2.3 Расчет сепаратора.

1) Исходные данные.

Из реактора газопродуктовая смесь проходит через теплообменник , где охлаждается до 150 С и поступает в сепаратор высокого давления (ВД) для выделения циркулирующего водородсодержащего газа.

Давление в сепараторе равно 1,8 МПа .

2) Определение состава газопродуктовой смеси, поступающей в сепаратор высокого давления.

Из материального баланса блока гидроочистки (таблица 2.5) видно, что выход углеводородного газа составляет 889,375 кг/ч, расход свежего ВСГ – 726,375 кг/ч, из них кг/ч чистого водорода расходуется на реакцию. Остается 726,375-218,0=508,3750 кг/ч углеводородного газа свежего ВСГ.

Состав углеводородного газа свежего ВСГ:

Таблица 2.10

Показатель	Н2	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5+	Н2S
Содержание компонента, % мас.	0,223	0,242	0,191	0,145	0,105	0,1	0,005
Расход, кг/ч	-	434,51	342,94	260,34	188,53	179,55

Углеводородный газ составляет 100 - (22,3+0,005) =77,695 % мас.

1395,0 кг/ч составляют 77,695 %, а 24,2% СН₄ составляют (24,21395,0)/177,695=434,51 кг/ч и т. д.

Состав углеводородных газов, образующихся при гидрогенолизе,

принимаем в соответствии с заводскими данными (в % мас.).

Количество газов гидрогенолиза: 1787,0-1395,0=392,0 кг/ч.

Таблица 2.11 Состав газов гидрогенолиза.

Компоненты		% мас. на газ	кг/ч	М	кмоль/ч	% об. на газ
Метан Этан Пропан Бутан		7,4 19,9 38,8 33,9	29,0 78,0 152,1 132,9	16 30 44 58	1,81 2,60 3,46 2,29	18,0 25,0 34,0 23,0
	Итого:	100,0	392,0	-	10,16	100,0

Компоненты		% мас. на газ	кг/ч	М	кмоль/ч	% об. на газ
Метан Этан Пропан Бутаны С5+		25,80 23,41 22,94 17,83 10,02	460,76 418,19 409,70 318,68 179,55	16 30 44 58 72	28,80 13,40 9,31 5,49 2,49	48,15 22,50 15,69 9,33 4,33
	Итого:	100,00	1787,00	-	60,04	100,00

Определяем молекулярную массу газов гидрогенолиза:

кг/кмоль.

Общий состав углеводородных газов, свежего ВСГ и газов гидрогенолиза

определяем, используя данные таблицы 2.10, 2.11.

Таблица 2.12 Суммарный состав углеводородных газов.

Определяем молекулярную массу углеводородного газа (общего):

кг/кмоль

Состав и количество продуктовой смеси, поступающей в сепаратор высокого давления, без учета ЦВСГ приведены в таблице

Состав продуктовой смеси без учета ЦВСГ.

Таблица 2.13

Компоненты		кг/ч	М	кмоль/ч
1. Гидрогенизат		242890,00	190	1278,37
	Итого:	242890,00	-	1278,37
2. Метан 3. Этан 4. Пропан 5. Бутаны 6. С5+ 7. Сероводород		460,76 418,19 409,70 318,68 179,55 3147,50	16 30 44 58 72 34	28,80 13,64 9,31 5,49 2,49 92,57
	Итого:	4934,38	-	152,61
Всего		247824,38	-	1430,98

Таблица 2.14

Состав циркулирующего водородсодержащего газа (ЦВСГ),[18].

Компоненты		% мас. на газ	кг/ч	М	кмоль/ч
Водород Метан Этан Пропан Бутаны С5+		19,7 37,6 15,4 7,6 4,5 13,5	5070,77 9612,90 3979,65 2000,40 1213,77 3497,52	2 16 30 44 58 72	2535,39 600,81 132,65 45,46 20,93 48,58
	Итого:	100,0	25375,00	-	3383,81

Таблица 2.15

Количество газопродуктовой смеси, поступающей в сепаратор ВД

Компоненты		Базовая смесь		ЦВСГ		Газопродуктовая смесь
		кг/ч	кмоль/ч	кг/ч	кмоль/ч	кг/ч	кмоль/ч
Водород Метан Этан Пропан Бутан С5+ Сероводорд Гидрогенизат		- 460,76 418,19 409,70 318,68 179,55 3147,50 242890,00	- 28,80 13,64 9,31 5,49 2,49 92,57 1278,37	5070,77 9612,90 3979,65 2000,40 1213,77 3497,52 - -	2535,39 600,81 132,65 45,46 20,93 48,58 - -	5070,77 10073,66 4397,84 2410,1 1532,45 3677,07 3147,50 242890,00	2535,39 629,61 146,29 54,77 26,42 51,07 92,57 1278,37
	Итого:	247824,38	1430,98	25375,00	3383,81	273199,3	4814,79

3) Определение мольного состава паровой и жидкой фаз.

Основа для расчета размеров сепаратора - уравнение равновесного состава газовой и жидкой части сырья в сепараторе:

,

где - мольная доля i-го компонента в парах;

- константа фазового равновесия i-го компонента.

,

где - упругость паров i-го компонента;

- давление в сепараторе.

Приблизительно численное значение константы фазового равновесия (КФР) водорода при давлениях, не сильно отличающихся от того давления, для которого эта величина известна, можно определить, исходя из равенства:

,

где - искомое численное значение КФР водорода при общем давлении р (р=4,3Мпа);

- известное численное значение КФР водорода при общем давлении ;

при МПа и С , [21,стр.234],

Значение КФР для углеводородных газов от С₁ до С₄ определяем по графику [21,стр.234] Экспериментально установлено, что при расчете систем, содержащих молекулярный водород, найденные по графикам, должны быть умножены на поправочный коэффициент. Численное значение этого коэффициента зависит от давления и состава газовой среды.

Если концентрация водорода в системе достаточно высока, а общее давление находится в пределах 3,0-6,0 МПа, то поправочный коэффициент принимается равным 0,8:

При отсутствии опытных данных допустимо для сероводорода принимать промежуточное значение КФР между найденными для этана и пропана, учитывая, что их температуры кипения (при 0,1 МПа) равны соответственно - 89 ⁰С и - 42,1 ⁰С; температура кипения сероводорода - 60,4 ⁰С.

При отсутствии для заданных условий опытных значений КФР углеводородных фракций, они могут быть приравнены отношению давления насыщенных паров фракции при температуре системы к общему давлению.

Давление насыщенных паров бензиновой фракции вычисляем по формуле Ашворта:

, [28,стр.114]

где - функция температуры:

,

⁰С,

⁰С - температура кипения фракции при атмосферном давлении.

Задача расчета сепаратора решается таким путем: при заданном давлении (р=4,3 МПа) и температуре (t=250 ⁰C) определяется мольный состав паровой и жидкой фаз. Если заданные условия не позволяют определить требуемое количество газа (N_ЦВСГ), то их необходимо изменить.

Методика расчета согласно [24] приведена ниже.

Основные уравнения для расчета:

где N - общее число молей в исходной смеси;

N_i - число молей компонента i в исходной смеси;

К_i - константа фазового равновесия компонента i;

- общее число молей в равновесной газопаровой фазе;

- мольная доля компонента i в жидкой равновесной фазе;

- массовое количество компонента i в газопаровой равновесной фазе;

- общее массовое количество смеси газов и паров;

- молекулярная масса компонента i

Таблица 2.16 Состав равновесной паровой смеси.

Название	М, кг/кмоль	К	N , кмоль/ч	Х	Y
Водород Метан Этан Пропан Бутаны С5+ Сероводород Гидрогенизат	2 16 30 44 58 72 34 190	28,60 5,94 3,52 2,16 1,3 0,8 2,84 0,068	2362,37 569,53 121,32 47,18 9,10 151,65 16,85 90,99	0,0245 0,0264 0,0085 0,0053 0,0014 0,0016 0,0024 0,9300	0,7010 0,1690 0,0360 0,0140 0,0027 0,0450 0,0050 0,0270
Итого:			3370,00	1,0000	1,0000

4) Расчет размеров сепаратора.

На основании расчета состава паровой фазы приступаем к расчету сепаратора высокого давления.

Объем газов и паров, отделяющихся в сепараторе:

,

где - количество i-го компонента в газовой смеси, кг/ч;

- молекулярная масса i-го компонента;

р - давление в сепараторе, МПа;

t - температура в сепараторе, ⁰С ;

Молекулярная масса отделяемого газа (ЦВСГ) равна 7,53 кг/кмоль.

, [28, стр.120].

Диаметр сепаратора определяется по формуле:

м.,

где - допустимая линейная скорость газового потока, м/с . Принимаем м/сек, [24].

Линейная скорость движения нестабильного гидрогенизата определяем по формуле:

м/с

Количество жидкости в сепараторе:

кг/ч , где кг/ч - количество газопродуктовой смеси, поступающей в сепаратор ВД.

Объем жидкой фазы в сепараторе определяется по формуле:

м³/с ,

где - плотность нестабильного гидрогенизата при t=250⁰С.

,

- плотность нестабильного гидрогенизата при 20 ⁰С .

кг/ м³

Принимаем -минутный запас жидкости, тогда высота жидкости в сепараторе составит:

м

Площадь поперечного сечения сепаратора:

м²

Время пребывания газа в сепараторе сек., тогда:

м

Общая высота сепаратора определяется по формуле:

м ,

где - высота опорной части.

Принимаем м.