Тема: Расчет экстракционной колонны установки

деасфальтизации пропаном (2 часа)

 

За последнее время все большее распространение при производстве остаточных масел получает деасфальтизация гудронов жидким пропаном, так как последний является наилучшим и наиболее экономичным избирательным растворителем по сравнению с другими нефтяными углеводородами: этан имеет высокую избирательность и низкую растворяющую способность по отношению к смолистым и другим высокомолекулярным соединениям, а бутан, наоборот, низкую избирательность (селективность) и более высокую растворяющую способность, чем пропан.

Пропан является предельным углеводородом нормального строения и имеет следующие основные свойства.

Молекулярный вес ………………………………………………. 44

Плотность, кг/м³

жидкости при температуре -42,06 ^оС …………………….. 582,4

+20 ^оС …………………….. 500

Пара по отношению к воздуху …………………………... 1,52

Температура кипения при атмосферном давлении, ^оС ……….. -42,06

Теплоемкость, ккал/кг·град:

жидкого пропана при температуре +20 ^оС ………………. 0,6070

насыщенного пара пропана при температуре 0 ^оС ……… 0,370

насыщенного пара пропана при температуре +20 ^оС …… 0,390

Теплота испарения, ккал/кг:

при температуре -42,06 ^оС ……………………………………… 100,4

+20 ^оС ……………………………………….. 83,5

Растворяющая способность и избирательность жидкого пропана по отношению к различным соединениям нефтяного сырья различные. Твердые углеводороды – парафины и церезины – при низких температурах (-40 - -45 ^оС) плохо растворяются в жидком пропане; с повышением температуры растворимость их увеличивается. Жидкие углеводороды парафинового основания хорошо растворяются в жидком пропане в широком интервале температур. Растворимость в пропане парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов зависит от молекулярного веса последних и температуры обработки. С повышением молекулярного веса и понижением температуры обработки растворимость углеводородов в пропане уменьшается.

Скорость потока смеси пропан – масло в экстракционной колонне колеблется в пределах 35-40 м³/м²·ч, линейная скорость смеси в свободном сечении экстракционной части колонны равна 9,3–11,3 мм/сек, в насадочных тарелках 46-56 мм/сек; линейная скорость масляного раствора в отстойной части колонны 6,0-7,0 мм/сек. Время контакта сырья (гудрона) и жидкого

пропана в насадочном слое составляет 110-130 сек, время отстоя масляного раствора в отстойной части колонны 570-670 сек.

Диаметр экстракционной колонны D определяется из следующей формулы:

 

: (2.1)

отсюда

 

 

где D – диаметр экстракционной колонны в м;

G_c – производительность установки по сырью в кг/ч;

ρ_c – плотность сырья при средней температуре в экстракционной колонне в кг/м³;

G_n – количество пропана, вводимого в экстракционную колонну, в кг/ч;

ρ_п – плотность жидкого пропана при средней температуре в экстракционной колонне в кг/м³;

V – скорость потока смеси в экстракционной части колонны, υ=35-40 м³/м²·ч.

Часовое количество пропана, вводимого в экстракционную колонну, определяется формулой

 

G_n=nG_c (2.2)

 

n - отношение веса пропана к весу сырья, которое колеблется в пределах 3,5-5,0.

Высота экстракционной колонны определяется по формуле

 

H= h₁+ h₂+ h₃+ h₄+ h₅ м (2.3)

 

где h₁ - высота опорной обечайки колонны, равная 1,0-1,2 м;

h₂ – расстояние от днища до насадки или жалюзийной тарелки, равное 3,0-3,2 м;

h₃ – высота насадочного слоя или жалюзийной тарелки, м;

h₄ – расстояние от насадки до верха экстракционной части колонны, равное 3,3-3,5 м;

h₅ – расстояние от верха экстракционной части до верха колонны (высота отстойной части колонны).

Высота насадочного слоя определяется формулой

 

h₃ =τ₁W₁ (2.4)

 

где τ – время контакта сырья и пропана в насадочном слое, τ₁ = 110-130 сек;

W₁- линейная скорость потока в насадочном слое, равная 0,046-0,056 м/сек.

Высота отстойной части экстракционной колонны определяется формулой

 

h₅= τ₂ W₂ (2.5)

 

где τ₂ – время отстоя масляного раствора в отстойной части колонны, равное 570-670 сек;

W₂ – линейная скорость масляного раствора в отстойной части колонны, равная 0,006-0,007 м/сек.

ПРИМЕР 2.1 Определить диаметр и высоту экстракционной колонны установки деасфальтизации гудрона жидким пропаном производительностью 400 т/сут сырья. Плотность сырья (гудрона) =945 кг/м³, отношение веса пропана к весу гудрона равно 5:1, температура в верху экстракционной части 50 ˚С, внизу 44 ˚С, в верху колонны 55 ˚С, давление в колонне 32 ат. Выход деасфальтизата составляет 60 % на исходное сырье. Состав масляного раствора: 15 % деасфальтизата и 85 % пропана. Плотность деасфальтизата =912 кг/м³.

Решение. Производительность установки по сырью

 

G_c= =16700 кг/ч

 

Количество пропана, вводимого в экстракционную колонну:

 

G_n=nG_c=5·16700=83500 кг/ч.

 

Средняя температура потока (смеси) в экстракционной части колонны

 

t_cp= ˚С

 

Плотность гудрона при 47 ˚С =930 кг/м³. Плотность пропана при 47˚С =463 кг/м³.

Диаметр экстракционной колонны определяется по формуле

D=2 : =2 =2,52 м.

 

Высоту насадочного слоя определяем по формуле

 

h₃= =120·0,05=6 м.

 

Высоту отстойной части экстракционной колонны подсчитываем по формуле

 

h₅= ·W₂=640·0,0065=4,15 м.

 

Высоту экстракционной колонны находим по формуле

 

Н=h₁+h₂+h₃+h₄+h₅=1,0+3,0+6,0+3,3+4,15=17,45 м

ПРИМЕР 2.2 Определить производительность установки деасфальтизации гудрона пропаном при следующих условиях: диаметр экстракционной колонны равен 3 м; температура верха экстракционной части колонны равна 70 ˚С, низа 60 ˚С; плотность при 20 ˚С равна =965 кг/м³; соотношение пропан: гудрон равно 4:1.

Решение. Средняя температура потока в экстракционной части колонны

 

t_cp= ˚С.

 

Плотность сырья (гудрона) при 65 ˚С

 

кг/м³

 

Плотность пропана при 65 ˚С =442 кг/м³.

Производительность установки по сырью определяем по формуле

 

 

Отсюда

 

G_c=27900 кг/ч или G_c=27900·24=670000 кг/сутки.

 

Задачи для решения

1. Определить диаметр и высоту экстракционной колонны установки деасфальтизации гудрона жидким пропаном производительностью 500 т/сут сырья. Плотность сырья (гудрона) =948 кг/м³, отношение веса пропана к весу гудрона равно 4:1, температура в верху экстракционной части 55 ˚С, давление в колонне 32 ат. Выход деасфальтизата составляет 64 % на исходное сырье. Масляный раствор состоит из 15 % деасфальтизата и 85 % пропана. Плотность деасфальтизата =920 кг/м³.

2. Определить производительность установки деасфальтизации гудрона пропаном при следующих условиях: диаметр экстракционной колонны равен 5 м; температура верха экстракционной части колонны равна 80 ˚С, низа 75 ˚С; плотность при 20 ˚С равна =980 кг/м³; соотношение пропан:гудрон равно 5:1.

3. Определить производительность установки деасфальтизации гудрона пропаном при следующих условиях: диаметр экстракционной колонны равен 3,5 м; температура верха экстракционной части колонны равна 75 ˚С, низа 60 ˚С; плотность при 20 ˚С равна =965 кг/м³; соотношение пропан:гудрон равно 3:1.

 

 

Практическое занятие №3

Тема: Расчет испарителя пропана (3 часа)

 

Испарители масляного и битумного растворов представляют собой полые цилиндры диаметром 1,8 м, длиной 6,8 м и толщиной стенки 2,4 см. Эти аппараты являются котлонадзорными и рассчитаны на рабочее давление в корпусе 25 атм при 150 ˚С. В корпусе испарителя помещен трубный пучок, поверхность нагрева которого равна 200 м². В трубный пучок испарителя вводится масляный или битумный раствор. Растворы нагреваются до требуемой температуры и при этом испаряется определенное количество пропана. Газообразный пропан с верха испарителя отводится в конденсатор-холодильник.

Концентрация пропана (весовая) в масляном и битумном растворах постепенно снижается от 0,85-0,65 до 0,045-0,050. Весовая концентрация пропана х в уходящем из испарителя масляном растворе определяется формулой

 

(3.1)

 

где М₁- молекулярный вес пропана, равный 44;

М₂- молекулярный вес масла (деасфальтизата);

К – константа равновесия пропана при данных температуре и давлении.

Константой равновесия называется отношение молекулярной концентрации компонента в газовой фазе к молекулярной концентрации данного компонента в жидкой фазе

 

(3.2)

 

где у — молекулярная концентрация компонента в газовой фазе;

х₁^/— молекулярная концентрация компонента в жидкой фазе.

Как было показано выше, величина константы равновесия зави­сит от температуры и давления. С повышением температуры вели­чина К увеличивается, а с повышением давления уменьшается.

Тепловая нагрузка испарителя, т. е. количество тепла, отдавае­могo теплоносителем (водяным паром) раствору в течение часа, определяется следующим образом.

Обозначим часовое количество раствора (масляного или битум­ного), поступающего в испаритель, буквой G_р, весовую концентра­цию пропана в растворе, поступающем в испаритель, х₁, весовую кон­центрацию масла или битума 1 — х ₁,весовую концентрацию пропана в уходящем из испарителя растворе х₂, весовую концентрацию масля или битума в этом же растворе 1— х ₂, теплосодержание перегретого пара пропана при температуре выходящего

на испарителя пропана t₂ q , теплосодержание жидкого пропана при температуре по­ступающего в испаритель раствора t₁ q , теплосодержание жид­кого пропана при температуре уходящего из испарителя раствора t₂ q , теплосодержание деасфальтизата I (масла) или битума при t₁ q , при температуре t₂ q тогда:

часовое количество пропана в растворе, поступающем в испаритель, равно G_рx₁;

часовое количество деасфальтизата битума в растворе, посту­пающем в испаритель:

G_р(1-x₁);

 

часовое количество раствора, уходящего из испарителя:

G_{р ;} (3.3a)

 

часовое количество пропана в уходящем растворе

G_р (3.3 б)

 

Часовое количество паров пропана, уходящих с верха испарителя:

 

(3.3 в)

 

В испаритель поступает тепло:

1) с раствором, состоящим из пропана и масла:

 

(3.3 г)

 

2) с водяным паром Q.

Из растворителя уходит тепло:

1) с раствором

 

(3.3 д)

 

2) с перегретыми парами пропана

 

(3.3 е)

 

3) теряется в атмосферу (3-5 % от количества тепла, внесенного водяным паром)

 

Q_n=0,03-0,05Q

 

Тепловой баланс испарителя:

 

 

Из теплового баланса испарителя определяем количество тепла, внесенного водяным паром в испаритель в течение часа:

 

(3.4)

 

Расход водяного пара в испарителе q определяется формулой

 

(3.5)

 

где qⁿ - теплосодержание водяного пара, поступающего в трубный пучок испарителя, в ккал/кг;

q^ж – теплосодержание парового конденсата при выходе из трубного пучка испарителя в ккал/кг.

Коэффициент теплопередачи k поверхности трубного пучка испарителя определяется из формулы

 

ккал/м²·ч·град (3.6)

 

где Q – тепловая нагрузка испарителя в ккал/ч;

F – поверхность трубного пучка в м²;

Δ t_cp – средняя разность температур.

Пример 1. Определить весовую концентрацию пропана в масляном рас­творе при температуре 80° С и давлении 20 am, если молекулярный вес масла (деасфальтизата) равен 400.

Решение. Определяем величину константы равновесия пропана при температуре 80° С и давлении 20 am

К = 1,26.

По формуле (3.6) определяем весовую концентрацию пропана в масляном растворе

 

 

Задачи для решения

1. Определить расход водяного пара в испарителях масляного раствора на установке деасфальтизации гудрона жидким пропаном производитель­ностью 500 т/сутки. Плотность сырья (гудрона) 948 кг/м³, отношение веса пропана к весу гудрона равно 4:1, температура верха экстракционной колонны 55° С, давление в колонне 32 am. Выход деасфальтизата составляет 64% вес., на гудрон. Масляный раствор, отводимый с верха экстракционной колонны, состоит из 85% вес. пропана и 15% вес. деасфальтизата (масла). Плотность масла =920 кг/м³.

На установке имеется четыре испарителя масляного раствора, в которых поддерживается следующий режим:

в первом испарителе t = 80° С, р == 26 am (абс.)

во втором » t — 100° С, р = 22»»

в третьем *» t — 120° С, р — 20»»

в четвертом» t — 150° С, р — 18 »»

В трубный пучок испарителя вводится насыщенный водяной пар при абсо­лютном давлении 17 ат. Молекулярный вес деасфальтизата 420.

2. Определить расход водяного пара в испарителях масляного раствора на установке деасфальтизации гудрона жидким пропаном производитель­ностью 15300 кг/ч. Плотность сырья (гудрона) 960 кг/м³, отношение веса пропана к весу гудрона равно 5:1, температура верха экстракционной колонны 65° С, давление в колонне 32 am. Выход деасфальтизата составляет 64% вес., на гудрон. Масляный раствор, отводимый с верха экстракционной колонны, состоит из 85% вес. пропана и 15% вес. деасфальтизата (масла).

3. Определить весовую концентрацию пропана в масляном рас­творе при температуре 60° С и давлении 15 am, если молекулярный вес масла (деасфальтизата) равен 600.

 

 

Практическое занятие №4