Задание

Проведём технологический расчет отбензинивающей колонны мощностью 6 млн т в год по Гуронской нефти, разгонка (ИТК) которой представлены в Таблице 1, физико-химические показатели в Таблице 2. В качестве дистиллята предусмотрим отбор фракции легкого бензина н.к.-85^оС.

Цель работы:

Провести технологические и конструкторские расчеты для определения основных параметров отбензинивающей колонны с клапарными тарелками.

Дополнительные указания:

Выполнить расчет материального баланса отбензинивающей колонны, тепловой баланс, найти температуру низа и верха колонны, массовую долю отгона, диаметр и высоту колонны.

Содержание пояснительной записки:

Введение	4
1 Технологическая часть	5
Технологическая схема установки ЭЛОУ АТ-6	5
1.2 Принципиальная схема работы ректификационной колонны	6
1.3 Технологическая схема ректификационных колонн установки ЭЛОУ АТ-6	10
Расчетная часть	11
2.1 Исходные данные для расчета	11
2.2 Характеристика нефти по ГОСТ Р 51858-2002	12
2.3 Физико-химические свойства сырья	12
2.4 Минимальное число теоретических тарелок	14
2.5 Состав дистиллята и остатка	18
2.6 Материальный баланс колонны	19
2.7 Температурный режим колонны	22
2.7.1 Расчет температуры верха колонны	22
2.7.2 Расчет температуры низа колонны	23
2.7.3 Расчёт доли отгона сырья на входе в колонну	24
2.8 Минимальное флегмовое число	26
2.9 Оптимальное флегмовое число. Оптимальное число теоретических тарелок	27
2.10 Место ввода сырья в колонну. Рабочее число тарелок.	30
2.11 Внутренние материальные потоки	31
2.12 Тепловой баланс колонны	33
2.13 Диаметр колонны	38
2.14 Высота колонны	41
Заключение	43
Литература	44
Приложение 1	45

Введение

Атмосферная перегонка нефти. Нефть представляет собой сложную смесь парафиновых, нафтеновых, ароматических и других углеводородов с различными молекулярными массами и температурами кипения. Так же в нефти содержаться сернистые, кислород и азотсодержащие органические соединения. И поэтому, для получения из нефти товарных продуктов различного назначения, применяют методы разделения нефти на фракции или группы углеводородов. И при необходимости, изменяют их химический состав, дальнейшим проведением каталитических и термических процессов.

Различают первичные и вторичные методы переработки нефти. Первичными процессами называют процессы разделения нефти на более или менее однородные фракции без химического преобразования входящих в неё веществ. Основным приёмом разделения является дистилляция (перегонка) – процесс разделения жидких веществ по температурам их кипения.  Атмосферная перегонка  относится к первичному процессу и отсюда можно выделить основное её назначение – разделить  нефть  на фракции, и использовать максимальные возможности нефти по количеству и качеству получаемых исходных продуктов.

Атмосферную перегонку  можно осуществить следующими способами:

• с однократным испарением в трубчатой, печи и разделением отгона в одной ректификационной колонне;

• двухкратным испарением и разделением в двух ректификационных колоннах — в колонне предварительного испарения (эвапораторе) с отделением легких бензиновых фракций и в основной колонне;

• Постепенным испарением.

Сырьём установки  атмосферной перегонки  может служить как  нефть , так и газовый конденсат. Физико-химические свойства нефтей и составляющих их фракций оказывают влияние на выбор технологии получения нефтепродуктов. Поэтому, при определении направления переработки нефти нужно стремиться по возможности максимально, полезно использовать индивидуальные природные особенности её химического состава. [1]

1. Технологическая часть

1. Технологическая схема установки ЭЛОУ АТ-6

Спроектированная ВНИПИнефтью установка ЭЛОУ АТ-6 мощностью 6 млн.т/год является не только укрупненной, но и комбинированной, так как имеет в своем составе электродегидраторы, осуществляющие процесс электрообессоливания.

Сырая нефть из линии I(Рисунок 1) насосами 1 прокачивается двумя потоками через группу теплообменников 2 и электродегидраторы 3, затем через группу теплообменников 4 и по линииIIподается в колону предварительного отбензинивания нефти 5. Обессоливание на установках производят в две ступени.

На электродегидраторы перовой ступени поступает нефть в смеси с 2%-ным раствором деэмульгатора и щелочной водой (с электродегидраторов второй ступени). Частично обезвоженная и обессоленная нефть с верха электродегидраторов первой ступени поступает в электродегидраторы второй ступени, перед которыми в поток нефти через инжекторы подается насосом холодная вода. Отстоявшуюся щелочную воду из электродегидраторов второй ступени насосом перекачивают на электродегидраторы первой ступени, где она смешивается с нефтью и деэмульгатором. Нефть в смеси с реагентами и водой вводиться в электродегидраторы снизу через маточники-распылители, создающие равномерный поток нефти, направленный вверх.в электрическом поле высокого напряжения электродегидратов происходит разрушение эмульсии с разделением на нефть и воду.

С низа колоны преварительного отбензинивания 5 частично отбензининую нефть насосами 1 по линиям IVподают в печь 13. Часть нагретой отбензиненой нефти в виде «горячей струи» по линииIIIвозвращается в колону предварительного отбензинивания 5, а основное ее количество поступает в реакционную колону 12, связанную с двумя отпарными колоннами 10 и 11, из которых соответственно по линиямVIIиVIIIвыводятся керосиновые и дизельные фракции. Для регулирования температуры начала кипения этих фракций в низ колонн 11 и 12 вводят перегретый пар. С низа ректификационной колонны 12 мазут по линииIXнасосом 1 прокачивается через теплообменники (для нагрева нефти), после которых его выводят с установки.

Пары с верха колонны предварительного отбензинивания 5 и ректификационной колонны 12 самостоятельными потоками проходят последовательно конденсаторы воздушного охлаждения 6, холодильники 7 и поступают в газосепараторы 8. С верха обоих газосепараторов сухой газ по линии VIвыводят в газовую сеть завода. Часть конденсата с их низа используют для острого орошения (иногда применяется только циркуляционное орошение), а основная часть из обоих газосепараторов стекает в емкость 9 для широкой бензиновой фракции (н.к. 180 или 190^оС), откуда она насосом 1, пройдя теплообменник 16, подается в стабилизационную колонну 14. Для дополнительного ввода тепла в стабилизационную колону в ее нижней части по змеевику прокачивают теплоноситель (иногда устанавливают выносной кипятильник с паровым пространством).

Пары с верха стабилизационной колонны 14 проходят холодильник 7, и образующийся конденсат – сжиженный газ (С₃– С₄) – накапливается в газосепараторах 8, откуда часть его поступает на орошение (иногда применяется циркуляционное орошение), а большая часть по линииXIIвыводят с установки. Стабильная широкая фракция по линииXIXпоступает в блок 15 вторичной ее переработки, из которого отдельные узкие фракции выводят с установки по линиямXIII–XVII. Суммарный отбор прямогонных дистиллятных фракций зависит в основном от потенциального содержания их в перерабатываемой нефти. [2]

Рисунок 1 – Принципиальная технологическая схема ЭЛОУ АТ-6:

I– сырая нефть;II– обессоленная нефть;III– «горячая струя»;IV–отбензиненная нефть;V– орошение (острое);VI– сухой газ;VII– керосиновая фракция;VIII– дизельная фракция;IX– мазут;X– широкая бензиновая фракция;XI– флегма для циркуляционного орошения;XII– газовая головка (сжиженные газы);XIII– фракция н.к. 62^оС;XIV- фракция 62-85^оС;XV- фракция 85-140^оС;XVI- фракция 140-180^оС;XVII- фракция 180-190^оС;XVIII– теплоноситель;XIX– стабильная широкая бензиновая фракция; 1 – насосы; 2, 4, 16 – теплообменники; 3 – электродегидраторы; 5 – отбензинивающая колонна; 6 – конденсаторы воздушного охлаждения; 7 – холодильники; 8 – газосепараторы; 9 – емкость для широкой бензиновой фракции (н.к. 180 или 190^оС); 10, 11 – отпарные колонны; 12 – ректификационная колонна; 13 – печь; 14 – стабилизационная колонна; 15 – блок вторичной переработки.

2. Принципиальная схема работы ректификационной колонны

Схема работы ректификационной колонны приведена на Рисунке 2. Как видно из рисунка, в среднюю часть колонны поступает подлежащее ректификации сырье Fс температуройt_F и составом х_р. При входе в колонну происходит процесс однократного испарения, в результате которого образующиеся парыG_Fсоставаy_Fи жидкость, составаx_F, находящиеся в равновесии, то есть имеющие одинаковую температуру и давление. На каждойn-й тарелке обеспечивается контакт между парамиG_{n_r} поступающими на данную тарелку, и жидкостью (флегмой)g_n+1, стекающей на эту тарелку.

Рисунок 2 – Принципиальная схема работы ректификационной колонны

В результате контакта этих встречных потоков изменяются составы паровой и жидкой фаз. При этом пары обогащаются НКК, а жидкость – ВКК. Пары , уходящие сn-й тарелки, будут богаче НКК, чем пары ,а жидкостьg будет богаче ВКК по сравнению с жидкостью . Уходящие с тарелкиn потоки паров и жидкостибудут находиться в равновесии. При этом пары, поступающие на вышележащую тарелкуn+1, вновь вступают в контакт с соответствующим потоком жидкости, поступающим с тарелки , а жидкостьуходит на тарелкуn-1, где вновь происходит контакт фаз. Подобное контактирование будет происходить до тех пор, пока пар наверху колонны не приобретет заданный состав по содержанию НКК , а жидкостьW внизу колонны не достигнет состава .

Отбираемый с верха колонны продукт D, обогащенный НКК, называется ректификатом или дистиллятом, а снизу колонны продукт W – остатком или нижним донным продуктом.

Подобный процесс происходит в том случае, если жидкость, находящаяся на одном горизонтальном уровне с паром, например,и, содержит больше НКК, чем жидкость, равновесная с этим паром. При постоянном давлении в колонне этот уровень будет обеспечиваться, если температура жидкостибудет ниже, чем температура паров, то есть если температура в колонне будет уменьшаться в направлении движения потока паров (вверх) и возрастать в направлении потока жидкости (флегмы) вниз. Самая низкая температурабудет вверху колонны, а самая высокая- внизу колонны. Часть колонны, куда вводится сырье, называется секцией питания или эвапорационным пространством.

Часть колонны, находящаяся выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода – отпарной или отгонной. В обеих частях колонны протекает один и тот же процесс ректификации. Поскольку для ректификации необходимо два потока, состоящих из одних и тех же компонентов, но разного состава, из верхней части отводят тепло , а в нижней части подводят тепло. В результате при конденсации паров наверху колонны образуется поток жидкости (флегмы, орошения), а в отгонной части колонны образуется восходящий поток паров.

Различают колонны простые, для разделения сырья на два компонента (дистиллят и остаток), и сложные, для получения из того же сырья трех и более компонентов. В этом случае продукты выводятся в виде боковых погонов через отпарные секции.

К группе ректификационных колонн относятся следующие аппараты современных установок АТ и АВТ: предварительный испаритель или отбензинивающая колонна, основная ректификационная колонна, отпарные колонны, стабилизаторы, колонны вторичной перегонки, абсорберы-десорберы, вакуумные колонны и т.д.

Колонна представляет собой вертикальный стальной цилиндрический аппарат с внутренними устройствами для осуществления процесса ректификации – тарелками. Количество тарелок в каждой колонне рассчитывается в зависимости от ряда факторов: необходимого количества продуктов разделения, четкости разделения их (четкости ректификации), кратности орошения, допустимой скорости паров в колонне.

Размеры колонны зависят от заданной производительности, фракционного состава нефти, количества тарелок, давления, температуры, системы и количества орошения и других факторов.

Для строгого соблюдения режима и условий, обеспечивающих нормальный процесс ректификации, необходимо правильно эксплуатировать колонны. Важнейшими факторами режима являются: температура, давление, количество орошения и расход водяного пара в отгонной и отпарных секциях.

Температуру в колонне контролируют в нескольких точках: в зоне ввода нефти, в нижней части на выходе мазута или гудрона, в верхней части на выходе паров и в линиях отбора боковых фракций.

