Задание. 
Разработка технологического процесса для разделения углеводородной смеси заданного состава

Исходные данные:

1. Состав углеводородной смеси

Таблица 1.

• 2. Годовая производительность, тн — 189 000
• 3. Число часов непрерывной работы в году — 8520
• 4. Начальное давление, ати — 0,6
• 5. Начальная температура, ⁰С: — 16
• 6. Хладагенты:

оборотная вода с начальной температурой, ^оС…25.

пропиленовый холод, параметр,^оС …6.

пропиленовый холод, параметр,^оС …(-18).

пропиленовый холод, параметр,^оС …(-37).

этиленовый холод, параметр,^оС …(-56).

этиленовый холод, параметр,^оС …(-99).

Задание выдал: Нелин А.Г

Введение

Разработка технологического процесса представляет собой сложную комплексную задачу, для которой характерна многовариантность возможных решений. Выбор наилучшего решения для конкретных условий является важным условием повышения эффективности производства и его совершенствования. Выбранный оптимальный вариант технологического процесса должен быть осуществим в конкретных условиях производства в кратчайшие сроки с минимальными потерями материальных и трудовых ресурсов и обеспечить в дальнейшем минимальную трудоемкость и себестоимость, при стабильном высоком уровне качества продукции. Выбранный вариант технологического процесса должен соответствовать высокой категории уровня с технически обоснованными средствами автоматизированных систем управления производством.

В связи с развитием нефтехимической промышленности проблема разделения углеводородных газовых смесей становится чрезвычайно актуальной, т.к. в этом возникает необходимость в любой промышленности.

а) краткая характеристика способов разделения углеводородных смесей.

Способ — это совокупность методов, оптимальных для выбранного химико-технологического процесса (ХТП). Для раскрытия темы рассмотрим некоторые методы.

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем — абсорбентом. Если поглощаемый газ — химически не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию называют физической (непоглощаемую составную часть газовой смеси называют тертом, или инертным газом). Если же абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение, то такой процесс называют хемосорбцией. В технике часто встречается сочетание обоих видов абсорбции. Физическая абсорбция (или просто абсорбция) обычно обратима. На этом свойстве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из растворов — десорбция. Десорбцию газа проводят отгонкой его в токе инертного газа или водяного пара в условиях подогрева абсорбента или снижения давления над абсорбентом. Отработанные после хемосорбции абсорбенты обычно регенерируют химическими методами или нагреванием. Сочетание абсорбции и десорбции позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный газ в чистом виде. Часто десорбцию проводить не обязательно, так как полученный в результате абсорбции раствор является конечным продуктом, пригодным для дальнейшего использования. Основные факторы, определяющие эффективность абсорбции и десорбции. В процессе абсорбции одна и та же степень извлечения может быть достигнута при изменении основных параметров процесса:

• — давление;
• — температура;
• — число тарелок;
• — удельный расход абсорбента.

Понижение температуры абсорбции приводит к повышению извлечения целевых компонентов, но снижает селективность процесса вследствие возрастания растворимости углеводородов в растворах и увеличивает вероятность гидратообразования. Повышение температуры увеличивает селективность процесса по отношению к кислым компонентам, но может привести к возрастанию остаточного содержания кислых компонентов в очищенном газе. Кроме того, повышение температуры приводит к увеличению влагосодержания очищенного газа, что повышает расход вещества на его осушку и увеличивает энергозатраты на регенерацию осушителя. Давление для абсорбции выбирают в зависимости от состава смеси предложенной на разделение. Если в смеси много легких углеводородов, то абсорбцию проводят при давление 11—16 атм, а если много то давление повышают до 30−35атм. Чаще всего методом адсорбции выделяют из газов углеводороды С₃ и выше, а углеводороды С₂ вместе с метаном являются отходящими газами. Процесс абсорбции протекает тем быстрее, чем больше поверхность раздела фаз, турбулентность потоков и коэффициенты диффузии.

Конденсация — экзотермический процесс, при котором выделяется теплота фазового перехода — теплота конденсация. Конденсированная фаза может образовываться в объеме пара или на поверхности твердого тела и жидкости, имеющих более низкую температуру, чем температура насыщения пара при данном давлении. Конденсация происходит при изотермическом сжатии, адиабатическом расширении и охлаждении пара, или одновременном понижении его давления и температуры, которое приводит к тому, что конденсированная фаза становится термодинамически более устойчивой, чем газообразная. 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. Конденсация многокомпонентных смесей может быть осуществлена подбором соответствующих температуры и давления. 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. Повышенная температура конденсации приводит к уменьшению холодопроизводительности установки, увеличению потребляемой мощности и снижению технико-экономических показателей ее работы. Изменение температуры кипения на 1 °C в среднем приводит к изменению холодопроизводительности компрессора на 4−5%, изменению потребляемой мощности на 2% и изменению удельного расхода электроэнергии на 2−3%. Увеличение температуры конденсации на 1 °C приводит к снижению холодопроизводительности на 1−2%, увеличению мощности на 1−1,5% и возрастанию удельного расхода электроэнергии на 2−2,5%.

