Скачать:
2 Выбор и обоснование принципиальной технологической схемы
2.1 Выбор и обоснование схемы установки
Для сравнения технико-экономических показателей работы периодических, полунепрерывных и непрерывных установок и выбора наиболее оптимального способа для получения окисленных битумов рассмотрим их достоинства и недостатки.
В кубе-окислителе периодического действия сырье длительное время (до 70 часов) находится в зоне реакции при высоких температурах, в результате чего возникают более глубокие изменения в составе битума и ухудшение его свойств. Возможны местные перегревы, приводящие к образованию карбенов и карбоидов и ухудшающие основные свойства битумов. Периодическим процессом трудно управлять. В зависимости от природы сырья существует оптимальный режим повышения температуры размягчения во времени, а также оптимальные температура процесса окисления и расход воздуха, подача которого непостоянна.
На установках непрерывного действия за счет схем и средств автоматизации легко поддаются стабилизации основные параметры процесса: температура окисления, расход сырья, расход воздуха и др. В результате лучшего контакта воздуха с сырьем улучшается степень использования кислорода воздуха. Стабилизация основных параметров процесса на оптимальных значениях для каждого сырья устраняет местные перегревы и улучшает основные свойства битумов.
На основании технико-экономических показателей работы периодических, полунепрерывных и непрерывных установок можно сделать следующий вывод: по удельному расходу металла, электроэнергии и топлива, а также по показателям фондоотдачи и себестоимости продукции наиболее оптимальные показатели имеет установка непрерывного действия с реакторами колонного типа большой мощности. Среди схем получения окисленных битумов наиболее приемлемой является схема, позволяющая одновременно получать строительный, кровельный и дорожный битумы методом непрерывного окисления. Схема с раздельной сепарацией очень технологична и температура процесса легко регулируется при установлении расхода потока сырья с помощью расхода воздуха или температуры подаваемого сырья. Окончательный вариант принципиальной схемы установки получения окисленных битумов приведен на рисунке 2.1.
2.2 Выбор и обоснование основных параметров процесса
Основными факторами, влияющими на процесс окисления гудрона, являются: природа и состав сырья, исходная температура размягчения гудрона, температура, расход воздуха и, как следствие, продолжительность окисления. К числу параметров также следует отнести давление в зоне реакции, температура сжатого воздуха, подаваемого на окисление и уровень жидкой фазы в колонне.
В качестве сырья для нашего случая используется гудрон с температурой размягчения 310С, причем проектируем установку не связанную жестко с блоком АВТ, поэтому дополняем схему сырьевой емкостью, а также предусматриваем печь дожига газов окисления и отгона, уходящих сверху колонн, что уменьшит загрязнения окружающей среды.
Из литературных данных следует, что оптимальнойтемпературой окисления является 230 – 300 0С, так как при температурах выше и ниже этих усиливаются побочные реакции, что сопровождается потреблением кислорода на образование кислотно-эфирных групп, а также реакции крекинга сырья и ухудшение показателей качества. Таким образом, примем температуру окисления в колоннах 240 0С для дорожных и 250 0С для строительных битумов.
Расход воздуха, степень его диспергирования и распределения по сечению окислительной колонны существенно влияют на интенсивность и свойства битумов. Увеличение расхода воздуха при прочих равных условиях ведет к пропорциональному повышению скорости окисления. Примем расход воздуха в колоннах 8 – 9 % для дорожных и 12 % для строительных битумов.
Повышение давления интенсифицирует процесс и улучшает качество битумов, так как при этом остаются масляные компоненты, однако слишком высокое давление увеличивает затраты на оборудование, поэтому оптимальным давлением считается Р < 0,4 МПа. Принимаем давление во всех колоннах 0,3 МПа.
На установке предусмотрено получение дорожных битумов марок БНД-60/90 в колонне К-1 и БНД-90/130 в колонне К-2 и строительного битума марки БН 90/10 в колонне К-3.
2.3 Описание технологической схемы установки
Сырье (гудрон) закачивается в сырьевую емкость Е-1, снабженную паровым обогревом и дренажом. Насосом Н-1 сырье проходит через теплообменники, обогреваемые циркуляционным орошением и отходящим битумом, и подается в печь П-1, где нагревается до температуры 170 – 180 0С.
Нагретый гудрон закачивается в окислительные колонны до уровня 80 %. Сжатый воздух через фильтры компрессором подается в колонну через маточник внизу колонн. Гудрон движется вниз, а воздух наверх, и при их тесном контакте протекает процесс окисления сырья. По достижении температуры 230 – 250 0С в зависимости от состава сырья в колонне регулируется расход воздуха и осуществляется циркуляция продукта насосами Н-2, Н-4, Н-6. В процессе циркуляции производится отбор проб битума на температуру размягчения по КиШ через 3 – 4 часа, согласно графику проведения анализов. При достижении температуры размягчения в К-1 47 – 50 0С, в К-2 43 – 46 0С, в К-3 89 – 92 0С установка переводится на непрерывный процесс окисления. Расход воздуха в колоннах регулируется в зависимости от качества получаемого битума. Откачка готового продукта производится насосом Н-3, Н-5, Н-7 в емкости Е-2, Е-3, Е-4. Емкости снабжены парообогревом. С верха колонн газы окисления проходят конденсаторы-холодиль-ники и собираются в сепараторах, где происходит отделение углеводородных газов, которые затем направляются в топку ПД-1, а жидкая часть («черный соляр») собирается в емкости Е-5 и отводится в топку.
3 Технологические расчеты
3.1 Материальный баланс установки
Для составления материального баланса установки необходимо составить материальный баланс каждой колонны.
3.1.1 Материальный баланс колонны К-1
Исходные данные:
-производительность колонны GF = 200 тыс. т/год;
-марка битума – БНД 60/90;
-удельный расход воздуха gвоз = 9 % по сырью;
-выход готовой продукции из сырья – 97 %.
Принимаем число дней работы установки n в году 210 дней. Тогда производительность колонны определим по формуле
(1)
где Gf – производительность колонны, кг/ч.
Выход готового продукта найдем по уравнению
(2)
где g - выход готовой продукции (битум), %.
Общий расход воздуха определим по формуле
(3)
где gвоз – расход воздуха, %
Азот и инертные газы, содержащиеся в воздухе, подаваемом на окисление, не участвуют в процессе окисления. Следовательно, количество азота равно суммарному количеству азота и инертных газов, поступающих в колонну с воздухом, 77 % [4]. Тогда количество азота
(4)
Количество подаваемого кислорода на окисление
(5)
Количество остаточного кислорода в газах окисления
(6)
Количество израсходованного кислорода
(7)
Рассчитываем количество и состав побочных продуктов окисления, выходящих из окисляемого слоя колонны. Принимаем, что на образование СО2 расходуется 30% масс кислорода, а на образование Н2О – 65 % масс [4].
Количество образующегося СО2
(8)
где Мсо2, Мо2 – молекулярные массы, соответственно, СО2 и О2, Мсо2= 44, Мо2= 32 г/моль.
Количество образующейся воды
(9)
где Мн2о – молекулярная масса воды, Мн2о= 18 г/моль.
Количество углеводородных газов, образующихся в процессе, принимаем равным 1,5 % масс, что составит
(10)
Жидкие продукты в составе отгона принимаем с учетом соблюдения материального баланса равным 0,24 % масс.
(11)
Материальный баланс колонны К-1 (без учета водяных паров, подаваемых в верхнюю часть колонны) представим в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Материальный баланс колонны К-1
Показатели |
% масс. |
кг/ч |
т/сут |
т/год |
Взято: 1. Гудрон 2. Воздух |
100 9 |
39682,54 3571,43 |
952,38 85,71 |
200000 18000 |
Всего |
109 |
43253,97 |
1038,1 |
218000 |
Получено: 1. Битум дорожный 2. Азот 3. Кислород 4. Углекислый газ 5. Водяные пары 6. Углеводородные газы 7. Отгон |
97 6,93 2,07 0,67 0,59 1,5 0,24 |
38492,06 2750 821,43 265,18 235,04 595,24 95,01 |
923,81 66 19,71 6,36 5,64 14,29 2,28 |
194000 13860 4140 1336,5 1184,63 3000 478,87 |
Итого |
109 |
43253,97 |
1038,1 |
218000 |
3.1.2 Материальный баланс колонны К-2
Исходные данные:
-производительность колонны GF = 200 тыс. т/год;
-марка битума – БНД 90/130;
-удельный расход воздуха gвоз = 8 % по сырью;
-выход готовой продукции из сырья – 98 %.
