Основные технико-экономические показатели процесса риформинга

В том, как связаны показатели неблагополучия здоровья населения с применением тетраэтилсвинца в бензинах можно убедиться, сравнивая кривые уровня свинца в крови и применения того же свинца в бензинах. Они практически повторяют друг друга! Данные эти взяты из американских исследований 15-20 летней давности. Подобные показатели, характеризующие обстановку в России, известны лишь узкому кругу специалистов, но ситуация в технической сфере у нас во многом схожа с той, что была в США 15-20 лет назад.

Как известно, наиболее перспективным путем увеличения производства неэтилированного бензина в силу технологических факторов является замена ТЭС на кислородосодержащие соединения.

За минувший год в России выпущено примерно 1 млн т кислородосодержащих присадок. Это - лишь треть потенциальной потребности в них, чтобы полностью заменить в бензине тетраэтилсвинец. Из-за высокой стоимости их выпуск весьма ограничен.И все же бросается в глаза то, что даже несмотря на реконструкцию, потребности в ТЭС будут снижаться крайне незначительно, а АО “Ангарская нефтехимическая компания” даже намечает увеличить его закупки. Такой расклад во многом объясняется перекосами конъюнктуры отечественного рынка: низкий платежеспособный спрос заставляет потребителя выбирать, что дешевле, а производственники вынуждены на этот спрос реагировать.

Преградой на пути прекращения выпуска этилированного бензина являются экономические трудности. Возьмем, к примеру, налоговую систему. Сейчас немало говорится о необходимости ее реформы для нефтедобывающих предприятий, о том, как из-за ее перекосов раньше времени становится нерентабельной эксплуатация скважин. Такого же дифференцированного подхода требует и налогообложение в нефтепереработке. Можно, например, установить различные ставки акциза на бензин, содержащий и не содержащий ТЭС. Экономисты считают целесообразными такие ставки налогов:

- при выпуске неэтилированного  бензина установить ставку акциза  в 10%;

- увеличить ставку акциза  на этилированные бензины с 20 до 35%.

Более восприимчивым к экологическим проблемам оказываются в сегодняшней ситуации местные власти. Так, АО “НОРСИ” производит примерно половину бензина неэтилированным и намерено расширить его выпуск. Начато производство бензинов с моющей присадкой, обеспечиваещей снижение токсичности отработавших газов. Во многом это стало не только инициативой предприятия, но и следствием того, что областная администрация ужесточила требования к автомобильным выхлопам. Восемь заводов и объединений в России уже сегодня выпускают только неэтилированный бензин: Московский, Ачинский, Туапсинский и Ухтинский НПЗ, ПО “Салаватнефтеоргсинтез”, АО “Киришинефтеоргсинтез”, “ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез” и АО “Краснодарнефтеоргсинтез”. Намерены отказаться уже в ближайшие год-два от производства этилированных бензинов Новокуйбышевский и Рязанский НПЗ, “ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка”.

И все же инициатива на местах не изменит ситуацию коренным образом, нужны решительные меры на федеральном уровне. Состоявшийся недавно во ВНИИ НП российско-американский симпозиум “Предотвращение свинцового загрязнения в России: полный переход на неэтилированный бензин” в своих обращениях к правительству и всем заинтересованным ведомствам предложил конкретные меры по стимулированию производства неэтилированных бензинов. Среди них - ограничения по содержанию свинца в бензинах и обязательное оснащение выпускаемых автомобилей нейтрализаторами отработанных газов, а также прекращение импорта машин без нейтрализаторов. Такие меры должны быть, по мнению нефтепереработчиков, предусмотрены в готовящемся законе “Об атмосферном воздухе”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2/Цель данной работы: подтвердить знания по предмету  и рассчитать материальные и  энергетические балансы данного  процесса, так же необходимо привести  формулы и числовые расчеты, а  так же отразить нахождение необходимых по ходу выполнения величин на графиках и номограммах.

В задании необходимо выполнить расчет энергетических затрат (общего количества греющего пара и воды в холодильниках) при выполнении процесса ректификации на колонне непрерывного действия с ситчатыми тарелками для разделения при атмосферном давлении 4000 кг/час жидкой смеси веществ бензола и толуола, содержащей 45% масс. бензола и 55% масс. толуола. Требуемое содержание бензола  в дистилляте  90% масс., требуемое содержание толуола в кубовом остатке  85% масс. Исходная смесь перед подачей в колонну подогревается до температуры кипения. Греющий пар имеет давление                 ризб= 3 ат., влажность пара 5%. Суммарные тепловые потери установки – 5%.

 

 

 

 

 

 

 

1. 2.2. Расчет процесса материальных и энергетических балансов.

 

Мольная доля (х, y)

;

;

Массовая доля ( , )

= =

=

Относительная мольная концентрация (Х,Y)

;

Относительная массовая концентрация ( , )

Объемная мольная концентрация (Сх,Cy)

Сх ;

Cy ;

Объемная массовая концентрация ( , )

;

;

 

Таблица 1 – Вычисление равновесного состава фаз

t oC	Рб, мм.рт.ст.	Рт, мм.рт.ст.	П, мм.рт.ст.
80	760	330,0	760	1	1
84	852	333,0	760
88	957	379,5	760
92	1078	432,0	760
96	1204	492,5	760
100	1344	559,0	760
104	1495	625,5	760
108	1659	704,5	760
110	1748	760,0	760	0	0

 

 

 

Рисунок 2 – Диаграмма равновесия в координатах t – х

 

 

 

 

 

 

                        рис.2

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Диаграмма равновесия в координатах у* - х

 
I. Материальный баланс

GD кг/ч – массовый расход дистиллята;

GW кг/ч – массовый расход кубового остатка;

Из уравнения материального баланса:

        

                          

 

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях:

 

Питание:

 

 

 

Дистиллят:

 

Кубовой остаток:

 

Относительный молярный расход питания:

Кривая равновесия (рис.3) точек перегиба не имеет.

Определим минимальное число флегмы по уравнению:

, где

     - мольная доля бензола в паре, равновесном с жидкостью питания определяем по диаграмме y*- x  (рис. 2).

Рабочее число флегмы:

R=1,3 Rmin+0,3=1,3*1+0,3=1,6

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

 

 

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

 

 

 

II. Определение скорости пара и диаметра колонны:

 

Средние концентрации жидкости:

 

а) в верхней части колонны:

 

б) в нижней части колонны:

 

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линии

 

а) в верхней части колонны:

 

б) в нижней части колонны:

 

 

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y (рис.2)

 

а) при

б) при

 

Средние мольные массы и плотности пара:

 

а)

 

б)

 

Средняя плотность пара

 

ρп = (2,68+2,69)/2=2,685 кг/м3

 

Плотности жидких бензола и толуола близки. Температура в верху колонны при  xD = 0,91 равняется 83оС, а в кубе-испарителе при xW=0,17 она равняется 106 оС. (рис.2).

Плотность жидкого бензола при t=83oC ρб = 813 кг/м3, а жидкого толуола при  t=106оС ρт = 783 кг/м3.

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

 

 

 

Скорость пара в колонне (С=0,032)

 

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне tср= (95+85)/2 = 88,5 оС

 

,

 

где где МD – мольная масса дистиллята, равная

МD = 0,91 . 78 + 0,09 . 92  = 79,26 кг/моль

Диаметр колонны:

По каталогу справочнику «Колонные аппараты» берем D=1800 м, тогда скорость пара в колонне будет:

 

3. Гидравлический расчет тарелок.

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстие    d0 = 4 мм, высота силовой перегородки hв = 40 мм. Свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнению:

Δ p = Δ pсух+ Δ pσ+ Δ pпж

 

а) Верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

,

Где ζ=1,82- коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7- 10%; ω0= 0,55/0,08= 6,875 м/с – скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

,

Где - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 880 С (у бензола и толуола практически одинаковое поверхностное натяжение); d0 = 0,004м – диаметр отверстий тарелки. Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

,

Высота парожидкостного слоя

hпж= hп+Δh

Величину Δh – высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:

 

где Vж – объемный расход жидкости, м3/с; П – периметр сливной перегородки, м; k =ρпж/ρж – отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаем приближенно равным 0,5.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где Мср = 0,7.78 + 0,3.92 = 82,2 – средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль.

Периметр сливной перегородки П находим, решая систему уравнений:

где R = 0,9 м – радиус тарелки, - приближенное значение площади сегмента.

Решение дает: П = 1,32 м; b = 0,289 м. Находим Δ h:

Высота прожидкостного слоя на тарелке:

hпж= hп+Δh=0,04 + 0,0042 = 0,0442 м

Сопротивление прожидкостного слоя:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

Δ p = Δ pсух+ Δ pσ+ Δ pпж = 115 + 19,6 + 225 = 359 Па

б) Нижняя часть колонны:

(20,9.10-3 Н/м – поверхностное натяжение жидкости при tср = 85 0 С)

(МF = 0,49.78 + 0,51.92 = 85,14 кг/кмоль;

Мср = 0,66.78 + 0,34.92 = 82,76 кг/кмоль)

hпж = 0,04 + 0,014 = 0,054 м

Δрпж = 1,3.0,054.0,5.800.9,81 = 275 Па

Общее гидравлическое сопротивление в нижней части колонны:

Δр” = 116 + 20,9 + 275 = 411,9 Па

Проверим,  соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0,3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие

Для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление Δр больше, чем у тарелок верхней части;

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок – рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях ωо.мин, достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:

Рассчитанная скорость ωо.мин = 6,23 м/с; следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

 

1. Определение числа тарелок и высоты колонны.

а.) Наносим на диаграмму у – х рабочие линии верхней и нижней части колонны (рис. 5) и находим число ступеней изменения концентрации пт. В верхней части колонны п’т ≈ 6, в нижней части колонны п”т ≈ 9, всего 15 ступеней.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Определение числа ступеней изменения концентрации

 

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

п = пт / η

Для определения среднего к. п. д. тарелок η находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов α = Ра / Рб и динамический коэффициент вязкости исходной смеси μ при средней температуре в колонне, равной 88,5 0 С.

При этой температуре давление насыщенного пара бензола Рб = 957 мм рт. ст., толуола Рт = 379,5 мм рт. ст. (табл. 1), откуда α = 957/379,5 = 2,52.

Динамический коэффициент вязкости бензола при 88 0 С равен 0,29 сП, толуола 0,29 сП. Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси  μ = 0,29 сП = 0,29.10-3 Па.с.

Тогда

αμ = 2,52.0,29 = 0,73

По графику (рис. 6) находим η = 0,51. Длина пути жидкости на тарелке

Рисунок 6 – Диаграмма для приближенного определения среднего к. п. д. тарелок

l = D – 2b = 1,8 – 2.0,289 = 1,22 м

По графику (рис. 7) находим значение поправки на длину пути Δ = 0,21, средний к. п. д. тарелок по уравнению:

Рисунок 7 – Зависимость поправки Δ от длины пути жидкости на тарелке l

ηl = η (1 + Δ) = 0,51 (1 + 0,105) = 0,56

Для сравнения рассчитаем средний к. п. д. тарелки η0 по критериальной формуле, полученной путем статистической обработки многочисленных опытных данных для колпачковых и ситчатых тарелок:

В этой формуле безразмерные комплексы: