Описание промышленного получения окисленного битума

Общий расход воздуха

Количество  азота

Количество  подаваемого кислорода

Количество  остаточного кислорода в газах  окисления

Количество  израсходованного кислорода

Материальный  баланс колонны (без учёта водяного пара, подаваемого в верхнюю часть  колонны для разбавления газов окисления) сводим в таблице 10

 

 

 

 

Таблица 10

Материальный  баланс окислительной колонны

Показатели	% (масс.)	кг/ч
Взято: Гудрон Воздух	100 12,9	20000 2586
∑	112,9	22586
Получено: Битум Азот Кислород Диоксид углерода Вода Углеводородные  газы Отгон	97,0 10,0 0,6 1,0 1,7 2,0 0,6	19405 1991 129 200 340 400 120
∑	112,9	22586

 

Из теплового  баланса окислительной колонны  определяем температуру сырья на входе.

Приход тепла:

1. С сырьем ,

где с – теплоемкость гудрона, кДж/(кг∙К);

t – температура, °С.

2. Тепло, выделяющееся при окислении гудрона ,

где I – энтальпия окисления гудрона, кДж/кг

Всего приход тепла 9600000 + 10500000 = 20100000 кДж/ч.

Расход тепла:

1. С битумом ,
2. С газами окисления ,
3. Потери тепла в окружающую среду ,

где α – коэффициент  теплоотдачи, принимаем равным 25 кДж/(м²∙ч∙К);

S – теплопередающая поверхность, м²;

t_c – температура на наружной оболочке колонны, °С

t_o - температура окружающей среды, °С.

Всего расход тепла составляет 11304640 кДж/ч.

Температура сырья  на входе в колонну

Рассчитываем  количество и состав побочных продуктов  окисления, выходящих из окисляемого  слоя колонны. Принимаем, что на образование CO₂ расходуется 30% (масс.) кислорода и на образование H₂O 65% (масс.). Количество образующегося CO₂

где и – молекулярные массы CO₂ и O₂ соответственно.

Количество  образующейся воды

где - молекулярная масса воды.

Количество  гудрона, пошедшее на образование CO₂ и H₂O:

Что составляет 0,46% (масс.) от сырья.

Количество  углеводородных газов, образующихся в  процессе, принимаем равным 2 % (масс.), что составит

Жидкие продукты в составе отгона приняты равными 0,54% (масс.) от сырья или

Реакционный объем  равен

Принимаем диаметр  колонны D = 3,4 м. Тогда площадь живого сечения колонны

Высота слоя

В условиях процесса скорость подачи воздуха

Линейная скорость воздуха

Расчетная скорость воздуха  в колонне не превышает допустимых значений, поэтому принятые размеры  колонны можно считать правильными.

 

4. 2 РАСЧЕТ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Трубчатая типа ЦД4 - цилиндрическая с дифференциальным подводом воздуха, вертикальным расположением труб экранов в четырех камерах радиации, настильного сжигания комбинированного топлива.

Комбинированные горелки расположены в поду печи. Оси их наклонены в сторону  отражателя-распределителя, установленного в центре печи. Отражатель изготовлен в виде пирамиды с вогнутыми гранями, представляющими собой настильные стены для факелов горелок каждой камеры радиации. Внутри отражатель разделен на отдельные воздуховоды, количество которых вдвое больше количества граней. Каждый воздуховод оснащен поворотным шибером, управляемым с площадки обслуживания.

В кладке граней отражателя на двух ярусах по высоте граней расположены каналы прямоугольного сечения, которые служат для подвода  вторичного воздуха из воздуховодов к настильному факелу каждой грани. Изменяя подачу воздуха через каналы, можно регулировать степень выгорания топлива в настильном факеле, что позволяет выравнивать теплонапряженность по высоте труб в камере радиации.

На стенах радиации установлены однорядные настенные экраны, а между камерами радиации - двухрядные радиальные экраны двухстороннего облучения.

При изменении тепловой производительности горелок в этих печах эпюра подведенных тепловых потоков практически не меняется, однако в каждой из четырех камер радиации можно поддерживать свои средние допускаемые значения теплонапряженности поверхности труб экрана камеры радиации.

