отгона, количество и составы паровой и жидкой фаз.
Результаты расчета сводятся в табл. 3.26.
Таблица 3.26 – Состав паровой и жидкой фаз после однократного
испарения мазута (e
Компоненты
мольн.
доли
Х
mas
,
i
= 0,751)
,
У
i
мольн.
доли
,
Х
i
% мас.
Уi,
% мас.
Хi,
кг/ч
Уi,
кг/ч
жения
0 0,298 0,004 67,196
75
3.5.3 Обработка жидкой фазы водяным паром
Компоненты
Кг/ч
% мас.
% мольн.
200-250°С
0,712
250-350°С
14,949
350-380°С
29,363
380-410°С
76,653
410-420°С
43,803
420-430°С
22,615
430-460°С
228,644
460-500°С
492,043
500-520°С
732,9
>520°С
5766,574
Водяной пар
74,741
Газы разложения
0,004
Итого
7549,0
Жидкая фаза обрабатывается водяным паром, подающим в низ
колонны для отпарки темных (350-500°С). Примем расход водяного
пара 1,0 % мас. на жидкую фазу, т.е.
7474,229∙0,01 = 74,74 кг/ч.
Примечание. Если водяной пар не вводится в низ колонны, т.е.
проходит «сухая» вакуумная перегонка, то табл. 3.27 и 3.28 не составляются, и расчет отводимых боковых продуктов и верхнего отгона осуществляется на основе парового потока (табл. 3.26).
При использовании водяного пара к жидкой фазы добавляют
водяной пар, делают пересчет объединенного потока в массовые и
мольные доли и результаты заносятся в табл. 3.27.
По составу кубовой жидкости (табл. 3.27) определяется доля
отгона при температуре и давлении в низу вакуумной колонны. Эти
параметры выбираются по практическим данным. В данном случае
принята температура 350°С и остаточное давление 80 мм рт. ст.
Таблица 3.27 – Состав кубовой жидкости с вводимым водяным паром
0,231. Составы жидкой и паровой фаз представлены в табл. 3.28.
Расчетная массовая доля отгона в этих условиях составила
76
Таблица 3.28 – Состав паровой и жидкой фаз после обработки гудрона
Хi,
мольн. доли
Уi,
мольн. доли
Хi,
% мас.
Уi,
% мас.
Хi,
кг/ч
Уi,
кг/ч
200-250°С
0
0,001
0
0,04
0,012
0,7
250-350°С
0
0,008
0,014
0,808
0,834
14,115
350-380°С
0,002
0,011
0,085
1,399
4,924
24,439
380-410°С
0,006
0,022
0,358
3,199
20,782
55,87
410-420°С
0,004
0,01
0,272
1,603
15,806
27,996
420-430°С
0,009
0,019
0,626
2,992
36,347
52,268
430-460°С
0,028
0,038
2,015
6,395
116,935
111,709
460-500°С
0,07
0,05
5,651
9,399
327,861
164,182
500-520°С
0,109
0,051
9,498
10,41
551,109
181,83
>520°С
0,772
0,241
81,478
59,48
4727,611
1038,963
Водяной пар
0
0,549
0,001
4,275
0,071
74,673
Газы разложения
0 0 0 0 0
0,004
Итого
1,000
100
100
100
5802,294
1746,748
Легкие уг-
леводороды
+ вод. пар
Компо-
гудроне
%
мас.
%
мас.
%
мас.
%
мас.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
200-250
1,347
326,988
326,99
37,78 250-350
9,023
2190,066
387,52
44,78
1802,546
27,10
350-380
5,628
1366,076
1366,076
20,54
380-410
8,257
2004,218
1507,21
22,66
497,008
5,81
410-420
3,173
770,194
690,1
10,38
80,094
0,94
420-430
5,251
1274,653
580,65
8,73
694,033
8,12
430-460
9,06
2199,965
350,1
5,26
1848,97
21,61
водяным паром (e
Компоненты
= 0,231)
mas
3.5.4 Суммарный паровой поток и формирование
продуктов перегонки
На основе табл. 3.26 и 3.28 составляется суммарный паровой
поток, из которого формируются отбираемые продукты (табл. 3.29).
В результате анализа табл. 3.29 видно, что в паровой фазе ме-
нее 38 % гудрона. Следовательно, за счет циркуляционного орошения
эти компоненты гудрона (большая часть) должны быть сконденсированы и за счет этого возвращены в гудрон.
Таблица 3.29 – Суммарный паровой поток и отбираемые продукты
(легкие углеводороды с водяным паром, легкий вакуумный газойль,
тяжелый вакуумный газойль)
Компо-
ненты
Суммарный
паровой поток
кг/ч кг/ч
ЛВГ
350-420°С
кг/ч
ТВГ
420-520°С
кг/ч
ненты в
кг/ч
77
Окончание табл. 3.29
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
460-500
9,897
2402,139
275,5
4,15
2126,64
24,86
500-520
8,977
2178,891
78,4
1,18
2100,49
24,56
>520
38,765
9409,289
1205,35
14,09
8203,939
Водяной
пар
0,0345
83,672
83,672
9,67
Газы
разложения
0,277
67,2
67,2
7,77
Итого
100
24272,45
865,38
100
6650,582
100
8552,58
100
8203,939
Продукты
Кг/ч
% мас.
Приход
Итого
30074,74
100
Расход
4) Гудрон.
