Тема 2.4. Расчет колонны, работающих в вакууме

Задачей расчета вакуумной колонны, как и любой ректификационной колонны, является определение температурного режима, составов паровых и жидкостных потоков по высоте колонны и ее размеров.

Для уменьшения перепада давления в вакуумной колонне между отбираемыми фракциями устанавливают не более 4-6 тарелок. Перепад давления паров в каплеотбойных сетках, расположенных над эвапорационной зоной, можно принять равным перепаду давления на тарелках.

При расчете вакуумной колонны необходимо учитывать количество воздуха, подсасываемого через неплотности аппаратуры (0,01 - 0,2% масс, на сырье вакуумной колонны) и газов разложения (0,1% масс, на сырье). Молекулярная масса газов разложения 36 - 68. При работе на сернистом сырье количество газов разложения увеличивается в 2 - 3 раза вследствие меньшей термической стабильности этого сырья. При увеличении температуры нагрева на 10 - 15°С выход газов разложения повышается в 1,5 - 2 раза. В низ вакуумной колонны подастся водяной пар (3 - 4% масс, на гудрон). При расчете принимают: водяной пар, воздух и углеводородные газы - неконденсируемые компоненты, не равновесные с углеводородной жидкостью.

При определении линейной скорости паров в барометрическом конденсаторе и нагрузки эжектора необходимо, кроме того, учитывать объем воздуха, десорбируемого из воды, которая подается в барометрический конденсатор.

Расчет температуры верха вакуумной колонны. Верхний дистиллят можно выводить из вакуумной колонны в виде паров сверху или в виде жидкости сбоку. Давление на верху вакуумной колонны рассчитывают по формуле

где Р_в - давление в вакуумсоздаюшем устройстве; ΣΔР - перепад давления в трубопроводах и аппаратах, расположенных междувакуумсоздающим устройством и верхом колонны.

При выводе нефтяных паров через верх колонны и наличии парциального конденсатора ΣΔР =53,2 гПа (или 40 мм рт. ст.), при выводе верхнего дистиллята в виде жидкости сбоку колонны ΣΔР = 13,3 гПа (или 10 мм рт. ст.).

Расчет температуры верха при выводе вакуумного дистиллята в парах не отличается от таких расчетов для атмосферной колонны. При определении температуры верха колонны с выводом верхнего дистиллята сбоку колонны в жидком виде необходимо определить потери верхнего дистиллята. Последовательность расчета в этом случае такая:

1) строят кривую ИТК продукта, отбираемого из вакуумной колонны сверху;

2) разбивают эту кривую на несколько участков — узких фракций — и, приняв их за условные индивидуальные компоненты, определяют средние молекулярные массы, температуры кипения, мольную долю каждой фракции в смеси;

3) принимают температуру верха колонны и по закону Дальтона определяют парциальное давление нефтяных паров при этой температуре; парциальное давление р паров равно сумме парциальных давлений (p_i) отдельных фракций

p = p₁ + p₂+ … +р_i,

или

p = p₁х₁^/ + p₂х₂^/+ … +р_iх_i^/,

где p_i - давление насыщенных паров фракций при принятой температуре;

х_i^/ - мольная доля каждой фракции в дистилляте.

Парциальное давление неконденсируемых газов определяют по следующим формулам:

р_г=Р - р; (2.8)

р_г = Pу_г^/ (2.9)

Мольная доля газа в уходящей с верха колонны смеси газов и паров нефтепродукта составляет

Среднюю молекулярную массу уносимых нефтяных паров вычисляют по формуле

М_н.п.= (M_lр₁+ М₂р₂ +... + M_ip_i)/p(2.10)

Средняя молекулярная масса неконденсируемых газов М_г может быть определена, если известны количества подсасываемого воздуха, водяных паров, газов разложения, а также их молекулярные массы. Подставив полученное значение у'_г в уравнение Рауля, получают

(2.11)

Решая уравнение (2.11)относительно уносимых паров нефтепродуктов G_н.п, получают

(2.12)

Величину потерь нефтепродуктов С_н.п следует рассчитать для нескольких температур и построить кривую ее зависимости от температуры (рис. 2.3).С повышением температуры в уравнении (2.12)меняются величины р и М_н.п. После некоторой оптимальной температуры t_опт, соответствующей наибольшей кривизне кривой, потери снижаются незначительно даже при сильном уменьшении температуры верха колоны. Значение t _опт можно принять за рабочее, так как снижение температуры связано с увеличением затрат на орошение.

Рис. 2.3. Зависимость потерь нефтяных паров G_н.п от температуры верха вакуумной колонны t_верха

Приведенная методика применима без больших погрешностей, когда потери незначительны по сравнению с отбором верхнего дистиллята, например при получении вакуумного газойля. Потери в этом случае мало сказываются и на изменении качества верхнего дистиллята. Приотборе нескольких масляных дистиллятов потери соизмеримы с отбором верхнего дистиллята. Поэтому качество верхнего масляного дистиллята зависит от величины G_н.п. Методика расчета температуры верха и величины потерь при этом иная, а именно:

1) строят кривую ИТК верхнего дистиллята (вместе с теряемыми фракциями);

2) разделяют верхний дистиллят на несколько условных компонентов и определяют их молекулярные массы, температуры кипения и мольные доли в смеси;

3) задаются составом потерь и их величиной;

4) определяют количество и качество верхнего дистиллята при заданных потерях и мольные доли каждого условного компонента;

5) определяют парциальное давление углеводородных паров, теряемых через верх колонны при принятой температуре верха, и потери по методике, рассмотренной выше;

6) сравнивают полученные величину и состав потерь с принятыми: если разница сравниваемых значений превышает 1%, задаются этими величинами вновь.

Авторы работы [13] отмечают, что потери зависят не только от температуры и давления в верхней части колонны, но и от числа тарелок в зоне подачи циркуляционного орошения. Чем больше последних, тем выше температура на тарелке вывода масляного дистиллята, что препятствует удержанию в жидком состоянии наиболее летучих головных фракций и приводит к увеличению потерь. Так, при постоянных температуре 120°С и давлении наверху для схемы с одной тарелкой температура отвода масляной фракции 120 °С, с двумя тарелками - 209 °С и с тремя - 224 °С, а потери составляют 100, 140 и 170% соответственно. Однако с уменьшением.числа тарелок резко возрастает расход циркулирующей жидкости на орошение.

Расчет температуры вывода бокового погона из вакуумной колонны. Если вакуумный дистиллят выводится через отпарную секцию, температуру вывода рассчитывают методом двойного подбора, так же как для атмосферной колонны. Если дистиллят выводится непосредственно сбоку колонны, его температуру можно определить подбором только расхода флегмы G_ф, стекающей с тарелки вывода бокового погона, так как качество ее известно из принятого ассортимента.

Количество и состав паров под тарелкой отбора бокового погона определяют из уравнения

G = G_z + G_г + G_возд + G_ф + ΣG_Di, (2.13)

где G_z, G_г, G_возд - соответственно расход водяного пара, газов и воздуха в рассматриваемом сечении колонны; ΣG_Di - сумма расходов всех дистиллятов, отбираемых выше рассчитываемого сечения.

Затем определяют температуру конца однократного испарения этих паров t _G средний температурный перепад между тарелками в концентрационной части вакуумной колонны Δ t и температуру t_ф вывода бокового погона. Последнюю рассчитывают по формуле t_ф = t_G - Δt. (2.14)

Значение G _ф принято правильно, если соблюдается тепловой баланс нижнего контура колонны.

Расход верхнего циркуляционного орошения G_ц.о определяют из теплового баланса вакуумной колонны. Если пренебречь влиянием на тепловой баланс водяного пара, воздуха и газов разложения, то G_ц.о можно рассчитать по уравнению

где Q_м - количество тепла, вводимого с мазутом; Q_г, ΣQ_D, Q_п -количество тепла, отводимого с гудроном, дистиллятами и теряемого в окружающую среду; - энтальпии циркуляционного орошения при температурах вывода и ввода соответственно.

Таким образом, при расчете ректификационных колонн, работающих при высоких давлениях, имеются существенные различия. Они обусловлены той или иной степенью отклонения свойств реальных систем от закономерностей идеальных систем, учет которых позволяет повысить точность и надежность технологических расчетов.