Установка первичной переработки нефти (АВТ) мощностью 3,2 млн.т/год Еланской нефти

 

7.3 Расчет температуры  вверху колонны

 

     Вверху колонны давление  определяется с учетом гидравлического  сопротивления тарелок. р= р_вх - 20·0,8 = 1000 - 20·0,8 = 984 кПа, где р_вх=1000 кПа - давление на входе в стабилизационную колонну.

    Расход вверху колонны  с учетом орошения равен: 42354,93кг/час.

    Если имеет место полная  конденсация верхнего продукта  колонны, должно соблюдаться условие:

       k_i - константа фазового равновесия i-компонента.

     

где р_нi - давление насыщенных паров i-компонента углеводородной смеси при температуре вверху колонны, кПа;

Давление насыщенных паров находим  с помощью формулы Антуана:

A,B,C- константы, индивидуальные для каждого углеводорода[10].

Метан:A=6,56430;B=380,224;C=264,804;

Этан: A=6,81882;B=661,088;C=256,504;

Пропан: A=6,83054;B=813,684;C=248,116;

Бутан: A=6,88032;B=968,098;C=242,555;

 

       Результаты расчета представлены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Параметры  смеси выходящей с верха колонны  при температуре 48,7^оС.

Фракция	Мi, кг/кмоль	Массовые доли, хi	Расход, кг/ч	Расход кмоль/ч	Мольные доли, у'i	Рнi, кПа	Кi	у'i/Ki
Метан	16,00	0,0467	1977,98	123,623	0,1318	38028,5969	38,6469	0,003411
Этан	30,00	0,0783	3316,39	110,546	0,1179	6271,8489	6,3738	0,018493
Пропан	43,00	0,2212	9368,91	217,882	0,2323	1711,4176	1,7392	0,133573
Бутаны	57,00	0,6538	27691,65	485,818	0,5180	603,3684	0,6132	0,844781
Итого	45,16	1,000	42354,93	312,334	1,0000	-	-	1

Исходя из расчетов, температура  верха колонны равна 48,7˚С.

 

7.4 Расчет температуры внизу колонны.

 

Внизу колонны давление определяется с учетом гидравлического сопротивления  тарелок. р= р_вх + 20·0,8 = 1000 + 20·0,8 = 1016 кПа, где р_вх=1000 кПа - давление на входе в стабилизационную колонну.

Температура низа колонны определяется из уравнения начала ОИ стабильного бензина, выводимого снизу колонны

 

Taблицa 7.3 - Параметры смеси выходящей с низа колонны при температуре 172,7^оС

Фракция	Мi, кг/кмоль	Массовые доли, хi	Расход, кг/ч	Расход кмоль/ч	Мольные доли, x'i	Рнi, кПа	Кi	x'i∙Ki
28-62	75,45	0,3585	22577,84	298,94	0,42472	1581,0820	1,556183	0,6609
62-85	85,75	0,1714	10794,54	123,43	0,17537	924,7960	0,910232	0,1596
85-105	94,75	0,2014	12683,90	130,06	0,18478	599,7575	0,590313	0,1091
105-140	107,82	0,2687	16922,36	151,42	0,21513	332,3326	0,327099	0,0704
Итого	87,27	1,000	62978,63	703,86	1,0000	-	-	1

 

7.5 Тепловой баланс  колонны

Целью расчета теплового баланса  колонны является определение количества тепла, которое необходимо внести в нее «горячей струей». Составляем уравнение теплового баланса учитывая все потоки входящие и выходящие из колонны.

, где

Q_сырья - количество тепла вносимого в колонну с сырьем.

Q_г.стр. - количество тепла вносимого в колонну «горячей струей».

Q_{орошения} - количество тепла вносимого в колонну острым испаряющимся орошением вверху колонны.

        Q_куб - количество тепла уходящее из куба колонны (включает в себя стабильный бензин и горячую струю).

Q_верх - количество тепла уходящее из верха колонны (включает в себя углеводородные газы выводимые с установки и острое орошение).

Полное уравнение теплового  баланса:

           

Из этого уравнения можно  найти расход «горячей струи»:

  ,

где G - расходы потоков, H - энтальпии потоков, - доля отгона паров (см. п.6), R=2 – кратность орошения.

Рассчитаем энтальпии всех потоков  колонны:

1. средняя энтальпия испаряющегося орошения:

, где М - молярная масса дистиллята колонны (см табл.7.2)

где коэффициент для расчета энтальпии жидких нефтепродуктов в зависимости от температуры.

2. энтальпия паровой фазы:

, где М - молярная масса дистиллята колонны (см табл.7.2).

  – коэффициент для расчета энтальпии паров нефтепродуктов в зависимости от температуры.

        3) энтальпия сырья:

_{а) для паровой  фазы:} 

, где М - молярная масса паровой фазы на входе в колонну (см п.6).

  – коэффициент для расчета энтальпии паров нефтепродуктов в зависимости от температуры.

_{б) для жидкой фазы:}

 

где коэффициент для расчета энтальпии жидких нефтепродуктов в зависимости от температуры.

, где М - молярная масса жидкой фазы на входе в колонну (см п.6).

4) энтальпия кубового продукта:

где коэффициент для расчета энтальпии жидких нефтепродуктов в зависимости от температуры.

, где М - молярная масса кубового продукта колонны (см табл.7.3).

5) энтальпию горячей струи:

где коэффициент для расчета энтальпии жидких нефтепродуктов в зависимости от температуры.

  – коэффициент для расчета энтальпии паров нефтепродуктов в зависимости от температуры.

Таким образом, определяем расход «горячей струи»:

 

Рассчитанный расход «горячей струи» обеспечивает поддержание температурного режима в колонне.

Результаты расчета сведем в таблицу.

 

Таблица 7.4 - Характеристика потоков.

	Расход, кг/час	Температура, оС	Энтальпия пара Нп, кДж/кг	Энтальпия жидкости Нж, кДж/кг
Сырье	101020,03	150	609,86	353,44
Стабильный бензин	62978,63	182,7	-	511,58
Углеводородный газ	14118,31	48,7	565,05	-
«Горячая струя»	11558,9	200	685,97	527,335
Испаряющееся орошение	2·Gу/в.г.=2·14118,31= =28236,62	40	-	97,43

 

 7.6 Расчет основных размеров колонны.

 

7.6.1 Определение диаметра  колонны.

Для расчета диаметра ректификационной колонны необходимо определить объемный расход паров (м³/ч) в тех сечениях колонны, где они образуются (эвапорационное пространство, куб колонны и верх). Для эвапорационного пространства и куба это можно сделать, используя данные, полученные при расчете доли отгона на ЭВМ.

Объемный расход паров определяем по формуле:

, где

22,4·10^-3 – молярный объем, м³ (объем одного моля паров),

n – количество молей,

р₁, Т₁ – температура и давление при нормальных условиях (273 К и 101,3 кПа)

р₂, Т₂ – температура и давление при условиях испарения.

Количество молей пара в кубе колонны:

моль/с, где G_г.стр. – «расход горячей струи», М_п.ф. – молярная масса паровой фазы «горячей струи» (табл. 7.3).

Объемный расход паров в кубе колонны:

м³/с

В верхней части колонны объёмный расход паров:

 м³/с

моль/с, где G’ – мольный расход паров в верхней части колонны (табл.7.2).

Количество молей пара в эвапорационном пространстве:

 моль/с, где 501,3103·10³ – количество моль в час пара в эвапорационном пространстве (см. п. 6, табл. 6.3).

Объемный расход паров в эвапорационном пространстве:

 м³/с

Следовательно, наибольший расход паров  обеспечивается в эвапорационном пространстве.

Определяем допустимую линейную скорость паров в колонне [6]:

, где

        Плотность жидкой фазы:

r₁₅¹⁵ = 1,03∙М/(44,29+М),

где М – молярная жидкой фазы, кг/кмоль.[см. пункт 6]

r₁₅¹⁵ = 1,03∙86,32/(44,29+86,32)=0,68

r₁₅¹⁵=r₄²⁰+0,0035/r₄²⁰, отсюда r₄²⁰=0,676

a=0,000897

r₄¹⁵⁰=r₄²⁰-a∙(t-20)=0,676-0,000897∙(150-20)= 0,559

r_ж= 559 кг/м³

= кг/м³

V_м – молярный объем, М – молярная масса паровой фазы (см. п. 6).

с - коэффициент, зависящий от типа тарелок и расстояния между ними, для клапанных тарелок с расстоянием 600 мм равен 950 [12].

м/с

Определяем диаметр колонны  в наиболее нагруженном по парам  сечении:   м

Принимаем из стандартных значений ближайшую большую величину. Окончательно выбираем диаметр нижней части колонны 1,2 м.

Как правило, стабилизационные колонны  выполняются переменного диаметра, поэтому необходимо определить диаметр  верха колонны.

Линейная скорость паров:

м/с

r₁₅¹⁵ = 1,03∙М/(44,29+М),

где М – молярная жидкой фазы, кг/кмоль.[см. пункт 7.2]

r₁₅¹⁵ = 1,03∙45,16/(44,29+45,16)=0,52

r₁₅¹⁵=r₄²⁰+0,0035/r₄²⁰, отсюда r₄²⁰=0,520

a=0,000936

r₄^48.7=r₄²⁰-a∙(t-20)=0,520-0,000936∙(48,7-20)= 0,433

r_ж= 433 кг/м³

= кг/м³

V_м – молярный объем, М – молярная масса паровой фазы (40.67кг\кмоль).

Диаметр верха колонны:

м

Принимаем 1,0 м.

7.6.2 Определение высоты  колонны.

Высота колонны складывается из нескольких составных частей:

h₁ - шлемовая часть колонны, включает в себя сепарационное пространство и составляет 1,5 - 2 м (принимаем 1,5 м).

h₂ - верхняя тарельчатая часть м, где h₀ - расстояние между тарелками, а n - количество тарелок в верхней части колонны.

h₃ - эвапорационное пространство колонны (принимаем 1 м).

h₄ - нижняя тарельчатая часть м.

h₅ - сепарационная часть, необходимая для предотвращения уноса «горячей струей» жидкости из куба колонны (принимаем 1 м).

h₆ - десятиминутный запас колонны

 м.

h₇ - высота юбки колонны (принимаем 3 м).

Общая высота колонны:

 
8 Расчёт коэффициента теплопередачи в теплообменнике

 

 

Произведём расчёт коэффициента теплопередачи теплообменника «Нефть-ВЦО К-5» с помощью программы “Ktepper”. Характеристику ВЦО К-5 принимаем как для фракции 360-400°С (по таблице 19, [2]).