Проект установки замедленного коксования

Низкомолекулярные -----> Асфальтены  ----> Карбоиды ---->продукты уплотнения (быстрый процесс)

Низкомолекулярные -----> Асфальтены ---- >Карбоиды ---->Нафталин ---->продукты уплотнения (медленный процесс)

В дальнейшем двухканальный механизм превращения был распространен и на коксование нефтяных остатков. В настоящее время мнения многих исследователей о механизме и кинетике деструкции нефтяных остатков совпадают. Наиболее плодотворную и убедительную схему коксования, находящую практическое подтверждение, дали в 1928 г. М. Д. Тиличеев и А. Н. Саханов. Согласно этой схеме, образование карбоидов происходит по следующим этапам:

Масла  »- Смолы  >- Асфальтены ---------->  Карбоиды

Впервые в работах было доказано существование генетической связи  между элементами этой схемы. Конечная стадия процесса делится на четыре этапа:

Асфальтены  --->Полубитум  -->Битум  ---> Асфальтовый кокс -------> Карбоидный кокс

Все эти продукты представляют собой  смеси различного химического состава, которые могут быть охарактеризованы исключительно физическими свойствами; переход от одного этапа к другому выражен не резко. Эта схема показывает, что асфальтены не мгновенно превращаются в кокс, а проходят ряд ступеней. От того, на какой стадии заканчивается коксование, по мнению авторов, и зависит качество кокса. Так, на установках с необогреваемыми камерами получают асфальтовый кокс. Он характеризуется хрупкостью, загрязняется при выгрузке и дает значительное количество мелочи.

Как известно, распад большинства  сложных молекул идет мономолекулярно  со скоростью:

W₀ = ae^Q/RT (R, R')

где a= 10^-13 сек^-1.

Действительно, особенно в начальный  период деструкции нефтяных остатков, процесс описывается схемой мономолекулярной реакции.

Однако по мере интенсивного уплотнения структурных звеньев с образованием конденсированных систем процесс отклоняется от мономолекулярного и лучше описывается как бимолекулярный.

Некоторые исследователи описывают  процессы уплотнения, так же как  и реакции распада, мономолекулярной реакцией. Известно, что суммарная  скорость и порядок многоступенчатого  процесса, например коксообразования, определяется скоростью и порядком наиболее медленной его стадии. При  коксовании наиболее медленной ступенью является процесс превращения асфальтенов в карбоиды, так как образование новой, твердой фазы кинетически всегда затруднено.

Существенное влияние на продолжительность  коксования, как и следует из теоретических  представлений, должна оказывать природа сырья и температура. В зависимости от степени конденсации исходного сырья и температуры процесса период, в течение которого жидкий остаток переходит в неподвижное твердое состояние, составляет от нескольких десятков минут до 10 ч и более. Так, если при 400 °С это время для гудрона и крекинг-остатка малосернистых нефтей соответственно 620 и 300 мин, то при 420 °С оно снижается до 200 и 110 мин.

Концентрация асфальтенов в  смоле крекинг-остатка после удаления летучих веществ возрастает до 30% и затем остается постоянной. При этом скорость повышения содержания кокса в остатке в точности соответствует скорости, с которой повышалась концентрация асфальтенов.[2]

 

1.4 Аппаратура замедленного коксования

 

Процесс замедленного коксования является непрерывным по подаче сырья на коксование и по выходу газообразных и дистиллятных продуктов, но периодическим по выгрузке кокса из камер. Установки замедленного коксования включают в себя следующие 2 отделения: нагревательно-реакционно-фракционирующее, где осуществляется собственно технологический процесс коксования сырья и фракционирование его продуктов; отделение по механической обработке кокса, где осуществляется его выгрузка, сортировка и транспортировка.

В зависимости от производительности УЗК различаются количеством и размерами коксовых камер, количеством и мощностью нагревательных печей. На установках первого поколения приняты печи шатрового типа и 2 или 3 камеры коксования с диаметром 4,6 м и высотой 27 м, работающие поочередно по одноблочному варианту. УЗК последующих поколений преимущественно являются двухблочными четырехкамерными, работающими попарно. На современных модернизированных УЗК используются печи объемно-настильного и вертикально-факельного пламени и коксовые камеры большего диаметра (5,5 - 7,0 м; высота - 27 - 30 м). В них предусмотрены высокая степень механизации трудоемких работ и автоматизации процесса.

 Основным реакционным аппаратом  на установке замедленного коксования  является реакционная (коксовая) камера, представляющая собой пустотелый аппарат диаметром 3,0—7,0 м и высотой 22—30 м. Корпус и днища камер изготавливаются из биметалла (углеродистая сталь + сталь с содержанием 11—13% хрома).

