13472 Расчет окислительной колонны в битумном производстве

СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОПИСАТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ 4
1.1 ГОСТы на выпускаемые битумы 4
1.2. Теоретические основы производства окислительных нефтебитумов 6
1.3. Сущность процесса и химизм реакций окисления нефтяных битумов 8
2. РАСЧЕТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 17
2.1 Технологическая схема процесса получения окислительных битумов 18
2.2 Факторы влияющие на процесс 20
2.3 Расчет окислительной колонны 28
2.3.1 Исходные данные 28
2.3.2 Материальный баланс колонны 28
2.3.3 Тепловой баланс окислительной колонны 30
2.3.4 Расчет количества и состава побочных продуктов окисления 32
2.3.5 Расчет реакционного объема и высоты слоя 33
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36
Литература 37

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы.
1. С повышением температуры процесса возрастает скорость дегидрирования молекул сырья и увеличивается доля кислорода, участвующего в образовании воды, понижается содержание кислорода и сложноэфирных групп, слабых кислот и фенолов в окисленном битуме, увеличивается коэффициент рефракции полициклических ароматических соединений в битуме. С повышением температуры выше 250 °C температура размягчения и температура хрупкости битума повышаются, а пенетрация, растяжимость, теплостойкость и интервал пластичности окисленных битумов понижаются;
2. По мере повышения температуры процесса ее влияние на скорость реакций окисления сырья в битумы несколько уменьшается;
3. С повышением температуры процесса продолжительность окисления и суммарный расход воздуха снижаются, причем при температуре выше 270 °C степень использования кислорода воздуха понижается;
4. В зависимости от природы сырья и требуемых свойств битума следует подбирать соответствующую температуру окисления; для большинства видов сырья с учетом экономической целесообразности она близка к 250°С.
Расход воздуха.
Расход сжатого воздуха, степень его диспергирования и распределения по сечению окислительной колонны существенно влияют на интенсивность процесса и свойства битумов. Увеличение расхода воздуха до определенного предела при прочих равных условиях ведет к пропорциональному повышению скорости окисления; последняя определяется температурой процесса, конструкцией окислительной колонны и природой исходного сырья.
Влияние расхода воздуха и продолжительности окисления на качество битума окончательно не выявлено. Однако установлено, что битумы, окисленные в короткий промежуток времени, имеют более высокую пенетрацию, чем битумы той же температуры размягчения, окисленные при небольшой скорости подачи воздуха и при большей продолжительности окисления. Это можно объяснить образованием в первом случае более низко- молекулярных полярных асфальтенов. При большой продолжительности окисления и длительном воздействии высокой температуры отщепляются молекулы углекислого газа и протекает преобразование битумов в асфальтены со сложными связями С-С и гетероатомов.
С повышением расхода сжатого воздуха на окисление сырья от 1,76 до 3,52 л/мин на кг, т. е . в 2 раза, продолжительность окисления сокращается в 2,5 раза. Дальнейшее повышение расхода воздуха малоэффективно. Повышение расхода воздуха от 3,52 до 21,12 л/мин на кг, т.е. в 6 раз, снижает продолжительность окисления только в 2 раза . Теплостойкость окисленных битумов с повышением расхода воздуха ухудшается.
Из вышеприведенного можно сделать следующие выводы:
1. При небольшой скорости подачи сжатого воздуха и при более продолжительном времени окисления окисленный битум обладает низкой пенетрацией. Поэтому для получения битума с повышенными пенетрацией и теплостойкостью целесообразно увеличивать скорость подачи сжатого воздуха;
2. С повышенном расхода сжатого воздуха на 1т сырья до определенного значения - 1,4 м3 /мин (0,233 м3 /сек) эффективность процесса повышается, за тем при дальнейшем увеличении ухудшается степень использования кислорода воздуха и снижается эффективность. Теплостойкость окисленных битумов при этом повышается.
Давление.
Повышение давления в зоне реакции способствует интенсификации процесса окисления и улучшению качества окисленных битумов. С повышением давления в зоне реакции продолжительность окисления сырья до одной и той же температуры размягчения битума сокращается, что объясняется главным образом улучшением диффузии кислорода в жидкую фазу.