Ректификация — тепло массообменный процесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадка, тарелки). В процессе ректификации происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза — более низкокипящим. Процесс тепломассообмена происходит по всей высоте колонны между стекающим вниз дистиллятом, образующимся наверху колонны (флегмой), и поднимающимся вверх паром. Чтобы интенсифицировать процесс тепломассообмена применяют контактные элементы, увеличивающие поверхность взаимодействия фаз. В случае применения насадки, флегма стекает тонкой пленкой по ее развитой поверхности. В случае применения тарелок, пар в виде множества пузырьков, образующих развитую поверхность контакта, проходит через слой жидкости на тарелке. Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. Для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами используют процесс ректификации, который широко применяется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической, кислородной, пищевой и других отраслях промышленности.

Вступающие в контакт пары и жидкость при ректификации не находятся в равновесии, но в результате контакта фазы стремятся достичь его или приблизиться к этому состоянию. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Контакт пара и жидкости, при котором система достигает состояния равновесия, называется идеальным или теоретическим, а устройство, обеспечивающее такой контакт — теоретической тарелкой.

Вступающие в контакт пары и жидкость при ректификации не находятся в равновесии, но в результате контакта фазы стремятся достичь его или приблизиться к этому состоянию. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Контакт пара и жидкости, при котором система достигает состояния равновесия, называется идеальным или теоретическим, а устройство, обеспечивающее такой контакт — теоретической тарелкой. Для осуществления процесса ректификации температурный режим в колонне должен быть таким, чтобы температура убывала в направлении движения потока паров (возрастала в направлении движения потока жидкости).

При ректификации массообмен протекает в обоих направлениях. Если теплота испарения и теплоемкости разделяемых компонентов различаются незначительно, то массы парового и жидкостного потоков по высоте аппарата изменяются мало.

Очевидно, при многократном повторении таких противоточных контактов на верху аппарата можно получить пары, обогащенные в любой степени низкокипящим компонентом, а снизу отбирать жидкость, обогащенную высококипящим компонентом. Подобное контактирование осуществляется до тех пор, пока пар на верху колонны не приобретает заданного состава по НКК, а жидкость внизу колонны не достигнет состава. Использование повышенных давлений приводит также к уменьшению объема аппаратуры. Если же рассматривать влияние давления на процесс ректификации, при этом относительная летучесть компонентов, как правило, уменьшается и разделение затрудняется.

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

1. Компрессионный метод. Самостоятельное значение он имеет лишь для газобензиновых заводов, на которых из попутного газа компримированием и охлаждением выделяют конденсат (сырой газовый бензин).

Недостатком компрессионного метода является то, что в большинстве случаев он применяется в сочетании с другими методами, самостоятельно практически не используется.

2. Абсорбционный метод широко применяется для извлечения бензина и сжижения газов из природных и попутных газов. При этом методе газы орошают абсорбентом, 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 метода является высокое содержание в абсорбенте несконденсированных углеводородов — метана и этана, что вызывает затруднения при регенерации растворителя.

3. Адсорбционный метод 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 метода является то, что он применим для разделения малокомпонентных смесей и, в случае многокомпонентной смеси будет невысокая степень извлечения отдельных компонентов.

4. Метод 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 метода 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 метод в сочетании с другим, то есть наиболее выгодным будет являться комбинация методов.

Способ — это комбинация методов разделения углеводородов, наиболее подходящий к данной смеси.

• 5. Абсорбционно-ректификационный способ разделения газовых смесей при низких температурах широко распространен для получения индивидуальных углеводородов или концентрированных фракций из газов пиролиза нефтепродуктов. В процессе разделения имеются следующие стадии:
• 1) выделение углеводородов С₅ и выше и попутная частичная осушка газов;

осушка газов твердыми зернистыми поглотителями;

абсорбция углеводородов С₂—С₄ легкими маслами (углеводороды С₄-С₆);

выделение углеводородов из абсорбента и разделение (ректификация) их на фракции или на индивидуальные углеводороды.

К достоинствам абсорбционно-ректификационного способа относятся умеренно низкие температуры и сравнительная простота эксплуатации; к недостаткам — повышенные энергетические затраты, унос абсорбента и необходимость его выделения при пониженных температурах.

6. Конденсационно-ректификационный способ. Сущность этого способа 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. Конденсационно-ректификационный способ разделения углеводородных газовых смесей, являющийся в настоящее время наиболее распространенным, заключается в сжатии газовой смеси до 30—35 атм и охлаждении ее до очень низких температур (от —100 до —110° С).

Преимуществами этого способа являются меньший расход водяного пара и воды, большая чистота этилена, недостатками — сложность компрессорного оборудования, более низкие температуры (основные затраты приходятся на создание низких температур). В связи с этим большое значение имеет эффективность и экономичность применяемых холодильных циклов.

б) выбор и обоснование технологии проектируемого процесса.

Исходные данные: