Выбор и обоснование нефти для производства масел

Высота h1 (расстояние между верхней тарелкой и верхним днищем) принимается равной 0,5·D для сферического днища. В данном случае:

                                                 h1 = 0,5×1,2 = 0,6 м.

Число промежутков между тарелками меньше количества тарелок на единицу, поэтому h2 (высота верхней тарельчатой части колонны) равна:

                                                 h2 = 0,5(2 – 1) = 0,5 м.

Высоту эвапорационного пространства h3 принимаем равной 1 м.

Высота h4 (высота нижней тарельчатой части колонны) определяется аналогично высоте h2:

                                                 h4 = 0,5(5 – 1) = 2 м.

Свободное пространство между уровнем жидкости внизу колонны и нижней тарелкой необходимо для равномерного распределения паров. Высоту этого пространства принимают равной 1–2 м. Примем h5 = 1 м.

Высоту слоя жидкости в нижней части испарительной колонны можно рассчитать по ее семиминутному запасу [33]. Определим объем рафинатного раствора, принимая запас на 420 с:

 м3

Площадь поперечного сечения колонны равна:

                                                  м²

Тогда                                 м.

Общая высота колонны складывается из всех найденных высот:

H = h1 + h2 + h3 + h4 + h5 + h6  = 0,6 + 0,5 + 1 + 2 + 1 + 2,0  = 7,1м.

 

 

8.2 Расчёт отпарной колонны блока регенерации растворителя из рафинатного раствора

 

8.2.1 Температурный режим колонны К-4

 

Рафинатный раствор в количестве 14043,1 кг/ч, состоящий из 98,13% масс. рафината и 1,87% масс. N-метилпирролидона, из низа колонны К-3 перетекает в отпарную колонну К-4, где остатки растворителя отгоняются острым водяным паром. Остаточное давление над верхней тарелкой колонны составляет 26,6 кПа. Для предотвращения уноса рафината с парами растворителя колонна оборудована клапанными тарелками (16 штук). Рафинатный раствор подаётся на третью тарелку (считая сверху). Потерю давления на каждой тарелке примем 500 Па [27]. Тогда давление в зоне ввода сырья в колонну будет составлять 26,6 + 2·0,5 = 27,6 кПа. Давление внизу колонны составит 26,6 + 16·0,5 = 34,6 кПа.

Температура рафинатного раствора на входе в отпарную колонну принимается на 5°С ниже температуры его на выходе из испарительной колонны. Итак, эта температура составляет 247 – 5 = 242°С.

Температура низа отпарной колонны определяется как температура кубового остатка, охлажденного вследствие испарения растворителя. Искомую температуру tн можно найти из равенства:

                                              ,                                         

где tвх – температура рафинатного раствора на входе в колонну, 242°С;

GN–МП – количество отгоняемого растворителя, кг/ч;

        r – скрытая теплота испарения растворителя, равная 470,77 кДж/кг;

GР – количество рафината, уходящего из низа колонны, кг/ч;

c – удельная теплоемкость рафината, кДж/(кг·°С).

При данном расчёте предполагаем, что остаточное содержание N-метилпирролидона в рафинате ничтожно мало, т.е весь растворитель отгоняется от рафината водяным паром. Тогда количество отгоняемого растворителя составляет 262,4 кг/ч, а количество получаемого рафината – 13780,7 кг/ч.

Удельную теплоёмкость рафината можно ориентировочно определить по формуле Крэга [31]:

                           ,                               

где – относительная плотность рафината при 15°С;

Т – температура, равная 242 + 273 = 515 К.