Производительность колонны по (1)
Выход готового продукта по (2)
Общий расход воздуха по (3)
Количество азота по (4)
Количество подаваемого кислорода на окисление по (5)
Количество остаточного кислорода в газах окисления по (6)
Количество израсходованного кислорода по (7)
Количество образующегося СО2 по (8)
Количество образующейся воды по (9)
Количество углеводородных газов по (10)
Жидкие продукты в составе отгона принимаем с учетом соблюдения материального баланса равным 0,38 % масс.
(12)
Подставляя числовые значения, получим
Материальный баланс колонны К-2 (без учета водяных паров, подаваемых в верхнюю часть колонны) представим в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Материальный баланс колонны К-2
Показатели |
% масс. |
кг/ч |
т/сут |
т/год |
Взято: 1. Гудрон 2. Воздух |
100 8 |
39682,54 3174,6 |
857,14 68,57 |
180000 14400 |
Всего |
108 |
42857,14 |
1028,57 |
216000 |
Получено: 1. Битум дорожный 2. Азот 3. Кислород 4. Углекислый газ 5. Водяные пары 6. Углеводородные газы 7. Отгон |
97 6,16 1,84 0,59 0,53 0,50 0,38 |
38888,89 2444,44 730,16 235,71 208,93 198,41 149,01 |
933,33 58,67 17,52 5,66 5,01 4,76 3,58 |
196000 12320 3680 1188 1053 1000 751 |
Итого |
108 |
42857,14 |
1028,57 |
216000 |
3.1.3 Материальный баланс колонны К-3
Исходные данные:
-производительность колонны GF = 100 тыс. т/год;
-марка битума – БН 90/10;
-удельный расход воздуха gвоз = 12 % по сырью;
-выход готовой продукции из сырья – 92 %.
Производительность колонны по (1)
Выход готового продукта по (2)
Общий расход воздуха по (3)
Количество азота по (4)
Количество подаваемого кислорода на окисление по (5)
Количество остаточного кислорода в газах окисления по (6)
Количество израсходованного кислорода по (7)
Количество образующегося СО2 по (8)
Количество образующейся воды по (9)
Количество углеводородных газов по (10)
Жидкие продукты в составе отгона принимаем с учетом соблюдения материального баланса равным 5,1 % масс.
(13)
Подставляя числовые значения, получим
Материальный баланс колонны К-2 (без учета водяных паров, подаваемых в верхнюю часть колонны) представим в таблице 3.2.
Таблица 3.3 – Материальный баланс колонны К-3
Показатели |
% масс. |
кг/ч |
т/сут |
т/год |
Взято: 1. Гудрон 2. Воздух |
100 12 |
19841,27 2380,95 |
476,19 57,14 |
100000 12000 |
Всего |
112 |
22222,22 |
533,33 |
112000 |
Получено: 1. Битум дорожный 2. Азот 3. Кислород 4. Углекислый газ 5. Водяные пары 6. Углеводородные газы 7. Отгон |
92 9,24 2,76 0,74 0,66 1,5 5,1 |
18253,97 1833,33 547,62 147,32 130,58 297,62 1011,78 |
438,1 44 13,14 3,54 3,13 7,14 24,28 |
92000 9240 2760 742,5 658,13 1500 5099,37 |
Итого |
112 |
22222,22 |
533,33 |
112000 |
Материальный баланс установки представим в таблице 3.4
Таблица 3.4 – Материальный баланс установки
Показатели |
%масс. |
кг/ч |
т/сут |
т/год |
Взято: 1. Гудрон 2. Воздух |
100 9,2 |
99206,35 9126,98 |
2380,95 219,05 |
500000 46000 |
Всего |
109,2 |
108333,33 |
2600 |
546000 |
Получено: 1. Битум дорожный К-1 2. Битум дорожный К-2 3. Битум строительный К-3 4. Азот 5. Кислород 6. Углекислый газ 7. Водяные пары 8. Углеводородные газы 9. Отгон |
38,8 39,2 18,4 7,08 2,12 0,65 0,58 1,1 1,27 |
38492,06 38888,89 18253,97 7027,78 2099,21 648,21 574,55 1091,27 1257,39 |
923,81 933,33 438,1 168,67 50,38 15,56 13,79 26,29 30,18 |
194000 196000 92000 35420 10580 3267 2895,75 5500 6337,25 |
Итого |
109,2 |
108333,33 |
2600 |
546000 |
3.2 Тепловой баланс и размеры окислительной колонны К-2
Целью составления теплового баланса колонны является определение количества циркуляционного орошения. Расчет размеров колонны сводится к определению ее диаметра и высоты.
3.2.1 Приход тепла
Приход тепла с сырьем
(14)
где IC - энтальпия сырья.
Энтальпию жидких нефтепродуктов определим по [ ]. Принимаем температуру ввода сырья равной 170 0С. Плотность сырья равна 998 кг/м3. IC = 336,1 кДж/кг.
Тепло, выделяющееся при окислении гудрона
, (15)
где IР – энтальпия реакции окисления, IР = 230 кДж/кг.
(16)
3.2.2 Расход тепла
(17)
где IБ – энтальпия битума, кДж/кг. Энтальпию битума при плотности ρБ = 1,015 кг/м3, температуре процесса tПР = 2500С примем IБ = 498,72 кДж/кг.
Расход тепла с газами окисления и отгоном
(18)
где GГО = 3968,25 кг/ч – количество газов окисления и отгона;
IГО – энтальпия отдельных составляющих газов окисления, кДж/кг.
(19)
где Ii – энтальпия отдельных составляющих газов окисления, кДж/кг
mi – массовая доля отдельных составляющих газов окисления.
(20)
где Gi – количество отдельных составляющих газов окисления, кг/ч.
(21)
где a, b – коэффициенты;
t = 180 – температура верха колонны,0С.
Энтальпию углеводородных газов и энтальпию отгона примем по [ ]. IУ/В= 441,88 кДж/кг, IЖ = 413,31 кДж/кг.
Коэффициенты для расчета энтальпии составляющих сведем в таблицу 3.5
Таблица 3.5 - Коэффициенты для расчета энтальпии составляющих
Вещество |
а |
b´104 |
Кислород |
0,909 |
1,5 |
Азот |
1,014 |
1,21 |
Углекислый газ |
0,845 |
3,93 |
Водяной пар |
1,944 |
1,00 |
Результаты расчетов массовых долей отдельных составляющих и их энтальпий сведем в таблицу 3.6
Таблица 3.6 - Результаты расчетов массовых долей отдельных составляющих и их энтальпий
Газы окисления |
Энтальпии |
Массовые доли |
N2 |
186,44 |
0,6160 |
O2 |
168,48 |
0,1840 |
CO2 |
164,83 |
0,0594 |
H2O |
353,16 |
0,0527 |
У/В |
441,88 |
0,0500 |
ж |
413,31 |
0,0379 |
Энтальпия газов окисления и отгона
Расход тепла с газами окисления и отгоном
Потери тепла в окружающую среду принимаем равным 5 % от Qприх. Qпот = 1123044,77 кДж/ч.
Всего расход тепла
(22)
Избыток тепла равен
(23)
Этот избыток тепла снимаем циркуляционным орошением, охлаждая битум до температуры 185 0С.
Количество циркуляционного орошения находим по формуле
(24)
где I1 = 525 кДж/кг, I2 = 389 кДж/кг – энтальпии битума при 240 0С и 185 0С соответственно [ ].
3.2.3 Найдем геометрические размеры колонны К-2
Реакционный объем равен
(25)
где rF– плотность сырья, кг/м3;
t– время окисления, равное 8 часов.
Принимаем диаметр колонны D = 3 м. Тогда площадь поперечного сечения колонны будет равно
(26)
Высота слоя окисления
(27)
(28)
(29)
(30)
где rвоз= 1,2928 кг/м3 – плотность воздуха,
(31)
Расчетная скорость в колонне не превышает допустимой 0,1 м/с, значит, диаметр подобран правильно.
3.3 Расчет вспомогательного оборудования
3.3.1 Расчет сепаратора
Расчет сепаратора заключается в нахождении необходимой температуры газообразных продуктов окисления колонны после конденсатора-холодильника. Расчет производится по стандартной программе однократного испарения (конденсации) OIDR. Требуется рассчитать сепаратор-отделитель СО-2.
Для нахождения доли отгона в СО-2 находим средние температуры кипения, плотность, молекулярную массу, массовую долю.
е = 1 – (mH2O + mЖ) = 1 – (0,0527 + 0,0379) = 0,9094.