Число и размер камер зависят  от производительности установок по сырью, его качества и давления в камерах. Повышение давление способствует увеличению выхода кокса и газа, позволяет повысить скорость подачи жидкого сырья в камеру, использовать избыточное давление в системе для подачи газа на газовый блок.

Ректификационные колонны, как и на установках термического крекинга, не имеют отгонной части. Нижняя часть колонны представляет собой конденсатор смешения, в котором происходит теплообмен и массообмен между нагретым сырьем, поступающим из печей, и парами продукта из коксовых камер. Такое решение позволяет утилизировать теплоту продуктов реакции, поскольку на горячих потоках, идущих из камер, нельзя ставить теплообменники.[3]

2 Технологический расчет реакционных камер

Цель расчета — составить  материальный баланс камер, определение  их размеров, составление теплового  баланса.

 

2.1 Определение выхода продуктов коксования

Существуют  различные методы определения  выхода продуктов коксования. Так  при замедленном коксовании выход  газа и кокса можно подсчитать по формулам:[4]

Х_к = 2,0 + 1.66К= 2+ 1,66×21,8=38,1 

Х_к+Г = 5,5+ 1,76× 21,8=43,8

 Х_{Г =} 43,8 – 38,1=5,7

где Х_к — выход кокса, % масс, на сырье; Х_к+г — выход кокса и газа, % масс.; К — коксуемость сырья (по Коирадсону), % масс.

              Выход бензина определяем по  формуле:

      Х_б = √0,9540-0,94/0,00019=9

Х_{кер-газ}= 100-43,8-9=47,2

По посчитанным данным составляем материальный баланс и сводим их в  таблицу 1.

Таблица 1.

Материальный баланс коксования

Продукт	%содер	т/год	т/сутки	кг/ч
Поступило:
Гудрон	100	500000	1470,58	61274,51
Получено:
1 УВ газ	5,7	28500	83,82	3492,65
2 Бензин	9	45000	132,35	5514,7
3керосино-газойлев.фракция	47,2	236000	694,12	28921,57
4Кокс	38,1	190500	560,29	23345,59
Итого:	100	500000	1470,58	61274,51
Водяной пар	3	15000	44,12	1838,24
Рециркулят	25	125000	367,65	15318,62
Итого:	128	640000	1882,35	78431,37

 

 

2.2 Определение размеров камер

Этот процесс проводят при 475—480°С и 0,29—0,49 МПа Исходное сырье нагревают в трубчатой печи до 490—510 °С. При движении сырья от печи до камеры температура его снижается на 10—15 °С. Объемная скорость подачи сырья в коксовые камеры для гудрона 0,12—0,13 ч^-1, а для крекинг- остатков 0,08—0,10 ч-¹. Коэффициент рециркуляции 0,2—0,6. Пары продуктов коксования движутся в камере со скоростью не более 0,15—0,20 м/с. Температура продуктов на выходе из камеры на 30—60 °С ниже, чем поступающего сырья. Обычно коксовые камеры рассчитывают на цикл работы 48 ч, из которых 24 ч в камере идет реакция, остальное тратится на выгрузку кокса. С целью предотвращения попадания битуминозной пены в ректификационную колонну камеру заполняют коксом лишь на 70— 90%.[4]

Размеры  камер коксования определяем следующим образом:

1 Находят  объем реактора (V_p, м³)

          V_p =G_с /ρ_с  ×ω =1470,58 /24×0,13×0,975=483 м³

где G_c — масса сырья, поступающего в реактор, кг/ч; w — объемная скорость подачи сырья, ч^-1, р_с —плотность сырья, кг/м³;

 

2 Определяем массу кокса, находящегося единовременно в реакторе(G_k, т/ч): G_k = V_p×p_нас=483 × 0,9= 434,7 т/ч;

 

3 Массу циркулирующего коксового теплоносителя (G_{ц. к} кг/ч).

