Проверочный расчет установки пиролиза этана

Этан и этан-сырье поступает четырьмя потоками в змеевики предварительного нагрева конвекционной части, где нагревается до температуры ~ 209°C. Для уменьшения коксообразования и снижения парциального давления углеводородных паров в змеевик конвекционной части, после секций предварительного нагрева этановой фракции, подается пар разбавления в количестве (30-40)% от подаваемого этана с температурой  ~ 195°C и давлением 7,0 кгс/см² (0,70 МПа).

Газообразная смесь пара и этана  с температурой ~ 203°C нагревается в (5-10)-м рядах 4-х поточного горизонтального змеевика конвекционной секции и с температурой ~ 639°C поступает в вертикальный 4-х поточный змеевик секции радиации, где происходит пиролиз этановой фракции при температуре (800-835)°C. При пиролизе – термическом разложении углеводородов, идущем при небольшом давлении и высокой температуре, происходят реакции, которые можно разделить на три основные группы:

1.Реакции деструкции, идущие с образованием непредельных углеводородов.

2.Реакции конденсации и полимеризации, ведущие к смоло- и косообразованию.

3.Реакции прямого молекулярного распада с образованием сажи и водорода.

Целевые реакции относятся к  первой группе:

С₂Н₆  ¾  С₂Н₄ + Н₂                                                                                                                      (3.1)

2С₂Н₆   ¾  С₂Н₄ + 2СН₄                                                                                          (3.2)

Одновременно идут побочные реакции

С₂Н₆  ¾  2С + 3Н₂                                                                                                    (3.3)

С₂Н₆  ¾  СН₄ + Н₂ + С                                                                       (3.4)

2С₂Н₆  ¾  2СН₄ + Н₂ + С₂Н₂                                                              (3.5)

Время пребывания сырья (время контакта) в зоне реакции пирозмеевика составляет (0,4-0,75) сек. Пирогаз с давлением на выходе из печи (1-1,2) кгс/см² (0,1-0,12 МПа) и с температурой до 835°C объединяется на печи П-1_I из 1-го и 2-го потоков в один и поступает в трубное пространство закалочно-испарительного аппарата (ЗИА) Т-2А, а из 3-го и 4-го потоков объединяется в один и поступает в трубное пространство закалочно-испарительного аппарата Т-2Б, расположенных вертикально и конструктивно связанных по межтрубному пространству с сепаратором-паросборником Е-4. В ЗИА Т-2А, Т-2Б в трубном пространстве происходит охлаждение пирогаза до температуры (295-430)ºC с помощью питательной воды подаваемой в межтрубное пространство.

Пирогаз из закалочно-испарительного аппарата печей пиролиза с температурой (295-430)ºC и давлением (0,8-1,2) кгс/см² (0,08-0,12 МПа) по общему коллектору пирогаза поступает в пенный аппарат К-5 водной промывки пирогаза.

На печах пиролиза П-1 образовавшийся насыщенный пар 30 кгс/см² (3,0 МПа) с температурой до 230ºC из Е-4 подается двумя потоками в коллектор пара 30 кгс/см² (3,0 МПа) цеха.

В качестве топливного газа для печей  используется метано-водородная фракция, поступающая из цехов газоразделения с температурой ~ 60ºC. При необходимости топливная сеть общества подпитывается этаном или природным газом, поступающим из ГРС-2 через ГРП. При падении давления топливного газа ниже 1,5 кгс/см² (0,15 МПа), во избежание создания загазованности в топке печи из-за потухания горелок, предусмотрена блокировка по отсечению линии топгаза двумя клапанами, а между двумя клапанами давление топгаза сбрасывается на факел через клапан.

 

3.2 Узел водной промывки пирогаза

 

Охлаждение и промывка пирогаза от смолы, кокса производится в три  стадии:

А) охлаждение пирогаза в охладительной камере аппарата К-5 до температуры (100-120)ºC водой первой циркуляционной системы;

Б) промывка и охлаждение пирогаза водой первой циркуляционной системы  в пенном аппарате К-5 до температуры ~ 75ºC;

В) промывка и охлаждение пирогаза водой второй циркуляционной системы в циклонном промывателе К-6 до температуры ~ 60ºC с подачей легкой пиролизной смолы в смесительную трубу в количестве 1м³/час.

Пирогаз из закалочно-испарительных  аппаратов Т-2 при давлении (0,8-1,2) кгс/см² (0,08-0,12 МПа) и температуре не более 430ºC поступает в охладительную камеру пенного аппарата К-5, где охлаждается водой первой циркуляционной системы до температуры ~ 120ºC и поступает в насадочную часть пенного аппарата К-5. На насадке из уголков пирогаз промывается от кокса и твердых частиц циркуляционной водой, стекающей с тарелок и поступает в тарельчатую часть пенного аппарата. На шести ситчатых тарелках пенного аппарата К-5 пирогаз последовательно промывается циркуляционной водой, поступающей на каждую тарелку.

При расчетном соотношении скоростей газа и воды на ситчатых тарелках создается слой подвижной пены, обладающей динамической устойчивостью, благодаря чему обеспечивается хороший контакт фаз, необходимый, как для процесса теплообмена, так и для извлечения из пирогаза конденсирующихся тяжелых углеводородов и кокса.

Пирогаз, охлажденный до температуры ~ 75ºC и промытый от легкой, тяжелой смолы и кокса проходит через каплеотбойник пенного аппарата, где охлаждается от мельчайших частиц жидкости и поступает в смесительную трубу циклонного промывателя К-6. В смесительной трубе в пирогаз впрыскивается циркуляционная вода и легкая смола пиролиза, конденсирующаяся в емкости Е-10, Е-11. После интенсивного перемешивания поток газа, воды и смолы поступает в промыватель К-6. Легкая смола в смесительную трубу подается для абсорбции нафталина и его гомологов, могущих выпадать в виде кристаллов при дальнейшем захолаживании пирогаза. В промывателе К-6 происходит дополнительная промывка пирогаза водой второй циркуляционной системы, поступающей через форсунки аппарата. Вода в аппарате стекает вниз, унося сконденсированные углеводороды, а пирогаз проходит через сепарирующее устройство, в котором отделяется капельная влага, уносимая из промывателя.

Пирогаз, охлажденный до температуры ~ 60ºC и промытый от смолы и кокса, из циклонного промывателя К-6 поступает в турбокомпрессор В-3

Для промывки пирогаза от смолы и  кокса в аппаратах К-5 и К-6 имеются  две самостоятельные системы циркуляционной воды.

Вода первой циркуляционной системы  снизу пенного аппарата К-5 с температурой ~ 80ºC последовательно самотеком поступает в отстойник Е-10, где отделяется от кокса, тяжелой и легкой смолы.

Процесс отстаивания происходит за счет разности удельных весов легкой смолы, воды, тяжелой смолы и кокса.В нижней части отстойников накапливается тяжелая смола с коксом, которая собирается в стаканах и периодически передавливается в емкость тяжелой смолы Е-13 или в автоцистерну.

Легкая смола собирается в карманах, расположенных в верхней части  отстойника Е-10, стекает в емкость легкой смолы Е-12.

Отстоявшаяся от смолы и кокса  циркуляционная вода из отстойника Е-10 забирается насосом Н-10 и подается в воздушные холодильники Т-5 и  водяной холодильник Т-10, где охлаждается до температуры ~ 40ºC. Циркуляционная вода из воздушных холодильников Т-5 и водяного холодильника Т-10 поступает в охладительную камеру и на ситчатые тарелки пенного аппарата К-5.

Избыток циркуляционной воды, которая  образуется за счет конденсации пара, поступающего вместе с пирогазом, выводится с нагнетания насоса Н-10 по двум линиям через регулирующий клапан.

Вода, смола второй циркуляционной системы из циклонного промывателя  К-6 самотеком поступает в отстойник Е-11. В отстойнике Е-11 циркуляционная вода отстаивается от кокса, тяжелой смолы и легкой смолы.

Отсеявшаяся циркуляционная вода из отстойника Е-11 забирается насосом Н-11 и прокачивается через воздушный холодильник Т-6, где охлаждается до температуры ~ 40ºC, а затем поступает в смесительную трубу и в форсунки циклонного промывателя.

Избыток воды из системы отбирается с нагнетания насоса Н-11, через регулирующий клапан.

Легкая смола собирается в кармане  отстойника Е-11 и самотеком поступает  в емкость легкой смолы Е-12.

Тяжелая смола накапливается в стаканах отстойника Е-11 и периодически передавливается в емкость тяжелой смолы Е-13 или автоцистерну.

Легкая  пиролизная смола из первой и второй циркуляционных систем воды поступает  в емкость Е-12, где дополнительно  отстаивается от воды и насосом Н-12 подается в циркуляционный промыватель  К-6 для промывки пирогаза от нафталина.

 

3.3 Узел щелочной очистки пирогаза

 

Щелочная очистка пирогаза от СО₂, Н₂S с последующей отмывкой водой от остатков щелочи производится в колоннах К-7 и К-8. Колонна К-7 состоит из двух секций, разделенных по жидкости глухой тарелкой. В каждой секции имеется два слоя насадки из стали Х08ПС с размером элемента 70х40 типа Инжехим-2000.

Колонна К-8 также состоит из двух секций, разделенных по жидкости глухой тарелкой.В каждой секции имеется два слоя насадки из металлических колец Рашига 50х50 и 25х50

Пирогаз после турбокомпрессора В-3 при давлении (38-40) кгс/см² (3,8-4,0 МПа) и температуре (20-50)ºC поступает в нижнюю секцию колонны К-7, в верхнюю секцию которой насосами Н-17 из куба колонны К-8 подается (5-8)% раствор щелочи.

Химизм процесса описывается следующими реакциями:

NaOH+CO₂=NaHCO₃

NaHCO₃+NaOH=Na₂CO₃+H₂O

2NaOH+H₂S=Na₂S+2H₂O

в нижней и верхней секциях колонны  К-7 раствор щелочи подвергается циркуляции. Циркуляция в нижней секции осуществляется насосами Н-15, в верхней – насосами Н-14. Избыток щелочи из верхней секции через переливную трубу глухой тарелки сливается в нижнюю секцию.

Сернисто-щелочные стоки из куба колонны  К-7 через регулятор уровня направляется в емкость-дегазатор Е-18, из которой при давлении (2-4) кгс/см² (0,2-0,4 МПа) через холодильник Т-11 и регулятор уровня поступают на очистные сооружения предприятия.

Пирогаз из колонны К-7 поступает  в нижнюю секцию колонны К-8.

В верхнюю часть нижней секции колонны К-8 насосами Н-20 из емкостей Е-16 подается свежий 10% раствор щелочи, который подвергается циркуляции насосами Н-17А/Б.

Избыток раствора щелочи (5-8)%-ой концентрации с нагнетания насосов Н-17 направляется в верхнюю секцию колонны К-7.

Для отмывки пирогаза от капельной  щелочи в верхнюю секцию колонны К-8 насосами Н-19 из емкости Е-17 подается химочищенная промывная вода. Избыток промывной воды из верхней секции колонны К-8 через регулятор уровня направляется в емкость-дегазатор Е-18.

Химочищенная вода принимается  по трубопроводу из корпуса 0775 через  водяной холодильник Т-12 в  емкость Е-17.

10%-ный раствор щелочи принимается  по трубопроводу из цеха 0401 в  емкость Е-16.

Щелочь из емкости Е-16 поступает на всас насосов Н-20.

Емкости Е-16 через воздушку соединены  с атмосферой.

Очищенный от СО₂ и Н₂S и отмытый от капельной щелочи пирогаз из верхней секции колонны К-8 направляется в холодильник Т-16 установки осушки пирогаза.

 

 3.4 Узел осушки пирогаза

 

Пирогаз поступает на осушку после  щелочной очистки.

Предварительно пирогаз поступает  в холодильник Т-16, где охлаждается  до температуры (18-20)ºC пропиленом-хладоагентом, кипящим в межтрубном пространстве аппарата при температуре +6ºC (Р=6,3 кгс/см² (0,63 МПа), затем пирогаз поступает в сепаратор Е-24, где сепарируется от влаги, выпадающей при его охлаждении.

Охлажденный пирогаз проходит последовательно два адсорбера К-9, заполненные синтетическим цеолитом.

Всего для осушки газа установлено  три адсорбера, из которых два  работают в цикле осушки, а третий находится на регенерации.

Время полного насыщения адсорберов – 48 часов. Через 24 часа адсорберы переключаются таким образом, что ранее второй по ходу газа адсорбер становится первым, первый переводится на регенерацию, а третий отрегенерированный становится вторым по ходу газа.

Осушенный пирогаз из адсорберов К-9 поступает  на газофракционирование.

 

 

 

 

4   Технико - технологические расчеты

 

4.1 Расчет материального  баланса печи

 

Для расчета материального баланса  печи имеем следующие исходные данные:

- Сырье – этановая фракция, оттого, что рецикл составляет не более 5%, поэтому в расчетах используем этановую фракцию, который приведен в таблице 4.1

- Календарное время работы установки                                 365 дней

- Время на текущий и капитальный ремонт                          48 дней

- Эффективный фонд рабочего времени установки              317 дней   

- Производительность по этилену                                           100000 т/год

- Степень конверсии исходного сырья                                    60%

- Массовое соотношение водяной пар: сырье                         0,4       

- Потери этилена                                                                         5% масс.

Таблица 4.1- Состав этановой фракции

Компонент	М	% масс.
СН4	16	1,978
С2Н6	30	95,0
С3Н8	44	3,0
СО2	44	0,02
Н2S	34	0,002
Итого		100

 

Рассчитаем часовую производительность установки в расчете на 100% этилен:                 (100 000*1000)/7608=13144,1 кг/ч.

Учитывая потери этилена, часовая  производительность составит 13801,3 кг/ч или 13801,26/28=492,90 кмоль/ч.

Определяем расход этана в этановой фракции при степени конверсии, равной 60%:

492,902/0,60=821,50 кмоль/ч или 821,50*30=24645 кг/ч =>

Общий расход этановой фракции составит

24645 /0,95=25942,10 кг/ч

Из общего расхода этановой фракции  найдем компонентный состав сырья и  сведем в таблицу 4.2