Расчет вакуумной колонны установки АВТ по переработке русской нефти мощностью 10 млн. т/год

где nz и nг – число молей водяного пара и газов разложения,

na – число молей нефтяных паров.

nz =

кмоль

nг =

кмоль

na =

кмоль.

Молекулярная масса нефтяных паров ДТ MD = 257 кг/кмоль

 

D3’ – пары компонента дизтоплива, присутствие которых определяется условиями равновесия с жидкостью на верхней тарелке:

 

D3’= 257 • 0,31 = 78,5 кг/ч.

 

Выход компонента дизтоплива, выводимого с 17-й тарелки, соответственно уменьшится:

D3’’=D3 – D3’ = 9923,5– 78,5 =9845 кг/ч.

Количество тепла, снимаемого верхним орошением, вычисляется из материального и теплового балансов конденсационной секции:

 
 Мат. Баланс:

G16=g17+ D3’’+D3’+Gг

Тепловой баланс:

(g17+ D3’’+D3’+Gг)•HT16 + zоб•it16= (g17+ D3’’)•ht17 +(D3’+Gг )•Htв + zоб•it16 +Qв.ох

Принятые температуры: t17=170OC, T16=180 OC

Тогда Qв.ох=(g17+ D3’’+D3’+Gг)•HT16  – (g17+ D3’’)•ht17 – (D3’+Gг )•Htв =

    (59541 + 9845 + 78,5 + 14308,9) • 738,8 – (59541 + 9845) • 384,2 – 

(78,5 + 14308,9) • 533,4=27565,7 МДж/ч

 

Температуру подаваемого орошения принимаем tхол=70 OC

Кол-во орошения:

gц =

124021,1 кг/ч.

Тепло, отводимое  1-м и 2-м циркуляционными орошениями:

Q1ЦО + Q2ЦО = ΔQ – Qв.ох. = 114376,5-27656,7= 86719,8 МДж/ч

 

Принимаем распределение отводимого тепла между 1-м и 2-м циркуляционными орошениями в отношении 2,5 к 2,0

Q1ЦО =

МДж/ч;

Q2ЦО = 38542,1 МДж/ч.

 

8. Уточнение температур на тарелках отбора боковых погонов

 

Температура на тарелках вывода боковых погонов соответствует температуре начала однократного испарения жидкости, находящейся на данной тарелке при парциальном давлении нефтяных паров на этой тарелке.

Для дальнейшего расчета определим расход 1-го циркуляционного орошения:

g1ЦО =

кг/ч.

Температуру жидкости на тарелке отбора фракции вакуумного газойля находим как температуру однократного испарения этой жидкости при парциальном давлении нефтяных паров на 10-й тарелке.

Из теплового и материального балансов по верхнему контуру над 10-й тарелкой определяем количество горячего орошения, стекающего на 10-ю тарелку.

t11= 290˚C; T10= 315˚C; r420фл= 0,9015; М= 292.

 

К определению парциального давления нефтяных паров

Давление на 10-й тарелке 9530 Па.

Продукты		G	Mi	ni=Gi/Mi	yi'	Pi= π *yi'
Газы разложения		1018,9	44	23,16	0,0148	141
Компонент ДТ		9923,5	257	38,61	0,0246	235
Горячее орошение		224048	292	767,29	0,4895	4665
Водяной пар		13290	18	738,33	0,4711	4489
ИТОГО		248280,4	-	1567,39	1,0000	9530

 

Общая величина парциального давления нефтяных паров на 10-й тарелке:

Рнп = 235+4665 = 4900 Па.

 

 

 

 

 

 

 

 

К определению tнОИ и tкОИ дистиллятов при 0,1 МПа

Продукты	Температура по ИТК, ˚С		tgα,	t50ИТК, ˚С	Температура по ОИ, ˚С
	t10	t70			tнОИ	tкОИ
Вакуумный газойль	362	437	1,25	415	393	424

 

Точка пересечения кривых ОИ  и ИТК при π = 0,1 МПа, tпер = 405˚С.

Разность температур в точке пересечения кривых ОИ и ИТК при изменении парциального давления нефтяных паров:

Δt = 405 – 295 = 110˚C.

Температура начала ОИ вакуумного газойля при Рн.п.= 4900 Па:

tнОИ = 393 – 110 =283˚C.

Тепло, отводимое фракцией вакуумного газойля при уточнённой температуре:

QD = 210564,8 • 634,33 = 133624,6 МДж/ч

тогда

ΔQD = 152981,6 - 133624,6=19357 МДж/ч.

Соответственно изменим количество тепла отводимого 2-м циркуляционным орошением:

Q2ЦО = 38542,1 +19357 = 57899,1 МДж/ч.

