Основные сведения о ректификации

Свойства МТ

Классификация свойств

Многообразие свойств светлых нефтепродуктов требует их классификации по наиболее важным признакам. В соответствии с общей классификацией, предложенной профессором А.А. Гуреевым, всю совокупность свойств топлив, определяющих их качество, можно разделить на три группы: физико-химические, эксплуатационные и технические.

К первой группе относят свойства, характеризующие состав топлива и его состояние (элементный, фракционный и групповой углеводородный составы, давление паров, плотность, вязкость, поверхностное натяжение, теплоёмкость, теплопроводность, диэлектрическая проницаемость и др.).

Вторую группу объединяют свойства топлива, обеспечивающие надёжность и экономичность работы двигателей внутреннего сгорания (прокачиваемость, испаряемость, воспламеняемость и горючесть, склонность к образованию отложений, коррозионная агрессивность и совместимость с неметаллическими материалами, противоизносные и охлаждающие свойст-

ва). Эти свойства характеризуют полезный эффект от использования топлива по назначению и определяют область его применения.

Третью группу составляют свойства топлив, которые не связаны с их применением, а проявляются в процессе хранения и транспортирования. Эта группа разделяется на две подгруппы: свойства, характеризующие сохранность качества топлива в процессе его транспортирования и хранения (химическая и физическая стабильность, биологическая стойкость) и свойства, обеспечивающие безопасность транспортирования, хранения и использования топлив (токсичность, пожароопасность и склонность к электризации).

Свойства бензинов

Технологическое проектирование массообменных процессов

Товарный баланс типового НПЗ

Рассмотрим товарный баланс НПЗ для варианта неглубокой (55-60%) и глубокой (85%) переработки нефти.

Сырье и продукты	Неглубокая переработка, (% масс.)	Глубокая переработка, (% масс)
Поступило: нефть обессоленная вода (для пр-ва Н2)		1.55
Получено: автом. бензин	15.25	22.65
керосин гидроочищенный	9.72	9.72
дизтопливо:	22.52	32.21
летнее	15.46	25.15
зимнее	7.06	7.06
бензол	0.57	0.57
толуол	0.58	0.58
сольвент	0.14	0.14
сжиженные газы (С3 – С5)	1.58	2.56
изопентан	0.4	0.6
парафины жидкие	0.41	0.41
кокс нефтяной	--	2.4
битумы	5.76	5.76
котельное топливо	40.08	10.59
сера	0.14	0.69
топливный газ (С1 – С2)	2.05	3.10
потери	0.8	1.88

Установки первичной переработки нефти – основа всех нефтеперерабатывающих заводов. При промышленной переработке нефть разделяют на фракции, которые различаются пределами температур выкипания. Разделение проводят на установках первичной перегонки нефти с применением процессов нагрева, дистилляции и ректификации, конденсации и охлаждения. Наиболее важным в установках АТ и АВТ является процесс ректификации, протекающий в одной или нескольких колоннах.

Основные сведения о ректификации

В нефтеперерабатывающей промышленности в основном применяют ректификационные колонны непрерывного действия. Различают простые и сложные колонны. Простые колонны обеспечивают разделение сырья на два продукта: ректификат (дистиллят) – продукт, обогащенный низкокипящими компонентами НКК и кубовый остаток – продукт обогащенный высококипящими компонентами ВКК. Сложные ректификационные колонны разделяют исходную смесь более, чем на два продукта. Различают сложные колонны с отбором дополнительных продуктов непосредственно из колонны в виде боковых погонов и колонны, у которых дополнительные продукты отбирают из специальных отпарных колонн или стриппинг-секций.

На практике приходится разделять бинарные, многокомпонентные и непрерывные смеси (нефть, широкие бензиновые фракции и т.д.). Для разделения бинарной смеси обычно достаточно одной простой колонны. Для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую смесь на соответствующие компоненты или фракции. Способ соединения колонн между собой (выбор технологической схемы) определяется технико-экономическими показателями, требованиями к конечным продуктам, их термической стабильностью, наличием соответствующих теплоносителей и хладагентов и т.д. Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, флегмовое число, число ступеней контакта.

Ректификация – процесс многократного испарения жидкости и конденсации пара на контактных устройствах, поэтому рассчитывать ОИ и ОК необходимо уметь. Кроме того, ОИ определяет долю паровой, а ОК долю жидкой фазы в потоке, используется в ТБ

Расчет однократного испарения. Уравнение материального баланса в мольных единицах имеет вид:

где F – число молей исходного сырья;

L и G – число молей жидкости и пара в смеси;

x_Fi, x_Gi, y_Gi – мольные доли компонента в смеси, жидкости и паре.

Так как число молей исходного сырья известно, то число молей жидкости и пара можно выразить через долю отгона , а мольную долю компонента в паре – уравнением равновесия

где k_i – константа равновесия при заданной температуре.

Тогда уравнение (13) примет вид

Сокращая на F, выражая x_Li через остальные слагаемые и суммируя уравнения по всем компонентам, получим

Для увеличения точности расчетов и при малой доле отгона целесообразно использовать аналогичное (16) уравнение, записанное относительно паровой фазы:

Значения констант равновесия компонентов рассчитываются по одной из формул, приведенных ниже.

Нефть и нефтяные фракции в зависимости от условий перегонки и ректификации характеризуются различной степенью «неидеальности». Так, при разделении нефти на широкие или узкие фракции, выкипающие в достаточно широких пределах температур (например, 10-20 С), непрерывная смесь ведет себя как идеальный раствор, так как входящие в ее состав азеотропообразующие компоненты не оказывают сильного влияния на летучесть получаемых фракций. В то же время при выделении более узких фракций, в пределах нескольких градусов или при получении индивидуальных углеводородов из нефтяных смесей, в полной мере проявляется вся сложность и «неидеальность» поведения нефтяных смесей. Поэтому при выполнении расчетов перегонки и ректификации нефтяных смесей на фракции широкого и сравнительно узкого фракционного состава без большой погрешности константы фазового равновесия псевдокомпонентов можно определять по законам идеальных газов как отношение давления насыщенных паров P_i к общему давлению в системе P:

Для процессов однократного испарения нефтяных смесей значения P_i рекомендуется определять по уравнению Ашворта, а для процессов ректификации – по уравнению Максвелла

Давление насыщенных паров углеводородов и нефтяных фракций P, (МПа), обычно рассчитывают по уравнению Ашворта:

;

где Т – температура, соответствующая этому давлению, К;

Т₀ - температура кипения при 0,1 МПа, К.

Для вычисления давления насыщенных паров углеводородов и узких нефтяных фракций (Р_i, Па) при давлениях от 0,001 до 100 МПа и при темпе­ратурах от 0 до 800°С используется уравнение Максвелла:

t₁ – температура системы, °С;

t₂ – среднемольная температура кипения фракции, °С.

Решая нелинейные уравнения относительно доли отгона любым численным методом, можно определить долю отгона и рассчитать составы фаз по уравнениям:

.

Массовая и мольная доли отгона связаны между собой соотношением:

, где - массовая доля отгона, средняя мольная масса сырья и средняя мольная масса пара, соответственно.

Расчет однократной конденсации. Уравнение материального баланса в мольных единицах имеет вид:

где P– число молей исходного пара;

L и G – число молей жидкости и пара после конденсации;

y_Pi, y_Gi, и x_Li – мольные доли компонента в соответствующей фазе.

Обозначая долю конденсата q и, рассуждая аналогично предыдущему, получим соответствующие уравнения для определения q и составов сосуществующих фаз.

Откуда

и

Принятые условия (температура и давление) однократного испарения и конденсации многокомпонентной смеси должны обеспечивать ее двухфазное состояние. В сомнительных случаях вначале рекомендуется определять фазовое состояние исходной смеси. Для этого находят величину

.

Здесь возможны три случая:

С₀<0 - некипящая жидкость при «отрицательной» доле отгона (см. уравнение 17);

C₀=1 - кипящая жидкость (т.е. при температуре начала ОИ при доле отгона равной нулю);

С₀>1 - двухфазное или парообразное состояние исходной смеси.

Если С₀ >1, то следующим этапом расчета является определение величины .

Здесь также возможны три случая (см. уравнение 16):

С₁<1 - перегретый пар, доля отгона больше единицы;

С₁=1 - насыщенный пар (т.е. при температуре конца ОИ);

С₁>1 - двухфазное или жидкое состояние.

Таким образом, двухфазное состояние исходной смеси обеспечивается при условиях:

С₀>1, С₁>1.

Если доля отгона задана в пределах 0 – 1, то из уравнений 16, 17 можно определить температуру сырья, вводимого в колонну. Для расчета температуры в нижней части колонны используют уравнение:

, для расчета температуры верха: .

МТБ ректификации

При составлении материальных и тепловых балансов можно пользоваться массовыми и мольными единицами. Если уравнения балансов используют уравнения равновесия, удобнее использовать мольные величины, которые затем легко пересчитать в массовые.

Материальные балансы. Общий материальный баланс простой колонны:

Общий материальный баланс для i-го компонента (фракции):

Тепловые балансы. Общий тепловой баланс колонны:

где - тепло, подводимое в кипятильнике, - тепло, отводимое из колонны с паром, - тепло, поступающее в колонну с орошением. Тепловой баланс используется в расчетах потоков жидкости и пара, которые необходимы для построения рабочей линии и гидравлических расчетов контактных устройств.

Кроме общего теплового баланса РК составляют ТБ отдельных частей колонны для определения тепловых нагрузок кипятильника и конденсатора, для этого необходимо знать способ подвода/отвода теплоты. Тепло подводится и отводится с потоками питания, продуктов, орошения и пара.