G_{ц. к}= 8 × 61274,51= 490196,08 кг/ч

где кратность циркуляции равна 8;

 

4 Подсчитывают продолжительность пребывания коксовых частиц в реакторе (τ ,мин): τ = G_k× 60/ G_{ц. к}=434,7 ×60/ 490,2=53 мин

 

5 Находим  высоту реактора (Н,м): Н=60×τ ×u=60×53×0,008=24,44 м

где u - линейная скорость движения коксовых частиц, м/с;

 

6 Определяют сечение (F, м²):  F= V_p/Н= 483/24,44 = 20м;

 

7 Находим  диаметр (d,м) : D= √4 F/π=√4×20/3,14=5 м

 

Исходя из рассчитанных данных, для  графического построения и определения  числа камер,  мною были взяты  наиболее подходящие значения высоты, диаметра и число камер. Следовательно  установкой коксования в моем случае является установка 21- 10/600. Число камер  у данной установки равно черырем, диаметр 5 м и высота 25 метра. [2]

 

 

 

 

 

2.3 Тепловой баланс реакционных камер

1 Qвx = Qyx + Qnoт + Qnp + Q_K ,где Qвx — тепло, вносимое с сырьем,

рециркулятом и водяным паром;

Qyx — тепло, уносимое из камеры газом, бензином, легким газойлем, тяжелым газойлем, рециркулятом, водяным паром;

Qnoт —потери тепла в окружающую среду;

Qпp —тепловой эффект процесса;

2Qвx = Qт+ Qу+Qж,

3 где Qт –количество тепла, вносимое в камеру турбулизатором;

  Q_T = G_TI = 1838,24 × 3328 = 6, 12×10⁶ кДж/ч,

4 Qу -количество тепла, вносимое углеводородными парами

 Q_y = 15318 ×1442 = 22,03 ×10⁶ кДж/ч.

5 Количество тепла, вносимое жидкой фазой

Q_x = 61275,13 ×1260 = 77 ×10⁶ кДж/ч.

6 Общее количество тепла, вводимое в реакционную камеру, равно

  Qвx =(6,12 +22,1+77,2) × 10⁶ кДж/ч =105,1 × 10⁶ кДж/ч.

7 Потери тепла Qпот в окружающую среду вычисляют по следующему уравнению:

Qnoт = αS×t=33×50 ×500=825000=0,83×10⁶ кДж/ч,

где α—коэффициент теплоотдачи, ориентировочно равный 20—60 кДж/м²×ч×К);

S —наружная поверхность реактора, м²;

t — разность температуры между наружной поверхностью реактора и окружающей средой, °С;

Qпр =К×G_c = 155×78431,37=12,2 ×10⁶ кДж/кг

 

8 Энтальпию нефтяного кокса рассчитывают на основании средней теплоемкости:

I = С_Pt, 

где Ср — средняя теплоемкость кокса, кДж/(кг×К)

t — средняя температура кокса в камере, °С; ее вычисляют по формуле t=0,5(500+440) =470 ⁰С.

Тогда  I = 1,42 ×470=667 кДж/кг

Qух = G_хi×I_xi

Данные по расходу тепла представлены в таблице 2.

Таблица 2.

 Расход тепла из коксовой  камеры

Компонет	Кг/ч	кДж/кг	кДж/ч  ×106
УВ  газ	3492,65	1435	5,01
Бензин	5514,7	1360	7,5
Керосино-газойл.фр	28921,57	1236	35,7
Водяной пар	1838,24	3328	6,1
Рециркулят	15318,62	1442	22,1
Итого:	55085,76		76,41

 

9 Теперь рассчитаем тепло, аккумулируемое образовавшимся коксом:

Qк = 23345,59 ×667,4=15,6 ×10⁶  кДж/ч

 

Проверим правильность составленного  теплового баланса:[5]

Qвx = Qyx + Qnoт + Qnp + Q_K

105,1 × 10⁶ кДж/ч =  76,41× 10⁶ кДж/ч + 0,8 × 10⁶ кДж/ч + 12,2 ×10⁶ кДж/кг + 15,6×10⁶  кДж/ч

 

105,1 × 10⁶ кДж/ч = 105,04 × 10⁶ кДж/ч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Механический  расчет

 

3.1 Расчёт реактора  на прочность

 

Определим толщину обечайки, по графику находим номинально допускаемое напряжение для конструкционного материала при заданной температуре:

δ^*_д = 60

Находим допускаемое напряжение по следующей формуле:

η = 1

δ_д   = 1*60 = 60

Определяем коэффициент  прочности:

φш = 1

При ряде единичных неукрепленных  отверстий разного диаметра в  обечайки, расположенных по одной  образующей, коэффициент прочности  определяется по формуле:

φ0= (5 - 0,5)/5  = 0,9

Находим значение отношения  следующих величин:

δ_д*φ/P = 60*0,9/ 0,35 = 154,2

Определяем расчетную  толщину стенки обечайки по формуле:

s' = D_в*р/(2* δ_д*φ)

s' = 5000*0,35/2*60*0,9 = 15,8

s = s' + С

С = Ск + Сэ + Сд + Со

s = 15,8 + 1 + 1 + х = 18 мм

Определяем допускаемое  давление в обечайке по формуле: