Модернизация установки Депарафинизация с целью снижения энергопоребления

3.3 Расчет колонн  регенерации  растворителя из раствора депарафинированного  масла [15]

 

Производительность блока регенерации  – 66566,7 кг/ч

Состав растворителя – 60% МЭК + 40% толуол

Количество растворителя – 51166,7 кг/ч

               В том числе :   толуола 51166,7*0,4=20466,7 кг/ч 

                                         МЭК     51166,7 *0,6=30700 кг/ч

Молекулярная масса  депарафинированного масла определяется по уравнению [16]:

          М=44,29*ρ /(1030-ρ )

          ρ =ρ +5000*α=884+5000*0,00066=887,3кг/м³ 
 М=44,29*887,3/(1030-887,3)=275,39

 

На основании количества составных частей фильтрата и  их молекулярных масс составляем состав фильтрата.

 

3.3.1 Расчет первой отгонной колонны

 

Таблица 3.1 - Состав сырья первой отгонной колонны

Компоненты	кг/ч	масс. доля	мол. масса	кмоль/ч	мол. доля
Депмасло	15400	0,231	275,39	55,92	0,079
Толуол	20466,7	0,308	92,13	222,15	0,316
МЭК	30700	0,461	72,10	425,8	0,605
Итого:	66566,7	1,000		703,87	1,000

 

На основании практических данных принимается температура  ввода сырья в первую отгонную колонну 115⁰С. Для обеспечения доли отгона паров больше нуля в этой колонне необходимо иметь давление меньше суммы парциальных давлений компонентов сырьевой смеси, т.е.

    П_пр=ΣP_i*α_i^/         (19)

    где P_i – давление насыщенных паров i-компонента при 124⁰С;

α_i^/ - мольная доля i- компонента

      Давление насыщенных паров толуола в интервале 100 - 165⁰С определяется по уравнению:

            lg Р = 7,160 – 2202/(43+T)                             (20)

      Давление насыщенных паров МЭК в интервале 106 - 160⁰С определяется по уравнению:

            lg Р = 7,22 – 2059/(43+T)      (21)

 

            П_пр=143,04*0,316+347,1*0,605=255,2 кПа

              где 347,1 ; 143,04 – давление насыщенных паров МЭК и толуола                                        соответственно при 115⁰С

       Следовательно  принимаем давление в первой  отгонной колонне 200 кПа.

     

Доля отгона паров  и состав паров в первой отгонной колонне.

  Доля отгона паров определяется на основе уравнения изотермы парожидкостного потока

         Σ α_i^/*К_i/(1+е^/*(К_i-1))=1                                                       (21)

    где α_i^/ - мольная доля i-компонента в сырье колонны;

           К_i – константа фазового равновесия i-компонента К_i=P_i/П

           е^/ - мольная доля отгона.

    Так как давление насыщенных паров депмасла равно  0, то уравнение (21) превращается в квадратное относительно доли отгона  е^/.

     Мольная доля каждого компонента в парах определяется по уравнению

          (22)

   При данном составе сырья, давлении и температуре мольная доля отгона составляет 0,45.

 

Таблица 3.2 - Состав паров  первой отгонной колонны

Компоненты	Pi	Кi	αi/	yi/
Депмасло	0	0	0,079	0
Толуол	135,83	0,65	0,316	0,244
МЭК	330,44	1,578	0,605	0,756
Итого:			1,000	1,000

 

Таблица  3.3 - Материальный баланс первой отгонной колонны

Компоненты	мол. масса	кмоль/ч	мол. доля	кг/ч	мас. доля
Приход:
Депмасло	275,39	55,92	0,079	15400	0,231
Толуол	92,13	222,15	0,316	20466,7	0,308
МЭК	72,10	425,8	0,605	30700	0,461
Итого:		703,87	1,000	66566,7	1,000
Расход:
1. пары в т. ч.		316,74	1,000	24384,88	1,000
Толуол	92,13	77,28	0,244	7119,81	0,292
МЭК	72,10	239,46	0,756	17265,07	0,708
2. жидкость		387,13	1,000	42181,79	1,000
Депмасло	275,39	55,92	0,144	15399,81	0,365
Толуол	92,13	144,87	0,374	13346,87	0,316
МЭК	72,10	186,34	0,482	13435,11	0,319
Итого:				66266,7

      

Как видно из таблицы 25 в первой отгонной колонне отгоняется

    24384,88*100/(20466,7+30700)=47,7 %масс. растворителя

 

        

 

  3.3.2 Расчет второй  отгонной колонны

 

  Сырьем для второй отгонной колонны является жидкая фаза первой  колонны

 

Таблица 3.4 - Состав сырья второй отгонной колонны

Компоненты	кг/ч	Масс. доля	мол. масса	Кмоль/ч	мол. доля
Депмасло	15399,81	0,365	275,39	55,92	0,144
Толуол	13346,87	0,316	92,13	144,87	0,374
МЭК	13435,11	0,319	72,10	186,34	0,482
Итого:	42181,79	1,000		387,13	1,000

  Принимается температура ввода сырья в вторую отгонную колонну 180⁰С и давление 300 кПа.

Доля отгона паров и  состав паров во  второй отгонной колонне.

  Доля отгона паров определяется на основе уравнения изотермы парожидкостного потока

  Σ α_i^/*К_i/(1+е^/*(К_i-1))=1                                                      

     где α_i^/ - мольная доля i-компонента в сырье колонны;

                 К_i – константа фазового равновесия i-компонента К_i=P_i/П

                 е^/ - мольная доля отгона.

    Так как давление насыщенных паров депмасла равно  0, то уравнение (21) превращается в квадратное относительно доли отгона  е^/.

 

    Мольная доля каждого компонента в парах определяется по уравнению

  

   При данном составе сырья, давлении и температуре мольная доля отгона составляет 0,76.

 

  Таблица 3.5 - Состав паров второй отгонной колонны

Компоненты	Pi	Кi	αi/	yi/
Депмасло	0	0	0,144	0
Толуол	525,39	1,75	0,374	0,412
МЭК	1171,63	3,91	0,482	0,588
Итого:			1,000	1,000

      

 

 

 

 

 

 

Таблица  3.6 - Материальный баланс второй отгонной колонны

Компоненты	мол. масса	кмоль/ч	мол. доля	кг/ч	мас. доля
Приход:
Депмасло	275,39	55,92	0,144	15399,81	0,365
Толуол	92,13	144,87	0,374	13346,87	0,316
МЭК	72,10	186,34	0,482	13435,11	0,319
Итого:		387,13	1,000	42181,79	1,000
Расход:
1. пары в т. ч.		294,22	1,000	23641,30	1,000
Толуол	92,13	121,22	0,412	11168,00	0,472
МЭК	72,10	173,00	0,588	12473,30	0,528
2. жидкость		92,91	1,000	18540,49	1,000
Депмасло	275,39	55,92	0,602	15399,81	0,831
Толуол	92,13	23,65	0,255	2178,87	0,118
МЭК	72,10	13,34	0,143	961,81	0,052
Итого:		387,13		42181,79

      

Как видно из таблицы 28 во второй отгонной колонне отгоняется

    23641,3*100/(20466,7+30700)=46,2 %масс. растворителя

 

3.3.3 Расчет  третьей   отгонной колонны

 

   Сырьем для третьей отгонной колонны является жидкая фаза второй колонны

 

Таблица 3.7 - Состав сырья третьей отгонной колонны

Компоненты	кг/ч	Масс. доля	мол. масса	кмоль/ч	мол. доля
Депмасло	15399,81	0,831	275,39	55,92	0,602
Толуол	2178,87	0,118	92,13	23,65	0,255
МЭК	961,81	0,052	72,10	13,34	0,143
Итого:	18540,49	1,000		92,91	1,000

          

  На основании практических данных принимается температура ввода сырья в третью отгонную колонну 170⁰С и давление 120 кПа.

Доля отгона паров  и состав паров в третьей отгонной колонне.

  Доля отгона паров определяется на основе уравнения изотермы парожидкостного потока

         Σ α_i^/*К_i/(1+е^/*(К_i-1))=1                                                      

    где α_i^/ - мольная доля i-компонента в сырье колонны;

          К_i – константа фазового равновесия i-компонента К_i=P_i/П

          е^/ - мольная доля отгона.

    Так как давление насыщенных паров депмасла равно  0, то уравнение (21) превращается в квадратное относительно доли отгона  е^/.

     Мольная доля каждого компонента в парах определяется по уравнению

 

   При данном составе сырья, давлении и температуре мольная доля отгона составляет 0,29.

 

  Таблица 3.8 - Состав паров третьей отгонной колонны

Компоненты	Pi	Кi	αi/	yi/
Депмасло	0	0	0,602	0
Толуол	425,73	3,87	0,255	0,574
МЭК	962,44	8,75	0,143	0,426
Итого:			1,000	1,000

 

  Таблица 3.9 - Материальный баланс третьей отгонной колонны

Компоненты	мол. масса	кмоль/ч	мол. доля	кг/ч	мас. доля
Приход:
Депмасло	275,39	55,92	0,602	15399,81	0,831
Толуол	92,13	23,65	0,255	2178,87	0,118
МЭК	72,10	13,34	0,143	961,81	0,052
Итого:		92,91		18540,49
Расход:
1. пары в т. ч.		26,94	1,000	2252,04	1,000
Толуол	92,13	15,46	0,574	1424,33	0,632
МЭК	72,10	11,48	0,426	827,71	0,368
2. жидкость		65,97	1,000	16288,45	1,000
Депмасло	275,39	55,92	0,848	15399,81	0,946
Толуол	92,13	8,19	0,124	754,53	0,046
МЭК	72,10	1,86	0,028	134,11	0,008
Итого:		92,91		18540,49

       

Как видно из таблицы 30 в третьей отгонной колонне  отгоняется

    2252,04*100/(20466,7+30700)=4,4 %масс. растворителя.

 

Как видно из таблицы 3.9 содержание растворителя в депмасле составляет 5,4 % масс., что приемлемо  для первых трех отгонных колонн, но надо ставить еще дополнительно  одну отпарную колонну  для того,  чтобы полностью отогнать растворитель из гача.

 

   3.3.4 Расчет  отпарной  колонны [18]

  

Сырьем для отпарной колонны является жидкая фаза третьей  колонны.

 

 

Таблица  3.10 - Состав сырья отпарной колонны

Компоненты	кг/ч	Масс. доля	мол. масса	кмоль/ч	мол. доля
Депмасло	15399,81	0,946	275,39	55,92	0,848
Толуол	754,53	0,046	92,13	8,19	0,124
МЭК	134,11	0,008	72,10	1,86	0,028
Итого:	16288,45			65,97

           

На основании практических данных принимается температура  ввода сырья в отпарную колонну 160⁰С и давление 110 кПа.

       Доля отгона паров и состав паров в отпарной колонне расчитаем по програме OIL [17], исходными данными для которой являются:

 

Pacxoд нeфти или фpaкции (кг/чac) G=16288,46

Pacxoд вoдянoгo пapa (кг/чac) G_п=325,8

Плoтнocть ocтaткa (кг/м³) ρ = 884

Дaвлeниe пpи oднoкpaктнoм  иcпapeнии (KПa) P=110

Teмпepaтуpa oднoкpaтнoгo иcпapeния  (C^о) T=160

 

Peзультaты pacчeтa:

 

Maccoвaя дoля oтгoнa пapoв  e1=5,298E-002

Moльнaя дoля oтгoнa пapoв e=0,126

Moлeкуляpнaя мacca иcxoднoй  cмecи Mi=247,061

Moлeкуляpнaя мacca жидкoй  фaзы Ml=267,727

Moлeкуляpнaя мacca пapoвoй фaзы Mp=103.811

 

Taблицa  3.11- Cocтaв жидкoй  фaзы

кoмпoнeнты	мoльн.дoли	мacc.дoли	Kмoль/чac	Kг/чac
62-85 105-140 Ocтaтoк CУMMA	0.0001905 0.0025259 0.9972835 1.0000	0.0000610 0.0010172 0.9989218 1.0000	0.0110 0.1455 57.4599 57.6165	0.9414 15.6915 15408.8506 15425.4844

 

Taблицa 3.12 -Cocтaв пapoвoй  фaзы

кoмпoнeнты	мoльн.дoли	мacc.дoли	Kмoль/чac	Kг/чac
62-85 105-140 Ocтaтoк CУMMA	0.1814804 0.8184482 0.0000144 1.0000	0.1499072 0.8500556 0.0000372 1.0000	1.5086 6.8037 0.0001 8.3125	129.3663 733.5778 0.0321 862.9761

 

 

Taблицa 3.13 -Иcxoднaя cмecь

кoмпoнeнты	мoльн.дoли	мacc.дoли	Kмoль/чac	Kг/чac
62-85 105-140 Ocтaтoк CУMMA	0.0230494 0.1054056 0.8715450 1.000	0.0080000 0.0460000 0.9460000 1.000	1.5196 6.9493 57.4601 65.9290	130.3077 749.2692 15408.8828 16288.4609

 

  Расчет диаметра колонны К-4 [16]

 

Диаметр колонны определяют в зависимости  от максимального расхода паров  и их допустимой скорости в свободном  сечении колонны.

Объемный  расход паров:

V_с= (22,4*Т*0,101*  Σ Gi/Mi)/(273*П),                 (23)

где Т - температура  системы, К;

       П - давление в системе, МПа;

       G_i- расход компонента, кг/ч;

       M_i - молекулярная масса компонента кг/кмоль.

V_c=22,4*433*0,101*27,7/(273*0,11*3600)=0,27 м³/с,

где 433 - температура  на входе в колонну, К;

       0,1 - давление на входе в колонну,  мПа;

       27,7 - мольный расход паров, кмоль/ч

 

  Допустимая линейная скорость паров [16]

V_л= 0,0334*(р_ж / р_п)^0,5,                  (24)

где р_ж, р_п - абсолютная плотность соответственно жидкости и паров, кг/м³.

 

а) Плотность  жидкой фазы

р₁₅¹⁵ = 1,03*М/(44,29+М),

где М - молярная масса  фазы, кг/кмоль.

M=0,9973*275,39+0,0025*92,13+0,0002*72,10=274,89 кг/кмоль,

р₁₅¹⁵ =1,03*274,89/(44,29+274,89)=0,8871

p₄²⁰=p₁₅¹⁵-5*a=0,8871-5*0,00066= 0,8838

р_ж(20°С)= 883,8  кг/м³

p₄^t = p₄²⁰ – a*( t –20) = 0,8838 – 0,00066*(160 – 20) = 0,7914

Соответственно р_ж(160°С) = 791,4 кг/м³   [16]

б) Плотность паровой  фазы

р_п=G_п.с.+G_в.п/V_с

 р_п=862,93+325,8/0,27*3600=1,22 кг/м³

V_л= 0,0334*(791,6 /1,22)^0,5=0,851 м/с

Соответственно диаметр  колонны в месте ввода сырья равен:

D =2*(0,27/0,851)^0,5=1,12 м

 Диаметр  существующей колонны 1,2 м.