Процессы и аппараты нефтегазопереработки

Содержание

 

	Введение	4
1.	Физико-химические основы процесса	7
2.	Физические свойства веществ, участвующих  в процессе	10
3.	Технологический расчёт	11
4.	Материальный баланс	12
4.1	Условные обозначения	12
4.2	Расчетная часть	13
5.	Тепловой баланс	14
5.1.	Условные обозначения	14
5.2	Расчетная часть	15
6.	Конструктивный расчет	17
6.1	Условные обозначения	17
6.2	Расчётная часть	18
7.	Расчет штуцеров	22
8.	Перечень используемой литературы	24
	Заключение	25

 

Введение

 

Ректификация  – разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и  жидкой смеси. При этом пар непрерывно обогащается низкокипящим (легколетучим) компонентом, а жидкость – высококипящим (труднолетучим) компонентом. Ректификацией может быть достигнута любая заданная степень разделения жидких смесей. Ректификация является сложным процессом дистилляции.

Сущность  процесса ректификации можно охарактеризовать как разделение жидкой смеси на дистиллят  и остаток в результате противоточного взаимодействия жидкости с парами.

Процессы  ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных  давлениях: под атмосферным давлением, под вакуумом (для  разделения смесей высококипящих веществ), а также  под давлением больше атмосферного.

Фракционная перегонка – способ перегонки  с разделением смеси на несколько  фракций, в различной степени  обогащенных летучим компонентом.

Этот процесс  имеет большое значение в химической технике. В качестве примеров достаточно указать на разделение природных  углеводородов нефти и синтетических  углеводородов с целью получения моторных топлив, на выделение индивидуальных газов из их смесей путем предварительного ожижения и последующей ректификации жидкой смеси.

Задача разделения многокомпонентных смесей в практике встречается гораздо чаще, чем  двухкомпонентных, поэтому ректификация многокомпонентных смесей является основным процессом ректификации в  производствах.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие ее компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости. Известные равновесные данные для конкретной смеси позволяют проанализировать возможность разделения этой смеси, найти предельные концентрации разделения и рассчитать движущую силу процесса.

Аппараты, предназначенные  для проведения процессов абсорбции  и ректификации, называют соответственно абсорберами и ректификационными  колонами. В зависимости от способа  создания поверхности фазового контакта эти аппараты можно подразделить на три основные группы:

А) аппараты, в которых поверхностью фазового контакта  является поверхность  жидкости, растекающейся по специальной  насадке;

Б) аппараты, в которых поверхность фазового контакта  создается потоками газа (пара) и жидкости;

В) аппараты, в которых поверхность фазового контакта  создается  путем разбрызгивания жидкости;

Аппараты, в  которых поверхностью фазового контакта  является поверхность жидкости, растекающейся  по насадке. К аппаратам этого типа относятся пленочные аппараты и аппараты со смоченной насадкой.

Пленочные аппараты выполняют преимущественно в  виде листовой (плоско-параллельной) насадки, а в некоторых случаях в  виде трубчатых теплообменников.

Аппараты  со смоченной насадкой выполняются  в виде цилиндрической колонны, заполненной  насадочными телами (насадочные колонны).

В насадочных колоннах целесообразно размещать  собирающие жидкость перегородки, расстояние между которыми равно трем-четырем  диаметрам аппарата. Собирающие перегородки  выполняются  либо в виде усеченных  конусов, либо в виде тарелок со сливными патрубками. Перегородки последнего типа более эффективны.

Аппараты, в  которых поверхность фазового контакта  развивается потоками газа и жидкости. В эту группу аппаратов входят насадочные колонны, работающие в режиме подвисания и эмульгирования, а также колонны с ситчатыми, решетчатыми, колпачковыми и другими тарелками.

Аппараты, в  которых поверхность фазового контакта  создается  разбрызгиванием жидкости. В аппаратах этой группы поверхность соприкосновения фаз создается путем распыления или разбрызгивания жидкости в массе газа (пара) на мелкие капли. Абсорберы этого типа часто выполняются в виде колонн, в которых распыление жидкости производится сверху, а газ движется снизу вверх, и применяются главным образом для абсорбции из газового потока хорошо растворимых газов.

Большой интерес  представляют многоколонные ректификационные аппараты. В них можно проводить разделение с минимальным расходом теплоты, используя возможности испарения и конденсация при различных давлениях. Многоколонковые и, в частности, двухколонные аппараты применяют в технике разделения газов.

Все разнообразие аппаратов для осуществления  процессов дистилляции и ректификации сводится главным образом к разнообразию контактных устройств: насадок, тарелок.

Насадочные  колонны. Насадочные колонны нашли  применение в тех случаях, когда  необходимо обеспечить малую величину задержки жидкости в колонне, небольшой  перепад давления, а также для  малотоннажных производств. В последние  годы были созданы новые типы насадок (кольца Паля, из поперечного металла,сеток  и др.), которые оказались достаточно эффективными в колоннах большого диаметра. Это создало перспективы применения насадок некоторых типов для  многоэтажных производств (вакуумная  перегонка мазута и т.п.).

Основные  типы насадок. Насадки представляют собой твердые тела различной  формы, которые загружают в корпус колонны внавал или укладывают определенным образом. Развитая поверхность насадок  обуславливает значительную поверхность  контакта пара и жидкости.

Для заполнния  насадочных колонн широко применяют  кольца Рашига, изготовленные из различных  материалов, что обеспечивает универсальность  их практического использования. Однако кольца Рашига обладают относительно невысокой производительностью  и сравнительно высоким сопротивлением. Последнее ограничевает их применение для вакуумных процессов.

