Выбор и обоснование технологической схемы установки

 

 

7.2 Тепловой баланс РДК

 

Процесс экстракции протекает при атмосферном давлении, равном 101,325 кПа. Согласно литературным данным [29; 30], принимаем следующий температурный режим РДК:

• температура верха: 70ºС;
• температура низа: 55ºС;
• температура ввода сырья: 48ºС;
• температура подачи растворителя: 74ºС (на 4-8ºС выше, чем температура уходящего рафинатного раствора [21]).

Таким образом, температурный градиент экстракции в данном случае составляет 70 – 55 = 15ºС. Температура в верхней части РДК регулируется температурой подачи сухого растворителя, а температура в нижней части частично регулируется температурой ввода сырья. Кроме того, для создания необходимого температурного градиента в контакторе, а также для повышения чёткости разделения и увеличения выхода рафината в нижнюю часть РДК подаётся некоторое количество охлаждённого экстрактного раствора (рециркулята), имеющего температуру 35ºС.

Пренебрегая потерями тепла в окружающую среду, можно записать в общем виде уравнение теплового баланса:

,                                           

где Qввода – общее количество тепла, вводимое в РДК с сырьём, с растворителем и с рециркулятом при 35ºС;

  Qвывода – общее количество тепла, которое выводится из РДК с рафинатным и экстрактным растворами, а также с рециркулятом (55ºС).

Плотности и энтальпии N-метилпирролидона, а также рафинатного и экстрактного растворов в парообразном и жидком состоянии при различных температурах и давлениях, необходимые для последующих расчётов, определяются при помощи справочной системы программы РRO/II 5.61 with PROVISION фирмы SIMSCI.

 

ПРИХОД ТЕПЛА:

 

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

                                                ,                                      

где GС – количество сырья, кг/ч;

   – энтальпия сырья в жидком состоянии при 48ºС, кДж/кг.

Энтальпия жидкости рассчитывается по формуле:

                                                     ,                                           

где а = 84,98 кДж/кг при 48ºС (см. приложение 14 [31]).

Плотность фракции 420 – 500°С западно-сургутской нефти при 20°С составляет 921 кг/м³. Относительную плотность этой фракции при 15°С можно определить по формуле:

                                            ,                                          

где – относительная плотность фракции при 20°С, равная 0,921;

        α – средняя температурная  поправка относительной плотности  на один градус, равная 0,000607 (см. приложение 1 [31]).

Итак,                        

 кДж/кг

 кВт

2) Тепло, вводимое с растворителем, определяется по формуле:

                                        ,                                

где GN-МП – количество N-метилпирролидона, кг/ч;

 – энтальпия растворителя  в жидком состоянии при 74°С, равная 131,35 кДж/кг.

 кВт

 

РАСХОД ТЕПЛА:

 

1) Тепло, уносимое рафинатным  раствором из верхней части  РДК, находится по формуле:

                                                 ,                                           

где GРР – количество рафинатного раствора, кг/ч;

 – энтальпия рафинатного  раствора, находящегося в жидком  состоянии, при 70°С, равная 133,31 кДж/кг.

 кВт

2) Тепло, уносимое экстрактным  раствором из нижней части  РДК, находится по формуле:

                                                 ,                                           

где GЭР – количество экстрактного раствора, кг/ч;

 – энтальпия экстрактного  раствора, находящегося в жидком  состоянии, при 55°С, равная 97,62 кДж/кг.

 кВт

Результаты расчёта теплового баланса РДК без учёта тепла, снимаемого при помощи рециркуляции части экстрактного раствора, представлены в таблице 7.2.

 

Таблица 7.2 – Тепловой баланс РДК (без учёта рециркуляции)

Статьи	t, 0С	G, кг/ч	Н, кДж/кг	Q, кВт
ПРИХОД:
сырьё	48	24763,7	88,41	608,15
N-метилпирролидон	74	49527,4	131,35	1807,06
Итого:	–			2415,21
РАСХОД:
рафинатный раствор	70	16212,1	133,31	600,34
экстрактный раствор	55	58079,0	97,62
Итого:	–			2174,91

 

Количество циркулирующего экстрактного раствора GЦ определяется по формуле [15]:

                                  ,                            

где – энтальпия циркулирующего экстрактного раствора в жидком состоянии при температуре подачи его в РДК (35°С), равная 54,43 кДж/кг.

 кг/с, или 20029,6 кг/ч

Количество рециркулята не должно превышать 30% от общего объема фаз, в противном случае нормальный режим работы РДК будет нарушен. В данном случае количество рециркулята составляет 26,96% от общего объема фаз, что меньше 30%.

Тепловой баланс РДК с учётом рециркуляции части экстрактного раствора представлен в таблице 7.3.

