Химическая технология топлива и углеродных материалов

В работе представлена принципиальная схема установки АВТ, материальный баланс установки и представлена расчетная часть проекта. ...

2 Характеристика исходной нефти. График ИТК

На территории Астраханской области и Калмыцкой АССР открыт ряд га¬зовых, нефтяных, а также смешанных газоконденсатных, газонефтяных и газо-нефтеконденсатных месторождений. Из них газонефтяными месторождениями яв¬ляются Тенгутинское и Олейниковское, нефтяными — Бешкульское, Каспийское, Северо-Камышанское, Восточно-Камышанское, Комсомольское, Надеждинское, Ермолинское; Улан-Хольское и Красно-Камышанское месторождения — газо-нефтеконденсатные.
Нефтяные месторождения Астраханской области и Калмыцкой АССР приурочены к сводовой части и южным склонам вала Карпинского. Залежи нефти и газа относятся к типу пластовых сводовых и тектонически экранированных; они связаны с нижнемеловыми и юрскими отложениями.

Нефтегазоперерабатывающая промышленность является одной из экономически наиболее значимых составляющих топливно-энергетического комплекса любого государства. Из нефти получают сырье для нефтехимии в производстве синтетического каучука, спиртов, полиэтилена, полипропилена, широкой гаммы различных пластмасс и готовых изделий из них, искусственных тканей; источник для выработки моторных топлив (бензина, керосина, дизельного и реактивных топлив), масел и смазок, а также котельно-печного топлива (мазут), строительных материалов (битумы, гудрон, асфальт); сырье для получения ряда белковых препаратов, используемых в качестве добавок в корм скоту для стимуляции его роста.

112345613170-1804,10,7744175144,514180-1902,30,777518515215190—2003,10,7829195158,516200—2104,20,795520516517210—22040,8009215171,518220—2302,60,80822517819230—2402,10,8126235184,520240-2503,20,817824519121250—2602,20,820325519922260-2702,30,823426520723270—2803,10,8255275216,524280- 29010,829428522625290- 3002,50,83629525226300-3101,20,8430527827310 -3201,80,844931529228320- -3302,90,851832530629330- 3402,50,8547335313,530340-3501,70,856634532131Остаток18,40,92475460,5Таблица 5.2 – Результаты расчета однократного испарения для К-1Наименование параметраЗначениеМассовая доля отгона0,0259Мольная доля отгона0,0770Давление, МПа0,300Температура, °C127,7Критическая температура, K481,9Критическое давление, МПа7,958Плотность жидкости, г/см30,802Плотность пара, г/см30,696Энтальпия жидкости, кДж/кг270,2Энтальпия пара, кДж/кг611,2Молекулярная масса сырья1,4Плотность сырья, г/см30,799Количество водяного пара, моль/моль0,000В колонну К-2 подается отбензиненная нефть, которая в результате нагрева образует паровую и жидкую фракции. В К-2 происходит отделение от отбензиненной нефти бензиновой, керосиновой и дизельной фракции. Используя данные из материального баланса колонны К-2 (таблица 4.3), можно рассчитать массовую долю паровой фазы аналогично как для колонны К-1. Однако учитывая, что отбензиненная нефть является сырьем для колонны К-2, необходимо учесть коэффициент перехода КДальнейшие расчеты производим аналогично как для колонны К-1 (таблица 5.3, 5.4).Таблица 5.3 – Характеристика условных фракций№КомпонентМассовая доляПлотность компонентовТемпература кипения компонентов, °СМолекулярная масса компонентов160—703,90140,6894944270—801,23200,7137556380—901,43740,71788567490-1003,69610,720295805100-1103,08010,7315105906110—1202,56670,73591151007120-1303,90140,7381251158130—1403,08010,7521135120,59140— 1503,38810,758514512610150-1603,28540,7688155131,511160—1703,49080,769516513712170-1804,20940,7744175144,513180-1902,36140,777518515214190—2003,18280,7829195158,515200—2104,31210,795520516516210—2204,10680,8009215171,517220—2302,66940,80822517818230—2402,15610,8126235184,519240-2503,28540,8178245191Продолжение таблицы 5.312345620250—2602,25870,820325519921260-2702,36140,823426520722270—2803,18280,8255275216,523280- 2901,02670,829428522624290- 3002,56670,83629525225300-3101,23200,8430527826310 -3201,84800,844931529227320- -3302,97740,851832530628330- 3402,56670,8547335313,529340-3501,74540,856634532130Остаток18,89120,92475460,5Таблица 5.4 – Результаты расчета однократного испарения для К-2Наименование параметраЗначениеМассовая доля отгона0,8073Мольная доля отгона0,9267Давление, МПа0,198Температура, °C316,0Критическая температура, K614,6Критическое давление, МПа3,680Плотность жидкости, г/см30,905Плотность пара, г/см30,783Энтальпия жидкости, кДж/кг734,8Энтальпия пара, кДж/кг1020,1Молекулярная масса сырья1,5Плотность сырья, г/см30,804Количество водяного пара, моль/моль0,0006 Расчет температурного режима колонны К-2Расчет температурного режима колонны К-2 состоит из следующих этапов:– расчет температуры верха колонны;– расчет температуры низа колонны; – расчет температуры тарелки вывода бокового погона дизельного топлива.Температуру тарелки вывода керосиновой фракции принимают исходя из практических данных по литературным источникам.6.1 Расчет температуры верха колонны К-2Расчет температуры верха колонны ведется из условия конца однократного испарения бензиновой фракции.Для расчета температуры верха колонны К-2 предварительно рассчитывается давление в зоне вывода паров по формуле, (6.1)где Рвх – давление в зоне ввода сырья, МПа;n1 – число тарелок в концентрационной части К-2, принимаем n1 = 45;Р – перепад давления на одну тарелку, принимаем Р = 0,00067 МПа..Количество водяного пара, выводимого через верх колонны, определяем из уравнения, (6.2)где уон,удт, ук, – массовые доли водяного пара, подаваемого соответственно в низ К-2, отпарные колонны дизельного топлива и керосина;Gвп, Gк,Gдт,Gон – количество водяного пара, керосиновой, дизельной фракции, отбензиненной нефти соответственно, кг/с.Принимаем массовые доливодяного параук =0,03;удт =0,02;уон = 0,02.Таким образом, количество водяного пара составит: .Принимаем кратность острого орошения F0 = 2, тогда количество острого орошения вычислим по формуле, (6.3)где g0 – количество острого орошения, кг/с;Gб – количество бензиновой фракции, кг/с.g0 = 2∙22,264= 44,529кг/с.Тогда парциальное давление углеводородов и водяного пара определятся по формулам, (6.4)Рвп = Рв– Ру, (6.5)где Мб– молекулярная масса бензина;Мвп – молекулярная масса водяного пара.,Рвп = 0,150004– 0,111275= 0,038729 МПа.Расчет температуры верха колонны производим на ЭВМ. Расчет температуры верха колонны ведется из условия конца однократного испарения бензиновой фракции. В таблице 6.1 представлены исходные данные для расчета на ЭВМ. Предварительно бензиновую фракцию разбиваем на ряд узких фракций (таблица 6.2). Результаты расчета представлены в таблице 6.3Таблица 6.1 – Исходные данныеПараметрЗначениеДавление, МПа0,150004Количество водяного пара, доля мольная на сырье, моль/моль1,477Количество углеводородного сырья, кг/с21,92Доля отгона, мольная доля1Таблица 6.2 – Характеристика условных фракций№КомпонентМассовая доляПлотность компонентовТемпература кипения компонентов, °СМолекулярная масса компонентов128-600,200,6894944260—700,060,7137556370—800,070,71788567480—900,190,72029580590-1000,160,7315105906100-1100,130,73591151007110—1200,200,738125115Таблица 6.3 – Результаты расчетаНаименование параметраЗначениеМассовая доля отгона1,0000Мольная доля отгона1,0000Давление, МПа0,150Температура, °C92,3Критическая температура, K533,0Критическое давление, МПа5,112Плотность жидкости, г/см30,730Плотность пара, г/см30,720Энтальпия жидкости, кДж/кг198,3Энтальпия пара, кДж/кг538,8Молекулярная масса сырья72,8Плотность сырья, г/см30,720Количество водяного пара, моль/моль0,522Полученная температура должна превышать температуру конденсации водяных паров. При давлении водяных паров Рвп = 0,038729 МПа, температура конденсации tквп = 78,31186635°C. Таким образом водяной пар находится в парах и уходит вместе с бензиновой фракцией.6.4 Расчет температуры низа колонны К-2Расчет температуры низа колонны К-2 производится исходя из условия начала однократного испарения мазута, выводимого с низа колонны. Рассчитываем давление внизу колонны по уравнению, (6.6)гдеn2 – число тарелок в отгонной части К-2, принимаем n2= 5;Р – перепад давления на одну тарелку, принимаем Р = 0,000533 МПа,.Парциальное давление углеводородов определяется по формуле, (6.7)где Gвп, Gм – количество водяного пара и мазута соответственно, кг/с;Мм, Мвп – молекулярная масса мазута и водяного пара соответственно.Количество водяного пара определяется по формуле, (6.8).Дальнейший расчет заключается в подборе температуры низа колонны К-2 и расчете на ЭВМ массовой доли отгона, значение которой должно быть приблизительно равно количеству водяного пара, подаваемого вниз колонны для отпарки.Количество водяного пара рассчитаем по формуле, (6.9)где – массовая доля водяного пара..Мольная доля водяного пара на сырье eвп/с, рассчитывается по формуле, (6.10)где Gc– количество сырья, кг/с;Mc – молекулярная массасырья.Так как в данном случае сырьем являемся мазут, то получаем.Исходные данные представлены в таблицах 6.4, 6.5, расчетные данные в таблице6.6.Таблица 6.4 – Исходные данныеПараметрЗначениеТемпература, °С296,0Давление, МПа0,201333Количество водяного пара, доля мольная на сырье, моль/моль2,400Количество углеводородного сырья, кг/с31,360Таблица 6.5 – Характеристика условных фракций№КомпонентМассовая доляПлотность компонентовТемпература кипения компонентов,°СМолекулярная масса компонентов1350—3680,06740,8833592922368—3860,06670,893773083386—4080,07050,8983973254408—4280,06800,9044183405428—4510,06740,911439,53646451—4780,06740,9187464,53801478—5000,05840,92154894182Остаток0,53440,9457600690Таблица 6.6 – Результаты расчетаНаименование параметраЗначениеМассовая доля отгона0,0168Мольная доля отгона0,0168Давление, МПа0,201Температура, °C296,0Критическая температура, K941,8Критическое давление, МПа1,288Плотность жидкости, г/см30,920Плотность пара, г/см30,920Энтальпия жидкости, кДж/кг672,0Энтальпия пара, кДж/кг913,3Молекулярная масса сырья24,4Плотность сырья, г/см30,920Количество водяного пара, моль/моль2,4006.5 Расчет температуры вывода бокового погонаРассматривается контур I (рисунок 6.1)Рисунок 6.1 – Контур I для расчета теплового балансаРасчет температуры вывода бокового погона ведем методом двойного подбора.Для этого принимаем количество стекающей с вышележащей тарелки (отбора фракции дизельного топлива) флегмы g =70,007кг/с. Принимаем состав флегмы (в массовых долях):– бензин mб = 0,0140;– керосин mк = 0,1035;– дизельное топливо mдт = 0,8825.Тогда количество компонентов в стекающей флегме будет,,.Количество компонентов в парах определится по формуле, (6.11)где Gi, Giп, Giф – количество i-го компонента, его количество в парах и в стекающей флегме соответственно, кг/с., , .Давление в зоне вывода дизельного топлива определяем по уравнению, (6.12)где n3 – число тарелок от зоны ввода сырья до зоны вывода дизельного топливаn3 = 18..Определяем парциальное давление углеводородов , (6.13)где Gвп – количество водяного пара, кг/с, определяется по формуле (6.8).Тогда давление паров воды Рв определится следующим образомРв = Рдт – Ру, (6.14)С помощью ЭВМ производится расчет температуры паров. Исходные данные представлены в таблицах 6.7, 6.8, расчетные данные в таблицах 6.9, 6.10.Таблица 6.7 – Исходные данныеПараметрЗначениеДавление, МПа0,158078Количество водяного пара, доля мольная на сырье, моль/моль0Количество углеводородного сырья, кг/с185,73Доля отгона, мольная доля1,000Таблица 6.8 – Характеристика условных фракций№КомпонентМассовая доляПлотность компонентовТемпература кипения компонентов, °СМолекулярная масса компонентов1б0,1251450,718171,0072,832к0,3537430,778210,00120,003дт0,5211120,836295254,72Таблица 6.9 – Результаты расчетаНаименование параметраЗначениеМассовая доля отгона1,0000Мольная доля отгона1,0000Давление, МПа0,158Температура, °C271,3Критическая температура, K693,6Критическое давление, МПа3,544Плотность жидкости, г/см30,828Плотность пара, г/см30,799Энтальпия жидкости, кДж/кг640,4Энтальпия пара, кДж/кг908,8Молекулярная масса сырья149,0Плотность сырья, г/см30,799Количество водяного пара, моль/моль0,000Таблица 6.10 – Результаты расчета (составы смесей)№XLМольный составPiМассовый составTкр, КPкр, МПажидкости, Xiпара,Yiжидкости, Xiмпара, Yiм10,25600,05190,25600,7800,01720,1251634,25,4920,43920,18680,43920,3720,10180,3537677,33,5630,30480,76130,30480,0630,88100,5211766,91,90Сумма1,00001,00001,00001,00001,0000Если принятый состав флегмы близок или совпадает с расчетным, считается, что температура паров определена верно.