Созданные в  последние годы различные модификации  колец Рашига – кольца Паля, кольца Борад и другие позволили получить лучшие рабочие характеристики, чем  при кольцах Рашига.

В связи с  необходимостью создания насадок с  низким гидравлическим сопротивлением были разработаны различные варианты регулярной укладки насадочных тел, блочные насадки, а также насадки  из сеток различных конструкций.

Основными размерными характеристиками насадок являются удельная поверхность и свободный  объем. Под удельной поверхностью насадки  понимают суммарную поверхность  всех насадочных тел в единице  объема аппарата. Единица измерения  в СИ м²/м³. Чем больше удельная поверхность  насадки, тем выше ее эффективность, но больше гидравлическое сопротивление и меньше производительность.

Под свободным  объемом насадки понимают суммарный  объем пустот между насадочными  телами в единице объема аппарата. Единица измерения в СИ м³/ м³. Чем больше свободный объем насадки, тем выше ее производительность, меньше сопротивление и эффективность. С увеличением размеров насадочных тел возрастает производительность, но одновременно снижается эффективность разделения.

Чтобы предотвратить  растекание жидкости к стенкам колонны,насадку  загружают в колонну отдельными слоями высотой от 1,5 до 3м. Между  слоями насадки устанавливают распределители различных конструкций.

Колонны, заполненные  насадкой внавал, при диаметре до 150мм могут орошаться из единичного центрального источника. Для колонн большего диаметра необходимы оросители с большим  числом источников: для неупорядоченных  насадок 15-30 на 1 м² сечения колонны, для упорядоченных 35-50.

Насадку укладывают на опорные распределительные решетки  и плиты. Свободное сечение таких  устройств должно быть по возможности  больше и приближаться  к величине свободного объема насадки. Чтобы насадка  работала эффективно, поверхность насадки  должна хорошо смачиваться жидкостью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Физико-химические основы процесса

 

Реальные  жидкие смеси в тот или иной степени отклоняются от идеальных и это характеризуется положительными или отрицательными от закона Рауля.

Р= Pi * Xi – закон Рауля.

Смеси химически  сходных веществ ведут себя как  идеальные (бензол-толуол).

Отклонение  от закона Рауля показывают свойства идеальных смесей.

1) Для идеальных смесей;

2) С отрицательным  отклонением от закона Рауля;

3) С положительным  отклонением от закона Рауля;

4) С минимумом  полного давления;

5) С максимумом  полного давления.

 

Первый закон  Коновалова:

Линия с максимума  полного соответствует обогащению пара низкокипящим компонентом. Линия  минимума полного давления   соответствует обогащению пара высококипящим компонентом.

Второй закон  Коновалова:

Максимуму кривой общего давления пара соответствует  минимум температуры кипения  и наоборот.

Азеотропные смеси – нераздельно кипящие  смеси, обладающие следующими свойствами:

1. Азеотропная  смесь имеет минимальную или максимальную температуру кипения по сравнению со смесями этих компонентов другого состава;

2. Испарения  азеотропной смеси, как и чистых  веществ, происходит при постоянной  температуре;

3. Азеотропная  смесь испаряется без изменения  состава. 

Азеотропные смеси не являются химическими соединениями, так как в этом случае отсутствует закон постоянства состава вещества (состав азеотропной смеси зависит от давления).

Пары смеси, содержащие менее 0,448 мольных долей низкокипящего компонента, называются доазеотропными смесями и обогащены низкокипящим компонентом. Пары смеси, содержащие более 0,448 мольных долей низкокипящего компонента, называются заазеотропными смесями и обогащены высококипящим компонентом.

При перегонке  доазеотропных смесей в остатке  остается высококипящий компонент. При перегонке заазеотропных  смесей в остатке остается низкокипящий компонент.

Смеси частично растворимых жидкостей. Особенностью этих жидкостей является то, что  в зависимости от содержания компонентов  жидкость может быть однородной или  состоять из двух несмешивающихся слоев.

 

 

Сущность  процесса ректификации можно рассмотреть  при примере разделения двухкомпонентной смеси. При ректификации исходная смесь  делится на две части: часть, обогащенную  легколетучим компонентом, - дистиллят, и часть, обедненную легколетучим компонентом – остаток.

 Обычно  ректификационный аппарат состоит  из двух частей или ступеней  – верхней и нижней, каждая  из которых представляет собой  любым способом организованную  поверхность контакта фаз между  паром и жидкостью.

 В нижней ступени исходная, подвергаемая разделению смеси, взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу остатка; вследствие этого из смеси извлекается легколетучий компонент.

 В верхней  ступени пар начального состава,  соответствующего составу исходной смеси, взаимодействует  с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята; вследствие этого пар обогащается легколетучим компонентом до требуемого предела, а менее летучий компонент извлекается из паровой фазы.

Пар для питания ректификационного аппарата получается многократным испарением жидкости, имеющий тот же состав, что и остаток, а жидкость – многократной конденсацией пара, имеющего состава, одинаковый с составом  дистиллята.

Рассматривая  взаимодействие пара и жидкости в  ректификационном аппарате, можно сделать  следующие допущения:

а) мольные  теплоты испарения компонентов  одинаковы, поэтому каждый килограмм-моль пара при конденсации испаряет соответственно килограмм-моль жидкости и, следовательно, мольный поток пара, движущегося в аппарате снизу вверх, одинаков при любом сечении аппарата;

б) при  конденсации  пара в конденсирующем устройстве агрегата не происходит изменения состава  пара, и, следовательно, состав пара, уходящего  из ректификационного аппарата, равен  составу дистиллята;