Постоянство температуры в зоне ввода сырья обеспечивается регулированием его нагрева в трубчатой печи. Наряду с другими точками контроля, это один из важнейших факторов, влияющих на полноту испарения и обеспечение необходимого теплового баланса всей колонны для отбора требуемых целевых продуктов.

Температура в нижней части колонны влияет на полноту отбора целевых фракций из мазута или гудрона. Ее поддерживают за счет дополнительного подвода тепла либо через термосифонные теплообменники (на газофракционирующих установках), рибойлеры (на установках вторичной ректификации бензина), либо за счет тепла «горячей струи» (в колонне атмосферной перегонки). Для снижения температуры низа колонн и одновременного обеспечения необходимой отпарки светлых или масляных компонентов из остаточного продукта вниз атмосферных и вакуумных колонн вводят перегретый водяной пар.

Заданная температура в верхней части колонн обеспечивает получение дистиллята, например, бензина определенного фракционного состава по температуре его конца кипения. Постоянство ее соблюдается за счет подачи острого орошения. Изменяя его расход или температуру, можно регулировать и температуру верхней части колонны, а, следовательно, и качество дистиллята. Температуры на тарелках отбора боковых продуктов обеспечивают заданное качество боковых продуктов: авиакеросина и дизельных фракций в атмосферных или масляных фракций в вакуумных колоннах. Поддержание необходимых температур на тарелках отбора боковых продуктов достигают за счет организации циркуляционных орошений. Изменяя их расход или температуру, можно регулировать температуры отбора боковых фракций в заданных пределах. Качество боковых погонов регулируют также использованием стриппингов.

Повышенное давление в ректификационных колоннах используют для ректификации газообразных углеводородов (пропан, бутан) при температуре верха колонн 45-55°C, чтобы конденсацию этих продуктов можно было осуществлять водой, а не специальными хладагентами, что потребовалось бы при атмосферном давлении.

При этом в колоннах для ректификации газообразных углеводородов поддерживается давление от 0,3-0,4 до 2,45 МПа. Давление в колоннах позволяет повысить их удельную производительность по парам, а, следовательно, уменьшить их диаметры. Таким образом, выбор давления в колоннах для проведения процесса ректификации требует обоснованного расчета. Давление в различных сечениях колонны зависит от гидравлического сопротивления, возникающего при прохождении паров через тарелки, то есть от конструкции тарелок. В атмосферных колоннах, оборудованных тарелками колпачкового типа или с S-образными элементами, перепад давления составляет 2-5 мм рт. ст. на каждую тарелку. Клапанные тарелки дают меньшее сопротивление. Значительное уменьшение (в 5-7 раз) сопротивления в колонне обеспечивается применением насадок. Для наблюдения за температурой, давлением, расходами орошения отбираемых продуктов и водяного пара служат контрольно-измерительные приборы, автоматические анализаторы качества. Показания этих приборов позволяют следить за ходом процесса ректификации, качеством продуктов и своевременно устранять возможные отклонения от заданного режима. [3]

3. Технологическая схема ректификационных колонн установки ЭЛОУ АТ-6

Отбензинивающая колонна К-1 (Рисунок 3) входит в состав установки АТ с двукратным испарением нефти (Рисунок 1). Эта схема технологически гибкая и работоспособная при любом фракционном составе нефти. Благодаря удалению в колонне К-1 лёгких бензиновых фракций в змеевиках печи, в теплообменниках не создается большого давления и основная колонна К-2 не перегружается по парам. [5]

Рисунок 3 – Технологическая схема ректификационных колонн установки ЭЛОУ АТ-6

2. Расчетная часть

Технологический расчет процессов ректификации выполняется с целью определения технологического режима процесса, основных размеров аппарата и его внутренних устройств, обеспечивающих заданную четкость разделения исходного сырья при заданной производительности. Технологический режим процесса определяется рабочим давлением в аппарате, температурами всех внешних потоков, удельным расходом тепла на частичное испарение остатка и холода на конденсацию паров в верхней части колонны, флегмовым числом. Основными размерами аппарата являются его диаметр и высота, зависящие главным образом от типа контактного устройства в колоне.[4]