Плотность рафината, получаемого из фракции 420 – 500°С западно-сургутской нефти, при 20°С составляет 877 кг/м³. Относительная плотность рафината при 15°С равна:

 кДж/(кг·°С)

Таким образом, температура низа отпарной колонны составляет:

°С

Температуры верха отпарной колонны К-4 определяется как температура кипения растворителя при давлении РN–МП, где РN–МП – парциальное давления паров растворителя, которое можно рассчитать по формуле:

                                              ,                                     

где М – молярная масса растворителя, равная 99 кг/кмоль;

Z – количество вводимого в колонну водяного пара, кг/ч;

p – общее давление над верхней тарелкой в колонне, равное 26,6 кПа;

18 – молярная масса воды, кг/кмоль.

Примем количество водяного пара, необходимое для полного удаления растворителя из рафината, равным 1,2% масс. на сырьё колонны, т.е. 0,012·14043,1 = 168,5 кг/ч. Тогда

 

 кПа

Температура кипения N-метилпирролидона при давлении 5,89 кПа составляет 144°С. Таким образом, искомая температура верха колонны определена.

 

8.2.2 Материальный баланс колонны К-4

 

Материальный баланс отпарной колонны К-4 (без учёта водяного пара) представлен в таблице 8.2.1.

 

Таблица 8.2.1 – Материальный баланс отпарной колонны К-4

Статьи	% масс. на нефть	% масс. на сырьё	Количество, кг/ч
ПРИХОД:
рафинатный раствор, в т.ч.	4,857	100,00	14043,1
рафинат	4,766	98,13	13780,7
N-метилпирролидон	0,091	1,87	262,4
Итого:	4,857	100,00	14043,1
РАСХОД:
рафинат	4,766	98,13	13780,7
N-метилпирролидон	0,091	1,87	262,4
Итого:	4,857	100,00	14043,1

 

8.2.3 Тепловой баланс колонны К-4

 

Для составления теплового баланса отпарной колонны К-4 необходимо определить количество орошения – жидкого влажного N-метилпирролидона, подаваемого на верхнюю тарелку колонны для поддержания температурного режима.

Количество орошения Gор (кг/с) определяется по формуле:

                                ,                             

где QРР – количество тепла, поступающего в колонну с сырьём – рафинатным раствором, кВт;

 QВП – количество тепла, поступающего в колонну с водяным паром, кВт;

   QР – количество тепла, уходящего из колонны с рафинатом, кВт;

 QП+МП – количество тепла, уходящего из колонны с влажными парами растворителя, кВт;

– энтальпия смеси паров растворителя и водяного пара при температуре верха колонны (144ºС), равная 1567,3 кДж/кг;

– энтальпия жидкого орошения, имеющего температуру 60ºС [15], равная 237,98 кДж/кг.

 

ПРИХОД ТЕПЛА:

 

1) Тепло, вводимое с сырьем, находится по формуле [31]:

                                                ,                                      

где GРР – количество сырья, кг/ч;

 – энтальпия жидкого сырья  при 242ºС, равная 539,2 кДж/кг.

 кВт

2) Тепло, вводимое с водяным паром, определяется по формуле:

                                              ,                                       

где – энтальпия перегретого водяного пара давлением 4·105 Па при температуре 300ºС, равная 3068,7 кДж/кг (см. приложение 20 [31]).

 кВт

 

РАСХОД ТЕПЛА:

 

1) Тепло, уносимое рафинатом  из куба К-4, находится по формуле:

                                                 

где GР – количество рафината, кг/ч;

 – энтальпия жидкого рафината  при 238°С, кДж/кг.

кДж/кг,

где а = 498,024 кДж/кг при 238ºС (см. приложение 14 [31]).

 кВт

2) Тепло, уносимое смесью  паров  N-метилпирролидона и водяного пара из верхней части РДК, находится по формуле:

                                                 ,                                      

где GП+МП – расход смеси паров, равный 262,4 + 168,5 = 430,9 кг/ч;

 – энтальпия смеси паров  при 60°С, равная 1567,3 кДж/кг.

 кВт

Итак, количество орошения Gор (кг/с) по формуле (35):

кг/с, или 74,7 кг/ч

Тепловой баланс колонны К-4 представлен в таблице 8.2.2.

