3.3 Расчет колонны регенерации растворителя n-метилпирролидона после пятиступенчатой экстракционной очистки атмосферного газойля в соотношении 0.9:1 при температуре 60 ºС

В результате пятиступенчатой экстракции образуются экстрактная и рафинатная фазы. Экстрактная фаза состоит из смеси N-метилпирролидона с 1% воды, сераорганических соединений, ароматических углеводородов. Среди сераорганических соединений преобладают дибензотиофены (Ткип =331ºС) и его производные, среди ароматических углеводородов преобладают фенантрен (Ткип =340ºС), антрацен (Ткип =342ºС) и его производные. Встает задача регенерации растворителя с получением чистого N-метилпирролидона, который затем возвращается в систему.

Было принято решение о применении ректификационного способа разделения, который в данном случае наиболее удобен и прост, так как температура кипения N-метилпирролидона (202 °С) много меньше, чем температура кипения выделенных ароматических углеводородов. ( диапазон кипения – 320 – 350 °С).

Моделирование колонны разделения проводилось с использованием программного продукта Aspen HYSYS.

Схема разделения приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема регенерации растворителя

Таблица 13 - Конструктивные и режимные параметры колонны разделения

Параметр	Значение
Количество тарелок	12
Давление в колонне, КПа	30
Температура дистиллята, °C	108,8
Температура на верхней тарелке, °C	156,7
Температура питания, °C	60
Температура на нижней тарелке, °C	276,0
Температура кубового продукта, °C	276,2
Загрузка, т/ч	197,8
Отбор дистиллята, т/ч	168,165
Отбор кубового продукта, кг/ч	29,6
Расход орошения, т/ч	143
Флегмовое число	0,15
Нагрузка конденсатора, ГДж/ч	124.7
Нагрузка куба, ГДж/ч	146.8

Таблица 14 – Состав потоков, расход массовый

Компонент	Сырье		Дистиллят		Кубовый продукт
	т/ч	% масс.	т/ч	% масс.	т/ч	% масс.
N-метилпирролидон	166,5	0,8419	166,5	0,9901	0
вода	1,665	0,0084	1,665	0,0099	0
дибензотифен	22,77	0,1151	0	0	2,277	0,7692
фенантрен	4,554	0,0230	0	0	4,554	0,1538
антрацен	2,277	0,0115	0	0	2,277	0,0769

Таким образом, разделение в ректификационной колонне позволит получить чистый N-метилпирролидон, который затем будет возвращен в систему, и ароматические углеводороды, которые можно использовать в качестве растворителя на нужды завода или как товарную продукцию.

Расчет высоты колонны

Высота колонны рассчитывается по формуле:

, (1)

где N – число реальных тарелок, h – расстояние между тарелками, h_up – высота верхней части колонны, h_down – высота нижней части колонны.

Величина h была найдена с помощью утилиты Tray Sizing программного продукта Aspen HYSYS и составила 0,6096 м.

Высоту верхней и нижней части колонны примем равными 1,5 м.

Таким образом, высотка колонны составит:

Примем высоту колонны равной 10 м.

Расчет диаметра колонны

Диаметр колонны рассчитывается по формуле:

, (2)

где w_{max –} максимально допустимая фиктивная скорость пара по колонне, V_y – расход пара.

Рассчитаем w_max по формуле:

, (3)

здесь С – величина гидродинамического подпора жидкости, принимается в диапазоне от 300 до 700, примем ее равной 500, r_ж и r_п – плотности жидкости и пара соответственно.

Тогда диаметр колонны составит:

(4)

Примем диаметр колонны равный 7 м.

Расчетные исследования

Ректификация связана с термическим воздействием на разделяемые смеси. Степень термического воздействия на разделяемые компоненты характеризуется двумя факторами: температурой и временем этого воздействия. Термическое воздействие приводит к нежелательным побочным процессам, таким как разложение, конденсация и поликонденсация, смолообразование и др. Для снижения температуры ректификацию осуществляют под пониженным давлением.

Представляется целесообразным использовать вакуум в колонне регенерации, так как его применение предотвратит возможность тяжелых сераорганических и ароматических остатков крекироваться.

Было принято решение использовать глухую тарелку в колонне, которая позволит создать давление до 30 КПа. Для этого необходимо провести расчетные исследования по влиянию режимных параметров на процесс регенерации.

Со специальной глухой тарелки жидкость стекает самотеком в трубчатый теплообменник, охлаждается в нем и поступает на нижележащую тарелку обычного типа. Теплообменники устанавливают на металлоконструкции колонны непосредственно около глухой тарелки. В качестве хладоагента применяют воду при низкой температуре.

Проведены исследования по влиянию режимных параметров, а именно давления, флегмового числа, числа теоретических тарелок и тарелки питания на тепловую нагрузку.

Увеличение давления в колонне влечет за собой увеличение тепловой нагрузки в основном за счет того, что необходимо затрачивать много тепловой энергии, чтобы перевести N-метилпирролидон в паровую фазу. С увеличением давления увеличивается тепловая нагрузка и соответственно увеличивается качество получаемого N-метилпирролидона. Как следует из рисунка 11 , при давлении 30 Кпа в верхней части колонны тепловая нагрузка кондесатора уменьшилась с 1,284·10⁸ по 1,247·10⁸ и качество разделения остается выскоим при выбранном параметре, 50 г N-метилпирролидона попадает в кубовый остаток.

Рисунок 11 – Влияние давления на тепловую нагрузку конденсатора и на качество получаемого N-метилпирролидона

Как следует из рисунка 12 , для рибойлера при давлении 35 КПа в нижней части колонныи тепловая нагрузка уменьшилась с 1,50·10⁸ по 1,468·10⁸ и качество разделения остается выскоим при выбранном параметре, 50 г N-метилпирролидона попадает в кубовый остаток.

Рисунок 12 – Влияние давления на тепловую нагрузку рибойлера и на качество получаемого N-метилпирролидона

С увеличением флегмового числа увеличивается тепловая нагрузка и сотвественно увеличивается качество получаемого N-метилпирролидона.

Рисунок 13 – Влияние изменения флегмового числа на тепловую нагрузку и на качество получаемого N-метилпирролидона

Для верхней части колонны , как показано на рисунке 14 при выбранном давлении 30 КПа уменьшается тепловая нагрузка на конденсатор колонны с 1,284·10⁸ по 1,247·10⁸ и при температуре 108.8 °C.

Рисунок 14 – Влияние изменения давления и температуры в верхней части колонны на тепловую нагрузку

Для нижней части колонны , как показано на рисунке 15 при выбранном давлении 30 КПа уменьшается тепловая нагрузка на конденсатор колонны с 1,50·10⁸ по 1,468·10⁸ и при температуре 276,2 °C.

Рисунок 15 – Влияние изменения давления и температуры в нижней части колонны на тепловую нагрузку

С увеличением числа тарелок уменьшается тепловая нагрузка и сотвественно увеличивается качество получаемого N-метилпирролидона. График представлен на рисунке 16.

Рисунок 16 – Влияние изменения числа тарелок на тепловую нагрузку и качество получаемого N-метилпирролидона