Исходные данные для расчета в программе OIDR сведем в таблицы 3.7, 3.8.
Таблица 3.7 – Исходные данные для расчета в программеOIDR
Температура, °С |
37,5 |
Давление, МПа |
0,3 |
Количество водяного пара, кг/с |
0 |
Количество углеводородного сырья, кг/с |
1,1023 |
Таблица 3.8 – Исходные данные для расчета в программеOIDR
Состав |
Массовая доля |
Плотность |
Температура кипения, °С |
Молекулярная масса |
Критические температуры, °С |
Критические давления, МПа |
N2 |
0,6160 |
1,25 |
-195,8 |
28 |
-146,9 |
3,398 |
O2 |
0,1840 |
1,43 |
-182,9 |
32 |
-118,4 |
5,080 |
CO2 |
0,0594 |
1,96 |
-78,5 |
44 |
31,2 |
7,381 |
H2O |
0,0527 |
1000 |
100 |
18 |
374,25 |
22,120 |
У/В |
0,0500 |
1,7 |
-64 |
16 |
66,85 |
4,5 |
Ж |
0,0379 |
750 |
250 |
180 |
448,65 |
1,54 |
Результаты расчетов по программе OIDR сведем в таблицу 3.9
Таблица 3.9 – Результаты расчетов по программе OIDR
Наименование параметра |
Результат расчета |
Единицы измерения |
Массовая доля отгона |
0,909 |
|
Мольная доля отгона |
0,911 |
|
Давление |
0,3 |
МПа |
Температура |
37,5 |
°C |
Критическая температура |
160,2 |
K |
Критическое давление |
4,2 |
МПа |
Плотность жидкости |
0,1053 |
кг/м3 |
Плотность пара |
0,0014 |
кг/м3 |
Энтальпия жидкости |
66,233 |
кДж/кг |
Энтальпия пара |
1148,554 |
кДж/кг |
Молекулярная масса сырья |
28,278 |
|
Плотность сырья |
0,0015 |
кг/м3 |
Таким образом, определили температуру входа сырья в сепаратор СО-2, которая составляет 37,50С.
3.3.2 Расчет и выбор конденсатора-холодильника
Конденсатор-холодильник предназначен для охлаждения и конденсации газообразных продуктов окисления после окислительной колонны. Целью расчета является нахождение поверхности теплообмена и выбор по этой поверхности соответствующего конденсатора-холодильника по ГОСТ.
Составляем тепловой баланс конденсатора-холодильника
(32)
где Gотг, Gв.п., Gв– количество отгона, водяных паров и воды, кг/ч;
It1П, It2Ж – энтальпия паров отгона при температуре входа и жидкого отгона при температуре выхода из конденсатора-холодильника, кДж/кг;
СВ.П. ≈ 0,48 кДж/(кг 0С) – теплоемкость водяного пара;
t1, t2– начальная и конечная температуры отгона,0С;
t3 = 132,88 0С – температура конденсации паров воды при Р = 0,3 МПа;
t4, t5 – начальная и конечная температуры воды, 0С;
lВ.П = 2167,4 кДж/кг – теплота конденсации водяных паров.
Выбираем противоточную схему теплообмена
1800С 37,50С
400С 250С
Принимаем It1П= 724,5 кДж/кг, It2Ж= 78 кДж/кг [8].
Количество воды необходимое для снятия тепла
(33)
(34)
(35)
где К – коэффициент теплопроводности принимаем К = 200 Вт/м2[7];
q – средняя логарифмическая температур, 0С
(36)
Выбираем конденсатор-холодильник с плавающей головкой ГОСТ 14247-79 по [6].
Диаметр труб, мм 25
Число ходов по трубам 2
Поверхность теплообмена, м2 19
3.3.3 Расчет печи
Печь предназначена для подогрева сырья, поступающего в колонну. Ее расчет заключается в определении поверхности нагрева труб печи с последующим выбором ее по ГОСТ.
Полезная тепловая нагрузка печи складывается из тепла, затраченного на нагрев гудрона:
(37)
Тепло, необходимое для нагрева гудрона определяем по формуле:
(38)
где G – производительность печи, кг/с;
е = 0 – массовая доля отгона сырья;
– энтальпии гудрона при температурах входа и выхода из печи, кДж/кг.
При rЖ= 0,998 принимаем