Технологический расчет атмосферной колонны установок перегонки нефти

 кг/ч

в стриппинг-секции K-3/1, K-3/2, K-3/3, соответственно:

 кг/ч

 кг/ч

 кг/ч

Общий расход водяного пара:

 кг/ч

Парциальное давление бензиновых паров наверху колонны:

, кПа

где  p – абсолютное давление наверху колонны, кПа

М_D2 – молекулярный вес бензина по формуле Воинова:

M = (7K – 21,5) + (0,76 – 0,04K)t + (0,0003K – 0,00245)t²,

где t – средняя температура кипения фракции, ^оС

K – характеризующий фактор, находится по формуле:

,

где         Т_ср – среднемольная температура кипения фракции, K

,

где g – средняя температурная поправка относительной плотности на 1К, определяется по эмпирической формуле Кусакова:

Относительную плотность  бензиновой фракции находим по формуле:

,

где х_i – массовая доля i-го компонента бензина по разгонке нефти,  
– плотность i-го компонента.

= 0,7421; = 0,7463; K = 12,09; M_D2 = 122;

Т_ср = t + 273 = t_50% + 273, т.к. можно принять t_50% = t

g_x – количество острого холодного орошения. Принимаем предварительно кратность орошения 3:1, в этом случае g_x = 416028 кг/ч.

 

= 114,4 кПа

Построение прямой ОИ при парциальном давлении бензина  проводим по методу Пирумова, т.е. находим  точку пересечения ИТК и ОИ при атмосферном давлении и по графику Кокса [3] корректируем эту точку на парциальное давление бензиновых паров. Точка пересечения ИТК и ОИ бензина при атмосферном давлении 101,3 кПа составляет 127°С (рис.22).

 При парциальном  давлении 114,4 кПа эта температура  повышается до 131°С. Через полученную точку проводим прямую, параллельную прямой ОИ, построенной при атмосферном давлении. Получаем прямую ОИ при расчетном давлении. Находим температуру конца ОИ, это и будет температура верха колонны T_D2 = = 152°C.

Предварительные температуры  на тарелках вывода боковых фракций:

t35 =	керосина    = 202°С
t25 =	зимнего ДТ = 260°С
t15 =	летнего ДТ  = 313°С

В таблице 9 приведен температурный  режим колонны, исходя из которого составляем тепловой баланс, определяем количество избыточного тепла в колонне, которое должно быть снято орошениями. Перепад температур в стриппинг-секциях зависит от расхода водяного пара и примерно оценивается величиной, равной (7 ¸ 10)Z; для стриппинг-секций тяжелых фракций эта величена ниже, чем для легких.

 

Температурный режим  колонны

                                                          Таблица 9

Точка замера	t,°С	Точка замера	t,°С
Верх колонны	152	Флегма с 7-й тарелки	325
Флегма с 35-й тарелки	202	Пары под 7-й тарелкой	335
Пары под 35-й тарелкой	212	Ввод сырья в колонну	340
Флегма с 33-й тарелки	214	Низ колонны	325
Пары под 33-й тарелкой	224	Низ К-3/3	182
Флегма с 25-й тарелки	260	Низ К-3/2	243
Пары под 25-й тарелкой	270	Низ К-3/1	298
Флегма с 23-й тарелки	271	Ввод верхнего острого орошения	40
Пары под 23-й тарелкой	281	Вход III ПЦО	70
Флегма с 15-й тарелки	313	Вход II ПЦО	90
Пары под 15-й тарелкой	323	Вход I ПЦО	110
Флегма с 13-й тарелки	316	Водяной пар (ввод)	400
Пары под 13-й тарелкой	326

 

Температуру флегмы с тарелок вывода промежуточных циркуляционных орошений принимаем из принципа равномерного перепада температур по жидкой фазе для отдельных секций. Разность температур между встречными потоками паров и флегмы примем равной 10°С, исходя из литературных данных.

Плотность флегмы и паров  в отдельных сечениях колонны  примем из расчета равномерного перепада плотности по тарелкам в отдельных  секциях колонны. Молекулярный вес продуктов определяем по формуле Воинова, а для боковых погонов по формуле Крэга [3]. Физические характеристики потоков приведены в таблице 10.

 

 

 

 

 

 

 

Физические характеристики потоков

                                                  Таблица 10

Продукт	t50%°С			Мол. вес
Бензин	136	0,7421	0,7463	122
Керосин	210	0,8147	0,8185	168
Зимнее дизтопливо	265	0,8494	0,8530	210
Летнее дизтопливо	320	0,8759	0,8793	260
Мазут	437	0,9309	0,9339	387
Флегма с 35-й тарелки	—	0,7812	0,7852	142
Флегма с 25-й тарелки	—	0,8253	0,8290	183
Флегма с 15-й тарелки	—	0,8580	0,8615	226
Флегма с 33-й тарелки	—	0,7900	0,7939	149
Флегма с 23-й тарелки	—	0,8318	0,8354	190
Флегма с 13-й тарелки	—	0,8677	0,8711	243
Флегма с 7-й тарелки	—	0,8969	0,9001	306
Пары с 6-й тарелки	—	0,8800	0,8833	265

Плотность мазута находим  по формуле:

где D₂, R₄, R₃, R₂, R₁ – выходы отдельных продуктов в %масс. на полуотбензиненную нефть

, , , , – относительные плотности продуктов;

= 0,8529

 Þ = 0,9309

5.3. Доля отгона сырья на входе в колонну

 

Расчет доли отгона производим по методу А. М. Трегубова. Для этого  путем  последовательного приближения  подбираем такое значение мольной доли отгона сырья е`, при котором выполняется тождество:

Все расчеты сведены  в табл.11, где

e` – мольная доля отгона;

с_i – массовая доля отдельных фракций в полуотбензиненной нефти;

с_i`, x<sub>i</sub>`, y_i` – мольные доли отдельных фракций в сырье, в жидкой и паровой фазах сырья

М_i – молекулярный вес отдельных фракций;

p_вх – абсолютное давление в зоне питания, кПа;

Р_i – давление насыщенных паров отдельных фракций при температуре ввода сырья в колонну, кПа. Определяем по формуле Ашворта [1,3].

Т – температура, при  которой определяется давление паров, К;

Т_ср – средняя температура кипения фракции, К.

Расчет доли отгона проводим при температуре входа сырья  в колонну t_вх = 340°С и давлении p = p_вх, которое определяем по формуле:

p_вх = p₇ + Dp_М, кПа

где p₇ = 156,6 кПа (см.табл.6);

Dp_М – перепад давления на расширение потока сырья при входе в колонну, примем Dp_М = 12,7 кПа, тогда:

p_вх = 156,6 + 12,7 = 169,3 кПа

Молекулярные веса компонентов M_i вычисляем по формуле Воинова. По данным таблицы 11 молекулярный вес полуотбензиненной нефти:

Молекулярный вес паровой  фазы М_у = 168

Массовая доля отгона:

Плотность паровой фазы сырья: =0,7700; =0,7740.

Плотность жидкой фазы сырья  определяем из уравнения:

  Þ    Þ

= 0,9949; = 0,9975

 

Приближенно долю отгона можно также определить графическим  способом. Для этого строится кривая ИТК и прямая ОИ сырья (полуотбензиненной нефти) при атмосферном давлении. Корректируется прямая ОИ на рабочее давление в зоне питания. Откладывается на графике принятая температура ввода сырья и по прямой ОИ находится массовая доля отгона.

 

Таблица 11

 

Определение доли отгона на входе сырья в колонну

 

p_вх = 169,3 кПа; t_вх = 340°С; задаемся е`=0,735

 

Пределы выкипания °С	tср °С	Mi	сi		сi`	Рi кПа.		–1		1+	xi`	yi`	yi`´Mi
85 – 180	136	122	0,2059	1,6877	0,3651	3665,7	21,6535	20,6535	15,1803	16,1803	0,0226	0,4894	59,71
180 – 240	210	168	0,1439	0,8565	0,1853	1199,7	7,0866	6,0866	4,4737	5,4737	0,0339	0,2402	40,35
240 – 290	265	210	0,1127	0,5367	0,1161	413,2	2,4409	1,4409	1,0591	2,0591	0,0564	0,1377	28,92
290 – 350	320	260	0,1210	0,4654	0,1007	145,3	0,8583	-0,1417	-0,1041	0,8959	0,1124	0,0965	25,09
350 – К.К.	437	387	0,4165	1,0762	0,2328	8,0	0,0472	-0,9528	-0,7003	0,2997	0,7768	0,0367	14,20
Итого	—	—	1,0000	4,6225	1,0000	—	—	—	—	—	1,0021	1,0005	168,27

 

, Па 

   

 

5.4. Тепловой баланс колонны

 

Приходные и расходные  статьи теплового баланса без  тепла, снимаемого орошениями, приводятся в таблице 12. Потери тепла в окружающую среду не внесены в тепловой баланс колонны, это дает некоторый запас  при определении тепла, снимаемого орошениями в колонне.

Энтальпию углеводородных паровых I^П и жидкостных I^Ж потоков рассчитываем по формулам:

где Т – температура  потока, К

 – относительная плотность  потока.

Энтальпия перегретого  водяного пара приведена в приложении 2.

Тепло, вносимое в колонну  с водяным паром:

Q_в.п. = 12275 – 10435 = 1840 кВт

 

Тепловой баланс колонны

                                           Таблица 12

Наименование  потока	Массовый расход, кг/ч	Температура, °С	Энтальпия, кДж/кг	Количество тепла, кВт
ПРИХОД:
Полуотбензиненная нефть:
а) паровая фаза	383870	340	1089,24	116146
б) жидкая фаза	289586	340	772,63	62151
Водяной пар	13500	400	3273,23	12275
Итого	686956	—	—	190572
РАСХОД:
Бензин	138676	152	644,67	24833
Керосин	96912	182	402,78	10843
Зимнее дизтопливо	75882	243	553,91	11675
Летнее дизтопливо	81471	298	698,64	15811
Мазут	280515	325	754,73	58809
Водяной пар	13500	152	2782,58	10435
Итого	686956	—	—	132406

 

Общее количество тепла, которое необходимо снять орошениями:

Q_ор = Q_прих – Q_расход  = 58166 кВт

Этот избыток тепла  в колонне снимем острым орошением  вверху колонны и тремя промежуточными циркуляционными орошениями под  тарелками отбора боковых погонов (рис.21). Количество тепла, снимаемого отдельными орошениями, равно минимальному теплу, необходимому для охлаждения и конденсации продуктов в данной секции колонны. Тепло циркуляционных орошений обычно используется для нагрева сырой нефти.

 

 

 

5.5. Внутренние материальные потоки в колонне

 

Из совместного решения  материального и теплового баланса 4-ой простой колонны (рис.23) при условии, что с 35-й тарелки вся флегма перетекает в стриппинг-секцию керосина, находим количество холодного орошения g_хол, подаваемого на верхнюю тарелкую.

 

Рис.23

G34 и G41 – пары, поднимающиеся с 34-й и 41-й тарелки; gхол – холодное орошение, подаваемое на верхнюю тарелку; G34 = D2 + R4 + z34 G41 = D2 + gхол + z41 z34 – водяные пары, поднимающиеся с 34-й тарелки. z34 = z1 + z2 + z3 z41 – водяные пары, поднимающиеся с 41-й тарелки. z41 = z34 + z4

 

Тепловой баланс 4-й  простой колонны:

Отсюда

,

где  t₃₄ = 212°C;  t_D2 = 152°C;  t_R4 = 182°C;

(R₄) = 0,8185;  (D₂) = 0,7463  i₃₄ = 2900,9 кДж/кг

Q_хол = 138676(775,64 – 644,67) + 96912(751,57 – 402,78) + 11562(2900,9 –2782,58) + 1938(3273,23 – 2782,58) = 54283343,36 кДж/ч = 15079 кВт

кг/ч

Количество флегмы стекающей с 41-й тарелки:

кг/ч

t₄₀ = 160°C   

(40) = 0,7529

Флегмовое число:

Ф₄₁ = g₄₁ / D₂ = 171804 / 138676 = 1,24

Количество нефтяных G_в и водяных åz_i паров наверху колонны:

G_в = (g_хол + D₂) = 100270 + 138676 = 238946 кг/ч

 кг/ч

 

Объем паров наверху  колонны:

м³/с

Плотность паровой и  жидкой фазы:

кг/м³; = 0,7421; =629 кг/м³

Нагрузка тарелки по жидкости:

 м³/ч

Из совместного решения  материального и теплового баланса 3-й простой колонны (рис.24) находим количество III-го циркуляционного орошения.

Рис.24

G24 = D2 + R3 + R4 + z24 G34 = D2 + R4 + z34 Z24 = z1 + z2 Z34 = z24 + z3