Несмотря на утверждения некоторых исследователей, что повышение давления отрицательно сказывается на качестве битума вследствие неизбежных побочных реакций в паровой фазе, результаты исследования и опыт работы битумного реактора змеевикового типа под давлением показали, что качество окисленных битумов с повышением давления в реакторе несколько улучшается благодаря конденсации части масляных паров из газовой фазы, повышается пенетрация при одинаковой температуре размягчения или температура размягчения при одинаковой пенетрации, улучшается теплостойкость битумов.
Снижение содержания масел в сырье и повышение его температуры размягчения позволяет повысить растяжимость битумов, окисленных под высоким давлением, с сохранением достаточно высокими пенетрации и интервала пластичности и низкой температуры хрупкости. Это дает возможность повысить выход масляных фракций на перерабатываемую нефть и еще больше снизить продолжительность окисления сырья в битумы.
Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. С повышением давления в зоне реакции улучшается диффузия кислорода в жидкую фазу, сокращается продолжительность окисления и в результате конденсации части масляных паров из газовой фазы улучшаются тепло- и морозостойкость и увеличивается интервал пластичности окисленных битумов;
2. Соответствующим подбором давления в системе можно регулировать состав и свойства получаемых битумов;
3. Дорожные битумы в реакторе колонного типа получать нецелесообразно при давлении выше 4 атм (3,92 на 105 н/м2 ) вследствие резкого понижения растяжимости битумов;
4. Окисление под давлением позволяет использовать сырье с малым содержанием масел и получать при этом битумы, обладающие достаточно высокими растяжимостью, пенетрацией и интервалом пластичности. В результате использования такого сырья достигается больший выход масляных фракций на перерабатываемую нефть, сокращается продолжительность окисления. Интенсивность окисления сырья до битумов на непрерывной установке колонного типа повышается с увеличением температуры, расхода воздуха и давления в реакторе. Наилучшей теплостойкостью обладают битумы, полученные непрерывным окислением сырья при низкой температуре (176°С), умеренном расходе воздуха - 1,76 л/мин на кг и повышенном давлении - до 4,8 кг/см2. Выявленная закономерность взаимосвязи параметров процесса непрерывного получения дорожных битумов в окислительной колонне несколько отличается от результатов исследования процесса в промышленном кубе окислителе периодического действия. Применение подогретого до 313 - 482°C сжатого воздуха повышает скорость окисления, особенно при получении высокоплавких битумов, не оказывая существенного влияния на их качество. Увеличение высоты столба жидкости в реакторе значительно повышает температуру размягчения битума, не меняя соотношения между температурой размягчения и пенетрацией , что подтверждает преимущество вертикальных окислительных колонн.
Увеличение уровня жидкой фазы повышает эффективность процесса потому, что длина пути газовых пузырьков увеличивается. Однако для аппаратов такого типа существует некоторый предел заполнения жидкой фазой, свыше которого эффективность процесса уже не меняется. Этот предел следует находить экспериментально. Так, в окислительной колонне непрерывного действия уровень жидкой фазы должен быть не менее 10 м. Для аппаратов с хорошим перемешиванием и турбулентным потоком и при относительно небольшой высоте уровня кислород используется полностью. Поэтому повышение уровня жидкости в таких аппаратах неэффективно.
Применение рециркуляции окисленного продукта благодаря улучшению смешения окисленного продукта с сырьем и массообмена несколько улучшает свойства битумов.
2.3 Расчет окислительной колонны
Цель технологического расчета окислительной колонны – определение ее размеров, материальных и тепловых потоков, а также ее реакционный объем, внутренний диаметр и высоту, и рассчитать расход воздуха на окисление гудрона.
2.3.1 Исходные данные .
Сырье – гудрон ромашкинской нефти
Температура размягчения гудрона tр.г. = 36 ºС
Плотность ρ = 985 кг/м3
Производительность колонны по сырью GF = 16 000 кг/ч
Марка получаемого битума БНД – 69/90
Температура размягчения битума по КиШ tр.б. = 48 ºС
Условия процесса:
Температура t = 250 ºС
Давление Р = 0,3 МПа
Удельный расход воздуха gвозд = 100 нм3/т
Объемная скорость подачи гудрона ω = 0,3 ч-1.
2.3.2 Материальный баланс колонны
Выход готового продукта, при плотности гудрона ρ = 985 кг/м3 и температуре размягчения битума tр.б. = 48 ºС, равен 97,0% ([1], табл. 3.27).
Найдем производительность колонны по готовому продукту (битуму):
Gб = , (5)
где Вб – выход готового продукта (битума), кг/ч, при плотности гудрона ρ = 985 кг/м3 и температуре размягчения битума tр.б. = 48 ºС, Вб = 97,0% ([3], табл. 3.27);
GF – производительность колонны по сырью (гудрону), кг/ч.
Gб = = 15 520 кг/ч.
Найдем общий расход воздуха:
Gвозд = gвозд·GF·ρвозд, (6)
где gвозд – удельный расход воздуха, м3/кг;
ρвозд – плотность воздуха, кг/м3, ρвозд = 1,293 кг/м3.
Gвозд = 100·16·1,293 = 2 069 кг/ч
Найдем количество азота:
= 0,77·Gвозд (7)
= 0,77·2069 = 1593 кг/ч.
Найдем количество подаваемого кислорода:
= 0,23·Gвозд (8)
= 0,23·2069 = 476 кг/ч.
Найдем количество остаточного кислорода в газах окисления:
= 0,05·Gвозд (9)
= 0,05·2069 = 103 кг/ч.
Найдем количество израсходованного кислорода:
= – , (10)
= 476 – 103 = 373 кг/ч.
Материальный баланс колонны (без учета водяного пара, подаваемого в верхнюю часть колонны для разбавления газов окисления) сводим в табл. 1.
Таблица 1.
Материальный баланс окислительной колонны
Показатели % (масс.) кг/ч Взято:
Гудрон
Воздух
100
12,9
16 000
2 069 ИТОГО: 112,9 18 069 Получено:
Битум
Азот
Кислород
Диоксид углерода
Вода
Углеводородные газы
Отгон
97,0
10,0
0,6
1,0
1,7
2,0
0,6
15 540
1 593
103
154
273
320
86 ИТОГО: 112,9 18 069
2.3.3 Тепловой баланс окислительной колонны
Найдем приход тепла:
Q1 = Qc + Qp, (11)
где Qc – приход тепла с сырьем, кДж/ч;
Qp – тепло, выделяющееся при окислении гудрона, кДж/ч.
Qc = GF·tг·cг, (12)
где сг – теплоемкость гудрона, кДж/(кг·К), сг = 2,0 кДж/(кг·К);
tг – температура гудрона на входе в колонну, ºС.
Qp = I·GF, (13)
где I – энтальпия окисления гудрона, кДж/кг, I = 188 кДж/кг.
Отсюда:
Q1 = GF·tг·cг + I·GF = 16 000·tг·2,0 + 188·16 000 = 32 000·tг + 3 008 000 (кДж/ч)
Найдем расход тепла:
Q2 = Qб + Qг + Qпот, (14)
где Qб – тепло, выносимое с битумом, кДж/ч;
Qг – тепло, выносимое с газами окисления, кДж/ч;
Qпот – потери тепла в окружающую среду, кДж/ч.
Qб = Gб·сб·tб, (15)
где сб – теплоемкость битума, кДж/(кг·К), с = 2,1 кДж/(кг·К);
tб – температура битума, ºС, t = 250 ºС.
Qб = 15 540·2,1·250 = 8 158 500 кДж/ч.
Qг = Gг·сг·tг , (16)
где сг – теплоемкость газов окисления, кДж/(кг·К), сг = 1,26 кДж/(кг·К).
Qг = 2 529·1,26·250 = 796 600 кДж/ч.
Qпот = α·S·(tс – tо), (17)
где α – коэффициент теплоотдачи, принимаем α = 25 кДж/(м2·ч·К);
S – теплопередающая поверхность, м2, S = 115 м2;
tc – температура на наружной оболочке колонны, ºС, принимаем tс = 50ºС;
tо – температура окружающей среды, ºС, принимаем tо = 10ºС.
Qпот = 25·115·(50 – 10) = 115 000 кДж/ч.
Тогда всего расход тепла составит:
Q2 = 8 158 500 + 796 600 + 115 000 = 9 070 100 кДж/ч.
Из уравнения теплового баланса найдем температуру сырья на входе в колонну:
Q1 = Q2 (18)
32 000·tг·+ 3 008 000 = 9 070 100
Отсюда:
tг = = 190 ºC.
2.3.4 Расчет количества и состава побочных продуктов окисления
Рассчитаем количества и состава побочных продуктов окисления, выходящих из окисляемого слоя колонны. Принимаем, что на образование СО2 расходуется 30% (масс.) кислорода, а на образование Н2О 65% (масс.).
Найдем количество образующегося СО2:
= , (19)
где , – молекулярные массы СО2 и О2 соответственно, кг/кмоль.
= = 154 кг/ч.
Найдем количество образующейся воды:
= , (20)
где – молекулярная масса воды, кг/кмоль.
= = 273 кг/ч.
Найдем количество гудрона, пошедшего на образование СО2 и Н2О:
G = ( – 0,3·) + ( – 0,65·) (21)
G = (154 – 0,3·373) + (273 – 0,65·373) = 73 кг/ч
или 0,46% (масс.) от сырья.
Количество углеводородных газов, образующихся в процессе, принимаем равным 2% (масс.), это составит:
Gу.г. = = 320 кг/ч
Жидкие продукты в составе отгона принимаем равными 0,54% (масс.) от сырья или:
Gж = = 86 кг/ч
2.3.5 Расчет реакционного объема и высоты слоя
Найдем реакционный объем:
Vр = (22)
Vр = = 54,1 м3.
Принимаем диаметр колонны D = 2,5 м. Тогда площадь живого сечения колонны равна:
S = (23)
S = = 4,91 м2.
Найдем высоту слоя:
h = (24)
h = = 11,0 м.
Найдем скорость подачи воздуха в условиях процесса:
νвозд = (Gвозд.·(tвозд.+273)·Ратм./(ρвозд.·273·Р), (25)
где tвозд – температура воздуха, ºС;
Ратм – атмосферное давление, МПа;
Р – давление в аппарате, МПа.
νвозд = = 0,28 м3/с.
Линейная скорость воздуха равна:
uвозд = (26)
uвозд = = 0,06 м/с.
Расчетная скорость воздуха в колонне не превышает допустимых значений, поэтому принятые размеры колонны можно считать правильными.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были изучены теоретические основы производства окисленных нефтяных битумов, освещен материал по свойствам и классификации битумов по назначению и способу получения, химизму и кинетики процесса окисления, основным методам получения нефтяных битумов, влиянию технологических параметров и группового углеводородного состава сырья на процесс окисления и свойства получаемых битумов.
Также произведен расчет материального баланса колонны окисления, теплового баланса окислительной колонны, рассчитаны материальные и тепловые потоков, а также ее реакционный объем, внутренний диаметр и высота колонны, также рассчитан расход воздуха на окисление гудрона.
Литература:
Гуреев А.А., Чернышева Е.А., Коновалов А.А., Кожевникова Ю.В. Производство нефтяных битумов. – М.: Изд. Нефть и газ, 2007. - 102 с.
Гун Р.Б. Нефтяные битумы. - М.: Химия, 1973. - 432 с.
Технологические расчеты установок переработки нефти: Учеб. пособие для вузов/танатаров М.А., Ахметшина М.Н., Фасхутдинов Р.А. и др. – М.: Химия, 1987. – 352 с.
Способы промышленного производства нефтяных битумов [Электронный ресурс]. Режим доступа - http://www.ssa.ru/articles/entry/7143C6872. Проверено 03.09.2015 г.
Обзор технологий получения битума [Электронный ресурс]. Режим доступа - http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=7505 . Проверено 03.09.2015 г.
35
Лист
35
КР.240107.00.00.ПЗ
Изм. Лист № документа Подпись Дата