14006,233
46,58
Итого
30074,77
100
3.5.5 Составление материального баланса вакуумной перегонки
На основании проведенных расчетов составляется материаль-
ный баланс вакуумной перегонки. Суммарный выход гудрона составляется на основе табл. 3.24, 3.26 и 3.29.
Таблица 3.30 – Материальный баланс вакуумной перегонки
1) Мазут:
в т.ч. Н2О.
2) Водяной пар.
1) Верхний продукт:
в т.ч. НО.
2) ЛВГ.
3) ТВГ.
30000
9
74,74
865,38
83,672
6650,585
8552,58
Примечание. Потери (0,1-0,2 % мас.) могут быть учтены из
массы гудрона.
3.5.6 Определение температурного режима работы колонны
Температура потоков определяется аналитическим методом по
уравнениям изотерм жидкой и паровой фаз.
Составы отбираемых дистиллятов известны по табл. 3.28.
Обычно вакуумные колонны работают без отпарных секций и
поэтому дополнительно водяной пар не вводят в колонну.
99,75
0,25
2,88
22,11
28,43
78
Остаточное давление в верхней части колонны с учетом кон-
Давление
паров, атм
Константы
равновесия
кретной работы блока создания вакуума принимаем 10 мм рт. ст. Давление в зоне питания – 75 мм рт. ст. Давление в зоне отбора боковых
фракций можно рассчитать по высоте места отбора их или по практическим данным производства. Составы отбираемых продуктов переводят в мольные доли и путем подбора уравнений паровой или жидкой
фаз определяется исходная температура вывода продуктов. Для каждого отбираемого продукта составляется следующая таблица:
Таблица 3.31 – Исходные данные для определения температуры
вывода фракций
Компоненты % мас.
Мольные
доли
М.М.
насыщенных
фазового
Если уравнения изотерм, применяемых в зависимости от агре-
гатного состояния отводимых фракций, приближается к единице, то
температура найдена. Пусть для верхнего отгона она будет t
ЛВГ – t
, для ТВГ – t3. Температура куба колонны (температура выво-
2
да гудрона) обычно на 10-15°С ниже температуры вводимого в колонну мазута. В нашем примере она составляет 370°С, следовательно,
температура вывода гудрона составляет 355°С.
3.5.7 Расчет числа теоретических тарелок
Вакуумная колонна является сложной и ее разбивают на про-
стые колонны, количество которых равно количеству отбираемых
фракций. В данном случае это – верхний погон, ЛВГ и ТВГ. Отсюда
колонна состоит из трех простых колонн – I, II, III.
В простую колонну входит мазут и сверху отбирается сумма
верхнего потока, ЛВГ и ТВГ, а снизу – гудрон.
В II колонну входит сумма отбираемых фракций в I колонне, а
поток делится на сумму верхнего потока и ЛВГ, отдельно – ТВГ.
В колонну III входит сумма верхнего потока и ЛВГ, которая
разделяется на верхний продукт и ЛВЖ.
Схема разделения вакуумной колонны на простые колонны
представлена на рис. 3.8.
, для
1
79
ЛВГ
легкие углеводороды
III
гудрон
I
ТВГ
мазут
II
Рис. 3.8. Схема разделения вакуумной колонны на простые колонны
Составы фракций даны в табл. 3.29, температуры отводимых
фракций по сечению вакуумной колонне найдены в разделе 3.5.6. Рассчитываются массовые и мольные доли компонентов и константы фазовых равновесий.
За ключевые компоненты в данном случае принимаются следующие (табл. 3.32):
Таблица 3.32 – Исходные данные для определения температуры
вывода фракций
Простые колонны
Легкий ключевой
компонент
Тяжелый ключевой
компонент
I 500-520°С >520°С
II 430-460°С 460-500°С
III 200-250°С 250-350°С
80
Рассчитывают относительные летучести этих компонентов по
формуле
=
(3.74)
Константы фазового равновесия находят по следующим температурам:
- для I колонны – температура ввода мазута в колонне;
- для II колонны – температура вывода ТВГ (т.е. t
- для III колонны – температура вывода ЛВГ (т.е t
);
3
).
2
Соответственно константы учитываются с учетом перепада
давления в каждой простой колонне.
Исходные данные для расчета числа тарелок в каждой секции
(простой колонне) записывается в виде таблицы (табл. 3.21).
Минимальное число теоретических тарелок для каждой секции
определяется по формуле (3.20).
Оптимальное число рабочих тарелок для секции определяется
по формулам (3.22), (3.23), с учетом КПД тарелки находят их количество по формулам (3.24), (3.25). Если применяют в вакуумной колонне
регулярные насадки, их КПД составляет 0,6-0,65. Далее находят общее
число тарелок в колонне (N
общ.
).
Так как в вакуумных колоннах сейчас используют регулярные
насадки, то найденное количество тарелок с учетом КПД необходимо
перевести в высоту насадки. Одна теоретическая тарелка равноценна
0,5 м высоты насадки. Следовательно, общая высота насадки будет
соответствовать
.
=
...
. (3.75)
Эти насадки устанавливают в виде блоков (модулей), и число
таких блоков обычно равно числу отбираемых фракций.
Более подробно о работе таких модулей рассказано в разделе
2.4 (Регулярные насадки).
Под каждым модулем имеется глухая по жидкой части тарелка
желобчатого типа, откуда насосами забираются циркуляционные орошения колонн, а избыток с тарелки через переливные трубки сливается на нижележащие секции насадки.