Расход водяного пара

В нижнюю часть основной атмосферной колонны К-2 и стриппинг-секций подают водяной пар, который обеспечивает отпарку наиболее легких компонентов.

Водяной пар обязательно должен быть перегретым, так как не перегретый пар является причиной высоких температур помутнения нефтяных фракций.

Перегретый водяной пар должен иметь температуру перегрева выше температуры кипящей жидкости. В этом случае водяной пар влияет положительно на ректификацию в отгонной части колонны, так как в самой колонне не тратится тепло на нагрев пара до температуры продуктов в колонне.

Подача водяного пара в колонну позволяет снизить температуру перегонки и таким образом избежать термического разложения углеводородов. В присутствии водяного пара в колонне снижается парциальное давление паров углеводородов, а следовательно и температура их кипения. Недостатком подачи водяного пара является большой расход хладагента на его конденсацию.

Расход водяного пара в основной атмосферной колонне колеблется в пределах 1, 6-2, 8 %мас. на загрузку колонны по сырью. Принимаем в нашем примере расход водяного пара равным 2 %мас. на отбираемые фракции.

Дальнейший расчет ведем на 100 кг сырья.

Расход водяного пара, подаваемого в нижнюю часть колонны, находим из выражения

Z_низа = g_м × 0, 02,

где Z_низа - расход водяного пара, подаваемого в нижнюю часть колонны, кг;

g_м - расход мазута, g_м = 49, 2 кг (см. табл. 6.5);

0, 02 - расход водяного пара, в долях от единицы.

Z_низа = g_м × 0, 02 = 49, 2 × 0, 02 = 0, 984 кг.

Расход водяного пара, подаваемого в нижнюю часть отпарной колонны (стриппинга) К-2/3:

Z_К-2/3 = g_280-350 × 0, 02 = 13, 8 × 0, 02 = 0, 276 кг,

где g_280-350 - расход фракции 280-350 °C, g_280-350= 13, 8 кг (см. табл. 6.5).

Расход водяного пара, подаваемого в нижнюю часть отпарной колонны К-2/2:

Z_К-2/2 = g_230-280 × 0, 02 = 9, 9 × 0, 02 = 0, 198 кг,

где g_230-280 - расход фракции 230-280 °С, g_230-280 = 9, 9 кг (см. табл. 6.5).

Расход водяного пара, подаваемого в нижнюю часть отпарной колонны К-2/1:

Z_К-2/1 = g_180-230 × 0, 02 = 11, 2 × 0, 02 = 0, 224 кг,

где g_180-230 - расход фракции 180-230 °С,

g_180-230 = 11, 2 кг (см. табл. 6.5).

Определим расход водяного пара по высоте колонны.

Расход водяного пара на тарелке отбора фракции 280-350 º С:

Z_280-350 = Z_низа = 0, 984 кг.

Расход водяного пара на тарелке отбора фракции 230-280 º С:

Z_230-280 = Z_низа + Z_К-2/3 = 0, 984 + 0, 276 = 1, 26 кг.

Расход водяного пара на тарелке отбора фракции 180-230 º С:

Z_180-230 = Z_низа + Z_К-2/3 + Z_К-2/2 = 0, 984 + 0, 276 + 0, 198 = 1, 458 кг.

Расход водяного пара в верху колонны:

Z_верх = Z_низа + Z_К-2/3 + Z_К-2/2 + Z_К-2/1 = 0, 984 + 0, 276 + 0, 198 + 0, 224 = = 1, 682 кг.

6.2.5. Расход флегмы по высоте колонны

При расчете колонны принимаем условно, что флегмовое число по высоте колонны одинаково и равно.

Тогда в нашем примере расход флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 280-350 º С найдем из произведения

= g_280-350 × 2 = 15, 9 × 2 = 31, 8 кг.

Расход флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 230-280 º С:

= g_230-280 × 2 = 11, 2 × 2 = 22, 4 кг.

Расход флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 180-230 º С:

= g_180-230 × 2 = 9, 9 × 2 = 19, 8 кг.

Расход флегмы вверху колонны:

= g_100-180 × 2 = 13, 8 × 2 = 27, 6 кг.

6.2.6. Определение температуры нагрева сырья на входе в колонну

Температуру нагрева нефти на входе в колонну К-2 определяем аналитическим методом. Для этого определяем температуру нагрева нефти, которая должна соответствовать необходимой массовой доле отгона сырья колонны в зоне питания. Под необходимой (теоретической) долей отгона нефти понимают сумму светлых в долях от единицы, которую определяют из материального баланса колонны.

В нашем примере теоретическая доля отгона (е_т) будет следующей (см. табл. 6.5):

е_т =0, 159+0, 112+0, 099+0, 138=0, 508.

Температура нагрева нефти должна обеспечить величину фактической доли отгона равной или на 0, 001 - 0, 003 больше теоретической.

Для определения температуры нагрева нефти необходимо рассчитать процесс однократного испарения сырья.

Расчет процесса однократного испарения сырья колонны удобнее вести для условий испарения в трубах печи, а не в питательной секции колонны. В этом случае следует принять давление на 0, 03-0, 04 МПа выше, чем в питательной секции.

В нашем случае расчетное давление принимаем следующим:

Р_р = Р_вход + 0, 03 = 0, 166 + 0, 03 = 0, 196 МПа.

Для удобства продолжаем вести расчет на 100 кг сырья.

Разбиваем сырье колонны - нефть на узкие фракции (можно на 50-градусные). Чем больше узких фракций, тем точнее будет расчет.

При принятом давлении задаемся температурой нагрева нефти и методом подбора находим молярную долю (е_р), при которой соблюдаются равенства. Принимаем температуру нагрева 351 °С.

,

,

где хi - молярная концентрация компонентов жидкой фазы;

уi - молярная концентрация компонентов паровой фазы;

ai - молярная концентрация компонентов сырья;

ер - молярная доля отгона;

Кi - константа фазового равновесия.

Зная молярную долю отгона рассчитываем массовую долю отгона из соотношения

,

где - массовая доля отгона (расчетная);

Му - молярная масса паровой фазы, кг/кмоль;

Мс - молярная масса сырья, кг/кмоль.

Расчет оформлен в виде таблицы (см табл. 6.6).

Пояснения к колонкам табл. 6.6:

1 - Номер фракции.

2 - Пределы выкипания фракций, º С.

3 - Выход фракций (фактический) на сырье установки, %мас.

Фактический выход фракции на сырье установки рекомендуется определять по кривой фактического отбора (см. рис. 6.1).

4 - Выход фракций на сырье колонны, %мас. (Gi).

5 - Молярная масса фракции (Мi).

6 - Количество вещества фракций, кмоль/ч (Ni = Gi/Mi).

7 - Молярные концентрации компонентов сырья колонны (ai = Ni/SNi).

8 - Средняя температура кипения фракции, º С.

За среднюю температуру кипения фракции принимают ее температуру 50% выкипания по кривой ИТК (см.рис.6.2).

9 - Давление насыщенных паров (ДНП) фракции, МПа (Рi).

Давление насыщенных паров фракции определяют по сетке Максвелла в зависимости от средней температуры кипения фракции и принятой температуры сырья на входе в колонну.

10 - Константа фазового равновесия (Кi).

Константу фазового равновесия определяют из соотношения

,

где Рi - давление насыщенных паров фракции, МПа.

Р_р - общее давление (расчетное), МПа.

11 - (Кi - 1). 12 - [ер× (Кi - 1)]. 13 - [1 + ер× (Кi - 1)].

Колонки 11-13 не заполняют при расчете на ПЭВМ.

14 - .

15 - [y_i = K_i× х_i].

16 - [M_i× y_i]; M_i = - молярная масса паровой фазы.

17 - - массовая концентрация компонентов паровой фазы.

18 - [M_i× Х_i]; M_i = - молярная масса жидкой фазы.

19 - - массовая концентрация компонентов жидкой фазы.

20 - - массовая концентрация компонентов сырья.

21 - r_i - плотность фракций, г/см³.

22 - ; - величина объемов единицы массы жидкой фазы;

23 - ; - величина объемов единицы массы паровой фазы;

24 - ; - величина объемов единицы массы сырья.

Знание величин объемов единицы жидкости, паров и сырья позволяет определить их плотности из соотношений:

; ; .

Молярную массу сырья находят по формуле

М с = Gс/Nс,

где Gс - расход сырья (нефти) в колонну, кг (колонка 4);

Nс - количество молей сырья (колонка 6).

Nс = Σ (Gi/Mi),

где Gi - расход компонента (фракции) сырья, кг; в нашем примере Gi = 100 кг (колонка 4).

M_i - молярная масса компонента сырья (колонка 5).

Nс = 0, 417 (колонка 6).

Мс = 100 / 0, 417 = 239, 8.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАССЧЕТА ДОЛИ ОТГОНА:

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НА ПЭВМ:

Молярная доля отгона е_р = 0, 732 при 351 º С и 0, 196 МПа.

СОСТАВ ФАЗ

Определим массовую долю отгона нефти - сырья колонны К-2 при температуре 351 º С и давлении 0, 196 МПа.

Таблица 6.6

Определение молярной доли отгона отбензиненной нефти

На выходе в колонну в при температуре 351 º С и давлении 0, 196 МПа

№ п/п	Пределы выкипания фракции, º С	Выход фракции (фактический) на сырье установки, %мас.	Выход фракции на сырье колонны (Gi), %мас.	Мi	кмоль/ч
	100-150	8, 7	9, 7		0, 094	0, 2254
	150-200	9, 5	10, 6		0, 077	0, 1847
	200-250	9, 5	10, 6		0, 061	0, 1463
	250-300	8, 9			0, 044	0, 1055
	300-350	8, 8	9, 9		0, 037	0, 0887
	350-400	6, 1	6, 8		0, 022	0, 0528
	400-450	6, 2			0, 021	0, 0504
	450-500	6, 1	6, 8		0, 018	0, 0431
	Более 500	25, 5	28, 6		0, 043	0, 1031
Итого	-	89, 3		-	0, 417

Продолжение таблицы 6.6

№ п/п	Средняя температура кипения фракции, º С	Давление насыщенных паров фракции при 351 º С, МПа(Pi)
		4, 3	21, 9388	20, 9388	15, 3182	16, 3182
		2, 05	10, 4592	9, 4592	6, 9201	7, 9201
		0, 92	4, 6939	3, 6939	2, 7023	3, 7023
		0, 43	2, 1939	1, 1939	0, 8734	1, 8734
		0, 175	0, 8929	-0, 1071	-0, 0784	0, 9216
		0, 068	0, 3469	-0, 6531	-0, 4778	0, 5222
		0, 025	0, 1276	-0, 8724	-0, 6383	0, 3617
		0, 007	0, 0357	-0, 9643	-0, 7054	0, 2946
			0, 0000	-1, 0000	-0, 7316	0, 2684
Итого	-	-	-	-	-	-

Продолжение таблицы 6.6

№ п/п
	0, 0138	0, 3030	31, 2	0, 187	1, 4
	0, 0233	0, 2439	33, 7	0, 202	3, 2
	0, 0395	0, 1855	32, 5	0, 195	6, 9
	0, 0563	0, 1235	27, 8	0, 167	12, 7
	0, 0962	0, 0859	23, 1	0, 139	25, 9
	0, 1011	0, 0351	10, 7	0, 064	30, 8
	0, 1393	0, 0178	6, 0	0, 036	46, 7
	0, 1463	0, 0052	1, 9	0, 012	53, 8
	0, 3841	0, 0000	0, 0	0, 000	252, 7
Итого			166, 8		434, 2

Окончание таблицы 6.6

№ п/п
	0, 003	0, 097	0, 729	0, 004	0, 257	0, 133
	0, 007	0, 107	0, 771	0, 010	0, 262	0, 139
	0, 016	0, 107	0, 808	0, 020	0, 241	0, 133
	0, 029	0, 099	0, 835	0, 035	0, 200	0, 119
	0, 060	0, 100	0, 861	0, 069	0, 161	0, 116
	0, 071	0, 067	0, 885	0, 080	0, 072	0, 076
	0, 107	0, 071	0, 899	0, 120	0, 040	0, 079
	0, 124	0, 066	0, 911	0, 136	0, 013	0, 073
	0, 582	0, 284	0, 962	0, 605	0, 000	0, 296
Итого			-	1, 079	1, 244	1, 164

Определение давления насыщенных паров фракций

Рис. 6.4.

Массовая доля отгона () сырья основной колонны, полученная в результате расчета, должна быть несколько больше или равна теоретической доле отгона . В нашем примере =0, 508, а =0, 509.

Массовая доля отгона () сырья основной колонны, полученная в результате расчета, несколько больше теоретической доли отгона Следовательно, температуру нагрева сырья на входе в колонну определили верно.

Проверку правильности расчета проводим, определяя плотность сырья колонны из соотношения

где

Определим плотность сырья по данным табл. 6.7 (колонка 24):

.

Полученное значение плотности сырья колонны и определенное ранее значение должны совпадать. В нашем примере они совпадают.