Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы расчета машин и аппаратов переработки нефти и газа. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный университет»
М. Ю. Сарилов, К. Л. Рубцова
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА МАШИН И АППАРАТОВ
ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА
Утверждено в качестве учебного пособия
Учебно-методическим советом Федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный университет»
Комсомольск-на-Амуре
2019
1
УДК 66.02(07)
ББК 35.514-5я7
С201
Рецензенты:
Лаборатория механики деформирования
ФГБУН «Институт машиноведения и металлургии
Дальневосточного отделения Российской академии наук»,
зав. лабораторией д-р техн. наук, профессор В. М. Козин;
В. В. Черномас, д-р техн. наук, профессор кафедры теории и методики
технологического образования ФГБОУ ВО «Амурский
гуманитарно-педагогический государственный университет
»
Сарилов, М. Ю.
С201 Теоретические основы расчета машин и аппаратов переработки
нефти и газа : учеб. пособие / М. Ю. Сарилов, К. Л. Рубцова. – Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВО «КнАГУ», 2019. – 60 с.
ISBN 978-5-7765-1410-4
В учебном пособии приведены расчет аппаратов, которые создают
пониженное давление, расчет реакторов и регенераторов каталитических
процессов
, описание процессов гидрокрекинга и гидродеалкилирования;
рассмотрены аппараты установок каталитического риформинга, реакторы
установок каталитической изомеризации, электродегидраторы.
Предназначено для студентов направления 15.04.02 – «Технологические машины и оборудование» программы «Оборудование нефтегазопереработки».
УДК 66.02(07)
ББК 35.514-5я7
ISBN 978-5-7765-1410-4 ФГБОУ ВО «Комсомольский-на-Амуре
государственный университет», 2019
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………. 4
1. РАСЧЕТ АППАРАТОВ, ОБРАЗУЮЩИХ ПОНИЖЕННОЕ
ДАВЛЕНИЕ………………………..………………………………...... 4
1.1. Барометрический конденсатор………………………………….. 5
1.2. Поверхностный конденсатор……………………………………. 7
2. РАСЧЕТ РЕАКТОРОВ И РЕГЕНЕРАТОРОВ
КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ……………………………….. 9
2.1. Аппараты установок каталитического крекинга………………. 9
2.2. Материальный баланс процесса………………………………… 10
2.3. Расчет реактора и регенератора на установке
каталитического крекинга в подвижном слое катализатора…. 18
2.4. Расчет лифт-реактора установки каталитического крекинга…. 31
3. АППАРАТЫ УСТАНОВОК КАТАЛИТИЧЕСКОГО
РИФОРМИНГА……………………………………………………….. 35
4. РЕАКТОРЫ УСТАНОВОК КАТАЛИТИЧЕСКОЙ
ИЗОМЕРИЗАЦИИ……………………………………………………. 43
5. ПРОЦЕСС ГИДРОКРЕКИНГА……………………………………… 46
6. ПРОЦЕСС ГИДРОДЕАЛКИЛИРОВАНИЯ………………………… 51
7. ЭЛЕКТРОДЕГИДРАТОРЫ………………………………………….. 53
7.1. Выбор конструкции и расчет объема электродегидратора…… 53
7.2. Требования к электрооборудованию
электрообессоливающих установок……………………………. 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………….. 58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………….. 59
3
ВВЕДЕНИЕ
Нефть и нефтепродукты представляют собой непрерывные смеси и
состоят практически из бесконечного числа компонентов различных гомологических рядов. При математическом моделировании нефтяные смеси
представляют состоящими из конечного числа условных фракций. Особо
важным является использование достоверных данных по расчету физикохимических и термодинамических свойств углеводородов и узких нефтяных фракций
Актуальными являются вопросы разработки математических моделей и надежности методов расчетов основных процессов и аппаратов
нефтепереработки и нефтехимии, позволяющие на стадии проектирования
обосновать конструктивные характеристики аппаратов, выбрать оптимальный режим их работы. При расчетах установок важной задачей является
проведение проверки расчетов, позволяющих уточнить режимные параметры того или иного процесса
имеющихся аппаратов и оборудования. Проверочные методы, при условии
их надежности и быстродействия, могут применяться также для проектных
расчетов и управления производством.
Процессы фракционирования являются одними из основных в
нефтеперерабатывающей промышленности, поскольку часто именно ими
определяются качества конечных продуктов производства. Отличительной
чертой этих процессов являются большие капиталовложения
тельстве и значительные энергозатраты при эксплуатации. В связи с этим
проблема разработки надежных методов расчетов процессов разделения
имеет большое практическое значение.
1. РАСЧЕТ АППАРАТОВ, ОБРАЗУЮЩИХ
ПОНИЖЕННОЕ ДАВЛЕНИЕ
К вакуумсоздающей аппаратуре относятся барометрические и поверхностные конденсаторы, эжекторы и вакуум-насосы.
Барометрический конденсатор и вакуумный насос являются
значительными источниками загрязнения сточных вод и воздушного бассейна продуктами разложения, в том числе сероводородом, особенно при
переработке сернистых нефтей. Включение поверхностного конденсатора в
вакуумсоздающую систему установок атмосферно-вакуумной трубчатки
(АВТ) исключает непосредственный контакт парогазовой смеси с охлаждающей водой, следовательно исключает загрязнение воды. При этом значительно сокращается количество водного конденсата, получаемого из вакуумсоздающей аппаратуры, так как он образуется только от конденсата водяного пара, подаваемого в вакуумную колонну и на эжектор. Сероводород
.
и определить запас по производительности
при их строи-
наиболее
4
в основном концентрируется в выбросных газах. Это позволяет, применив
сероочистку газового потока, полностью исключить сброс сероводорода в
атмосферу. Тем не менее на установках вакуумной трубчатки встречаются и
поверхностные, и барометрические конденсаторы [16].
Поверхностный конденсатор должен создавать небольшое паровое
сопротивление (не выше 133,3…399,9 Па), иметь достаточно высокий коэффициент теплопередачи и охлаждать уходящий
из аппарата конденсат
до температуры, обеспечивающей минимальный унос водяного пара с газами разложения на эжектор. Коэффициент теплопередачи составляет
58…116 Вт/(м
2
·К). Из вакуумной колонны в конденсатор поступают водя-
ные пары, нефтяные пары, газы разложения, воздух [17].
1.1. Барометрический конденсатор
1. Расход
воздействуют
охлаждающей
разделение
воды GВ, кг/ч,
деятельности
определяют
первой
из
розничной
теплового
прибыли
ба-
ланса конденсатора [18]
п
– I
ж
)
3
,
G
в
=
G
в.п.
I – Ct
2
+ G
rCr
t
3
– t
4
C(t
+ G
– t
2
воздCвозд
)
1
t
3
– t
4
+ G
н(I3
внутренней
где
экономическая
G
розничной
поступающего
воды, кДж/(кг·К); t
уходящей воды, t
тура
конечному
газов,
G
–
r
–
C
r
мероприятий
воздуха,
ных
внутренней
паров,
тальпия
– масса
в.п.
продвижении
в барометрический
3
целом
отсасываемых
целом
количество
элементов
теплоемкость
этапом
кг/ч; C
уходящие
поступающих в
процесс
нефтяных
предприятия
возд
розничной
водяного
–
системе
температура
1
–
более
температура
газов
коммерческая
газов,
производитель
разложения,
– теплоемкость
производитель
паров
воздействие
при
сата, кДж/кг.
Массу воздуха, кг, засасываемого
можно подсчитать исходя
стимое
торгового
где
поставка
падение
места
γ0 – удельная
также
вакуума в
услуг
масса
изыскание
аппарате
факторов
процесс
пара,
степени
сверху
связаны
кДж/(кг·К);
предоставление
барометрический
заключение
t3,
розничной
кДж/кг;
спроса из коммерческая
условия,
поставка
кг/ч;
уходящие
конденсатор,
услуг
поступающей воды, t2 –
конечному
поступающих
связанные
барометрического
изыскание
поступающих в
факторов
воздуха,
процесс
(ΔР)
∆P
=γ
G
В
воздуха
V
0
101325
разделении
при
коммерческая
I – энтальпия
связаны
кДж/кг; С –
торгового
паров
представляют
G
обеспечивающиеI
экономическая
что
закупочной не продвижении
–
зависимости
возд
ж
– энтальпия
3
предоставление
через
элементов
практически
должно
количество
активную
кДж/(кг·К); Gн –
внутренней
конденсатор,
этапом
неплотности в
мероприятий
превышать
273
·
,
T
особенности
нормальных
мероприятий
водяного
увязать
теплоемкость
конечному
температура
товаров
и газов, t4 – темпера-
более
конденсатора,
производитель
конденсатор,
деятельности
засасываемого
связанные
масса
установление
кг/ч;
представляют
нефтяного
процесс
максимально
распределение
1333 Па.
целом
условиях
сопровождаются
1,293 кг/м3;
прибыли
пара,
внутренней
t4 ≈ t1, К;
распределение
кг/ч;
также
нефтя-
п
продвижении
I
– эн-
3
связанные
конден-
предоставление
аппаратуре,
зависимости
допу-
связаны
только
связанные
V –
обеспечивающие
объем
более
объему
на
разделение
герметичность;
связанные
аппарата,
широкого
колонны, м3; Т –
места
Температуру
определить
внешней
находящегося
продвижении
абсолютная
установление
можно
представляют
отсасываемого
изыскание по разделение
эмпирической формуле
уходящие
принять
информационное
под
системы
вакуумом,
коммерческая
температура в
экономическая
Т ≈ 300 К.
факторов
воздуха
услуг
и газов
5
целом
можно
целом
системе
более
разложения
этом
принять
элемент
при
конечному
испытании
производитель
широкого
равным
t4
системы
можно
относятся
деятельности
–t
2
элементов
воды,
1
+4.
первой
тем
экономическая
легче
отличительным
достигается
развивающейся
более
внутренней
Чем
производитель
ниже
t
4
представлено
температура
=t1+0,1
являясь
отходящей
t
глубокий вакуум.
Масса технологического водяного пара, поступающего в конденсатор, равна массе пара, подаваемого в колонну. Рекомендуют подавать водяной пар в отгонную часть вакуумной колонны 1,2…1,4 % от массы мазута, в отпарные секции – не более 0,2 %. Обычно принимают, что газы разложения G
на установке перегонки мазута составляют 0,1 % на сырье. Мас-
r
са сухих газов G, кг/ч, отсасываемых эжектором или вакуумным насосом:
процесс
где G
метрический
где Gв –
удобством
необходимого
уходящие
уходящих
места
принята
где Н
системы
уравновешивающая
ным
`
–
системе
возд
2.
масса
представляют
конденсатор,
мероприятий
расход
установление
Диаметр
предприятия
заключение
из
только
по
внутренней
практическим
Высоту
0
экономическая
давлением
распределение
барометрической
Р
–P
а
=
133300
также
воздуха,
удобством
воды, м3/ч.
сечения
представляют
конденсатора,
γ
·
γ
удобством
и давлением в
Р – абсолютное
G=G
изыскание
выделяемого
являясь
кг/ч:
G
коммерческая
барометрической
элемент
трубы,
воздействие
данным (0,5…2,0 м/с).
возд
`
≅0,025G
возд
зависимости
зная
разделение
и скорость
внутренней
трубы, м,
H=H
рт
–
разделение
высота
в
конечному
в статическом
являясь
давление
элементы
уходящие
атмосферное и в
`
+G
+h1+h,
0
воды в
закупочной
состоянии
этом
барометрическом
+G
возд
относятся
из
конечный
воды,
ρ
в
возд
заключение
трубы
предприятия
общий
коммерческая
объем
являясь
потока,
торгового
определяют
,
r
установление
которая
,
коммерческая
определяют
более
барометрической
разделении
разность
развивающейся
поступает
представлено
воды
продвижении
и конденсата,
предприятия
которая
более
по
этапом
формуле
отличительным
между
поставка
конденсаторе, м; Pа,
разделение
конденсаторе,
экономическая
в баро-
поставка
исходя
особенности
может
элемент
быть
установление
элемент
трубе,
этапом
атмосфер-
элемент
Па; γрт,
воздействуют
из
γв –
h – высота,
системы
барометрической
представляют
где
g – ускорение
ния
связаны
сопротивления
(H0 + h + 1), м; d – диаметр
элементов
плотность
развивающейся
Высоту
воздействуют
u – скорость
экономическая на воздействуют
входе и
представляют
ртути и
экономическая
соответствующая
воздействуют
h, м, можно
уходящие
силы
увязать
трению λ = 0,3164/√Re4; Н' – высота дополнительная, равная
закупочной
воды,
производитель
трубе, м.
удобством
рассчитать
h =
закупочной
движения
целом
тяжести, м/с2;
услуг на товаров
выходе
относятся
кг/м3; h1 –
распределение
потере
2
u
1+∑ξ +λ
2g
предоставление
конденсата и
∑
этом из коммерческая
трубы; ξ1 = 0,5; ξ2 = 1; λ – коэффициент
разделении
трубы,
распределением
м.
производитель
напора
торгового
по формуле
ξ=ξ1+ξ
элементов
запас
`
H
,
d
предприятия
воды
2
прибыли
предоставление
при
информационное
в трубе (0,5…2,0 м/с);
–
распределение
коэффициент
высоты (0,5…1,0 м);
производитель
движении
являясь
потока в
воздействие
сопротивле-
3. Диаметр барометрического конденсатора определяют исходя из
скорости газов и паров в этом аппарате. Практически она равна 35…50 м/с.
6
Зная объем, м
3
/с, газов и паров воды в барометрическом конденсаторе и
задаваясь скоростью движения, определяют поперечное сечение и диаметр
конденсатора. При расчете диаметра следует принимать производительность в 1,5 раза больше фактической, так как полки занимают 70 % сечения барометрического конденсатора.
Вакуум-насосы и эжекторы подбирают в зависимости от массы газов
разложения и воздуха,
засасываемого через неплотности аппаратов и вы-
деляемого охлаждающей водой.
1.2. Поверхностный конденсатор
товаров
Поверхностный
ру-холодильнику.
мена и
поступает
торговых
подбирают
управление
Пример
торгового
1.1. В конденсатор-холодильник с
конечному
продукт
системы
конденсатор
разделение
Определяют
увязать
стандартный аппарат.
только
, состав которого приведен в табл. 1.1.
внешней
рассчитывают
связанные
расход
связанные
воды,
предоставление
аналогично конденсато-
также
общую
развивающейся
верха
мероприятий
поверхность
предоставление
вакуумной
удобством
теплооб-
процесс
колонны
экономическая
Таблица 1.1
Состав продуктов
Продукт %, масс. кг/ч м моль/ч %, мол. Мольные
доли
Водяной пар 71,84 3100 18 172,20 88,4 0,884
Нефтяные пары 5,79 250 260 0,96 0,5 0,005
Газы
разложения
Сероводород 1,90 82 34 2,40 1,2 0,012
Воздух 1,40 60 29 2,10 1,1 0,011
Итого 100 4315 – 194,86 100 1,000
19,07 823 48 17,20 8,8 0,088
Давление на верху колонны 5332 Па; температура 90 °С. Потери
напора в шлеме 266,6 Па. Определить расход воды и поверхность
поверхностного конденсатора. Принять: конечную температуру охлаждения
продукта 29 °С, начальную температуру воды 25 °С и конечную
15
29 °С. Плотность нефтепродукта d
К = 58 Вт/(м
2
·К) [14].
Решение. В поверхностном
сация
системы
сероводорода
увязать
водяных
факторов
и нефтяных
распределением
и воздуха.
1. Количество
спроса
тепла,
также
паров
распределение
выделяемое
=0,85.Коэффициент теплопередачи
15
зависимости
конденсаторе
процесс
и охлаждение
поставка
при
спроса
идет
коммерческая
охлаждении и
деятельности
охлаждение
конечному
газов
факторов
и конден-
этапом
разложения,
степени
конденсации
торговых
нефтепродукта,Вт:
п
Q
н.пр
=G
н.пр
I
90
–I
ж
29
,
Q
=250496,56–54,72=30708.
н.пр
7
2. Определяем
ное
системы
давление
элементы
Температура
ляет 31 °С.
3. Находим
места
температуре
спроса
температуру
поставка
водяных паров, Па:
Р
=5332–266,6·0,884=4478.
в.п.
особенности
конденсации
коммерческая
давление
процесс
охлаждения
уходящие
насыщенных
розничной 29 степени
°С, Па:
= 0,04083 кг/м2 = 4004.
Р
в.п.
конечный
конденсации
=πy,
Р
в.п.
разделение
водяных
элемент
паров
элементы
водяных
экономическая
водяных
сопровождаются
при
элемент
этом
представлено
паров
этапом
паров. Парциаль-
розничной
давлении
отличительным
при
товаров
состав-
поставка
конечной
4. Количество
моль/ч:
Количество
целом
несконденсировавшихся
конденсатор, моль/ч:
или
конечному По закупочной
данным
предоставление
несконденсированных
G
температуры
=1750 кг/ч.
в.п.н.
5.
предприятия
Тепло,
системы
выделяемое
удобством
конденсации
сопровождаются
неконденсирующихся
=G
G
газ
= 17,2 + 2,4 + 2,1 = 21,7.
G
газ
в.п.н.
=
G
P
г.р
в.п.
P
+G
G
газ
газ
сер
=
4004·21,7
G
внешней
проектных
увязать
водяных
=
в.п.н.
G
обеспечивающие
31 °С, кДж/ч:
5065,4–4004
=81·18≈1460.
в.п.н.
торговых
организаций,
уходящие
паров
являясь
водяным
=G
Q
1
в.п.
услуг
паром
особенности
n
l
–
90
связаны
паров (см.
+G
этапом
водяных паров, покидающих
P
П– P
в.п.
возд
G
,
газ
в.п.
,
системе
условие
обеспечивающие
примера),
=81,
экономическая
принимаем
процесс
количество
на 19…20 % больше, т.е.
удобством
при
места
охлаждении с
n
,
l
31
элемент 90 розничной
°С
товаров до информационное
сопровождаются
Тепло,
внутренней
Тепло,
элемент
температуры
уходящие 29 более
°С, кДж/ч:
=3100
Q
1
широкого
выделяемое
=3100–1750·2427=3276450.
Q
2
связаны
выделяемое
процесс
конденсации
2658 – 2556
относятся
паром
представлено
при конденсации, кДж/ч:
Q
2
широкого
конденсатом
внешней 31 распределением
°С
=G
Q
3
в.п.к
=G
развивающейся до этом
l,
в.п.к
процесс
паров
конечной
С31 – 29,
8
=316200.
услуг
при
более
внутренней
температуры
его
товаров
охлаждении
спроса
охлаждения
продвижении
от
Q
=1350·4,180·2=11286.
3
Общее
6.
мероприятий
количество
Q
В.П.
коммерческая
Количество
являясь
тепла,
=316 200+3276 450+11 286=3603936.
розничной
тепла,
обеспечивающие
выделяемое
=Q1+Q2+Q
Q
В.П.
относятся
выделяемое
внутренней
водяным паром, кДж/ч:
сопровождаются
при
разложения + сероводород + воздух), кДж/ч:
t
–t
1
90–29=104 779.
развивающейся
тепла, кДж/ч:
`
+Q
в.п.
+
Ct3–t4,
7.
уходящие
Суммарное
Q
8. Расход воды, м
мероприятий
где
установление
t3, t4 – конечная и
элемент
воды,
распределением
кДж/(кг·К);
=G
Q
Q
=823+82+60
r
процесс
количество
Q=Q
=110 460+3 603 936+104 779=3 819175.
3
/ч:
внешней
начальная
r смCсм
r
·1,78
производитель
снимаемого
н.пр
Q=G
B
предоставление
температуры
Q
=
G
в
Ct
3
–t
4
,
3
прибыли
охлаждении
,
2
Qr,
установление
воды,
предоставление
°С; С – теплоемкость
,
факторов
смеси
этапом
газа
системы
(газы
9. Общая
3819175
G
=
в
4,1809·4
экономическая
поверхность
=228 370
отличительным
теплообмена, м2:
кг
=228.
ч
Q
F
=
K·τ
,
cp
1 061 730
F=
=1408.
58·13
2. РАСЧЕТ РЕАКТОРОВ И РЕГЕНЕРАТОРОВ
КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
2.1. Аппараты установок каталитического крекинга
Процесс
спроса
каталитического
относятся
крекинга
зависимости
широко
активную
распространен в России и
за рубежом [1]. Этот процесс непрерывно совершенствуется: увеличивается мощность установок по сырью, алюмосиликатные катализаторы заменяются цеолитными (табл. 2.1).
9
Таблица 2.1
Характеристика алюмосиликатного и цеолитсодержащего катализаторов
Показатели Алюмосиликатный Цеолитсодержащий
шариковый пылевидный
Средний диаметр частиц, мм 3 0,4…0,08 –
Плотность, т/м3:
- насыпная
- кажущаяся
- истинная
Удельная поверхность, м2/г 420 374 150
Удельный объем пор, см3/г 0,50 0,39 0,35
Средний диаметр пор, А 47 30 –
0,70
1,1
2,42
0,82
1,38
2,25
0,72
1,12
1,85
Каталитический
лении 0,17…0,18 МПа. В лифт-реакторах
530…550 °С.
предоставление
получаемых
торгового Но уходящие
есть
конечный
в присутствии
коммерческая
крекинг
коммерческая
данные,
целом
ведут
конечный
свидетельствующие о
прибыли
цеолитных
воздействуют
при
товаров
450…510 °С и
распределением
температуру
товаров
катализаторов
закупочной
абсолютном
товаров
поддерживают
услуг
хороших
коммерческая
при
сопровождаются
более
широкого
дав-
закупочной
результатах,
увязать
мягком
режиме, – 470…490 °С.
Сырьем каталитического крекинга служат в основном вакуумные газойли, дистилляты коксования и гидрокрекинга, используют также деасфальтизаты нефтяных остатков. В последние годы все чаще применяют
гидроочистку сырья каталитического крекинга, в результате чего снижается коксообразование и увеличивается глубина конверсии сырья. Кратность
циркуляции катализатора на установках с гранулированным катализатором
2…7 т/т сырья, с микросферическим – 7…20 т/т сырья. Допустимые отложения кокса на гранулированном катализаторе 1,5…1,8 %, на микросферическом – 3…5 % масс.
В данном разделе приведены задачи на составление материальных
балансов процесса, расчет реакторно-регенераторного блока установок каталитического крекинга с подвижным и кипящим слоями катализатора,
лифт-реактора и печей для дожига оксида
углерода.
2.2. Материальный баланс процесса
только
Выход
эмпирическим
места
продуктов
поставка
формулам
воздействие
каталитического
спроса
Бондаренко, а также таблицам и
мероприятий
крекинга
торгового
можно
товаров
определить
относятся
графикам
факторов
Нель-
связаны по широкого
сона. Формулы Бондаренко справедливы лишь для каталитического крекинга прямогонных керосиновых и соляровых дистиллятов при однократном их пропуске. Методом Нельсона можно приближенно подсчитать выход продуктов для различных видов сырья и с разной степенью рециркуляции газойля. По этому методу вначале необходимо подсчитать фактор
жесткости крекинга. Фактор жесткости –
это отношение кратности цирку-
воздействуют
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]