Отвод газов  сгорания - через сборник газов  и дымовую трубу.

Предусмотрено изготовление печей четырех типоразмеров. Принципиальная схема печи конструкции ЦД4 приведена на рис. 3 [8]

 

Рис.3 Трубчатая печь типа ЦД4:

1 - камера  конвекции; 2 - выхлопное окно; 3 - смотровое  окно; 4 - змеевик радиантный; 5 - футеровка; 6 - каркас; 7 - камера для подвода вторичного воздуха; 8 - воздуховод; 9 - футеровка отражателя распределителя; 10-форсунки

 

Рассчитать  ТП для нагрева и частичного испарения  отбензиненной нефти при следующих  исходных данных:

Производительность  по сырью G=20000 т/час с плотностью = 0,9; начальная и конечная температура нагрева Т₁=423 К и Т₂=523 К; давление на выходе из печи Р=0,2 МПа; массовая доля отгона сырья е=0,6; плотность отгона =0,875 и остатка (мазута) =0,95; топливо - газ следующего элементного состава: m_с=0,749, m_н=0.239 и m_о=1,2.

Полезная  тепловая нагрузка печи (Q_пол) складывается из количества тепла, которое надлежит передать продукту в печи для его нагрева, испарения и перегрева паров и тепла, затрачиваемого на химическую реакцию. Наибольшие математические затруднения в расчетах теплового баланса ТП возникают при определении доли отгона (е) от однократного испарения нефтяного сырья при температуре нагрева на выходе из печи (t_k).

Так, в случае нагрева и испарения без химических превращений, полезную тепловую нагрузку печи можно определить по выражению

где G_c - расход продукта, кг/с;

е - массовая доля отгона на выходе из печи;

- соответственно удельные теплосодержания  (энтальпия) продукта на входе в печь, неиспарившейся жидкости и паров на выходе из печи, кДж/кг.

Теплосодержания сырья, отгона и остатка при температурах Т₁ и Т₂ определим по формулам Крэга для жидких потоков и Уэйр-Итона для паров:

,                       .

В результате расчетов  по формулам (2.11) и (2.12) получили:

=530; =262; =817.

Рассчитанные по формуле (2.1) значение Q_пол:

Q_пол = 88·10⁵ кДж/кг=88·10⁶ ·0,2778=2445 кВт.

Теплота сгорания топлива. В ТП дымовые газы выводятся через дымовую трубу при таких температурах, при которых водяные пары, находящиеся в продуктах сгорания, не должны сконденсироваться, следовательно, тепло конденсации водяного пара не используется. Поэтому для практических расчётов процесса горения пользуются низшей теплотворной способностью топлива.

Низшая теплотворная способность топлива может быть рассчитана по формуле Д. И. Менделеева, МДж/кг:

= 33,9·0,749 +103·0,239 +109·0,012 = 44,9 МДж /кг = 44900 кДж /кг,

где m_c, m_H, m_s, m_o, m_вл - соответственно содержание углерода, водорода, серы, кислорода, влаги, масс. доли.

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания одного килограмма топлива, определится как

= (8/3·m_c+8·m_H + m_s - m_o) / 0,232= кг/кг,

где 0,232 - содержание кислорода в воздухе, масс. доля.

Примем коэффициент  избытка воздуха α =1,1.

Тогда фактический  расход воздуха будет равен:

=17·1,1 =18 кг/кг

Массовое количество продуктов горения 1 кг топлива

= 0,749 ·44/12 ≈ 2,75 кг/кг;

= 0,239 ·18/2 = 2,15 кг/кг;

= 17 ·0,232·(1,1-1) = 0,39 кг/кг;

= 17 ·1,1·0,77 = 14,4 кг/кг.

Коэффициент полезного действия ТП и расход топлива

Принимаем температуру  отходящих дымовых газов на 120 °С выше температуры входящего в печь нагреваемого сырья Т_ух=423+120=543 К.

