Практическая работа по дисциплине «Машины и аппараты нефтегазопереработки» для СибГУ

Практическое занятие № 20   Тема практических занятий: Расчёт реакционных аппаратов коксования нефтяных остатков План приктических занятий: Расчет основных параметров аппаратов коксования нефтяных остатков   Процесс коксования осуществляют периодическим, полунепрерыв­ным и непрерывным методами. Периодический метод коксования в коксовых кубах и полунепрерывный — в коксовых керамических печах в настоящее время применяют крайне редко. Чаще всего используют полунепрерывный метод коксования в необогреваемых камерах (замедленное коксование) и непрерывный (коксование кипящем слое коксового теплоносителя). В меньшей степени применяют коксование в подвижном слое гранулированного коксо­вого теплоносителя. Определение выхода продуктов коксования. Существуют раз­личные методы определения выхода продуктов коксования. Так, при замедленном коксовании выход кокса и газа можно подсчи­тать по формулам [1]   Х_к = 2,0 + 1.66К,                                         (20.1)   Х_к+г = 5,5+ 1,76K ,                                         (20.2)   где Х_к — выход кокса, % масс, на сырье; Х_к+г — выход кокса и газа, % масс.; К — коксуемость сырья (по Конрадсону), % масс. Для процесса коксования в кипящем слое эти формулы прини­мают вид   Х_к= 1,5К,                                            (20.3)   Х_к+г = 5,0+1,30К.                                     (20.4)   Нельсон предлагает определять выход кокса по табл. 3, а газа — по формуле   Х_г = Х_к.                                                    (20.5)   Значения а находят по табл. 4; выход бензина принимают рав­ным 15—25% объемн., а остальное приходится на газойль коксо­вания.   Таблица 20.1 – Зависимость выхода кокса в процессе коксования от плотности и коксуемости   Таблица 20.2 – Зависимость выхода газа в процессе коксования от выхода кокса и плотности сырья   Для определения выхода продуктов коксования в кипящем слое коксового теплоносителя предложена следующая методика [2]. Процесс представляется протекающим в две стадии: исходное сырье (А) при коксовании превращается в газ до С₄ включительно (A₁), бензин к. к. — 205 ˚С (А₂), газойль 205—500 °С (А₃) и кокс (А₄) по схеме   А           ,                    (20.6)   где   —выходы продуктов. образовавшийся газойль (А₃) в свою очередь превращается в газ (А₁), бен­зин (А₂) и кокс А₄ по схеме   А₃                  ,                                   (20.7)   где  — выходы продуктов при полном разложении исходного вещества дан­ной реакции (так называемый массовый коэффициент разложения вещества А_i), массовые доли. Сумма выходов продуктов (в массовых долях) равна 1, т. е.   (20.8) (20.9)   Если известен выход газойля, то по следующим уравнениям материальных балансов можно определить выходы газа, бензина и кокса   (20.10)   где gA_i — выход продукта, массовые доли от исходного сырья коксования (А). Значения коэффициентов ν_i, определенные на основе экспериментальных дан­ных, при 500—550 °С для мазутов и гудронов из ромашкинской, арланской и радаевской нефтей следующие: ν₁^/ = 0,074; ν₂^/=0,073; ν₃^/=0,800; ν₄^/=0,053; ν₁^//=0,222; ν₂^//=0,256; ν₄^//= 0,522. Анализ показал, что для различных режимных параметров процесса и типов сырья значения коэффициентов ν₂^’ и ν₃^’, ν₁^” при­близительно постоянны. Остальные четыре коэффициента могут быть найдены по результатам одного эксперимента из уравнений (20.10). Зная величины v,, можно, перейдя к математическому описанию процесса, рассчитать выход продуктов для различных режимов.   Расчет необогреваемых коксовых камер на установках замед­ленного коксования  [3]. 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 [3]. 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%. Более точно высоту вспученной массы можно подсчитать, оп­ределив коэффициент вспучивания по эмпирическим формулам   К_вс = 4,5 + 0,11 (486 — t)                         (20.11) или ,                                   (20.12)   где К_вс — коэффициент вспучивания;       t — температура сырья на входе в камеру, °С; υ_вс — объем вспученной массы, м³; υ_к — объем кокса, образующегося за 1 ч, м³/ч;      h₂ — высота вспученной массы, м;     h_K — приращение высоты коксового слоя, м/ч. Размер и число камер коксования определяют следующим об­разом. Подсчитывают количество образующегося кокса (G_K, т/сут)   ,                                    (20.13)   где Gс — количество сырья, поступающего в камеру, т/сут;  Х_к — выход кокса, % масс. Находят объем образующегося кокса (υ’_K, м³/сут)   ,                                       (20.14)   где ρ_к —плотность коксового слоя, т/м³. Определяют реакционный объем камер (υ_р, м³)   ,                                         (20.15)   где υ_с— объем сырья, поступающего в камеры, м³/ч; w — объемная скорость по­дачи сырья в камеры, ч^-1. Принимают число камер, одновременно включенных на реак­цию. Диаметр должен быть выбран таким, чтобы высота одной камеры была больше него в 4—5 раз. Общее число камер прини­мают удвоенным, так как в одних идет реакция, а из других в это время выгружают кокс. Сечение и диаметр камеры можно определить, если известны объем паров, проходящих через камеру, л допустимая линейная скорость их движения   F=υ_n/u ,                                      (20.16)   где F — сечение камеры, м²;      υ_n — объем паров продуктов коксования и водяного пара, м³/с;      и — допустимая линейная скорость движения паров в камере, м/с. Диаметр камеры определяют по формуле. Подсчитывают высоту цилиндрической части камеры (h_ц, м)   h_ц = υ_n /F.                                       (20.17)   Находят объем кокса, образующегося в 1 ч (υ_K, м³/ч)   υ_к = υ_к^’/24.                                        (20.18)   Определяют приращение высоты коксового слоя в камере за 1 ч (h_к, м/ч) h_K = υ_K/F.                                       (20.19)   Подсчитывают высоту коксового слоя в заполненной коксом камере (h₁, м)   h₁ = h_кτ,                                       (20.20)   где τ — продолжительность заполнения камеры коксом, ч. Определяют высоту вспученной массы в камере (h₂, м)   h₂= К_всh_к.                                     (20.21)   Проверяют общую высоту камеры (H, м)   H=h₁ + h₂.                                        (20.22)   Обычно диаметр и высота камеры коксования соответственно 3,0—6,5 и 22—30 м. Образующийся при замедленном коксовании кокс характеризу­ется следующими показателями: истинная плотность 1,39— 1,42 т/м³; насыпная плотность 0,80—0,96 т/м³; пористость 25— 35%, теплота сгорания 34744 кДж/кг; удельная теплоемкость 1,25 кДж/(кг·К). Чтобы предотвратить закоксовывание труб печи, устанавли­вают скорость движения сырья на входе 2 м/с и более. Кроме то­го, в трубы радианной секции в зону температур 410—425 °С вво­дят турбулизатор — водяной пар под давлением 0,3—0,4 МПа — 1,6—3,0% масс, на загрузку печи. При этом скорость парожидкостной смеси на выходе из печи достигает 30 м/с. Продолжи­тельность пребывания сырья в печи 2 мин [4]. Для определения температуры выхода продуктов из камеры коксования составляют тепловой баланс, принимая: удельную теп­лоемкость сырья и продуктов _ коксования равной 2,5 и 2,9 кДж/(кг·К) соответственно; теплоту реакции 83—170 кДж/кг сырья.   Расчет реактора и коксонагревателя на установках коксования в подвижном слое гранулированного коксового теплоносителя [7, 4—6]. Процесс осуществляют при 510—540 °С и 0,15— 0,3 МПа. Сырье поступает в реактор с температурой 380—410 °С„ Коксовый теплоноситель нагревается в коксонагревателе до 580— 600°С. Средний диаметр частиц кокса 3—12 мм. Каждая части­ца кокса пребывает в реакторе 6—10 мин. Кратность циркуляции коксового теплоносителя 14—1:1, а при форсированном режиме 7:1. Кратность циркуляции коксового теплоносителя мож­но подсчитать по тепловому балансу реактора. Линейная скорость движения частиц кокса 4—8 мм/с. Показатели кокса следующие: насыпная плотность 0,85—1,02 т/м³; кажущаяся плотность 0,9— 1,27 т/м³; истинная плотность 1,40—1,56 т/м³; пористость 10—15%. Сырье подают в реактор с объемной скоростью 0,5—0,7 ч^-1. Удельные нагрузки реактора 0,6 т/ч сырья на 1 м³ реакционного пространства и 6,25 т/ч его на 1 м² поперечного сечения реактора. Скорость паров при входе в коллекторы не превышает 0,5 м/с. Для подогрева коксового теплоносителя в коксонагревателе сжигают либо часть балансового кокса, либо топливо, вводимое извне. Ин­тенсивность сжигания кокса при коэффициенте избытка воздуха α=1,05 и 580—600°С составляет 25 кг/(м³∙ч), при 620 °С— 50 кг/(м³∙ч). Удельная нагрузка коксонагревателя 133—250 кг/ч кокса на 1 м² сечения. Размеры реактора коксования определяют следующим обра­зом. Находят объем реактора (υ_р, м³)   ,                                                (20.23)   где G_c — масса сырья, поступающего в реактор, кг/ч;       w — объемная скорость подачи сырья, ч^-1, ρ_с —плотность сырья, кг/м³. Определяют массу кокса, находящегося единовременно в реак­торе (G_k, кг)   G_K =υ_pρ_нас ,                                                                     (20.24)   где ρ_нас     — насыпная плотность кокса, кг/м³. По тепловому балансу реактора подсчитывают массу циркули­рующего коксового теплоносителя (G_ц.к., кг/ч). Подсчитывают продолжительность пребывания коксовых час­тиц в реакторе (τ, мин)   ,                                            (20.25)   Находят высоту реактора (Н, м)   Н = 60τи,                                                (20.26)   где и — линейная скорость движения коксовых частиц, м/с. Определяют сечение (F, м²)   (20.27)   и диаметр реактора по формуле .   Объем (в м³) и сечение (в м²) реактора можно также опреде­лить по его удельным нагрузкам   v_p = GJg₁,                                         (20.28)   F = GJg_s,                                           (20.29)   где g₁ — удельная нагрузка реактора по сырью на 1 м³ реакционного простран­ства, кг/(м³-ч); g_s — удельная нагрузка реактора по сырью на 1 м² сечения, кг/(м²·ч). Размеры коксонагревателя определяют, исходя из его удель­ных нагрузок по сжигаемому коксу. При составлении теплового баланса реактора и коксонагревателя принимают теплоемкости, в кДж/(кг·К), воздуха, кокса и дымовых газов соответственно 1; 1,25; 1,04.   Расчет реактора на установках коксования в кипящем слое коксового теплоносителя [7]. Этот процесс осуществляют при 510—540 °С и 0,14—0,16 МПа. Диаметр частиц коксового теплоно­сителя 0,02—0,3 мм. Кратность циркуляции кокса 6,5—8,0:1. Про­должительность пребывания коксовых частиц в реакторе 6— 12 мин, в отпарной секции — около 1 мин. Характеристика кокса следующая: насыпная плотность 1,0—1,1 т/м³; кажущаяся плот­ность 1,1 —1,5 т/м³; плотность кипящего слоя 0,45—0,50 т/м³; удель­ная теплоемкость 1,380 кДж/(кг-К); теплота сгорания 32650 кДж/кг. Сырье поступает в реактор предварительно нагретым до 260— 370°С. Массовая скорость подачи загрузки в реактор 0,6— 1,0 кг/(кг-ч). Скорость движения паров в реакторе 0,3—0,5 м/с. Пары, выходящие из реактора, на 65—70% состоят из водяного пара, вводимого под распределительную решетку для создания кипяшего слоя. Длительность пребывания паров над слоем кокса 10—20 с. В отпарную секцию подают водяной пар — 0,2—0,3% на циркулирующий кокс. В коксонагревателе сжигают часть балан­сового кокса для нагрева коксового теплоносителя до 600—620°С. Давление в коксонагревателе над слоем кокса 0,12—0,16 МПа. Продолжительность пребывания коксовых частиц в коксонагрева­теле 6—10 мин. Расход воздуха колеблется от 11 до 12 кг/кг сжи­гаемого кокса. Скорость движения дымовых газов 0,5—0,7 м/с. Интенсивность выжигания кокса 30—40 кг/м³ слоя в 1 ч. Размеры реактора определяют следующим образом. Подсчиты­вают сечение   ,                                              (20.30)   где Vn — объем паров, проходящих через реактор, м³/с;  и — допустимая линейная скорость движения паров в реакторе, м/с. Диаметр подсчитывают по формуле     где V – объем паров, м³/с; и – допустимая линейная скорость движения паров, м/с. Массу циркулирующего кокса (G_ц.к, кг/ч) находят из теплово­го баланса реактора, либо по кратности циркуляции коксового теплоносителя (п)   G_ц.к = G_cп,                                          (20.31)   где G_с — производительность установки по сырью, кг/ч. Определяют массу кокса, находящегося в реакторе (G_к, кг)   ,                                              (20.32)   где τ — продолжительность пребывания кокса в реакторе, мин. Подсчитывают объем кипящего коксового слоя в реакторе (υ_к.с, м³)   υ_к.с = G_к /ρ_к.с ,                                     (20.33)   где ρ_к.с — плотность кипящего слоя, кг/м³. Определяют высоту кипящего слоя (h_к.с, м) и общую высоту реактора (H, м)   h_к.с = υ_к.с/F,                                                   (20.34)   H = h_к.с + h_о.з,                                                 (20.35)   где h_о.з — высота отстойной зоны — принимается равной высоте циклона 4,5— 5,5 м, либо подсчитывается по длительности пребывания паров над кипящим слоем кокса, м. Размеры коксонагревателя определяют так же, как и реак­тора.   Контрольные вопросы   1 Методы осуществления коксования. 2 При какой температуре проводится процесс замедленного коксования? 3 При какой температуре осуществляется процесс коксования в кипящем слое? 4 Как определяется размер коксонагревателя?   Задачи  

• Определить выход продуктов замедленного коксования гудрона (d₄²⁰=0,997), если выход бензина (d₄²⁰ =0,740) 20% объемн.
• Определить выходы продуктов коксования гудрона ромашкинской нефти в кипящем слое кокса, если известно: выход газойля (фр. 205—500 °С) составляет 59% масс; температура процесса 520 °С.
• Определить размеры и число реакционных камер установки замед­ленного коксования мазута (d₄²⁰ = 0,950), если известно: загрузка камер кок­сования G_С = 3740 т/сут; продолжительность заполнения камер коксом τ=22 ч; выход кокса 18,0% масс, на загрузку камер; плотность коксового слоя ρ_к.с = 0,75 т/м3; объемная скорость подачи сырья ω = 0,15 ч~!.
• Определить размеры, число и продолжительность заполнения реакци­онных камер коксом на установке замедленного коксования крекинг-остатка (d₄²⁰ = l,01), если известно: сырье поступает в камеру с температурой 495°С; выход кокса 30,3% масс; производительность установки по сырью G_с = 65 200 кг/ч; коэффициент рециркуляции 0,4; объем паров, проходящих через камеру, υ_п=2,8 м3/с; допустимая линейная скорость движения паров в камере и=0,10 м/с; объемная скорость подачи сырья ω=0,18 ч-1.
• Определить диаметр и высоту реактора установки коксования с под­вижным гранулированным слоем кокса, если известно: производительность установки по сырью G_с = 65 520 кг/ч; объемная скорость подачи сырья ω = 0,5 ч-1; насыпная плотность кокса ρ_нас=800 кг/м³; плотность сырья d ₄²⁰=0,985; скорость движения коксовых частиц в реакторе и=8 мм/с; про­должительность пребывания коксовых частиц в реакторе τ=12 мин.

6  Определить массу кокса, которую необходимо сжечь в коксонагревателе, чтобы нагреть коксовый теплоноситель до 580 °С, если известно: на уста­новке циркулирует 668 300 кг/ч коксового теплоносителя; теоретический рас­ход воздуха 13,15 кг/кг кокса; коэффициент избытка воздуха α=1,05; темпе­ратура поступающего воздуха и коксового теплоносителя соответственно 350 и 480 °С, теплота сгорания кокса Q_р^н=32682 кДж/кг, удельная теплоемкость воздуха 1,0, кокса 1,25 и дымовых газов 1,04 кДж/(кг-К); температура выхо­дящих дымовых газов 580 °С 7 Определить диаметр и высоту реактора (без учета отпарной секции) установки коксования гудрона в кипящем слое кокса, если известно: произво­дительность установки по сырью G_с = 40 000 кг/ч; скорость движения паров над кипящим слоем и=0,5 м/с; кратность циркуляции теплоносителя 7,2; про­должительность пребывания коксовых частиц в реакторе τ=8 мин; плотность кипящего слоя кокса ρ_к.с = 500 кг/м³, объем паров, проходящих через реактор, υ_п= 4,8 м3/с, высота отстойной зоны h_о.з=5,0 м.

• Определить диаметр и высоту коксонагревателя установки коксова­ния в кипящем слое коксового теплоносителя, если известно: объем дымовых газов υ_д.г= 10,6 м³/с, скорость движения дымовых газов (М=30) над кипя­щим слоем и = 0,5 м/с; количество циркулирующего коксового теплоносителя G_ц.к=325000 кг/ч; продолжительность пребывания коксовых частиц в коксонагревателе τ= 8 мин; плотность кипящего слоя ρ_к.с=450 кг/м3; высота от­стойной зоны h_о.з = 4,9 м.