Температуру флегмы, поступающей в контур, принимаем с учетом температурного градиента на одну тарелку, (6.15)где tL, tG, tg – температура ввода сырья, паров и флегмы соответственно,°C;.Температуру тарелки вывода керосиновой фракции принимают исходя из практических данных.7 Расчет теплового баланса контура IТепловой баланс по контуру I составляем с целью проверки принятого состава флегмы. Уравнение теплового баланса запишется следующим образом:, (7.1), (7.2)где ,, – количество тепла вносимое водяным паром, сырьем и флегмой, кДж/с;QG, Qм, –количество тепла выносимое парами, остатком и водяным паром, кДж/с;GL., Gg, GG, Gм,Gвп – количество сырья, орошения, паров, остатка и водяного пара соответственно, кг/с;qL, qg, qG, qм, qвп,q'вп – теплосодержание указанных компонентов.В низ колонны К-2 подается водяной пар давлением 0,4 МПа и с температурой 400 °C в количестве Gвп = 1,667 кг/с. Энтальпия при данных параметрах qвп = 3271,888 кДж/кг. Тогда количество тепла вносимое водяным паром .Из контура I водяной пар выводится при P=0,020724 МПа и с температурой 269 °C. Энтальпия при данных параметрахq'вп= 2978,1712кДж/кг.Тогда количество тепла выносимое водяным паром.Теплосодержание сырья определяется по формуле (7.3)где , – теплосодержание паров и жидкой фазы в отбензиненной нефти, кДж/кг.Для жидких нефтепродуктов энтальпия qж,кДж/кг, и для паров и газов энтальпия qп,кДж/кг, могут быть рассчитаны по формуле, (7.4), (7.5)где t – температура, при которой определяется теплосодержание, °С;– относительная плотность.Все расчеты сводим в таблицу 7.1Таблица 7.1 – Теплосодержание, температура и плотности компонентов ПоказателиСырье, LФлегма, gПары У/в,GМазут, MПарЖид.Темепратура,0С316,00316,00268,8271,3296,0Плотность0,78260,90460,8280,7990,920Теплосодержание, кДж/кг1020,0556734,7810640,4908,8672,0Количество тепла, кДж/с141974,45344260,09167626,5821170,32Тогда,.Разница между приходом и расходом составляет.Так как разница менее 3 %, то можно считать выбранное количество флегмы верным.8 Расчет теплового баланса основной колонны К-2Тепловой баланс рассчитывается по контуру IV (рисунок 8.1). Рисунок 8.1 – Контур IV для расчета теплового баланса Результаты расчета теплового баланса сводим в таблицу 8.1.В контур IV поступает отбензиненная нефть, холодное орошение (принимаем температуру орошенияtо = 40 °С) и водяной пар (поступает вниз колонны К-2 и отпарные колонны К-3а и К-3б) в количестве Gвп = 5,745 кг/с.Контур IV покидают керосиновая фракция (так как вниз отпарных колонн подается водяной пар, температуру отвода принимаем на 10 °Сниже температуры вывода ее из К-2, tк = 175 – 10 = 165 °С), дизельная фракция (аналогично принимаем температуру отвода на 10 °Сниже, tдт = 269– 10 = 259°С), мазут, водяной пар и дистиллят, количество которого определяется по формулеGд = Gб + Gо, (8.1)где Gд, Gб, Gо – количество дистиллята, получаемой бензиновой фракции, орошения, кг/с.Gд = 22,264 +44,529= 66,793кг/с.Таким образом уравнение теплового баланса по контору IV запишется следующим образом, (8.2), (8.3)где QL, Qвп, Qо – тепло привносимое в контур IVотбензиненной нефтью, водяным паром, орошение соответственно, кДж/с;Qд, Qк, Q’вп, Qдт, Qм –тепло отводимое из контура IV дистиллятом, керосиновой фракцией, водяным паром, дизельной фракцией и мазутом соответственно, кДж/с;Количество тепла рассчитываем по формулеQ = q∙G, (8.4)где Q – количество тепла привносимое или отводимое потоком, кДж/с;q – теплосодержание потока, кДж/кг;G – количество потока, кг/с.Необходимые значения теплосодержаний для потоков рассчитываем по формулам (7.4, 7.5).Таблица 8.1 – Результаты расчета теплового баланса по контуру 2НаименованиепотоковКоличество кг/сПлотность, 420Температура t, °СЭнтальпия, кДж/кгКоличествотепла, кДж/с123456Приход: Отбензиненная нефть147,0800,858316965,285141974,453Орошение44,5290,7184082,6563680,579Водяной пар5,745-3603271,88818797,973Итого:197,354164453,004Расход:Дистиллят66,7930,71892,3538,30635955,181Керосин58,4530,778165367,26221467,599Продолжение таблицы 8.1123456Дизельное топливо35,000,84258,77600,7921029,52Мазут31,360,92296,00675,0821170,32Водяной пар5,75-92,272486,1314283,55Итого:197,35113906,16Итак количество несбалансированного тепла ΔQ = Qприхода. – Qрасхода. =164453,004-113906,16=50546,845 кДж/с.Количество несбалансированного тепла отводится из контура промежуточным циркуляционным орошением (ПЦО). Схема организации ПЦО изображена на рисунке 8.2.Рисунок 8.2 – Принципиальная схема организации ПЦОРасчет количества циркулируемого орошения производим по следующей формуле, (8.5)где ΔQ – количество несбалансированного тепла, кДж/с;– количество циркуляционного орошения, кг/с;, – энтальпии потока при температуре вывода t1 и температуре вводаt2 соответственно, кДж/кг, Принимаем количество несбалансированного тепла для керосиновой и дизельной фракции поровну.Также принимаем температуры вывода и ввода потоков.t1к = 150 °C;t2к = 70 °C.t1дт = 238,0°C;t2дт = 70 °C.Тогда по формуле (8.4) получаем;;;.Подставляя полученные значения в (8.5) получаем;.9 Расчет диаметра колонны К-2При расчете диаметра колонн выбирается зона, наиболее нагруженная по парам. При подаче острого верхнего орошения такой зоной является верх колонны. Диаметр колонны определяем в зависимости от максимального расхода паров и их допустимой скорости в свободном сечении колонны.Определяем объем паров, проходящих за 1 секунду через сечение колонны по формуле, (9.1)где Т – температура верха колонны К-2, К;Р – давление верха колонны К-2, МПа;Gб– количество бензина, кг/с;Go – количество орошения, кг/с;Мб –молекулярная массабензина;.Определяем допустимую скорость паров u, м/с, в колонне по формуле, (9.2)где К – коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками и типа контактирующих устройств, К = 780; ж – абсолютная плотность жидкости при температуре верха, кг/м3;п – абсолютная плотность пара при температуре верха, кг/м3.Производим пересчет плотности жидкости при температуре верха по формуле (9.3)где – абсолютная плотность жидкости при температуре 20°С, кг/м3;а – средняя температурная поправка плотности, а=0,87.Тогда при температуре верха колонны К-2 получим .Абсолютная плотность паров при температуре t, °С, и давлении Р, МПа,определяется по уравнению, (9.4)где Мсм – молекулярная масса паровой смеси.В таблице 9.1 представлен расчет молекулярной массы паровой смеси дистиллята и водяного пара.Таблица 9.1 – расчет мольных долей паровКомпонентКоличество паров, Gi, кг/сМолекулярная масса, МiЧисло молей, Ni, моль/сМольные доли,Xi =Ni/NiПроизведение Xi∙MiДистиллят66,7972,830,9170,74254,03Водяной пар5,7518,000,3190,2584,65Сумма72,541,2361,00058,68Молекулярная масса паров определится по уравнениюМсм = Σ(Xi∙Mi), (9.5)Мсм = 58,68.Тогда абсолютная плотность паров при температуре и давлении верха в К-2..Подставляя найденные значения в формулу, для расчета допустимой скорости получим.Диаметр колонны определяем по формуле, (9.6).По ГОСТу принимаем диаметр колонны d = 6,0 м.10 Расчет высоты колонны К-2Высота колонны зависит от числа и типа ректификационных тарелок, а также расстояния между ними. На рисунке 10.1 показаны основные зоны колонны по высоте.Рисунок 10.1 – Основные зоны колонныВысоту от верхнего днища до первой ректификационной тарелкиh1, м, принимают конструктивно равной половине диаметра. (10.1).Высоту концентрационной части колонныh2, м, определяем по формуле, (10.2)где n – число тарелок в концентрационной части колонны;а – расстояние между тарелками, принимаем a = 0,6 м.Высоту зоны питания h3, м, находят по формуле. (10.3).Высоту отгонной части колонны h4, м,определяем по формуле, (10.4)где n – число тарелок в отгонной части колонны.Расстояние от уровня жидкости внизу колонны до нижней тарелки h5 принимаем равным 2 м.Высоту низа колонны h6 рассчитываем исходя из 10 минутного запаса остатка, необходимого для нормальной работы насоса. Объем мазута внизу колонны V, м3/ч, составляет. (10.