 

Таблица 8.2.2 – Тепловой баланс отпарной колонны К-4

Статьи	t, 0С	G, кг/ч	Н, кДж/кг	Q, кВт
ПРИХОД:
сырьё	242	14043,1	539,2
водяной пар	300	168,5	3068,7
жидкое орошение	60	74,7	237,98	4,93
Итого:	–			2251,9
РАСХОД:
смесь паров растворителя и водяного пара	144	505,6	1567,3	220,12
рафинат	238	13780,7	530,77	2031,78
Итого:	–			2251,9

 

8.2.4 Расчёт основных геометрических размеров колонны К-4

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА КОЛОННЫ

 

Расчёт основных геометрических размеров испарительной колонны К-4 проводим по методике, предложенной в литературном источнике [31].

Расчётным сечением в колонне будет её верхнее сечение, так как через него проходит в единицу времени наибольший объём паров. Температура в этом сечении Т = 144 + 273 = 417 К, давление составляет 0,0266 МПа. Количество паров N-метилпирролидона (М = 99 кг/кмоль) равно 308,8 кг/ч, количество водяного пара (М = 18 кг/кмоль) равно 196,8 кг/ч. Определим объемный расход паров по формуле (29):

 м³/ч, или 0,507 м³/с

Допустимую линейную скорость паров рассчитаем по уравнению Саудерса и Брауна). В этом уравнении коэффициент С определяется по графику (см. рисунок 3.6 [31]) для вакуумных колонн, работающих без подачи водяного пара, при расстоянии между тарелками, равном 500 мм: С = 520.

Плотность жидкого орошения при 144ºС составляет 876,3 кг/м³.                   

 кг/м³

Vл=

м/с

Согласно формуле (28):

 м

Основываясь на практических данных, по стандартному ряду диаметров колонных аппаратов принимаем диаметр колонны:

                                                             D = 1 м.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ КОЛОННЫ

 

Высота колонны рассчитывается в зависимости от числа, типа контактных устройств и расстояния между ними. Она складывается из нескольких составляющих.

Высота h1 (расстояние между верхней тарелкой и верхним днищем) принимается равной 0,5·D для сферического днища. В данном случае:

                                                 h1 = 0,5×1 = 0,5 м.

Число промежутков между тарелками меньше количества тарелок на единицу, поэтому h2 (высота верхней тарельчатой части колонны) равна:

                                                 h2 = 0,5(2 – 1) = 0,5 м.

Высоту эвапорационного пространства h3 принимаем равной 1 м.

Высота h4 (высота нижней тарельчатой части колонны) определяется аналогично высоте h2:

                                                 h4 = 0,5(14 – 1) = 6,5 м.

Свободное пространство между уровнем жидкости внизу колонны и нижней тарелкой необходимо для равномерного распределения паров. Высоту этого пространства принимают равной 1–2 м. Примем h5 = 1 м.

Высоту слоя жидкости в нижней части испарительной колонны можно рассчитать по ее семиминутному запасу [33]. Определим объем рафината, принимая запас на 420 с:

 м3

Площадь поперечного сечения колонны равна:

                                                  м²

Тогда                                 м.

Общая высота колонны складывается из всех найденных высот:

H = h1 + h2 + h3 + h4 + h5 + h6  = 0,5 + 0,5 + 1 + 6,5 + 1 + 2,8  = 12,3 м.

 

9 РАСЧЁТ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ ПЕЧИ ДЛЯ ПОДОГРЕВА РАФИНАТНОГО РАСТВОРА

 

Рафинатный раствор с температурой 70ºС, выходящий из верхней части РДК, нагревается горячим рафинатом, выходящим из отпарной колонны К-4, до 140ºС. Затем он поступает в печь П-1, где нагревается до 260ºС.

Полезная тепловая нагрузка печи определяется по формуле:

                              ,                                   

где Gс – расход рафинатного раствора, кг/ч;