Главная Контакты В избранное
  • Курсовая работа "Проект установки получения дорожных битумов"

    АвторАвтор: student  Опубликовано: 23-11-2020, 20:35  Комментариев: (0)

    Скачать:  raschety.zip [430,09 Kb] (cкачиваний: 80)  

     

    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.

    Всего приход тепла

    (16)

     

    3.2.2 Расход тепла

    Расход тепла с битумом

    (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.

    Массовую долю находим по формуле

    (20)

    где Gi – количество отдельных составляющих газов окисления, кг/ч.

    Энтальпию составляющих находим по формуле

    (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)

    Высота газового пространства

    (28)

    Высота колонны

    (29)

    Скорость подачи воздуха

    (30)

    где rвоз= 1,2928 кг/м3 – плотность воздуха,

    Р = 0,3 МПа – давление процесса.

    Линейная скорость 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)

    Определяем поверхность теплообмена

    (35)

    где К – коэффициент теплопроводности принимаем К = 200 Вт/м2[7];

    q – средняя логарифмическая температур, 0С

    (36)

    Поверхность теплообмена

    Выбираем конденсатор-холодильник с плавающей головкой ГОСТ 14247-79 по [6].

    Диаметр кожуха (внутренний), мм 426

    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 принимаемскачать dle 10.6фильмы бесплатно