«Разработка технологического процесса для разделения углеводородной смеси заданного состава»

Содержание

Введение

1. Разработка и обоснование номенклатуры готовой продукции

2. Разработка и обоснование структурной схемы процесса

3. Структурная схема процесса

4. Разработка и обоснование технологической схемы

5. Принципиальная технологическая схема основных материальных потоков

6. Расчет материального баланса

6.1 Расчет производительности

6.2 Расчет таблиц материальных графов "Количество и состав"

6.3 Сводный баланс установки

7. Библиографический список

Введение

Химия заняла передовые позиции в современной мировой индустрии и определяет технический прогресс во многих отраслях современной мировой экономики.

Россия производит около 2 % мировой химической продукции. Потребители нашей продукции – весь мир, включая США, чья химическая отрасль примерно в десять раз больше российской. В структуре российского ВВП на химию и нефтехимию приходится около 2,7 %, порядка $11-12 млрд. В отрасли работают 800 тыс. человек, около 3 тысяч компаний, более 200 крупных предприятий. При этом средняя рентабельность российских химкомбинатов не превышает 7-8%. Внешних инвестиций в Химию практически не делается: окупаемость крупного химического проекта 13-26 лет. В западных обзорах середины 1990-х говорилось, что к 2001 году Россия практически потеряет свою химическую промышленность. Однако, по подсчетам экспертов, именно в 2001 году в отрасли был зафиксирован рост на 6,1%. После десяти лет распада химия входит в пятерку наиболее инвестиционно привлекательных отраслей российской экономики (1).

Химическая промышленность вырабатывает десятки миллионов тонн различных продуктов и материалов, для чего требуется большое количество доступного и дешевого сырья. Поэтому быстро развиваются производства химических продуктов из нефти и газа, т.е. нефтехимические производства, являющиеся наиболее производительными и экономически выгодными (6).

Ни один из процессов деструктивной переработки нефтяного сырья и пиролиза не протекает без образования газа. Выход и качество газов, получаемых в различных процессах, значительно различаются по углеводородному составу.

На современном заводе, располагающем комплексом разнообразных процессов, углеводородные газы со всех установок направляются на разделение углеводородной смеси для выделения отдельных компонентов.

Промышленные схемы разделения на компоненты включают в себя комбинированные процессы разделения газов – конденсацию, ректификацию, абсорбцию и десорбцию или сочетание этих процессов.

Сжиженные углеводородные газы, являются одним из основных видов сырья для различных процессов нефтепереработки и нефтехимии. Разделение газовых потоков имеет свои особенности.

Краткая характеристика способов разделения углеводородных смесей

Основным фактором, влияющим на полноту разделения компонентов и чистоту получаемых продуктов, а также на энергозатраты и эксплуатационные расходы, связанные с разделением, является различие в температурах кипения (упругости паров) разделяемых компонентов. Чем ближе температуры кипения компонентов, тем труднее эти компоненты разделяются при ректификации. Для того чтобы достигнуть хорошего разделения нужны колонны с большим числом тарелок; при этом процесс следует вести с большой кратностью орошения (3).

Абсорбция. Это процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Обратный процесс - выделение поглощённого газа из поглотителя - называется десорбцией. В промышленности абсорбция с последующей десорбцией широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов (например, для извлечения из коксового газа бензола), для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей (например, при очистке их от сероводорода), для санитарной очистки газов и т. д. В некоторых случаях десорбцию не проводят, если извлекаемый компонент и поглотитель являются дешёвыми или отбросными продуктами или, если в результате абсорбции получается готовый продукт (2).

Конденсация. При переработке газового сырья используют метод парциальной конденсации, который основан на различной способности углеводородов к конденсации, то есть переходу из газообразного в жидкое состояние. Из много компонентной смеси в первую очередь конденсируются высококипящие углеводороды. Конденсационным разделением может быть решён ряд технологических задач, в том числе частичная конденсация газовой смеси с последующим выделением из неё тяжёлых углеводородов С5 - С6 и выше, полная конденсация углеводородной части газовой смеси для извлечения азотно-гелиевого концентрата.

Конденсация многокомпонентных смесей может быть осуществлена подбором соответствующих температуры и давления. Процесс проводят в сепараторах. Газ вначале осушают для предотвращения образования гидратов при низких температурах и освобождают от примесей двуокиси углерода и сероводорода, затем сжимают и дросселируют в сепаратор. Здесь при снижении давления температура газа понижается и выделяется конденсат. Если газ обогащён компонентами С5 и выше, его конденсацию ведут при невысоком давлении и умеренных температурах. При небольшом содержании высококипящих углеводородов смесь разделяют методом низкотемпературной конденсации при 4,0 - 4,5 МПа, и температуре -70 °C и ниже. Газовый конденсат направляется далее на разделение (5).

Ректификация. Для разделения смеси жидкостей обычно прибегают к перегонке. Разделение путём перегонки основано на различной температуре кипения отдельных веществ, входящих в состав смеси. Так, если смесь состоит из двух компонентов, то при испарении компонент с более низкой температурой кипения (низкокипящий компонент, НК) переходит в пары, а компонент с более высокой температурой кипения (высококипящий компонент, ВК) остаётся в жидком состоянии. Полученные пары конденсируются, образуя так называемый дистиллят; неиспарённая жидкость называется остатком. Таким образом, в результате перегонки НК переходит в дистиллят, а ВК - в остаток.

Описанный процесс, называемый простой перегонкой, не даёт, однако, возможности произвести полное разделение компонентов смеси и получить их в чистом виде. Оба компонента являются летучими и потому оба переходят в пары, хотя и в различной степени. Поэтому образующиеся при перегонке пары не представляют собой чистого НК. Поскольку он вследствие большей летучести испаряется в большей степени, чем ВК, то пары обогащены НК по сравнению с содержанием его в исходной смеси. Таким образом, в дистилляте содержание НК выше, чем в исходной смеси, а в остатке, наоборот, содержание НК ниже, чем в исходной смеси.

Для достижения наиболее полного разделения компонентов применяют более сложный вид перегонки - ректификацию. Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации паров.

Представим себе аппарат, в котором снизу вверх движутся пары, а сверху (навстречу парам) подаётся жидкость, представляющая собой почти чистый НК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВК, а из жидкости испаряется преимущественно НК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВК, а поднимающиеся пары обогащаются НК. В результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НК. Эти пары поступают в конденсатор (дефлегматор), где и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть - отводится в качестве дистиллята.

В настоящее время перегонка и ректификация широко распространены в химической технологии и применяются для получения разнообразных продуктов в чистом виде, а также для разделения газовых смесей после их сжижения (разделение углеводородных газов) (2).

Низкотемпературная ректификация используется для разделения газов, широких по фракционному составу и содержащих лёгкие компоненты: метан, азот, водород, этан и этилен. Она заключается в конденсации газов и последующей ректификации полученного конденсата.

Конденсация сопровождается выделением тепла, которое отводят обычно путём искусственного охлаждения. В промышленных установках для охлаждения газов используют дросселирование сжатого газа (эффект Джоуля - Томсона); адиабатическое и политропное расширение газа с совершением внешней работы в специальных аппаратах - детандерах; применяют также различные хладагенты.

Для снижения энергетических затрат в холодильном цикле стремятся провести конденсацию при возможно более высокой температуре, чему способствует повышение давления. Практически давление повышают до 3 - 4 МПа. Достижение более высоких давлений связано с трудностями компримирования и становится невозможным при температурах выше критических для данного давления, при которых вещество не переходит из газообразного в жидкое состояние.

Ввиду того, что температуры кипения углеводородов С1 - С6 весьма различны, для экономии холода конденсацию проводят в несколько ступеней. Вначале конденсируются углеводороды С3 и выше при температурах от -30 до -40 °C и давления до 3 МПа. Выделившийся газ подвергают глубокому охлаждению до температур ниже -70°C для конденсации этана и этилена. Остаточный газ состоит в основном из метана, водорода, азота и гелия. Полученные конденсаты раздельно направляют на ректификацию (5).

Чёткая ректификация предназначена для разделения близкокипящих углеводородов с целью получения индивидуальных компонентов, со степенью чистоты 95 % и выше (до 99,99 %). В зависимости от темпе6ратуры и давления изменяется относительная летучесть компонентов смеси: она уменьшается при повышении общего давления и увеличении температуры. Поэтому для лучшего разделения необходимо понижать давление и температуру, но целесообразность этих мер зависит от экономических показателей процесса. При глубоком вакууме и низких температурах легко разделяются углеводороды С1 - С5, однако это экономически рационально лишь для выделения микроколичеств углеводородов.

В промышленности для разделения близкокипящих компонентов газов используют аппараты с большим числом контактных устройств и высокой кратностью орошения. Такой метод и называют чёткой ректификацией. По мере уменьшения относительной летучести разделяемых компонентов (особенно при малых её значениях, когда α = 1,05-1,30) число теоретических тарелок для достижения определённой степени разделения увеличивается. Например, при α = 1,05 требуется примерно вдвое больше теоретических тарелок, чем при α = 1,10.

При повышенном требовании к чистоте продуктов число необходимых тарелок тоже растёт. Так, при повышении степени чистоты отбираемого продукта с 90 до 99 мол. % число теоретических тарелок возрастает в два раза. Колонны для выделения этилена имеют более 100 тарелок при кратности орошения ≈ 10, а для выделения пропилена 120-150 тарелок при кратности орошения 18 - 25.

Ректификация, абсорбция, конденсация являются типовыми процессами, на которых основываются способы разделения природных газов.

В настоящее время в промышленности применяются следующие способы разделения природных газов:

1) компрессионный,

2) абсорбционный,

3) адсорбционный,

4) низкотемпературной ректификации,

5) комбинированные методы:

а) абсорбционно-ректификационный,

б) конденсационно-ректификационный

в)компрессионно-ректификационный

г)адсорбционно-ректификационный(3).

1. Компрессионный способ применяется в сочетании с другими способами. Самостоятельное значение он имеет лишь для газобензиновых заводов, на которых из попутного газа компримированием и охлаждением выделяют конденсат (сырой газовый бензин).

Недостатком компрессионного способа является то, что в большинстве случаев он применяется в сочетании с другими способами, самостоятельно практически не используется (3).

2. Абсорбционный способ широко применяется для извлечения бензина и сжижения газов из природных и попутных газов. При этом методе газы орошают абсорбентом (соляровые, керосиновые и лигроиновые дистилляты), который извлекает из них тяжёлые углеводороды. Последние отгоняются в десорбере.

Углеводороды разделяют двумя путями: либо последовательно, по мере уменьшения их летучести, либо выделяют смесь углеводородов и в дальнейшем фракционируют их в отдельных колоннах. Глубина извлечения углеводородов возрастает с увеличением давления. Одновременно увеличивается в абсорбенте и содержание несконденсированных углеводородов - метана и этана, что вызывает затруднения при регенерации растворителя.

Недостатком абсорбционного способа является высокое содержание в абсорбенте несконденсированных углеводородов - метана и этана, что вызывает затруднения при регенерации растворителя (3).

3. Адсорбционный способ применяется для разделения природных и попутных газов, а также нефтезаводских газов. Метод основан на различной поглощаемости углеводородов твёрдыми поверхностями. Преимущества адсорбции заключаются в высокой степени извлечения отдельных компонентов из тощего сырья. В качестве адсорбента чаще всего применяется активированный уголь, обладающий высокой способностью к поглощению лёгких углеводородов.

Недостатком адсорбционного способа является то, что он применим для разделения малокомпонентных смесей и в случае многокомпонентной смеси будет невысокая степень извлечения отдельных компонентов (3).

4. Способ низкотемпературной ректификации позволяет получать этилен 99,9 %-ной чистоты. Для получения низких температур в промышленности используют эффект дросселирования, основанный на свойстве большинства газов сильно охлаждаться при резком снижении давления. Во многих отраслях промышленности широко используют аммиачное охлаждение, на нефтеперерабатывающем заводе оно применяется редко, т. к. в наличии имеется доступный и дешёвый пропан.

Недостатком способа низкотемпературной ректификации является то, что он применим в основном для перегонки жидких углеводородных смесей, и при разделении многокомпонентной газо-жидкостной смеси лучше всего использовать этот способ в сочетании с другим, то есть наиболее выгодным будет являться комбинированный способ.

5. Комбинированные способы.

а) адсорбционно-ректификационный способ проводят при температуре (7÷ 15)оС и давлении 1,0÷1,5 МПа. Для разделения используют непрерывно действующие адсорберы с движущимся сверху вниз слоем активированного угля. Для десорбции углеводородов обрабатывают уголь водяным паром и затем осушают горячим газом. Высшие парафины поглощаются углем в первую очередь, что позволяет выделить фракции углеводородов С5, С4, С3 и даже С2. Из – за больших капитальных вложений и трудностей при транспортировании адсорбента и обслуживании этот метод широко не распространился, но он считается наиболее эффективным для разделения газов с низким содержанием углеводородов С3 - С5 .(3)

б) конденсационно-ректификационный способ проводят при давлении 3,0—3,5 МПа и низких температурах (от —100 до —110° С). Сущность заключается в охлаждении газа под давлением. Тяжёлые углеводороды С2 и выше конденсируются, а метан и водород остаются в газовой фазе. Этот способ отличается от абсорбционно-конденсационного способом перевода углеводородов в жидкую фазу - при абсорбции это достигается поглощением их жидкими растворителями, при конденсационном методе - охлаждением. Основной аппарат - конденсационно-ректификационная колонна. При этом методе требуется более глубокое охлаждение - применение этанового, а иногда и метанового цикла.(3)

в) компрессионно-ректификационный способ проводят при температуре (-50÷ -90)оС и давлении 3,5÷4,5 МПа. Основа заключается в том, что сжатый газ и образовавшийся при этом конденсат поступают в ректификационную колонну, где при многократной конденсации и испарении разделяются легкие углеводороды от тяжелых.

Мы рассматриваем газ этого месторождения потому, что считается невыгодным перерабатывать компрессионно-ректификационным методом сухие газы.

г) абсорбционно-ректификационный(3) способ проводят при температуре (30÷ 40)оС и давлении 3,5÷4,0 МПа. Данный метод применяется главным образом для грубого разделения смесей углеводородных газов.   При этом методе все компоненты тяжелее метана извлекают из газа абсорбцией при низких температурах и затем разделяют низкотемпературной ректификацией. Абсорбционно-ректификационный метод нашел широкое применение для разделения природного газа и газов крекинга и пиролиза. При разделении пирогаза, для поглощения углеводородов С2 и выше в качестве абсорбента применяются углеводороды С4—Сб и процесс отличается несколько более низкотемпературным режимом по сравнению с абсорбционным извлечением углеводородов Сг и выше из природных и попутных газов.

Сравнивая комбинированные способы разделения газов по экономическим показателям, следует отметить, что для осуществления способа абсорбции с низкотемпературной ректификацией требуется больше пара, чем для осуществления способа низкотемпературной конденсации и ректификации. Однако в последнем случае требуется более сложная теплообменная аппаратура и более сложная схема утилизации тепла и холода. Эксплуатационные и капитальные затраты примерно одинаковы (3).

Выбор и обоснование технологии проектируемого процесса

В качестве основного способа для разделения газожидкостной смеси я буду использовать комбинированную конденсационно-ректификационный способ. Комбинированные способы имеют преимущество перед отдельными способами в том, что они могут использовать последовательно два способа, что значительно облегчает перегонку газожидкостных смесей.

Для осуществления конденсационно-ректификационного способа требуется меньше затрат пара, чем для осуществления абсорбционно-ректификационного способа, он является экономически более выгодным. Кроме того, применение этого способа позволит нам использовать получаемые углеводороды сначала как хладагенты, а затем вывести их из системы с целью дальнейшей переработки и использования в промышленности (1,2,3).

Параметры исходного сырья:

- начальное давление, МПа - (35+1)*0,1 = 3,6 МПа ,

- начальная температура, 0С - 12

- состав -

№ Наименование % вес. Критические параметры

Ткрит., °К Ркрит., МПа

1 CН4 3 190,55 4,60

2 С2Н4 20 282,35 5,04

3 С3Н6 25 365,00 4,50

4 С3Н8 25 369,82 4,25

5 С4Н6 (1,3 бутадиен) 15 434,80 4,32

6 С4Н10 12 425,16 3,80

ИТОГО 100

Годовая производительность, тн 650000

Число часов непрерывной работы в году 8520

Часовая производительность составит:

Gч=650000/8520=76,291т/ч = 76291 кг/ч

Производительность по каждому компоненту (кг/ч)

3*76291/100= 2288,73 кг/ч

Производительность по каждому компоненту (моль/час)

2288,73/16 = 143,05 кмоль/час

Количество вещества в смеси (% мол.)

143,05/1945,331 = 7,35%

Сведем данные в таблицу

Таблица 1.2

Углеводородный состав

Q,

кг/ч Q, кмоль/час %m %M M,кг/кМ dm dM Крит.парам.

Т, К P,МПа t°C

CН4 2288,73 143,05 3 7,35 16 0,03 0,0735 190,55 4,60 -82,45

С2Н4 15258,22 544,94 20 28,01 28 0,2 0,2801 282,35 5,04 9,35

С3Н6 19072,77 454,11 25 23,34 42 0,25 0,2334 365,00 4,50 92,00

С3Н8 19072,77 433,47 25 22,28 44 0,25 0,2228 369,82 4,25 96,82

С4Н6 (1,3 бута-диен) 11443,66 211,92 15 10,89 54 0,15 0,1089 434,80 4,32 161,80

С4Н10 9154,93 157,84 12 8,11 58 0,12 0,0811 425,16 3,80 152,16

итого 76291,08 1945,33 100 100 1 1

Определение фазового состояния исходной смеси

Критическая температура

Ткрит смеси=∑ Х/i * Ткр

где: Х/i – мольная доля компонента

Ткр – критическая температура компонента, 0С.

Ткрит = 69,58 0С

Критическое давление:

Ркрит смеси= ∑Х/i * Ркр

где: Х/i – мольная доля компонента

Ркр – критическое давление компонента, МПа.

Ркр = 4,53

Для разделения углеводородной смеси будем использовать конденсационно-ректификационный способ. Так как исходная температура углеводородной смеси ниже критической температуры (12<69,58 0С) и давление меньше критического (3,6<4,53 МПа), следовательно исходная смесь находиться в жидком состоянии.