Разработка технологического процесса для разделения углеводородной смеси заданного состава

 

           Следовательно, изначально смесь углеводородов находится в жидкой фазе, так как начальная температура 16⁰С смеси ниже критической 77,8 ⁰С.

В качестве основного способа для разделения данной смеси будем использовать ректификационный способ на основе метода ректификации. Это позволит нам получить компоненты смеси практически в чистом виде, что с экономической точки зрения наиболее выгодно для нас.

 

 

 

 

 

 

 

1.  Разработка и обоснование номенклатуры готовой продукции.

 

При поступлении многокомпонентной смеси на заводы, сначала её требуется разделить на фракции и индивидуальные компоненты с помощью газофракционирующих установок, работающих по разным технологическим схемам в зависимости от вида перерабатываемого сырья, ассортимента и качества получаемых продуктов.

При разделении смеси на фракции следует учитывать, каков дальнейший путь переработки этой фракции, кто будет  дальнейшим потребителем, затем уточняем его требования, и какие в дальнейшем продукты будут получены.

Данная смесь углеводородов имеет сложный состав. Разделение этой смеси сразу на отдельные компоненты экономически не выгодно, поэтому необходимо проводить разделение на фракции - группы углеводородов со сходными температурами кипения при заданном давлении. Разделение по фракциям целесообразно проводить в следующем порядке: сначала отделяется самая легколетучая фракция, т. е. метановая, затем менее летучая - этан-этиленовая и т. д. В связи с этим мы получим следующие фракции:

• метан,
• этан-этиленовую (ЭЭФ),
• пропан-пропиленовую (ППФ),
• бутановую,
• пентановую,
• бензольную.

Для нефтехимических синтезов обычно необходимы индивидуальные углеводороды, поэтому получаемые фракции, состоящие из двух и более основных компонентов, дополнительно разделяют на составляющие: ЭЭФ на этановую и этиленовую, а ППФ - на пропановую и пропиленовую.

Приведём состав получаемых углеводородных фракций:

1. Метан

Метан следует выделить с наименьшей примесью этилена, чтобы удовлетворить требования заказчика, тем более что этилен является очень ценным продуктом.

В случае использования метода «ректификация», следует обеспечить режим полной конденсации метана с примесью этилена. Проблема состоит в наличии ограничения - минимально возможная температура конденсации составляет (-94)⁰С. Следовательно, критическая температура МФ не может быть выше этого значения. Для обеспечения гарантированной конденсации следует обеспечить состав МФ, соответствующий критической температуре не более (-87) ⁰С.Такую температуру мы легко сможем обеспечить, так что предполагаем, что выделим метан практически без примеси(около 0,01%).

1) Критическая температура МФ без примеси этилена.

а) 8,1 примем это за 100% для МФ. Так как МФ состоит только из метана, тогда критическая температура МФ этого состава =(-82) ⁰С

При помощи высокого давления и низкой температуры в ректификационной колонне мы можем сконденсировать метан и подать обратно в колонну в виде флегмы, обеспечив меньшие потери этилена.

2) Этан-этиленовая фракция(ЭЭФ) Содержание примеси пропилена 0,20% мол. 

ЭЭФ целесообразно разделить на индивидуальные компоненты:

- этилен

Примесь этана в количестве 0,1% мол.

- этан

Примесь пропилена всей ЭЭФ остается в этане, поэтому здесь он содержится в количестве с = % вес., где 0,2 и 0,56- массовые доли пропилена и этана в ЭЭФ соответственно.

3) Пропан-пропиленовая фракция (ППФ) Содержанием примеси бутилена 0,1% мол., т. к. бутилен является ценным продуктом.

Эту фракцию можно разделить на чистые компоненты:

-  пропилен

Содержание  пропана в количестве 1% мол.

- пропан

Примесь бутилена всей ППФ остается в пропане, поэтому здесь он содержится в количестве с = % вес., где 0,1 и 0,28 - массовые доли бутилена и пропана в ППФ соответственно.

4) Бутановая  фракция, будет использована в производстве бутадиена. Требования, предъявляемые к бутановой фракции (согласно ТУ 0272-026-00151638-99 «Фракция нормального бутана»)

- содержание основного вещества - не менее 97,5% мол

- содержание углеводородов С₅ и выше - не более 1% мол;

- содержание пропана - не более 0,5% мол;

- содержание бутилена - не более 1% мол.

5) Пентановая фракция, Пентан используют как сырье для процесса изомеризации. Требования, предъявляемые к пентановой фракции (согласно ТУ 0272-029-00151638-99 «Фракция нормального пентана»):

- содержание основного вещества - не менее 96,5% мол;

- содержание углеводородов С₄ - не более 0,2% мол;

- содержание циклопентана и углеводородов С₆ и выше - не более 3% мол;

- содержание непредельных углеводородов - не более 0,3% мол.

6) Бензольная фракция с примесью пентана  около 0.1% вес.

Основной компонент -  бензол является товарным продуктом и реализуется потребителю для дальнейшей переработки.

 

:

Таблица 1.3 Номенклатура готовой продукции

№ п/п	Наименование	Параметры на выходе			Направление использования
		Температура, С	Давление, МПа	Состав, % масс
1	Метановая фракция, МФ	30	0,7	Этилен н.б. 0,01	Производство метанола
2	Этановая фракция	15	0,9	Этан н.б. 0,1	производство полиэтилена
3	Этиленовая фракция	30	0,4	пропилен, н.б. 0,2	Полимеризация
4	Пропановая фракция	30	1,8	Н-бутан н.б. 0,35	Пиролиз для получения пропилена
5	Пропиленовая фракция	30	1,7	Пропан, н.б. 0,1	Сырье для синтеза изопропилбензола
6	Бутановая фракция	30	4,8	С5, н.б. 0,1	Производство бутадиена
7	Пентановая фракция	30	4,6	бензол н.б. 0,2	Сырье для получения изопентана, а также применяется в качестве растворителя
8	Бензольная фракция	30	4,7	Пентан н.б.0,1	Добавка к моторному топливу

 

 

2. Разработка и обоснование структурной схемы процесса.

 

Прежде чем разрабатывать структурную схему процесса, следует понять, что же она означает.

«Структурная схема - это постадийное изображение химико - технологического процесса. Каждая стадия ХТП связана с другими материальными потоками и находится во взаимосвязи с другими стадиями». [1]

Любая последующая стадия структурной схемы связана с предыдущей материальным потоком, каждый из которых можно охарактеризовать следующими технологическими параметрами: состав, давление, температура, фазовое состояние.

Сначала необходимо определить первую стадию схемы. Для этого обратимся к заданию. Обратим внимание на то, что исходная смесь углеводородов поступает на переработку с давлением 0,56 МПа. Следовательно, сырьевой поток уже обладает достаточной энергией, чтобы перемещаться по технологической цепочке. Но давления недостаточно для конденсации метана, поэтому исходную смесь мы будем сжимать поршневым насосом до требуемого значения. Экономически целесообразно сначала исходную смесь охладить, поэтому первой стадией назначаем предварительное охлаждение.

 

2.1. Предварительное охлаждение

 

На стадию подается материальный поток №1 - сырье с параметрами:

• состав                                                                                          - по заданию;
• давление, МПа                                                                           -            0,56;
• температура, ⁰С                                                                         -            16;
• фазовое состояние                  -  жидкое

       Целесообразно смесь охладить с использованием холода соответствующих параметров, данного в задании. Выбор хладагента зависит от его стоимости и параметров. Самый дешевый хладагент вода, но на данной стадии ее нельзя применить, т.к. ее параметры выше параметров сырья.

Будем использовать жидкий пропилен (-18) ⁰С, который охладит смесь до (-8) ⁰С. На каждой ступени охлаждения температура материального потока отличается от начальной температуры хладагента на 10 ⁰С, а давление понижается на 0,015 МПа. Таким образом, материальный поток охладится до (-8) ⁰С, а давление его понизится до 0,545 МПа.

     Со стадии отводится  материальный поток №2  с температурой (-8) ⁰С и давлением 0,545 МПа, который направляется на следующую стадию - сжатие.

 

2.2. Сжатие

 

На стадию подается материальный поток №2 - сырье с параметрами:

• состав                                                                                          - по заданию;
• давление, МПа                                                                           -            0,545;
• температура, ⁰С                                                                         -            (-8);
• фазовое состояние                  -  жидкое

Для обеспечения условий конденсации мы должны обеспечить в верхней части колонны параметры ниже критических.

При температуре (- 82) ⁰С критическое давление составляет 4,58 МПа. Тогда при (- 87) ⁰С давление будет 4,32 МПа.

(- 82) ⁰С/(- 87) ⁰С*4,58 МПа=4,32 МПа.

С учётом потери давления от стадии сжатия до стадии выделения метана следует первоначальную смесь сжать до давления выше 4,32 МПа. Примем потери давления от стадии сжатия до деметанизации равными 0,2 МПа. Тогда давление на выходе со стадии сжатия должно быть 4, 5 МПа. Для сжатия жидкости будем использовать поршневой насос.

       Со стадии отводится  материальный поток №3  с температурой 120 ⁰С и давлением 4, 5 МПа, который направляется на следующую стадию - глубокое охлаждение.

 

2.3. Глубокое охлаждение

 

На стадию подается материальный поток №3 - сырье с параметрами:

• состав                                                                                          - по заданию;
• давление, МПа                                                                           -            4,5;
• температура, ⁰С                                                                         -            120;

фазовое состояние                  -  жидкое

  На этой стадии необходимо охладить материальный поток, чтобы его температура соответствовала параметрам питающей секции ректификационной колонны следующей стадии.

Чтобы определить температуру уходящего со стадии материального потока, необходимо знать параметры ректификации, т.е. температуру и давление верха и низа колонны. Температуру верха мы уже определили (-87) ⁰С. Для определения температуры низа необходимо найти критические параметры смеси углеводородов С₂₊ с учетом её мольного состава.

Критическая температура:

t_кр = 0,102 * 283,06 + 0,024 * 305,46 + 0,581 * 364,96 + 0,048 * 369,96 + 0,151 * 417,85 +0,012*469,76+0,001*562,66  = 305,77 К = 62,3 ⁰С.

Критическое давление:

p_{кр =}0,102 * 5,05 + 0,024 * 4,82 + 0,581 * 4,56 + 0,048 * 4,2 + 0,151 * 3,95 + 0,012 * 3,33+0,001*4,86   = 4, 1 МПа.

Давление низа колонны зависит от давления в конденсаторе, которое равно 4,32 МПа. Давление верха колонны выше, чем в конденсаторе, и равно 4,33 МПа. Тогда, с учетом гидравлического сопротивления контактных тарелок,  давление низа колонны равно 4,37 МПа.

Температура низа колонны в этом случае равна 52 ⁰С.

Температура секции питания равна средней температуре между верхом и низом, т.е. минус (-27) ⁰С.

Целесообразно смесь охлаждать хладагентами ступенчато начиная с самого дешевого.

 

1. Оборотной водой с температурой 25 ⁰С охладим до 35 ⁰С
2. Жидким пропиленом 6 ⁰С охладим до 16 ⁰С
3. Жидким пропиленом (-18) ⁰С охладим до (-8) ⁰С
4. Жидким пропиленом (-37) ⁰С до (-27) ⁰С

На каждой ступени охлаждения температура материального потока отличается от начальной температуры хладагента на 10 ⁰С, а давление понижается на 0,015 МПа. Таким образом, материальный поток охладится до (-27) ⁰С, а давление его понизится на 0,06 МПа.

Со стадии отводится  материальный поток №4  с температурой (-27) ⁰С и давлением 4,43 МПа, который направляется на следующую стадию - деметанизация.

 

2.4 Деметанизация.

 

         На стадию подается материальный поток №4 - УВС с параметрами:

• давление, МПа                                                                            -              4,43;
• температура, ⁰С                                                                          -             (-27).

Со стадии уходят два потока:

• поток №5 - МФ с параметрами: t = -87 ⁰С и Р = 4,32 МПа.
• поток №6 - углеводородная смесь, содержащая фракцию С₂+. параметры: t = 52 ⁰С    и Р = 4,37 МПа

Далее материальный поток №6 отправляется на стадию отделения ЭЭФ, т. е. деэтанизацию.

 

5. Деэтанизация.

 

           На стадию подается поток №6 - УВС со стадии деметанизации с параметрами: Р  = 4,37 МПа; t =52⁰C.

На этой стадии из углеводородной смеси отделяется этан-этиленовая фракция.

Для разделения применяется метод ректификации. Основополагающим параметром в этом методе является температура конденсации верхнего продукта.