Для расчетов удельной теплоемкости неорганических газов нами предлагается следующая формула (в кДж/(кг·К));

,

где - стандартная теплоемкость при Т=273К;

τ = Т / 273,15.

Ниже приведены  значения  и коэффициентов α₀ и α₁.

i		α0	α1
N2	1,0392	0,06	0
О2	0,9149	0,08	0
СО2	0,8148	0,20	0
Н2О	1,8594	0,05	-0,008

 

При Т_ух = 543 К (τ = 543/273= 1,989) получены следующие результаты расчетов

=0,9349; =1,9035; =0,9666 и =1,0829.

Массовые теплосодержания (кДж/кг) продуктов сгорания 1 кг топлива при Т_ух=543 К за вычетом их теплосодержаний при температуре поступающего в печь воздуха 283 составляет:

= 2,75·0,9349·(543 - 283) =668,4535;

= 2,15·1,9035·(543 - 283) = 1064,0565;

= 0,39·0,9709·(543 - 283) = 98,4493 ;

= 14,4·1,086·(543 - 283) = 4065,984.

= 5897 кДж/кг

Доля тепла, теряемая с уходящими из печи дымовыми газами, составит:

/ = 0,131.

Потери тепла  в окружающую среду  обычно принимают 0,06.

Коэффициент полезного  действия ТП составит:

η = 1-0,06-0,131=0,809

Полная тепловая нагрузка ТП:

= 88·10⁵/0,793 = 110,97·10⁵ кДж/кг = 3083 кВт.

Часовой расход топлива

В=

/ = 110,97·10⁵ / 44906 = 2471,5 кг/ч

Расчет  поверхности радиантных труб

Количества  тепла, передаваемого нагреваемому сырью через радиантную поверхность ТП, можно упрощенно определить по уравнению:

Q_p = Q_полн·0,75 = 0,75·3083 ≈ 2312,25 кВт

Ориентировочно  примем среднюю теплонапряженность радиантных труб q_р=40 кВт/м².

Поверхность радиантных труб:

Н_р= 2312 / 40 = 57,8м².

 

 

 

Выбор типоразмера ТП

Определив ориентировочную  поверхность нагрева радиантных труб, далее по техническим характеристикам, приведённым в табл. 11 или в каталоге «Трубчатые печи» [10], выбирают ближайший (по поверхности нагрева) типоразмер и марку печи.

Таблица 11

Краткая техническая характеристика трубчатых  печей

Тип, qp, кВт/м2	Марка*	Количество  секций	Тепловая мощность, МВт	Тип, qp, кВт/м2	Марка**	Внутренний  диаметр, м	Тепловая мощность, МВт
ГС 29,0	260/6,5	3	14,1	ЦС-1 34,8	16/3	1,8	0,74
	380/9,5	4	20,6		31/4Р	2,1	1,44
	495/12,5	5	26,8		31/4	2.1	1,41
	615/15,5	6	33,3		68/6Р	2,8	3.15
	730/18,0	7	39,5		68/6	2,8	3.15
	645/21,0	8	45,7		80/7	2,8	3,71
	959/24,0	9	51,9		106/7	3,6	4,92
	1600/21		59,2		125/8	3,6	5,80
ГН 40,6	195/6,5	3	10,6		156/10	3.6	7,24
	285/9,5	4	15,4		213/9	5.0	9,90
	375/12,5	5	20,3		280/12	5,0	12,99
	465/15,5	6	25.2		345/15	5,0	16,0
	540/18	7	29,2	СД4 40,6	275/9	5	14,9
	630/21	8	34,1		367/12	4	19,9
	720/24	9	39,0		504/12	6.4	27,3
	900/22,5	7	34,8		630/5	6,4	34,1
ВС 31,3	350/12,5	1	14,61	*Числитель - поверхность нагрева радиантных  труб, м2, знаменатель рабочая длина радиантных труб, м
	700/12,5	2	29,22
	1050/12,5	3	43,85	** Числитель  - поверхность нагрева радиантных  труб, м2; знаменатель внутренний диаметр корпуса, м
	1400/12,5	4	58.46
1 кДж/час=0,2778Вт