Моделирование процесса периодической ректификации легких углеводородов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2014. № 4 (44)

УДК 66.02

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ ЛЕГКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Д.А. Крючков, С.В. Иваняков

Самарский государственный технический университет Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Рассмотрены вопросы разделения смеси легких углеводородов на фракции. В качестве процесса разделения использована периодическая ректификация. Представлена технологическая схема процесса и ее описание. Рассмотрены два варианта режима работы установки: однократная и двукратная периодическая ректификация. Для каждого варианта определены временные режимы работы установки. В результате моделирования работы ректификационной колонны получены количества и компонентные составы продуктов разделения. Определены преимущества варианта с двукратной периодической ректификацией. Предложена конструкция ректификационной колонны, оснащенной насадкой АВР.

Ключевые слова: периодическая ректификация, легкие углеводороды, нефтяной растворитель.

В данной работе рассмотрено получение фракции нефрас П1-55/61 из фракции 55-68 [1, 2]. Этот процесс осложнялся тем, что целевая фракция должна была быть очищена от бензола до уровня 10 ppm. Одним из возможных способов получения целевой фракции является процесс периодической ректификации.

В данном процессе используется только одна ректификационная колонна, а продукты разделяются по времени выкипания. Технологическая схема представлена на рис. 1.

Исходным сырьем установки является бензиновая фракция 55-68 оС, компонентный состав которой представлен в табл. 1.

В работе рассмотрены два варианта проведения периодического процесса:

- вариант 1 - однократная периодическая ректификация;

- вариант 2 - двукратная периодическая ректификация. Рассмотрим эти варианты подробнее.

Вариант 1 - однократная периодическая ректификация. В начале процесса исходная фракция закачивается в ребойлер периодически работающей колонны К-101. Здесь происходит испарение жидкости за счет ее нагрева теплоносителем. Пары с верха колонны проходят через воздушный конденсатор ХВ-101, после чего поступают в сепаратор Е-101. Жидкость из сепаратора забирается насосом Н-101 и подается на орошение колонны. В определенный промежуток времени данная жидкость по своим составу и свойствам соответствует целевой фракции. В этот период часть жидкости после насоса Н-101 отбирается и отправляется в товарный парк.

Дмитрий Александрович Крючков (к.т.н.), доцент кафедры «Машины и аппараты химических производств».

Сергей Викторович Иваняков (к.т.н.), доцент кафедры «Машины и аппараты химических производств».

К-101

Н-102/1,2

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема блока периодической ректификации производства углеводородных растворителей

Таблица 1

Компонентный состав бензиновой фракции 55-68 оС

Компонент % массовый

Пентан 0,006175

2,2-Диметилбутан 0,534083

Циклопентан 0,204559

2,3 -Диметилбутан 13,264627

2-Метилпентан 64,997803

3-Метилпентан 19,959433

Гексан 0,860672

Метилциклопентан 0,039403

Бензол 0,133254

В результате моделирования процесса периодической ректификации установлен следующий временной режим работы:

1. В течение первых 6 час проводится выход колонны на режим. При этом отбора целевой фракции не происходит, а вся жидкость с насоса Н-101 подается на орошение колонны.

2. В течение последующих 18 час проводится отбор целевой фракции нефрас П1-55/61.

После окончания отбора целевой фракции процесс периодической ректификации прекращается. Остаток жидкости из ребойлера колонны откачивается насосом Н-102, охлаждается в воздушном холодильнике ХВ-102 и смешивается с фракцией нефрас 63-75.

Компонентный состав полученных продуктов при однократной периодической ректификации представлен в табл. 2.

Вариант 2 - двукратная периодическая ректификация. В этом варианте для выделения целевой фракции процесс периодической ректификации проводится дважды. Технологическая схема процесса такая же, как и в варианте 1.

В начале процесса исходная фракция закачивается в ребойлер периодически работающей колонны К-101. Через определенный промежуток времени после начала процесса жидкость, подаваемая на орошение, представляет собой петро-лейный эфир. В этот период времени часть жидкости после насоса Н-101 отбирается и смешивается с верхним продуктом колонны К-4. После отгона петролей-ного эфира начинается отбор промежуточного дистиллята, содержащего целевую фракцию.

Таблица 2

Компонентные составы полученных продуктов при однократной периодической ректификации

Компонент % массовый

Нефрас П1-55/61 Кубовый остаток

Пентан 0,035460 0,001415

2,2-Диметилбутан 2,958777 0,139251

Циклопентан 1,164470 0,048319

2,3-Диметилбутан 29,118183 10,683543

2-Метилпентан 64,315491 65,108887

3-Метилпентан 2,404739 22,817484

Гексан 0,001468 1,000555

Метилциклопентан 0,000021 0,045815

Бензол 0,001393 0,154722

В результате моделирования процесса периодической ректификации [3, 4] установлен следующий временной режим работы:

1. В течение первых 6 час проводится выход колонны на режим. При этом отбора фракций не происходит, а вся жидкость с насоса Н-101 подается на орошение колонны.

2. В течение последующих 14 час проводится отбор легкой части, которая смешивается с петролейным эфиром.

3. В течение последующих 10 час отбирается промежуточный дистиллят.

После окончания отбора промежуточного дистиллята первый этап процесса

периодической ректификации прекращается. Остаток жидкости из ребойлера колонны откачивается насосом Н-102, охлаждается в воздушном холодильнике ХВ-102 и смешивается с фракцией нефрас 63-75.

В начале второго этапа промежуточный дистиллят закачивается в ребойлер периодически работающей колонны К-101. Через определенный промежуток времени после начала процесса жидкость, подаваемая на орошение, представляет собой целевую фракцию. В этот период времени часть жидкости после насоса Н-101 отбирается и отправляется в товарный парк.

В результате моделирования процесса периодической ректификации установлен следующий временной режим работы:

1. В течение первых 2 час проводится выход колонны на режим. При этом отбора фракций не происходит, а вся жидкость с насоса Н-101 подается на орошение колонны.

2. В течение последующих 14 час проводится отбор целевой фракции нефрас П1-55/61.

После окончания отбора целевой фракции второй этап процесса периодической ректификации прекращается. Остаток жидкости из ребойлера колонны откачивается насосом Н-102, охлаждается в воздушном холодильнике ХВ-102 и смешивается с фракцией нефрас 63-75.

Компонентные составы полученных продуктов при двукратной периодической ректификации представлены табл. 3.

Таблица 3

Компонентные составы полученных продуктов при двукратной периодической

ректификации

Компонент % массовый

Легкая часть Нефрас П1-55/61 Кубовый остаток

Пентан 0,023217 0,001629 0,000147

2,2-Диметилбутан 1,959666 0,170586 0,015785

Циклопентан 0,765029 0,056248 0,005102

2,3-Диметилбутан 26,321558 15,229039 4,358237

2-Метилпентан 68,091164 78,933159 52,304184

3-Метилпентан 2,835892 5,608250 40,891430

Гексан 0,001739 0,000298 2,021035

Метилциклопентан 0,000024 0,000001 0,092567

Бензол 0,001712 0,000784 0,311516

Таблица 4

Расчетный материальный баланс периодической ректификации при однократной и двукратной перегонке

Наименование Однократная перегонка Двукратная перегонка

Количество Количество

кг % массовый на сырье кг % массовый на сырье

Взято:

Фракция 55/68 2500 100 2500 100

Итого: 2500 100 2500 100

Получено:

Легкая часть 0 0 600 24

Нефрас П1-55/61 350 14 836 33,44

Кубовый остаток 2150 86 1064 42,56

Итого: 2500 100 2500 100

В табл. 4 представлен расчетный материальный баланс периодической ректификации при однократной и двукратной перегонке, составленный из расчета разовой загрузки в 2500 кг. Балансы рассчитаны без учета нормативных (0,5 %) потерь сырья и готовой продукции.

Из полученных результатов следует, что при двукратной перегонке получается в 2,4 раза больше целевого продукта с более четким началом кипения при увеличении времени процесса только в 1,9 раза (с 24 до 46 час), что позволяет говорить о целесообразности использования метода двукратной периодической ректификации.

В результате проведенных исследований был разработан колонный аппарат для проведения процесса периодической ректификации (рис. 2).

I

ж

I

Оч §

<N1

§ N

й <\|

жидкости

Рис. 2. Колонный аппарат блока периодической ректификации производства углеводородных растворителей

Данная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический царго-вый аппарат, установленный на испаритель с паровым пространством. Общая высота аппарата составляет 29920 мм. Диаметр царговой части 400 мм. Колонна состоит из 11 царг, оснащенных насадкой АВР 60х60-р и устройствами сбора и перераспределения жидкости [5].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Стекольщиков М.Н. Углеводородные растворители. Свойства, производство, применение: Справочник. - М.: Химия, 1986. - 120 с.

2. Александров И.А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. - М.: Химия, 1981. -352 с.

3. Гуревич Г.Р., Брусиловский А.И. Справочное пособие по расчету фазового равновесия и свойств газоконденсатных смесей. - М.: Недра, 1984. - 264 с.

4. Уэйлес С.М. Фазовые равновесия в химической технологии. - М.: Мир, 1989. - Ч. 1. -301 с.

5. Григорян Л.Г. Гидродинамика, массо- и теплообмен при взаимодействии жидкости и газа на вертикальных контактных решетках колонных аппаратов: Дис. ... докт. техн. наук: 05.17.08. - Л., 1986. - 333 с.

Статья поступила в редакцию 25 сентября 2014 г.

MODELING THE PROCESS OF PERIODICAL RECTIFICATION OF LIGHT HYDROCARBONS

D.A. Kryuchkov, S.V. Ivanyakov

Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

The paper deals with the issues of breaking the mixtures of the light hydrocarbons into fractions. The periodical rectification is used as fractionation process. The process flowsheet and its description are presented. Two types of the unit operation are considered: one-time and two-times periodical rectification. Time conditions are determined for each type. As the result of modeling the rectification column operation, volumes and compositions of fractionalization products are obtained. The advantages of two-times periodical rectification are defined. The design of rectification column equipped with automatic transfer switch is proposed.

Keywords: periodical rectification, light hydrocarbons, oil solvent.

Dmitriy A. Kryuchkov (Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. Sergey V. Ivanyakov (Ph.D. (Techn.)), Associate Professor.