Общие сведения о перегонке и ректификации

Тарелки с капсульными колпачками представляют собой диск с отверстиями, к которым приварены паровые патрубки; над патрубками установлены колпачки (диаметром от 60 до 150 мм), имеющие прорези для прохода П (Г) высотой от 15 до 30 мм. Уровень жидкости на тарелке данного типа (также как и для других тарелок, работающих с переливными устройствами) устанавливают при помощи регулируемой сливной перегородки. Преимущество тарелок данного типа - универсальность в работе, простота эксплуатации; недостатки - трудоемкость установки и регулировки колпачков.

Тарелки с туннельными колпачками собирают из штампованных желобов, уложенных по ходу движения жидкости и закрытых колпачками желобообразной формы с прорезями для прохода паров. Преимущество данного типа - легкость очистки колпачков при малом их количестве на тарелке; недостаток - невысокая эффективность.

Тарелки из S- образных элементов устанавливают перпендикулярно направлению движения жидкости, а сам элемент состоит из двух частей - желобчатой и колпачковой, имеющей прорези для прохода паров; элементы собирают так, что колпачковая часть предыдущего элемента закрывает желобчатую часть последующего элемента. Тарелки данного типа широко распространены благодаря низкой металлоемкости, высокой производительности и эффективности в работе (к.п.д. = 0,6-0,8).

1.7.2 Клапанные тарелки

В эту группу можно отнести тарелки с дисковыми и прямоугольными клапанами, клапаны с индивидуальным и групповым балластом. Клапанные тарелки используют в колоннах, работающих при атмосферном или повышенном давлении при нагрузках по жидкости до 100 м³/ м^{2 .} ч. Тарелки широко распространены благодаря своим преимуществам: малой металлоемкости, относительно простой конструкции, невысокой стоимости, высокой эффективности (к.п.д. равен 0,7-0,85). Основное достоинство этих тарелок по сравнению с контактными устройствами других типов - динамичный режим их работы и способность обеспечить эффективный массообмен в широком диапазоне рабочих нагрузок; это достигается за счет изменения положения клапана в отверстиях тарелки (для дисковых клапанов) при изменении нагрузки колонны по паровой фазе, или путем утяжеления клапана (для балластных). Диапазон устойчивой работы клапанных тарелок составляет 3,5.

Наибольшее распространение получили тарелки с дисковыми клапанами. Клапаны диаметром 50 мм снабжены тремя направляющими разной высоты и установлены в отверстиях тарелки в шахматном порядке. Для предотвращения прилипания клапана к тарелке он снабжен упором. Важнейшим эксплуатационным показателем для клапанных тарелок является вес клапана, который должен обеспечить динамический режим работы тарелок при изменении нагрузки колонны по паровой фазе.

1.7.3 Ситчатые тарелки

В эту группу входят простые ситчатые тарелки, представляющие собой перфорированный диск с отверстиями диаметром от 2 до 6 мм, расположенными на полотне тарелки в шахматном порядке, а также разновидности этих тарелок, например, ситчатая тарелка с S- образной перегородкой, ситчато-клапанная тарелка, ситчатая тарелка с просечно-вытяжными устройствами и др. Их используют в колоннах, работающих с чистыми жидкостями при любых давлениях и при соблюдении стабильного режима работы. Нагрузка по жидкости в зависимости от разновидности тарелки может изменяться от 40 до 180 м³/ м^{2 .} ч.

Преимущества тарелок - простота конструкции, малая металлоемкость, большое свободное сечение тарелки, высокая производительность по П (Г), а для последней разновидности - малое гидравлическое сопротивление и возможность использования в вакуумных колоннах . Недостатки тарелок - высокая чувствительность к точности установки и возможность забивки отверстий.

1.7.4 Решетчатые тарелки

Тарелки данного типа работают без переливных устройств и являются тарелками провального типа. По конструкции - это плоский диск с выштампованными щелями прямоугольной формы (4х60 мм), диаметр которого примерно равен внутреннему диаметру колонны. Прорези тарелки работают периодически, пропуская то жидкий, то паровой поток. Тарелки данного типа используют при больших нагрузках по жидкой фазе. Преимущества тарелок - простота конструкции, малая металлоемкость, возможность работы с загрязненными средами, достаточно высокая эффективность. Недостатки - узкий диапазон устойчивой работы.

1.8 Способ проведения ректификации

По способу проведения различают непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну и из колонны, непрерывно отводятся две и большее число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Схема потоков для непрерывной ректификации: - полной колоны, которая состоит из двух секций - укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкости и стекает по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигнув низа колонны, жидкостной поток, обогащенный тяжелолетучими компонентами, подается в куб колонны. Там жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий из этой секции пар (так называемый отгонный) поступает в укрепляющую секцию. Пройдя ее, обогащенный легколетучими компонентами пар, поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсирует подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока: дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Отношение количества флегмы к количеству дистиллята обозначается через R и носит название флегмового числа. Это число - важная характеристика ректификации: чем больше R, тем больше эксплутационные расходы на проведение процесса. Минимально необходимые расходы тепла и холода, связанные с выполнением какой-либо конкретной задачи разделения, могут быть найдены с использованием понятия минимального флегмового числа, которое находится расчетным путем а предположении, что число контактных устройств, или общая высота насадки, стремится к бесконечности.

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно-последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации, исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, емкость которого соответствует желаемой производительности. Пары из куба поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает так называемому режиму полного орошения. Затем конденсат делится на флегму и дистиллят. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением) из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и т.д. Нужную фракцию (или фракции) отбираются в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

2. Технологическая часть

2.1 Описание технологической схемы установки

Рассмотрим схему установки с двухкратным испарением нефти (рис1.1). Эта схема технологически гибкая и работоспособная при значительном изменении содержания бензиновых фракций и растворенных газов. Коррозионно-активные вещества удаляются в первой (отбензинивающей) колонне К-1 и основная сложная колонна (атмосферная) К-2 защищена от их воздействия. Колонна К-2 работает совместно с двумя отпарными колоннами (стриппингами К-3/1 и К-3/2) в виде дополнительных боковых погонов. Благодаря предварительному удалению в отбензинивающей колонне растворенных газов и легкого бензина в змеевиках печи, в теплообменниках не создается большого давления и основная колонна не перегружается по парам.

Потоки: 1 - сырая нефть; 2 - попутный газ; 3 - пластовая вода; 4 - товарная нефть; Оборудование: С - 1,2,3 - сепараторы; О - 1 - отстойник; П - 1 - печь; ЭГ - 1 - электродегидратор

2.2 Материальный баланс установки

Составим материальный баланс установки мощностью 1,3 млн тонн в год по нефти, разгонка (ИТК) которой приведена в таблице. В отбензини-вающей колонне К-1 предусмотрим отбор фракций легкого бензина 28-140⁰С. В атмосферной колонне К-2 следующих фракций: тяжелого бензина 140-200⁰С, керосина 200-250⁰С, дизтоплива 250-360⁰С, и мазута 360-К.К.

По данным таблицы находим потенциальное содержание Х_{н.к.-к.к.} отбираемых фракций в нефти.

Х_110-140 = = 2,41 %масс.

х_28-140 = х_28-60 + х_60-93 + х_93-110 + х_110-140 = 2,16 + 2,55 + 2,47 + 2,41 = 9,59 %масс.

Х_140-142 = х_110-142 - х_110-140 = 0,16 %масс.

х_195-200 ==0,54 %масс.

Х_140-200 = х_140-142 + х_142-163 + х_163-178 + х_178-195 + х_195-200 = 0,16 + 2,70 + 2,66 + 2,78 + 0,54 = 8,84 %масс.

Х_200-221 = х_195-221 - х_195-200 = 2,78 - 0,54 = 2,25 %масс.

Х_236-250 == 1,95 %масс.

X_200-250 = х_200-221 + х_221-236 + х_236-250 =2,25 + 2,70 + 1,95 = 6,89 %масс.

Х_250-256 = х_236-256 - х_236-250 = 0,83 %масс.

Х_344-360 ==2,65 %масс.

Х_250-360 = х_250-256 + х_256-275 + х_275-294 + х_294-308 + х_308-326 + х_326-344 + х_344-360 = 0,83 + 2,90 + 2,82 + 2,78 + 2,70 + 2,82 + 2,65 = 17,50 %масс.

Х_360-362 = х_344-362 - х_344-360 = 2,98 - 2,65 = 0,33 %масс.

X_360-К.К. = х_360-362 + х_362-380 + х_380-400 + х_400-425 + х_425-448 + х_448-465 + х_465-486 + х_486-500 + остаток = 0,33 + 2,98 + 3,06 + 2,94 + 3,02 + 2,94 + 3,02 + 1,99 + 36,30 =

= 56,58 %масс.

Результаты расчетов заносим в табл.2.2. Принимаем на основании литературных данных долю отбора Д всех фракций (кроме мазута) от потенциала и находим их фактический отбор Ф, %масс.:

Ф=Х • Д

Весь недобор фракций приплюсовываем к остатку - мазуту. Фактические потери примем в количестве 1%масс.

Фактический отбор мазута:

Ф_350-К.К.=100 - 0,60- 9,49 - 8,75 - 6,75 - 16,28 - 1,0 = 57,13 %масс.

Доля отбора мазута от потенциала:

Д_350-К.К.=57,13/56,57 = 1,01

Результаты расчетов приведены в табл.2.1.

Таблица 2.1

Отбор фракций из нефти

Фракции	Потенциальное содержание фракции в нефти Х, %масс.	Доля отгона от потенциала Д	Фактический отбор фракций Ф, %масс.
Газ до С4 28-1400С 140-2000С 200-2500С 250-3600С 360-К.К. Потери	0,60 9,59 8,84 6,89 17,50 56,58 -	1,00 0,99 0,99 0,98 0,93 1,01 -	0,60 9,49 8,75 6,75 16,28 57,13 1,00
Итого	100,00	-	100,00

Относительную плотность фракций определяем по правилу аддитивности:



где Х_i и _i- потенциальное содержание и относительная плотность узких фракций в широкой фракции (из табл.2.1).

Примем число рабочих дней в году 340 и составим материальный баланс всей установки (табл.2.2).

Таблица 2.2

Материальный баланс установки

Показатели		Мол. вес М	Выход
			% масс	т/ч	т/сутки	т/год
ПРИХОД: Нефть	0,8752	-	100	159,31	3823,53	1300000
РАСХОД: Газ до С4 28-1400С 140-2000С 200-2500С 250-3600С 360-К.К Потери	- 0,7084 0,7736 0,8080 0,8494 0,9513 -	- 95 143 182 252 439 -	0,60 9,49 8,75 6,75 16,28 57,13 1,00	0,96 15,13 13,94 10,76 25,93 91,59 1,59	22,94 363,01 334,62 258,17 622,28 2184,27 38,24	7800 123423 113771 87779 211575 742652 13000
ИТОГО	-	-	100,00	159,31	3823,53	1300000

Отсюда относительная плотность мазута

Молекулярный вес фракций определяем по формуле Воинова:

М=(7К - 21,5) + (0,76-0,04К)t + (0,0003 - 0,00245)t²,

где t - средняя температура кипения фракции, ⁰С. Определяется как среднее арифметическое между температурами начала и конца кипения фракций.

К - характеризующий фактор:

К=,

где Т_ср - средняя температура кипения фракции, К

,

где - температура поправки относительной плотности на 1К.

Определяется по эмпирической формуле Кусакова:

Рассчитаем молекулярный вес фракции 28-140⁰С.

К

M_28-140=(7=95

Для фракции 140-200⁰С:

; К=11,92; М=143

Для фракции 200-250⁰С

; К=11,87; М=182

Для фракции 250-360⁰С

; К=11,88; М=252

Для фракции 360-К.К.

; К=11,59; М=438,75

При расчете молекулярного веса мазута температуру конца кипения можно принять 600⁰С.

Результаты расчетов приведены в таблице 2.3.

На основании данных таблицы 2.2 составляем материальный баланс отбензинивающей колонны К-1(табл.2.3).

Далее составляем материальный баланс атмосферной колонны К-2 (табл.2.4)

Таблица 2.3

Материальный баланс колонны К-1

Показатели	Условное обозначение потока	Выход на нефть, % масс	Массовый расход, кг/ч
ПРИХОД: нефть	L	100	159314
РАСХОД Газ до C4 Бензин 28-1400С Полуотбензиненная нефть Потери	- D1 L0 -	0,60 9,49 88,91 1,0	956 15125 141639 1593
ИТОГО	-	100	159314

Таблица 2.4

Материальный баланс колонны К-2

Показатели	Условное обозначе-ние потока		Выход, % масс	Массовый расход, кг/ч
			На нефть	На полуотбензи- ненную нефть
ПРИХОД: Полуотбензиненная нефть	L0	0,8974	88,91	100	141639
РАСХОД: Бензин 140-2000С Керосин 200-2500С Дизтопливо 250-3600С Мазут 360-К.К.	D2 R3 R2 R1	0,7736 0,8080 0,8494 0,9513	8,75 6,75 16,28 57,13	9,84 7,59 18,31 64,26	13943 10757 25928 91011
ИТОГО	-	-	88,91	100	141639

При составлении материальных балансов колонн К-1 и К-2 все потери по установке отнесем на полуотбензиненную нефть.

Относительную плотность полуотбензиненной нефти также опреде-ляем по правилу аддитивности (пренебрегая содержанием газов):

Отсюда

Выход отдельных фракций в % масс. На полуотбензиненную нефть (табл.2.4) находим по пропорции. Например для бензина D₂:

масс.

Для керосина R₃:

%масс.

2.3 Описание атмосферной колонны

Атмосферная колонна К-2 является сложной колонной состоящей из трех простых колонн (рис.2.2). Избыточное тепло в колонне снимается сверху колонны с помощью острого испаряющегося орошения и по высоте колонны двумя промежуточными циркуляционными орошениями.

Количество циркуляционных орошений примем равным количеству боковых фракций.

На основании литературных данных примем следующее число тарелок в концентрационной части колонны: в секциях бензина, керосина и дизтоплива - по 8 тарелок. На каждое циркуляционное орошение примем по 2 тарелки. В отгонной части колонны и в стриппинг-секциях примем по 6 тарелок. Таким образом, при наличии двух циркуляционных орошений в колонне общее число тарелок в атмосферной колонне будет 34.

Принципиальная схема атмосферной колонны

Рис.2.

2.4 Физические характеристики по высоте колонны

2.4.1 Давление

Примем давление вверху колонны (над верхней, 34-ой тарелкой) 140 кПа. Это немного выше атмосферного и необходимо для преодоления гидравлических сопротивлений при прохождении паров дистиллята через конденсатор-холодильник.

Примем к установке в колонне клапанные тарелки. По справочным данным гидравлическое сопротивление одной клапанной тарелки составляет =0,6 кПа. Рассчитаем абсолютное давление под каждой тарелкой по высоте колонны, начиная сверху (табл.2.5).

