Технологический расчет установки атмосферной перегонки производительностью 8млн т./год по переработке Ножовской нефти с получением максимального количества топливных дистиллятов

4. Расчет основной ректификационной колонны К-2

Таблица 13 Материальный баланс колонны К-2

Поток	% масс на нефть	% масс на полуотбенз. нефть	тыс.т/год	т/сутки	кг/час
Приход
Полуотбензиненная нефть	98,1	100	7848	23082	961765
ИТОГО	98,1	100	7848	23082	961765
Расход
Фракция 85-1200С	2,6	3,08	242	711	29622
Фракция 120-2400С	15,7	18,63	1462	4300	179177
Фракция 240-3500С	16,8	19,92	1563	4598	191584
Мазут	63	58,37	4581	13473	561382
ИТОГО	98,1	100	7848	23082	961765

Режим температур и давлений.

В колонну К-2 подается отбензиненная нефть, орошение и водяной пар. Из колонны выводится головной погон - бензиновая фракция 85-120^оС, боковые погоны -фракция 120-240^оС, фракция 240-350^оС, орошение, водяной пар и остаток - мазут. Пары головного погона и водяной пар выводятся через шлемовую трубу колонны, жидкий погон из боковой части колонны и остаток - с низа колонны.

Температура отбензиненной нефти, поступающей в колонну К-2, определяется по точке кривой ОИ отбензиненной нефти, которая соответствует суммарному отбору светлых нефтепродуктов (допускается, что светлые нефтепродукты полностью испаряются в месте ввода сырья в колонну).

Ранее было показано, что значение температуры в питательной секции колонны К-2 составляет t_п.с.2 = 305^оС, давление Р_п.с.2 = 2 атм = 1 520 мм рт. ст.

Колонна К-2 в отличии от колонны К-1 работает с водяным паром. На основании заводских данных количество водяного пара, вводимого в колонну К-2, (G₁) составляет 1,01,5 % (принимаем 1%) в пересчете на полуотбензиненную нефть, а подаваемого в отпарную колонну (G₂) - 26 % (принимаем 2%) в пересчете на каждый боковой погон. Приняв соответственно 1,5 и 2,0 % водяного пара на поток, получим:

G₁ = 0,01961765=9617,65 кг/ч 9618 кг/ч

G₂ = 0,02 179177= 3583,54кг/ч 3584 кг/ч

G₃ = 0,02 191584= 3831,68 кг/ч 3832 кг/ч



Температура паров, выходящих с верха колонны К-2, устанавливается по концу кривой ОИ головного погона при давлении, соответствующем парциальному давлению его паров в смеси с водяным паром.

На верху колонны, где имеется двухкомпонентная смесь паров бензина и воды, на основании закона Дальтона:

Р_б = ,

где Р_б - парциальное давление паров бензина;

- общее давление на верху колонны;

- молярная концентрация паров бензина:

=

Предварительно находим плотности фракций 85-120°С, 120-240°С, 240-350°С:

с²⁰₄ (85-120) = 0,7260 (85-120) = 0,7304

с²⁰₄ (120-240) = 0,8080 (120-240) = 0,8118

с²⁰₄ (240-350) = 0,8750 (240-350) = 0,8784

с²⁰₄ (350-к.к.) = 0,9810 (350-к.к.) = 0,9836

Молекулярная масса бензина 85-120^оС определяется по формуле Крэгга:



Тогда N_б = = 274,05кмоль/ч;

N_{вод.пар} = = 946,33кмоль/ч

Так как в колонне применяется острое верхнее орошение, выводимое в виде паров вместе с парами балансового бензина и водяным паром через шлемовую трубу колонны, то при определении температуры верха колонны необходимо учитывать это орошение, изменяющее молярную концентрацию и парциальное давление паров бензина.

Для нормальной работы атмосферной колонны достаточно 1 - 2-кратного орошения [4]. В соответствии с этой рекомендацией зададимся кратностью орошения 2. Тогда количество острого верхнего орошения составит:

G_ор = 2G_б = 229622кг/ч = 59244 кг/ч; N_ор = = 548,1кмоль/ч

Молярная концентрация паров бензина: == 0,4649

Общее давление наверху колонны К-2 принимается равным атмосферному давлению или несколько превышающему его. Примем = 1,5атм = 1 140 мм рт. ст. Тогда парциальное давление паров бензина составит:

Р_б = 1,5 0,4649 = 0,697атм = 530мм рт. ст.



Следовательно, температура паров, выходящих с верха колонны К-2, составит t_в2=88^оС.

По данным заводской практики, температура низа атмосферной колонны должна быть на 20-30^оС ниже температуры в питательной секции. Примем t_н2 = 305 - 20 = 285^оС.

Температура острого верхнего орошения составляет 35^оС, примем t_ор = 35^оС.

Температуру перегретого водяного пара, подаваемого в колонну, примем равной = 350^оС. Этот пар обычно получают путем перегрева отработанного (мятого) пара от насосов с давлением 0,2-0,3 МПа в змеевике, расположенном в сырьевой или в специальной печи.

Количество тарелок в концентрационной секции колонны К-2 установим по перепаду температур между сечением ввода сырья (t_п.с.2 = 305^оС) и верхним сечением (t_в2 = 88^оС), исходя из перепада температур между соседними тарелками в 5-10^оС (принимаем 6^оС):

= = 36,2, принимаем = 37 тарелок.

Пусть для отбора керосиновой фракции 120-240^оС будем отводить с 13-ой тарелки, тогда дизельную фракцию 240-350^оС будем отводить с 25-ой тарелки. Число тарелок в отгонной секции атмосферной колонны составляет от 5 до 7 штук, примем = 7 тарелок. В зависимости от требуемой четкости погоноразделения выносные колонны имеют от 4 до 8 тарелок [4]. Примем число тарелок в стриппинг-секции N_стрип. = 7.

Температура бокового погона устанавливается по началу соответствующей кривой ОИ, так как выводимый из колонны жидкий боковой погон находится на тарелке при температуре закипания. В сечении вывода боковых погонов находятся и более легкокипящие компоненты, снижающие парциальное давление паров, а потому истинные температуры вывода боковых погонов обычно на 10-20^оС ниже температур начальных точек их кривых ОИ, построенных при атмосферном давлении.

Определим температуру вывода керосиновой фракции 120-240^оС аналогичным описанному выше способом:

N_КФ = = 1087,24кмоль/ч

N_{вод.пар} = = 946,33кмоль/ч

Давление на 13-ой тарелке отвода фракции, исходя из того, что давление на верху колонны равно 1,5 атм (1140 мм рт ст.), а в питательной секции 2 атм (1520 мм рт ст.) и перепад между тарелками должен быть 5-10 мм рт ст. [4]. Проверим это предположение:



ммрт ст.

Следовательно количество тарелок было выбрано верно. Давление на 13-ой тарелке будет равно:

мм рт ст. = 1,671атм

Парциальное давление КФ:

Р_КФ = ₁₅= 1,6710,535 0,894атм

Температура вывода керосиновой фракции из колонны К-2 соответствует температуре 0 %-ого отгона по кривой ОИ, построенной при Р_КФ = 0,894атм =679 мм рт. ст. и составляет = 141^оС.

Температуру КФ на выходе из отпарной колонны принимают на 20^оС ниже температуры жидкости на входе в стриппинг-секцию [4], то есть:

= 141 - 20 = 121^оС



Определим температуру вывода дизельной фракции 240-350^оС аналогичным описанному выше способом:

N_ДФ = = 746,77кмоль/ч

N_{вод.пар} = =747,22кмоль/ч

Давление на 25-ой тарелке отвода фракции:

₂₅ = 1 140 + 25 10 = 1 390 ммрт. ст. = 1,83атм

Парциальноедавление ДФ:



Р_ДФ = ₂₅= 1,83 0,50,915атм

Температура вывода дизельной фракции из колонны К-2 соответствует температуре 0 %-ого отгона по кривой ОИ, построенной при Р_ДФ = 0,915 атм = 695,4 мм рт. ст. и составляет = 259^оС.

Температуру ДФ на выходе из отпарной колонны принимают на 20^оС ниже температуры жидкости на входе в стриппинг-секцию [4], то есть:

= 259 - 20 = 239^оС

Тепловой баланс колонны К-2.

В колонну К-2 тепло подается с нагретой в печи полуотбензиненной нефтью, а также с подаваемым в низ колонны водяным паром.

Отводится тепло с верхним продуктом - бензиновой фракцией, боковыми погонами - КФ и ДФ и остатком, а также отводится острым (испаряющимся) орошением.

Расчет теплового баланса основной ректификационной колонны К-2 производится аналогично расчету теплового баланса колонны предварительного испарения К-1.

Приход тепла:

Количество тепла, вносимое сырьем (полуотбензиненной нефтью) -Q_пон, определяется с учетом доли паровой и жидкой фаз. Доля отгона е определяется по кривой ОИ полуотбензиненной нефти при температуре входа сырья в колонну К-2, или, что то же, нагрева в печи (305^оС) и давлении, равном давлению в питательной секции колонны (2 атм= 1 520 мм рт. ст.). Графически получаем е = 0,415

Q_пон = G_пон[e + (1-e)],

где G_пон - количество полуотбензиненной нефти, поступающей в колонну, кг/ч;

е - доля отгона полуотбензиненной нефти при температуре нагрева в печи;

= 907,86 кДж/кг- теплосодержание паров полуотбензиненной нефти при температуре выхода из печи (рассчитано ранее в тепловом балансе К-1)

= 682,57 кДж/кг- теплосодержание жидкой фазы полуотбензиненной нефти при температуре выхода из печи.

Q_пон= 961765*(0,415*907,86 + (1-0,415)*682,57)= 746392491 кДж/ч

Количество тепла, вносимого водяным паром:

Q_{вод.пар} = G_{вод.пар}q =G_{вод.пар} ( -),



где G_{вод.пар} - количество водяного пара, кг/ч;

= 3176,59кДж/кг- теплосодержание водяного пара на входе в колонну К-2, кДж/кг;

= 2657,81кДж/кг- теплосодержание водяного пара на выходе из колонны К-2, кДж/кг; (из Сарданашвили)

Q_{вод.пар} = 9618*(3176,59-2657,81) = 4989626 кДж/ч

Расход тепла:

с верхним продуктом: Q_б = G_б,

где G_б - количество паров бензина, кг/ч;

- теплосодержание паров бензина (фракции 85-120^оС) при температуре верха колонны К-2 t_в2 = 88^оС.

= 255,07*(4-0,7304)-308,99 = 525 кДж/кг

Q_б=29622*525 = 15551550 кДж/ч

с боковым продуктом: Q_КФ = G_КФ,

где G_пон - количество дизельной фракции, кг/ч;

- теплосодержание керосиновой фракции при температуре вывода ее из колонны =141^оС.

= = 301,57 кДж/кг

Q_КФ = 179177*301,57 = 54034408 кДж/ч

с боковым продуктом:



Q_ДФ = G_ДФ,

где G_пон - количество дизельной фракции, кг/ч;

- теплосодержание дизельной фракции при температуре вывода ее из колонны = 259^оС.

= = 588,09 кДж/кг

Q_ДФ = 191584*588,09 = 112668635 кДж/ч

с остатком: Q_ост = G_ост,

где Q_ост - количество остатка (мазута), кг/ч;

- теплосодержание остатка при температуре низа колонны t_н2 = 285^оС.

= = 624,21 кДж/кг

Q_ост = 561382*624,21 = 350420258 кДж/ч

с острым (испаряющимся) орошением: Q_ор = G_орq_ор = G_ор (-),

где G_ор - количество острого орошения (по составу острое орошение идентично верхнему продукту), кг/ч; при кратности орошения 2 получим G_ор = 2G_б;

= 525кДж/кг - теплосодержание паров орошения при температуре верха колонны t_в2 = 88^оС;

- теплосодержание орошения, подаваемого в колонну в виде жидкости при температуре 35^оС.



= 71,57 кДж/кг

Q_ор = 2*29622*(525-71,57) = 26863007 кДж/ч

Найдем количество тепла, которое необходимо снимать циркуляционным орошением:

Q_ц.о. = Q_прих- Q_расх = (Q_пон + Q_{вод.пар}) - (Q_б+ Q_КФ + Q_ДФ + Q_ост + Q_ор) = (746392491 + 4989626) - (15551550 + 54034408 + 112668635 + 35040258 + 26863007) = 191844259кДж/ч

Тепловой баланс колонны К-2 Таблица 14

Наименование	% масс.на нефть	% масс.на полуотб	G,кг/ч	с15(15)	t,?C	q, кДж/кг	Q, кДж/ч
Приход:
полуотбензиненная нефть	98,1		961765	0,931035	305	-	746392491
водяной пар	-	-	9618	-	350	518,78	4989626
Итого:	98,1	100	971383	-	-	-	751382117
Расход:
фракция 85-1200С	2,6	3,08	29622	0,7304	88	525	15551550
фракция 120-2400С	15,7	18,63	179177	0,8118	141	301,57	54034408
фракция 240-3500С	16,8	19,92	191584	0,8784	259	588,09	112668635
мазут	63	58,37	561382	0,9836	285	624,21	350420258
острое орошение	-	-	59244	0,7304	35	453,43	26863007
циркуляционное орошение	-	-	1251185	0,8223	80	152,47	191844259
Итого:	98,1	100	-	-	-	-	751382117

Рассчитаем количество циркуляционного орошения G_ц.о., необходимого для обеспечения нормальной работы колонны (кг/ч):

G_ц.о. =



где - теплосодержание жидкости (флегмы), стекающей с тарелки вывода циркуляционного орошения (при температуре t₁ на 14-ой тарелке);

- теплосодержание жидкости, поступающей на тарелку ввода циркуляционного орошения.

Температуру t₁ принимаем исходя из равномерного перепада температур между соседними тарелками в 5-10^оС (ранее приняли 6^оС). Поскольку температура вывода керосиновой фракции с 13-ой тарелки равняется 141^оС, то получим t₁= 141+ 1 6 = 147^оС. Температуру входа в колонну К-2 циркуляционного орошения принимаем равнойt₂ = 80^оС [4]. Плотность циркулирующей жидкости принимаем, основываясь на предположении о равномерном перепаде данного показателя на каждую тарелку. Тогда, учитывая плотность керосиновой фракции, получим:

= 0,8080+ 1 0,005 = 0,8130 = 0,8168

= = 314,8 кДж/кг

= = 161,47 кДж/кг

Расход циркулирующей жидкости составит:

G_ц.о. == 1251185,41251185 кг/ч

Определение основных размеров колонны К-2

Основные размеры основной ректификационной колонны К-2 определяются так же, как и размеры колонны предварительного испарения К-1.

При определении диаметра колонны К-2 для установления сечения, наиболее нагруженного по парам, проверяются объемы паров в испарительном пространстве (питательной секции) колонны и под тарелками, с которых выводится орошение.

1. Сечение под 1-ой тарелкой, на которую стекает холодное орошение (пары бензина, холодное орошение и водяной пар, подаваемый в низ К-2 и стриппинг-секции):

G_пар = G_б + G_хол.ор. + G_{вод.пар} = 29622 + 59244 + (9618 + 3584 + 3832) = 105900 кг/ч

2. Сечение под 13-ой тарелкой (циркуляционное орошение, пары, поступающие из отпарнойколонны, и то же суммарное количество водяных паров):

G_пар = G_стрип. + G_{вод.пар}+ G_ц.о. = 1251185+0,19179177+ (9618 + 3584 + 3832) = 1302263кг/ч,

где G_стрип. = е_КТG_КФ - количество паров отпариваемых в стриппинг-секции (доля отгона е_КФ= 0,19 определяется графически в соответствии с температурой входа фракции КФ в отпарную колонну, равной 141^оС)

3. Сечение под 25-ой тарелкой (циркуляционное орошение, пары, поступающие из отпарной колонны, и водяные пары):

G_пар = G_стрип. + G_{вод.пар}+ G_ц.о. =0,25*191584 +1251185 + (9618 + 3832) = 1312531 кг/ч,

где G_стрип. = е_ДФG_ДФ - количество паров отпариваемых в стриппинг-секции (доля отгона е_ДФ= 0,25 определяется графически в соответствии с температурой входа фракции ДФв отпарную колонну, равной 259^оС).



4. Сечение под 37-ой тарелкой (пары отбензиненной нефти и водяной пар, подаваемый в низ К-2):

G_пар = G_{неф.пар.} + G_{вод.пар} = e_k-2*G_пон + G₁ = 0,415*961765 + 9618 = 408750 кг/ч

Как видно из предлагаемых расчетов, наиболее нагруженным является сечение под 25-ой тарелкой, где нагрузка по парам составляет: G_пар = 1312531кг/ч.

Исходя из этого рассчитаем объем паров по уравнению Менделеева-Клапейрона:

== 33,9 м³,

На основании практических данных линейная скорость паров в свободном сечении для колонны К-2 составляет w = 0,6 1,15 м/с [5]. Примем w = 1,0 м/с, тогда площадь поперечного сечения колонны составит:

= = 33,9м²

Диаметр колонны рассчитывается по уравнению:

D = = 6,57м

В соответствии со стандартом принимаем значение диаметра атмосферной колонны К-2 равным D_К-2 = 7 м.

Расстояние между верхней тарелкой и верхним днищем колонны принимаем равным половине диаметра колонны, то есть h₁ = 7 / 2 = 3,5 м.

Высота концентрационной части колонны К-2 (n = 37):

h₂ = (n - 1) H_т = (37 - 1) 0,600 = 21,6 м

Высота питательной секции колонны:

h₃ = (2 3) H_т = 2 0,600 = 1,2 м

Высота отгонной части колонны К-2 (n = 7):

h₄ = (n - 1) H_т = (7 - 1) 0,600 = 3,6 м

Расстояние от уровня жидкости внизу колонны до нижней тарелки принимают равнымh₅ = 1 2 м, чтобы пар равномерно распределялся по сечению колонны.

Высота, занимаемая жидким остатком в колонне, подсчитывается исходя из 5-10-минутного запаса жидкости при температуре низа колонны (329,4^оС):

V_ост = 55,5 м³/ч,

где- абсолютная плотность остатка при температуре низа колонны (285^оС), кг/ м³:

= 981 - 0,522 (285 - 20) = 842,67 843

= 5 мин = 0,083 ч - запас времени, ч.

Отсюда высота, занимаемая жидким остатком:



h₆ = 1,44м

Высоту постамента принимаем h₇ = 4,0 м.

При расчете высоты концентрационной секции колонны учтем, что через 4 тарелки по высоте колонны установлено 10 люков для обеспечения монтажа и ремонта тарелок. В этих сечениях принимаем расстояние между тарелками Н_т = 800 мм. Тогда:

h₂ = 21,6 + 10 0,8 = 29,6 м

Полезная высота колонны Н_пол (без учета высоты опорной обечайки h₇):

Н_пол = = 3,5 + 29,6 + 1,2 + 3,6 + 2,0 + 1,44 = 41,34 м.

Полная высота колонны:

Н_К-2 = Н_пол + h₇ = 41,34 + 4,0 = 45,34 м ? 46 м