 

Таблица 7.3 – Тепловой баланс РДК (с учётом рециркуляции)

Статьи	t, 0С	G, кг/ч	Н, кДж/кг	Q, кВт
ПРИХОД:
сырьё	48	24763,7	88,41	608,15
N-метилпирролидон	74	49527,4	131,35	1807,06
рециркулят	35	20029,6	54,43	302,84
Итого:	–			2718,05
РАСХОД:
рафинатный раствор	70	16212,1	133,31	600,34
экстрактный раствор	55	58079,0	97,62
рециркулят	55	20029,6	97,62	543,48
Итого:	–			2329,38

 

 

7.3 Расчёт основных геометрических размеров РДК и его внутренних элементов

 

7.3.1 Расчёт диаметра РДК

 

Расчёт диаметра контактора проводим по методике, предложенной в литературных источниках [31; 32]. Диаметр РДК может быть рассчитан по формуле:

                                     ,                                

где и – объёмные расходы сырья и N-метилпирролидона соответственно, м³/ч;

– условная скорость потока сырьевой смеси в контакторе, составляющая от 6,5 до 13 м³/(м²·ч) [15; 31].

Объёмные расходы сырья и растворителя можно определить по следующей формуле:

                                             ,                                            

где G – количество сырья (растворителя), кг/ч;

ρ – плотность сырья (растворителя) при максимальной температуре в контакторе (74ºС), соответствующей максимальному объёму сырья (растворителя).

Плотность сырья при 74ºС можно определить по формуле Д.И.Менделеева:

                                                                    

, или 888 кг/м³

 м³/ч

Плотность N-метилпирролидона при 74ºС составляет 987,98 кг/м³.

 м³/ч

Условную скорость потока сырьевой смеси в контакторе принимаем равной 12 м³/(м²·ч). Тогда

 м

По стандартному ряду диаметров колонных аппаратов [31] принимаем диаметр РДК:

D = 3,0 м.

 

7.3.2 Расчёт высоты РДК

 

Расчёт высоты контактора проводим по методике, предложенной в литературных источниках [15; 31]. Высоту контактора можно определить по формуле:

                                                 ,                                                  

где h1 – высота верхней отстойной зоны;

h2 – высота нижней отстойной зоны;

h3 – высота экстракционной зоны.

Высоту верхней отстойной зоны (для рафинатного раствора) можно определить по формуле:

                                           ,                                         

где – объёмный расход рафинатного раствора, м³/ч;

τ1 – время отстаивания рафинатного раствора, равное 1,2-1,5 ч;

S – площадь поперечного сечения контактора, м²:

                                                                                               

 м²

Объёмный расход рафинатного раствора определяется по формуле:

                                 ,                                 

где ρР и ρ/N–МП – плотность рафината и N-метилпирролидона при температуре верха РДК (70°С) соответственно, кг/м³;

х – массовая доля рафината в рафинатном растворе, равная 0,85;

GР – количество рафината, кг/ч.

Плотность рафината, получаемого из фракции 420 – 500°С западно-сургутской нефти, при 20°С составляет 877 кг/м³. Относительная плотность рафината при 70°С по формуле Д.И.Менделеева равна:

Плотность N-метилпирролидона при 70°С составляет 991 кг/м³. Тогда

 м³/ч

Принимаем время отстаивания рафинатного раствора равным 1,2 ч (72 мин.). Таким образом,

 м

Высоту нижней отстойной зоны (для экстрактного раствора) можно определить по формуле:

                                           ,                                         

где – объёмный расход экстрактного раствора, м³/ч;

τ2 – время отстаивания экстрактного раствора, равное 0,5-1,0 ч;

Объёмный расход экстрактного раствора определяется по формуле:

                             ,                           

где ρЭ и ρ//N–МП – плотность экстракта и N-метилпирролидона при температуре низа РДК (55°С) соответственно, кг/м³;

GЭ – количество экстракта, кг/ч.

Плотность экстракта, получаемого из фракции 420 – 500°С западно-сургутской нефти, при 20°С составляет 992,5 кг/м³. Относительная плотность экстракта при 55°С по формуле Д.И.Менделеева равна:

Плотность N-метилпирролидона при 55°С составляет 1003 кг/м³. Тогда

 м³/ч

Принимаем время отстаивания экстрактного раствора равным 0,5 ч (30 мин.). Таким образом,

 м

Высота экстракционной зоны контактора подсчитывается по формуле:

                                                        ,                                          

где n – число камер РДК, ограниченных кольцевыми перегородками;

hk – расстояние между кольцевыми перегородками, м.

Число камер определяется в зависимости от диаметра РДК. При диаметре контактора, равном 3,0 м, оно составляет 20 (см. таблицу 6 [15]).

Расстояние между кольцевыми перегородками вычисляется из соотношения:

                                                         ,                                         

где D – диаметр контактора, м.

Итак,                            м