Таблица 2.5

Физические характеристики по высоте колонны

Сек- ция	Номер тарелки	Давление под тарелкой, кПа	Плотность жидкости на тарелке,	Молекулярный вес жидкости на тарелке	Температура на тарелке, 0С
Секция бензина	34	140,6	0,7736	143	173
	33	141,2	0,7763	146	180,14
	32	141,8	0,7789	149	187,29
	31	142,4	0,7815	152	194,43
	30	143,0	0,7842	155	201,57
	29	143,6	0,7868	158	208,71
	28	144,2	0,7895	161	215,86
	27	144,8	0,7921	164	223
2-ое ЦО	26	145,4	0,7957	169	229,50
	25	146,0	0,7993	175	236,00
Секция керосина	24	146,6	0,8029	180	242,50
	23	147,2	0,8064	186	249,00
	22	147,8	0,8100	191	255,50
	21	148,4	0,8136	197	262,00
	20	149,0	0,8172	202	268,50
	19	149,6	0,8208	208	275,00
	18	150,2	0,8243	213	281,50
	17	150,8	0,8279	219	288
1-ое ЦО	16	151,4	0,8356	233	294,09
	15	152,0	0,8433	246	300,18
Секция дизтоплива	14	152,6	0,8510	260	306,27
	13	153,2	0,8588	274	312,36
	12	153,8	0,8665	288	318,45
	11	154,4	0,8742	301	324,55
Секция дизтоплива	10	155,0	0,8819	315	330,64
	9	155,6	0,8896	329	336,73
	8	156,2	0,8973	343	342,82
	7	156,8	0,9050	356	348,91
Отгонная часть	6	157,4	0,9127	370	355
	5	158,0	0,9204	384	350
	4	158,6	0,9281	398	345
	3	159,2	0,9358	411	340
	2	159,8	0,9436	425	335
	1	160,4	0,9513	439	330

2.4.2 Плотность и молекулярный вес

Плотность жидкости в отдельных сечениях колонны принимается из расчёта равномерного перепада её по тарелкам. Поэтому, зная плотность в конечных данного сечения колонны, рассчитываем её по отдельным тарелкам.

Так, относительная плотность бензина D₂ составляет 0,7736. Это соответствует плотности жидкости на верхней, 34-ой тарелке. Плотность керосина 0,8080 - это плотность жидкости, стекающей с нижней 1-ой тарелки стриппинга К-3/2.

Бензиновую секцию колонны (8 тарелок) и керосиновай стриппинг К-3/2 (6 тарелок) можно представить как простую колонну из 14 тарелок, дистиллят которой бензин D₂ , а остаток - керосин. Зная плотности на верхней и нижней тарелках этой простой колонны, рассчитаем плотности по оставшимся тарелкам. Перепад плотности на один межтарельчатый интервал:

Плотность на 33-ей тарелке 0,7736+0,0026=0,7763

Плотность на 32-ой тарелке 0,7762+0,0026=0,7789

И так далее. После 27-ой тарелки колонны переходим на 6-ю тарелку керосинового стриппинга. Плотности на тарелка керосинового стриппинга приводятся в табл.2.4.2.2.

Следующее сечение - между 27-ой тарелкой основной колонны и первой тарелкой стриппинга К-3/1, с которой стекает дизтопливо с плотностью 0,8494. Перепад плотности на один межтарельчатый интервал в данном сечении составляет:

Плотность на 26-ой тарелке 0,7921+0,0036=0,7957

Плотность на 25-ой тарелке 0,7957+0,0036=0,7993

После 17-ой тарелки переходим на 6-ю тарелку дизельного стриппинга.

С 1-ой тарелки основной колонны стекает мазут с плотностью 0,9513. Перепад плотности на один межтарельчатый интервал в сечении между 17-ой и 1-ой тарелками составляет:

Плотность на 16-ой тарелке 0,8279+0,0077=0,8356

Плотность на 15-ой тарелке 0,8356+0,0077=0,8433

И так далее.

Аналогично плотности рассчитывается молекулярный вес.

Таблица 2.6

Физические характеристики в стриппинг-секциях

Стриппинг	Номер тарелки	Плотность жидкости на тарелке,	Молекулярный вес жидкости на тарелке	Температура на тарелке,0С
Стриппинг керосина К-3/2	6	0,7948	167	219,67
	5	0,7974	170	216,33
	4	0,8001	173	213,00
	3	0,8027	176	209,67
	2	0,8053	179	206,33
	1	0,8080	182	203
Стриппинг дизтоплива К-3/1	6	0,8315	224	285,50
	5	0,8351	230	283,00
	4	0,8387	236	280,50
	3	0,8422	241	278,00
	2	0,8458	247	275,50
	1	0,8494	252	273

2.4.3 Температура

Температуры верха колонны и вывода боковых фракций определяются графическим методом. Сначала строятся кривые ИТК фракций бензина, керосина и дизтоплива.

Для построения ИТК фракции бензина 140-200⁰С составляется таблица 2.7.

В табл.2.7 выход узких фракций на бензин рассчитывается по пропорции, принимая потенциальное содержание 8,84%масс. За 100%.

Например, для узкой фракции 140-142⁰С:

%масс.