Расход 2-го циркуляционного орошения:

g2ЦО =

кг/ч.

 

Уточнённый тепловой баланс колонны

Потоки	G, кг/ч	r420	t,˚C	qt , кДж/кг	Q, МДж/ч
Приход Мазут а) паровая фаза б) жидкая фаза Водяной пар а) в низ колонны б) с сырьём	211317,9 231696,6   8860,0 4430,0	0,935 0,962   ― ―	380 380   400 380	1123,26 896,48   3270,00 3240,00	237364,9 207711,4   28972,2 14353,2
ИТОГО	456304,5	―	―	―	488401,7
Расход Газы разложения Ком-т дизтоплива Вакуум. газойль Гудрон Водяной пар	1018,9 9923,5 210564,8 221507,3 13290,0	М = 44 0,8935 0,9360 0,9656 ―	80 170 283 360 80	530,00 359,68 634,33 820,36 2650,00	540,0 3569,3 133624,6 181715,7 35218,5
ИТОГО	456304,5	―	―	―	354668,1

 

Тепло, отводимое орошениями

Потоки	G, кг/ч	t, ˚C		qt , кДж/ч		Q, МДж/ч
		выход	вход	выход	вход
Верхнее орошение 1-е ЦО 2-е ЦО	124021,1 208651,8 115336,9	170 190 300	70 90 110	384,2 407,7 705,4	161,7 176,8 213,5	27656,7 48177,7 57899,1
ВСЕГО	―	―	―	―	―	133733,6
ИТОГО	―	―	―	―	―	488401,7

9. Определение нагрузок тарелок в отдельных сечениях колонны по паровой и жидкой фазам

Определение нагрузок тарелок необходимо для выбора диаметра колонны, расчёта свободного сечения тарелок и гидравлического расчёта тарелок.

Из совместного решения материального и теплового балансов в отдельных сечениях находим нагрузки тарелок по паровой и жидкой фазам:

 

20-я тарелка

Т19 = 100˚С; t20 = 75˚C; r420фл = 0,8935; М = 257.

Горячее орошение на 19-ю тарелку:

g20 =

кг/ч.

Изменение энтальпии водяного пара и газов разложения на отдельной тарелке незначительное, поэтому в расчёте горячего орошения это не учитывается.

Количество нефтяных паров:

Gн. п. = 157704 – 153476 = 4228 кг/ч.

 

Количество нефтяных и водяных паров под 20-й тарелкой:

Gп =g20 – gц + zоб + D3’ + Gг = 127421,1 – 124021,1 +13290+1018,9+78,5= 17787 кг/ч.

Объём паров под тарелкой:

 

Плотность паров:

rп =

Плотность жидкости при t20 = 75˚C rж = 864 кг/м3, тогда количество жидкости, стекающей с 20-й тарелки:

Lж =

м3/ч.

15-я тарелка

Т14 = 215˚С; t16 = 190˚C; r420фл = 0,9015; М = 292.

Количество жидкости стекающей на 15-ю тарелку:

      = 204313 кг/ч

Количество нефтяных и водяных паров под 15-й тарелкой:

Gп =g15 + zоб + D3’ + D3 + Gг = 204313 +13290+9923,5+1018,9=  

      =228544,4 кг/ч

Объём паров под тарелкой:

 

Плотность паров:

rп =

Плотность жидкости при t = 190˚C rж = 809 кг/м3, тогда количество жидкости стекающей с 15-й тарелки:

Lж =

м3/ч

4-я тарелка

Из материального и теплового балансов отгонной части колонны находим нагрузки по парам и жидкости

g5 + gF = G4 +W1 ,

g5• qжt5  + gF• qжtF= G4 qпt4  +W1 qжt1 ,

 

Принимаем t5=360˚C, T4=370˚C

 

Из теплового и материального балансов количество жидкости, стекающей с 5-й на 4-ю тарелку:

Из материального баланса количество паров, поднимающихся с 4-й на 5-ю тарелку:

G4 = gF  - W1 + g5 =231696,6 – 221507,3 + 58472 =68661,3 кг/ч.

 

Нагрузка 4-й тарелки по жидкости:

g5 + gF =58472 + 231696,6 =290168,6 кг/ч

 

Плотность флегмы, поступающей на 4-ю тарелку:

r420 = 0,994

r370˚= 739 кг/м3.

Объём жидкости:

Lж =

м3/ч

Объём паров:

Плотность паров:

rп =

кг/м3.

 

10. Определение диаметра колонны.

Диаметр колонны определяется по наиболее нагруженной тарелке по паровой фазе.

Вакуумная колонна условно делится на три пояса: верхний пояс для конденсационных тарелок, средний – для концентрационных и нижний – для отгонных.

Максимальная скорость паров:

wмакс = Cмакс •

,

где Cмакс – коэффициент, зависящий от типа тарелок, расстояния между ними, нагрузки по жидкости на единицу длины слива, плотности паров и жидкости.

Cмакс = 8,47•10-5 • (К1 •К2 •С1 – С2 •(l - 35)) ,

При расстоянии между тарелками более 350 мм коэффициент К2 = 1,0, К1 для клапанных тарелок принимаем 1,2, С1 определяется по графику, в зависимости от расстояния между тарелками, С2 для клапанных балластных тарелок равен 4,0.

Значение l находят из следующего выражения:

l=

где  Lж – нагрузка тарелки по жидкости, м3/ч;

V1 – объём паров в данном сечении, м3/с;

р – число потоков жидкости на тарелке.

Для конденсационной части наиболее нагруженной является  17-я тарелка, тогда при расстоянии между тарелками 600 мм С1= 765, К2 = 1,0, К1=1,2, С2=4,0.

l=

Cмакс = 8,47•10-5 • (1,2 •1,0 •765 – 4,0 •(27,9 – 35)) = 0,016,

wмакс = 0,016 •

м/с,

Диаметр верхнего пояса:

D =

м.

Согласно нормалям на тарелки принимаем  Dв= 6 м; сечение колонны Sк= 28,27 м2, тарелки двухпоточные по жидкости.

 

Для концентрационной части наиболее нагруженной является  15-я тарелка, тогда при расстоянии между тарелками 800 мм С1= 870, К2 = 1,0, К1=1,2, С2=4,0.

l=

Cмакс = 8,47•10-5 • (1,2 •1,0 •870 – 4,0 •(44,64 – 35)) = 0,0851

wмакс = 0,0851 •

м/с,

Диаметр концентрационной части:

D =

м.

Согласно нормалям на тарелки принимаем  Dср= 8 м; сечение колонны Sк= 50,27 м2, относительная площадь прохода паров Fсв= 0,163, длина бокового слива  В= 5,13 м, тарелки двухпоточные по жидкости.

 

Для отгонной части:

Максимально-допустимая скорость паров на 4-й тарелке тогда при расстоянии между тарелками 600 мм С1= 765, К2 = 1,0, К1=1,2, С2=4,0.

 

l=

Cмакс = 8,47•10-5 • (1,2 •1,0 •765– 4,0 •(48,37 – 35)) = 0,0725,

wмакс = 0,0725 •

м/с,

Диаметр нижнего пояса:

D =

м.

Для отгонной части принимаем диаметр Dн= 5,5 м, Sк= 23,75 м2

 

11. Подбор технологического оборудования

 

а) Трубчатая печь для нагрева мазута

 

Трубчатые печи предназначены для нагрева сырья (продукта) за счёт тепла выделяющегося при сжигании топлива. В печах обычно имеются камеры двух типов – радиантные и конвекционные. Существуют различные конструкции трубчатых печей, отличающиеся способом передачи тепла количеством топочных камер, способом сжигания топлива, формой камеры сгорания, расположением труб змеевика. Производительность трубчатых печей на НПЗ колеблется в широких пределах и достигает 1000 т/ч. Разработаны проекты трубчатых печей типа З, Г, В и Ц.

Полезная тепловая нагрузка печи (Qпол , кДж/ч) складывается из тепла, затраченного на нагрев и испарение сырья, на перегрев водяного пара:

Qпол =Qнагр + Qисп + Qпер.в.п.

Тепло, необходимое для нагрева сырья:

Qнагр = GF • (1 – e) • (qжвых – qжвх )

Qнагр = 443014,5 • 0,523 • (892,28 – 782,75) = 25,37 • 106 кДж/ч.

Тепло, необходимое для испарения сырья:

Qисп = GF • e • (qпвых – qжвх ),

Qисп = 443014,5 • 0,477 • (1123,26 – 782,75) = 72,05 • 106 кДж/ч.

Тепло, необходимое для перегрева водяного пара:

Qпер.в.п.= L • (x • l + C • (t2 – t1 )),

где  L – количество перегреваемого водяного пара, кг/ч;

х – влажность насыщенного водяного пара;

l – теплота испарения воды, кДж/кг;

C – теплоёмкость, кДж/(кг • град);

t2 – температура перегретого водяного пара, ˚С;

t1 – температура насыщенного водяного пара, ˚С.

Qпер.в.п.= 8860 • (0,02 • 2260,98 + 2,09 • (400 – 120)) = 7,42 • 106 кДж/ч

 

Полезная тепловая нагрузка печи: