3 Технологические расчеты процесса и основных аппаратов

3.1 Технологический расчет реактора карбонизации

Реактор карбонизации представляет собой смеситель, в который непрерывно подается СЩС и углекислый газ для раскисления (понижения рН) стока. В реакторе происходит реакция сульфидсодержащих соединений и углекислого газа с выделением сероводорода в раствор и далее в газовую фазу. Раскисленный сток далее непрерывно подается в отпарную колонну.

Необходимость проведения раскисления обусловлена высоким уровнем рН сульфидно-щелочных стоков – 11. При данном значении рН свободный сероводород в растворе отсутствует, а присутствует в виде растворимых солей – сульфидов натрия, калия, аммония. Переходу в сероводород способствует высокая концентрация Н⁺ в растворе. Следовательно, чем ниже рН стока, тем более благоприятные условия для удаления сульфидов в виде сероводорода и аммонийного азота в виде аммиака.

В таблице 3.1 приведены исходные данные для расчета химического реактора карбонизации.

Таблица 3.1 – Исходные данные

Показатели	Допустимые значения
Производительность установки, тыс.т/год	600,00
Количество дней работы установки	340,00
рН сульфидно-щелочных стоков	11,00
Температура в реакторе карбонизации, ºС	40,00
Давление в реакторе карбонизации, МПа	0,40
рН стоков после раскисления	7,50

В таблице 3.2 приведен состав сульфидно-щелочного стока до раскисления углекислым газом в реакторе карбонизации

Таблица 3.2 – Состав сульфидно-щелочного стока до раскисления

Показатель	Значение
Сульфиды, г/л	15,00
Азот аммонийный, г/л	1,50
рН	11,00

Таблица 3.3 – Состав сульфидно-щелочного стока после раскисления и отпарки

Показатель	Значение
Сульфиды, г/л	0,015
Азот аммонийный, г/л	0,025
рН	7,500

Таким образом, исходя из таблиц 3.2 и 3.3 составим материальный баланс установки.

Количество сульфидно-щелочного стока принимаем исходя из производительности установки.

Введение углекислого газа способствует раскислению сульфидно-щелочного стока, а гидрокарбонат ионы эффективно связываются в растворе с избытком катионов (в основном катионы натрия и калия) и присутствуют в виде растворимых солей.

CO₂ + H₂O → H₂CO₃, (3.1)

1 моль 1 моль

0,19 моль

Na₂S + H₂CO₃ → Na₂CO₃ + H₂S↑. (3.2)

1 моль 1 моль

0,19 моль

Рассчитаем количество углекислого газа, необходимого для раскисления стока.

На 1 моль сульфидов берем 1 моль углекислого газа.

Количество моль сульфидов рассчитаем по формуле

Следовательно, на 1 кг сульфидно-щелочного стока требуется 0,19 моль СО₂.

m (CO₂) = n (CO₂) ∙ M (CO₂); (3.4)

m (CO₂) = 0,19 ∙ 44 = 8,36 г.

Таким образом, для раскисления1 т СЩС необходимо 8,36 кг CO₂ или 5016 т СО₂ на 600 тыс.т сульфидно-щелочного стока.

Рассчитаем количества сульфидов и азота аммонийного, отпаренных из стока, исходя из таблиц 3.2 и 3.3.

Определим количество сульфидов, отпаренных из стока в виде сероводорода

15,00 – 0,015 = 14,985 г/л,

что составляет 8991 т сероводорода на 600 тыс.т стока.

Азота аммонийного отпарилось в виде аммиака

1,50 – 0,025 = 1,475 г/л,

что составляет 885 т NH₃на 600 тыс.т стока.

Все расчетные данные сведем в таблицу 3.4 материального баланса

Таблица 3.4 – Материальный баланс установки

Взято	% масс.	т/год	кг/ч	кг/с
Сульфидно-щелочной сток	99,20	600000,00	73529,41	20,43
СО2	0,80	5016,00	614,71	0,17
Итого	100	605016,00	74144,12	20,60
Получено
Очищенный сток	98,36	595140,00	72933,82	20,26
H2S	1,49	8991,00	1101,84	0,31
NH3	0,15	885,00	108,46	0,03
Итого	100	605016,00	74144,12	20,60

3.2 Расчет сырьевого теплообменника

Для нагрева используем тепло отходящих продуктов, в данном случае очищенного стока.

Выбираем следующую схему теплообмена:

140,00 125 (очищенный сток)

30 12,5 (СЩС)

Тепловой баланс:

где Q – тепловая нагрузка аппарата, кДж/с;

G_СЩС, G_{очищ.сток} – количество холодного и горячего теплоносителя, кг/с;

q₃₀, q_x - энтальпия СЩС на входе и на выходе из аппарата, кДж/кг;

 - КПД теплообменника, практически он равен 0,96;

q₁₄₀, q₁₂₅ - энтальпия очищенного стока на входе и на выходе из аппарата Дж/кг.

Рассчитаем энтальпию очищенного стока на входе и на выходе из аппарата по формуле

Q_{очищ.стока} = 20,26 · (272,02 – 239,67) = 629,38 кВт;

Q_СЩС = 20,43 · (52,11 – 21,30) = 629,38 кВт.

Температура СЩС на входе в теплообменник t₁ = 12,50 ⁰С.

Средний температурный напор определяется по формуле:

, (3.7)

где = 125 – 12,5 = 112,5 ⁰С

= 140 –30 = 110 ⁰С;

ºС.

На основании практических данных, принимаем коэффициент теплопередачи К = 200,00 Вт/м²·К. [3]

Поверхность теплообмена определяем из уравнения теплопередачи:

, (3.8)

откуда

, (3.9)

Выбираем кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой ГОСТ 14246 – 79 со следующими размерами:

- диаметр кожуха 325 мм;

- диаметр труб 25 мм;

- число ходов по трубам 2;

- поверхность теплообмена 30 м²;

- длина труб 3000 мм.

3.3 Расчет холодильника

Для охлаждения отходящего с верха колонны увлажненного сероводорода с примесью аммиака используем технологическую воду.

Выбираем следующую схему теплообмена:

125 30 (увлажненный H₂S с примесью NH₃)

31 25 (технологическая вода)

Тепловой баланс:

где Q – тепловая нагрузка аппарата, кДж/с;

G_{тех.вода}, G_{увл.газ} – количество холодного и горячего теплоносителя, кг/с;

q₂₅, q_x - энтальпия технологической воды на входе и на выходе из аппарата, кДж/кг;

 - КПД теплообменника, практически он равен 0,96;

q₁₂₅, q₃₀ - энтальпия увлажненного газа на входе и на выходе из аппарата Дж/кг.

Рассчитаем энтальпию очищенного стока на входе и на выходе из аппарата по формуле

Q_{увл.газа} = 0,34 · (208,33 – 45,75) = 53,06 кВт;

Q_{тех.вода} = 5,00 · (53,83 – 43,21) = 53,06 кВт.

Температура технологической воды на выходе из холодильника t₂ = 31 ⁰С.

Средний температурный напор определяется по формуле:

, (3.12)

где = 125 – 31 = 94 ⁰С

= 30 – 25 = 5 ⁰С;

ºС.

На основании практических данных, принимаем коэффициент теплопередачи К = 170,00 Вт/м²·К. [3]

Поверхность теплообмена определяем из уравнения теплопередачи:

, (3.13)

откуда

, (3.14)

Выбираем кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой ГОСТ 14246 – 79 со следующими размерами:

- диаметр кожуха 325 мм;

- диаметр труб 25 мм;

- число ходов по трубам 2;

- поверхность теплообмена 30 м²;

- длина труб 3000 мм.

3.3 Расчет насосов

Производительность насоса находится по формуле:

, (3.15)

где m – масса жидкости, кг/ч.

ρ – плотность нефтепродукта, кг/м³.

Плотность нефтепродукта находится по формуле:

, (3.16)

где α – температурная поправка.

Расчет по выбору насосов представлен в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Расчет и выбор насосов

Вещество	t, ^0С		Поправка, 10^-4	кг/м^3	Расход, кг/ч	V м^3/ч	Марка насоса
1	2	3	4	5	6	7	8
Сульфидно-щелочной сток	12,50	1,00	5,15	1003,86	724637,68	73,25	НКВ 1000/200
Очищенный сток	140,00	0,98	5,22	917,36	671833,33	648,75	НКВ 1000/200

5 Описание технологической схемы

5.1 Блок флотационно-фильтрационной очистки

Сульфидно-щелочные стоки, сероводородсодержащие стоки с установок нефтеперерабатывающего завода, расходом до 50 т/час, с температурой 20-60 ºС поступают в емкость приема СЩС Е-1. Данная емкость предназначена для предварительного отстоя СЩС от нефтепродуктов. Отстоявшийся верхний слой - нефтепродукт через перегородку переливается в переливной карман. Нефтепродукт из переливного кармана емкости Е-1 периодически, по мере накопления, насосом Н-1 откачивается в резервуарный парк установки ЭЛОУ АВТ.

Очищенный от свободного нефтепродукта СЩС насосом Н-2 направляется в нижнюю часть резервуара–усреднителя Р-1 для дополнительного отслоя и усреднения перед подачей СЩС на флотационную установку (ФУ). В результате разности удельных весов нефтепродукта и СЩС происходит расслоение на верхний слой – нефтепродукт и нижний – водный слой. Отстоявшийся верхний слой – нефтепродукт из Р-1, самотеком через переливной штуцер выводится в трубопровод сбора нефтепродукта и возвращается в емкость Е-1. СЩС самотеком из резервуара Р-1 направляется на узел флотационной очистки для осветления.

Физико-химическая очистка СЩС от нефтепродуктов и взвешенных примесей осуществляется на установке напорной флотации ФУ-1. Флотаторы могут работать последовательно или параллельно.

Емкость Е-2 предназначена для приема осветленного СЩС после флотационной установки.

5.2 Блок очистки от сульфидов и азота аммонийного

Осветленный СЩС после флотационно-фильтрационной очистки поступает в емкость Е-2, из которой насосом Н-4 подается в емкость карбонизации Е-3 и далее через теплообменник Т-1 в отпарную колонну К-1. Для раскисления осветленного СЩС используется диоксид углерода, в период его отсутствия (1 раз в год) используется серная кислота. Подкисленный серной кислотой СЩС, минуя емкость карбонизации Е-3, нагревается в теплообменнике Т-1, поступает на отпарку в колонну К-1.

Смесь СЩС+СО₂ направляется в емкость карбонизации Е-3, где проходя через внутренние смешивающие устройства, происходит дополнительное смешение газо-фазного потока. При нормальном режиме работы технологического блока газовая фаза в емкости Е-3 отсутствует. При появлении газовой фазы, её направляют в колонну К-1. Место ввода газовой фазы в колонну К-1 определяется исходя из режимов работы установки, из содержания СО₂ в сероводородном газе после сепаратора С-1.

Перед входом в колонну К-1 карбонизированный СЩС нагревается в рекуператоре Т-1 за счет теплообмена с горячим отпаренным стоком с куба колонны К-1.

В отпарной колонне К-1 из СЩС производится отпарка острым водяным паром сероводорода, аммиака и избытка углекислого газа. Подача пара производится противотоком. Температура СЩС в кубовой части колонны К-1 регулируется за счет изменения расхода острого водяного пара. Восходящий поток водяного пара отпаривает сероводород (H₂S), аммиак (NH₃) и избыток растворенного углекислого газа из нисходящего потока стоков. В верхней части колонны (над точкой ввода сырья) установлен один слой регулярной насадки для улавливания капель жидкости.

Отходящие с верха колонны К-1 пары частично конденсируются в воздушном холодильнике ВХ-1, перед их направлением в сепаратор сероводородного газа С-1. Далее газожидкостной поток направляется в сепаратор С-1 для разделения сероводородного газа от отпаренного стока. Сероводородный газ, в котором содержатся кроме сероводорода аммиак, углекислый газ и пары воды, из сепаратора С-1 направляется по трубопроводу на установку по производству элементарной серы.

Часть сероводородного конденсата из сепаратора С-1 насосом Н-6 откачивается в колонну К-1 в качестве флегмы в смеси с карбонизированным СЩС.

Отпаренный сток, выходящий из куба колонны К-1, откачивается насосом Н-5 в теплообменник-рекуператор «сырье-продукт» Т-1. После теплообменника Т-1 часть потока отпаренного стока при необходимости направляется отдельным вводом для орошения верхней секции насадки колонны К-1, где он используется в качестве промывочной воды для растворения солей.

Отпаренный в колонне К-1 сток после теплообменника Т-1 направляется на дополнительную биологическую доочистку от фенолсодержащих соединений.