Суммарный выход для узкой фракции 142-163⁰С:

1,81+30,6=32,4

Таблица 2.7

Выход узких фракций бензина 140-200⁰С

Пределы кипения узких фракций,0С	Выход узких фракций на нефть, % масс.	Выход узких фракций на бензин, % масс.	Суммарный выход узких фракций, % масс.
140-142	0,16	1,8	1,8
142-163	2,70	30,6	32,4
163-178	2,66	30,1	62,5
178-195	2,78	31,5	93,9
195-200	0,53	6,1	100,0
Сумма	8,84	100,0	-

Далее по точкам 140⁰ - 0%; 142⁰ - 1,8%; 163⁰ - 32,4%; 178⁰ - 62,5%; 195⁰ - 93,9%; 200⁰ - 100% строятся кривые ИТК бензина (рис.2.3).

По той же методике строятся кривые ИТК для керосина и дизтоплива.

Таблица 2.8

Выход узких фракций керосина 200-250⁰С

Пределы кипения узких фракций,0С	Выход узких фракций на нефть, % масс.	Выход узких фракций на бензин, % масс.	Суммарный выход узких фракций, % масс.
200-221	2,25	32,58	32,58
221-236	2,70	39,18	71,76
236-250	1,95	28,24	100,00
Сумма	6,89	100,00	-

Таблица 2.9

Выход узких фракций дизтоплива 250-360⁰С

Пределы кипения узких фракций,0С	Выход узких фракций на нефть, % масс.	Выход узких фракций на бензин, % масс.	Суммарный выход узких фракций, % масс.
250-256	0,834	4,82	4,82
256-275	2,70	15,60	20,42
275-294	2,82	16,30	36,72
294-308	2,78	16,07	52,79
308-326	2,70	15,60	68,39
326-344	2,82	16,30	84,69
344-360	2,65	15,31	100,00
Сумма	17,303	100,00	-

Таблица 2.10

Характеристика кривых ИТК фракций

Фракция	Температура отгона по кривой ИТК,0С	Тангенс угла наклона (t70-t10)/60
	10%	50%	70%
Бензин	148	172	182	0,57
Керосин	206	228	238	0,53
Дизтопливо	262	308	328	1,10

Температуры начала и конца прямых однократного испарения (табл. 2.11) находим по графику Обрядчикова и Смидович, по результатам строим прямые ОИ фракций.

Таблица 2.11

Параметры прямых ОИ фракций

Фракция	Процент МТК, соответствуюший началу ОИ -0% масс.	Процент ИТК, соответствующий концу ОИ - 100% масс.
Бензин	35	58
Керосин	37	57
Дизтопливо	32	60

Для построения прямой ОИ, например, для бензина находим на рис.2.3 на оси абцисс точку 35% проводим вертикаль до пересечения с кривой ИТК и далее горизонталь влево до пересечения с осью ординат. Получаем первую точку прямой ОИ, соответствующей 0 % отгона. Затем проводим вертикаль от точки на оси абцисс 58% до пересечения с кривой ИТК и далее горизонталь вправо. Получаем вторую точку прямой ОИ, соответствующей 100% отгона. Соединив эти две точки, получаем прямую ОИ бензина.

Аналогично по данным табл.2.11 строятся прямые ОИ для керосина и дизтоплива.

Далее корректируем прямую ОИ бензина на его парциальное давление вверху колонны. Задаёмся расходом водяного пара в низ колонны (Z₁) 3% масс. от мазута и в стриппинг-секции (Z₂ и Z₃) 2% масс. от бокового погона:

кг/ч

кг/ч

кг/ч

Общий расход водяного пара:

 кг/ч

Парциальное давление бензиновых паров наверху колонны:

, кПа

где - абсолютное давление наверху колонны, кПа ( = 140 кПа)

М_D2 - молекулярный вес тяжелого бензина (М_D2 = 143)

g_x - количество острого холодного орошения.

- молекулярный вес воды (= 18)

Принимаем предварительно кратность орошения 3:1, тогда количество острого холодного орошения:

g_xол = 3 •D₂ = 41827,50 кг/ч.

Р_Б=703,84 мм.рт.ст.

Далее корректируем прямую ОИ бензина на давление 93,82кПа. Новая прямая ОИ будет параллельна старой и располагаться выше, так как давление выше атмосферного (101,3 кПа).

Поэтому для построения новой ОИ достаточно найти одну точку, через которую и проводим прямую, параллельную старой ОИ. Для этого по методу Пирумова находим температуру, соответствующую точке пересечения ИТК и ОИ бензина при атмосферном давлении и по графику Кокса, корректируем эту точку на парциальное давление бензиновых паров. Точка пересечения ИТК и ОИ бензина при атмосферном давлении 101,3 кПа составляет 170С. При парциальном давлении 93,82 кПа эта температура понизится до 166С. Через полученную точку проводим прямую, параллельную прямой ОИ, построенной при атмосферном давлении. Получаем прямую ОИ при рассчитаном давлении.

Температура верха колонны соответствует температуре конца прямой ОИ бензина при давлении 93,82 кПа.

По графику t_верха=173⁰С. Эта температура соответствует температуре верхней, 34-ой тарелки, т.е. t₃₄=173⁰С.

Температура вывода керосина с 27-ой тарелки соответствует температуре начала ОИ керосина. По графику t₂₇=223⁰С.

Температура вывода дизтоплива с 17-ой тарелки соответствует температуре начала ОИ дизтоплива. По графику t₁₇=288⁰С.

Примем температуру сырья на входе в колонну 355⁰С, т.е. =355⁰С.

Перепад температур в стриппинг-секциях зависит от расхода водяного пара и примерно оценивается величиной, равной (710)•Z; для стриппинг-секций тяжелых фракций эта величина ниже, чем для легких. Например, для керосинового стриппинга К-3/2 этот перепад составит 20С, и тогда температура вывода керосина из стриппинга:

t_кер= 223-20=203С

Эта температура соответствует температуре нижней 1-й тарелки керосинового стриппинга.

Для дизельного стриппинга К-3/1 перепад равен 15С, и температура вывода дизтоплива из стриппинга:

t_дт= 288-15=273С.

Эта температура соответствует температуре нижней 1-й тарелки дизельного стриппинга:

t_маз=355-25=330С

Так как сырьё колонны поступает на 6-ю тарелку, то температура на этой тарелке t₆=355⁰С.

Полученные таким образом температуры на соответствующих тарелках вносим в таблицы 2.5 и 2.6. Остальные температуры на тарелках определяем аналогично плотности из расчёта равномерного перепада по каждому сечению.

Примем температуру холодного орошения вверху колонны t_хол=35С, температуру ввода второго циркуляционного орошения t_Ц2=70С (орошение поступает на 26-ю тарелку), температуру первого циркуляционного орошения t_Ц1=100С (орошение поступает на 16 тарелку).

2.5 Доля отгона сырья на входе в колонну

Долю отгона сырья определяем графическим способом. Для этого строим кривую ИТК полуотбензиненной нефти по данным таблицы 2.12 (аналогично строим кривые ИТК светлых фракций).

Таблица 2.12

Выход узких фракций полуотбензиненной нефти

Пределы кипения узких фракций,С	Выход узких фракций на нефть, % масс.	Выход узких фракций на полуотбензиненную нефть, % масс.	Суммарный выход узких фракций, % масс.
140-142 142-163 163-178 178-195 195-221 221-236 236-256 256-275 275-294 294-308 308-326 326-344 344-362 362-380 380-400 400-425 425-448 448-465 465-486 486-500	0,16 2,70 2,66 2,78 2,78 2,70 2,78 2,90 2,82 2,78 2,70 2,82 2,98 2,98 3,06 2,94 3,02 2,94 3,02 1,99	0,18 3,01 2,96 3,10 3,10 3,01 3,10 3,23 3,14 3,10 3,01 3,14 3,32 3,32 3,41 3,27 3,36 3,27 3,36 2,22	0,2 3,2 6,2 9,3 12,4 15,4 18,5 21,7 24,8 27,9 30,9 34,1 37,4 40,7 44,1 47,4 50,8 54,0 57,4 59,6
Остаток	36,30	40,42	100
Сумма	89,81	100	-

Далее по данным кривой ИТК сырья, по графику Обрядчикова и Смиридович составляем таблицы 5.13 и 5.14 и строим прямую ОИ полуотбензиненной нефти.

Полученная новая прямая ОИ сырья соответствует атмосферному давлению 101,3 кПа. Но в зоне питания, под 7-ой тарелкой, давление составляет 156,8 кПа (табл.2.5). Поэтому корректируем прямую ОИ сырья по графику Кокса на давление 156,8 кПа (рис.2.3).

По полученной новой ОИ определяем долю отгона. Доля отгона полуотбензиненной нефти при 355⁰С и 156,8 кПа е=0,3875.

Таблица 2.13

Характеристика кривой ИТК полуотбензиненной нефти

Фракция	Температура отгона по кривой ИТК, 0С	Тангенс угла наклона (t70-t10)/60
	10 %	50 %	70 %
140-К.К.	202	442	525	5,38

Таблица 2.14

Параметры прямой ОИ полуотбензиненной нефти

Фракция	Процент ИТК, соответству-ющий началу ОИ-0%масс.	Процент ИТК, соответству-ющий концу ОИ-100%масс.	Температура, соответству- ющая началу ОИ	Температура, соответству- ющая концу ОИ
140-К.К.	7	77	182	544

2.6 Тепловой баланс колонны

Приходные и расходные статьи теплового баланса без тепла, снимаемого орошениями, приводятся в таблице 2.15. Потери тепла в окружающую среду не внесены в тепловой баланс колонны, это дает некоторый запас при определении тепла, снимаемого орошениями в колонне.

Энтальпию углеводородных паровых I^П и жидкостных I^Ж потоков рассчитываем по формулам:

где Т - температура потока, К; - относительная плотность потока.

Энтальпия перегретого водяного пара.

Таблица 2.15

Тепловой баланс атмосферной колонны К-2

Наименование потока	Обоз-наче-ние	Массовый расход, кг/ч	t, С	Энтальпия, кДж/кг	Количество тепла, кВт
ПРИХОД:
Паровая фаза	LП	54885,23	355	1109,22	16911,08
Жидкая фаза	LЖ	86754,07	355	834,07	20099,77
Водяной пар	Z	3464,05	400	3273,23	3149,62
Итого	-	145103,35	-	-	40160,46
РАСХОД:
Бензин	D2	13942,50	173	679,30	2630,89
Керосин	R3	10757,18	203	459,08	1371,77
Дизтопливо	R2	25928,31	273	637,31	4590,11
Мазут	R1	91011,31	330	761,01	19239,06
Водяной пар	Z	3464,05	173	2824,10	2717,45
Итого	-	145103,35	-	-	30549,28

Количество паровой фазы сырья:

кг/ч

141639 - 54885,23 = 86754,07 кг/ч

Относительную плотность паровой фазы сырья рассчитываем с учётом того, что в её составе находятся в основном светлые фракции.

Энтальпия паровой фазы сырья при 355⁰С

I

I

I

Количество тепла в кВт для каждого потока определяем по формуле:



Общее количество тепла, которое необходимо снять орошениями в колонне:

Q_ор = Q_прих - Q_расх. = 40160,46 - 30549,28= 9611,18кВт =34600247,82 кДж/ч

Этот избыток тепла в колонне снимается острым орошением вверху колонны и двумя промежуточными циркуляционными орошениями под тарелками отбора боковых фракций.

2.7 Расчет внутренних материальных потоков в атмосферной колонне

2.7.1 Верхнее сечение колонны

Схема третьей простой колонны

Рис.2.4

g_хол - количество холодного орошения, подаваемого на верхнюю тарелку G₃₄ - количество всех нефтяных и водяных паров, поднимающихся с 34-й тарелки G₂₆ - количество всех нефтяных и водяных паров, поднимающихся с 26-й тарелки

Найдем количество тепла, снимаемого острым холодным орошением наверху колонны:

Z₁₂ = Z_{1 +} Z₂ = 2730,34+518,57 = 3248,91 кг/ч

- энтальпия парового потока на 26-й тарелке:

T₂₆ = 229,5С = 502,5 К - температура парового потока на 26-й тарелке;

- относительная плотность тяжелого бензина на 26-й тарелке

- энтальпия парового потока на 34-й тарелке;

- энтальпия керосина;

- энтальпия водяного пара на 26-й тарелке (при 229,5С).

- энтальпия водяного пара на 34-й тарелке (при 173С)

- энтальпия водяного пара при 400С.

Энтальпия холодного орошения наверху колонны:

T_хол. = 35С = 308 К - температура холодного орошения.

Количество холодного орошения сверху колонны:

Количество флегмы стекающей с 34-й тарелки:

- энтальпия нефтяных паров, поднимающихся с 33-й тарелки:

- энтальпия жидкости, стекающей с 34-й тарелки:

Флегмовое число:

Количество паров (нефтяных G_в и водяных Z_1,2,3) наверху колонны, кг/ч:

G_в = g_хол + D₂+Z₁₂₃ = 9452,10+13942,50+3464,05=26858,65 кг/ч

Объем паров наверху колонны, м³/с:

М_D2- молекулярный вес тяжёлого бензина (143),

Т₃₄ - температура на 34-й тарелке (446 К),

P_в - давление наверху колонны (140 кПа)

Плотность паровой (1) и жидкой (2) фазы:

Относительная плотность жидкой фазы наверху колонны при температуре верха:

Абсолютная плотность жидкой фазы, кг/м³:

Нагрузка верхней тарелки по жидкости, м³/ч:

2.7.2 Среднее сечение колонны

Схема второй простой колонны

Рис.2.5

- количество второго циркуляционного орошения

G₂₆ - количество всех нефтяных и водяных паров, поднимающихся с 26-й тарелки

G₁₆ - количество всех нефтяных и водяных паров, поднимающихся с 16-й тарелки

Найдем количество второго циркуляционного орошения, кг/ч:

g_Ц2=

Числитель данного уравнения - количества тепла Q_Ц2, снимаемого вторым циркуляционным орошением. Тогда

g_Ц2=

I

I

I

Количество второго циркуляционного орошения:

Количество флегмы стекающей с 25-й тарелки на 24-ю, кг/ч:

Флегмовое число на данной тарелке:

Количество нефтяных и водяных паров, поднимающихся с 24-й тарелки, кг/ч:

G₂₄ = g₂₅ + D₂ + R₃ + Z_1,2= 43332,47+13942,5 + 10757,18 + 3248,91=

=71281,06 кг/ч

Объем паров над 24-й тарелкой, м³/с:

Плотность паровой фазы над 24-й тарелкой:

Относительная плотность жидкой фазы на 25-й тарелке при рабочих условиях:

Абсолютная плотность жидкой фазы:

Нагрузка 25-й тарелки по жидкости:

2.7.3 Нижнее сечение колонны

Количество тепла, снимаемое первым циркуляционным орошением:

Q_Ц1=34600247,82 - 5759371,21 - 11906478,88 = 16934397,73 кДж/ч.

Количество первого циркуляционного орошения:

- энтальпия первого циркуляционного орошения, подаваемого при принятой температуре t_Ц1=100⁰С на 16-ю тарелку, кДж/кг:

- энтальпия жидкостного потока на 15-й тарелке:

Количество флегмы стекающей с 15-й тарелки на 14-ю:



- энтальпия парового потока на 14-й тарелке:

Флегмовое число на данной тарелке:

Количество нефтяных и водяных паров, поднимающихся с 14-й тарелки:

G₁₄ = g₁₅ + D₂ + R₃ + Z₁ +R₂

G₁₄=68508,20+13942,5+10757,18+2730,34+25928,31=121866,52

кг/ч

Объем паров над 14-й тарелкой:



Плотность паровой фазы над 14-й тарелкой:

Относительная плотность жидкой фазы на 15-й тарелке при рабочих условиях:

Абсолютная плотность жидкой фазы:

Нагрузка 15-й тарелки по жидкости:

Результаты расчётов по всем сечениям колонны сводим в таблицу 2.15.

Таблица 2.15

Внутренние материальные потоки

Сечение под тарелкой	Флегмовое число	Объемный расход паров V,м3/с	Плотоность паров , кг/м3	Абсолютная плотность жидкости ,кг/м3	Нагрузка тарелки по жидкости Lж, м3/ч
34	1,36	2,48	3,01	648,64	29,21
25	1,75	4,77	4,15	630,17	68,76
15	1,35	6,07	5,58	640,26	107,00

По данным таблицы видно, максимальную нагрузку как по жидкой, так и по паровой фазе.

2.8 Диаметр колонны

При определении диаметра колонны проводим расчеты по сечению, имеющему максимальную нагрузку по парам.

Диаметр колонны рассчитывается из уравнения расхода:

Максимальная допустимая скорость паров:

, м/с

где С_max - коэффициент, зависящей от типа тарелки, расстояния между тарелками, нагрузки по жидкости;

и- плотность жидкой и паровой фазы в данном сечении колонны, кг/м³.

С_max = K₁ • K₂ C₁ - К₃( - 35).

Коэффициент находим из следующего выражения:

,

где L_Ж - нагрузка тарелки по жидкости, м³/ч(табл.2.15); V_i - объемный расход паров в данном сечении, м³/ч; n - число потоков жидкости на тарелке.

Примем к установке тарелки клапаные прямоточные, расстояние между тарелками 600 мм. Число потоков по жидкости на тарелке равным двум. Тогда К₁=1,15; C₁ = 1050, K₂= 1,0, К₃ = 4,0.

С_max = 1,15 • 1050 • 1,0 - 4•(26,91 - 35) = 1239,86

= 1,12 м/с

Диаметр колонны:

Полученный диаметр округляем в большую сторону. Примем диаметр колонны D_K = 2,8 м [1,с.46].

Проверяем скорость паров при принятом диаметре колонны, м/с:

Она находится в допустимых пределах (0,6-1,15 м/с) для атмосферных колонн и расстоянии между тарелками 600 мм.

Расход жидкости на единицу длины слива, м³/(м•ч):

,

где - относительная длина слива, обычно находится в пределах 0,65-0,75.

Полученное значение меньше максимально допустимого, которое составляет L_V^доп=65 м³/(м•ч), значит число потоков равно 2.

Параметры W_n и L_v находятся в допустимых пределах. Следовательно диаметр колонны 2,8 м принят верно.

2.9 Уточнение температур вывода боковых фракций

2.9.1 Уточнение температуры вывода керосина

Уравнение материального баланса:

,

где ;

Уравнение теплового баланса:

Или

,

Правая часть уравнения - это тепло, снимаемое холодным орошением Q_ХОЛ.

Тогда количество флегмы, стекающей с 28-й тарелки, кг/ч:

, кг/ч

Для расчета парциального давления нефтяных паров под 28-й тарелкой составляем таблицу 2.16.

Таблица 2.16

Парциальное давление паров

Поток	Массовый расход, кг/ч	Молекулярный вес, Mi	Мольный расход, кмоль/ч	Мольная Доля, yi	Парци-альное давление потока, кПа
D2	13942,50	143	97,76	0,2597	37,44
g28	13874,84	161	86,28	0,2292	33,05
Z1,2,3	3464,05	18	192,45	0,5112	73,71
?	31281,39	-	376,49	1,0000	-

Молекулярный вес флегмы, стекающей с 28-й тарелки, соответствует молекулярному весу жидкости на этой тарелке.

Мольный расход определяется по выражению:

Парциальное давление потоков:



где Р₂₈ - абсолютное давление под 28-й тарелкой. Р₂₈=144,2 кПа.

Парциальное давление нефтяных паров под 28-й тарелкой:

P²⁸_НП =Р_D2+Р_g28= 37,44 + 33,05 = 70,49 кПа

В предварительном расчете температуры вывода керосина с 27-й тарелке парциальное давление нефтяных паров было принято 101,3 кПа и

t₂₇ = 223С.

Производим корректировку температуры вывода керосина с 27-й тарелки. Для этого строим новую прямую ОИ керосина по методу Пирумова при давлении 70,49 кПа и находим температуру начала ОИ.

При этом давлении прямая сместится вниз по ос...