CC BY
99
УДК 66.011
Н. В. Ибушева, Э. Р. Галеев, В. В. Елизаров, В. И. Елизаров
ОБСЛЕДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ а-БУТИЛЕН-ИЗОБУТИЛЕНОВОЙ ФРАКЦИИ
Ключевые слова: экстрактивная ректификация, математическое моделирование, бутилен-изобутиленовая фракция, бутан-бутиленовая фракция, изобутилен-бутиленовая фракция, модернизация.
По данным промышленной эксплуатации проведено моделирование установки экстрактивной ректификации цеха №1415 завода ДБиУВС ОАО «Нижнекамскнефтехим». С помощью программных средств разработана компьютерная модель процесса. Рассчитаны материальный и энергетический балансы установки. В соответствии с требованиями технического задания выявлены технологические аппараты, конструктивные параметры которых не позволяют увеличить производительность установки до 32 т/ч по бутилен-изобутиленовой и бутан-бутиленовой фракциям, а также 15 т/ч изобутилен-бутиленовой фракции. Разработаны предложения по модернизации технологического оборудования установки.
Keywords: extractive rectification, mathematical modeling, butylene- isobutylene fraction, butane-butylene fraction, isobutylene-
butylene fraction, modernization.
According to the commercial operation plant №1415 Nizhnekamskneftekhim the simulation setup extractive distillation obtained. With software tools developed a computer model of the process. Calculated material and energy balances. In accordance with the requirements of technical specifications identified technological devices, the design parameters that do not allow to increase plant capacity up to 32 t/ h of butylenes-isobutylene and butane-butylene fractions, 15 t/h of isobutylene-butylene fraction. The proposals for the modernization of technological equipment installation.
Постановка задачи
Обследуемая установка предназначена для разделения углеводородных фракций С4 методом экстрактивной ректификации с ацетонитрилом. В состав установки (рис. 1) входят:
- узел экстрактивной ректификации бутилен-изобутиленовой (БИФ), бутан-бутиленовой (ББФ) фракций и десорбции растворителя (узел I);
- узел отмывки углеводородов от растворителя и концентрирования растворителя из промывных вод (узел II);
- узел ректификации изобутилен-бутиленовая фракции (ИБФ) (узел III).
УЗЕЛ I_________} \_____________У_3_ЕЛ_|1_____________} V____УЗЕЛ Ё_
Рис. 1 - Принципиальная схема установки: Кт-250, Кт-420, Кт-430, Кт-470 - ректификационные колонны; Кт-350 Кт-462 - экстрактивные колонны
Основанием для обследования является необходимость увеличения на выходе установки а-бутилен-изобутиленовой фракции (а-БИФ), используемой в производстве бутилкаучука.
В соответствии с требованиями технического задания необходимо рассчитать технологическое оборудование установки при нагрузке по БИФ, ББФ 32 т/ч и ИБФ 15 т/ч. Выявить аппараты, препятствующие повышению нагрузке.
Разработать рекомендации по модернизации оборудования с целью обеспечения необходимой производительности при ограничениях по качеству продукции:
Бутан- содержание, % масс.:
изобутановая - изобутан 28.0
фракция - н-бутан 70.0
- сумма бутиленов 2.0
- углеводороды С5 и выше, не более 0.1
а-БИФ содержание, % масс.:
- сумма углеводородов С3 , не более 1.0
- изобутилен 50.0
- углеводороды С5 и выше, не более 0.3
- дивинил, не более 0.4
Кубовый содержание, % масс.:
остаток - изобутилен, не более 3.6
Кт-250 - н-бутан 55.3
- сумма бутиленов 40.3
- углеводороды С5 и выше, не более 0.1
Исходные данные: режимные параметры, необходимые для идентификации математических моделей, конструктивные параметры действующей установки, составы сырьевых потоков.
Компонент
Пропан
Пропилен
Изобутан
н-Бутан
а-Бутилен
Транс-бутилен
Цис-бутилен
Изобутилен
н-Пентан
Дивинил
Итого
Пропан Пропилен Изобутан н-Бутан
Состав и расход ББФ
% масс. кг/ч
0.0600 12.10
0.0700 14.12
8.4000 1694.11
25.3400 5110.57
16.5100 3329.74
12.2100 2462.51
8.0700 1627.56
28.8800 5824.52
0.1700 34.29
0.2900 58.49
100.0000 20168.00
Состав и расход БИФ
0.0200 2.37
0.0000 0.00
31.3600 3710.52
12.3400 1460.07
а-Бутилен 13.2200 1564.19
Транс-бутилен 16.5800 1961.75
Цис-бутилен 11.2100 1326.37
Изобутилен 14.3900 1702.62
н-Пентан 0.4100 48.51
Дивинил 0.4700 55.61
Итого 100.0000 11832.00
Состав и расход ИБФ
Пропан 0.0101 1.51
Пропилен 0.4729 70.94
Изобутан 0.9660 144.90
н-Бутан 5.3129 796.94
а-Бутилен 21.1813 3177.20
Транс-бутилен 25.4780 3821.69
Цис-бутилен 19.0783 2861.74
Изобутилен 27.4200 4113.00
н-Пентан 0.0805 12.07
Итого 100.0000 15000.00
Решение задачи проводилось методами математического моделирования. Математические модели технологического оборудования включают уравнения равновесия, материального и теплового балансов, теплоотдачи и теплопередачи, а также уравнения гидравлического расчета [1-7]. При разработке моделей были использованы пакеты проектирования химико-технологических процессов и средства программирования. Адекватность моделей подтверждена промышленными данными.
Расчет материального и энергетического балансов установки
Материальный баланс составлен на основе норм технологического регламента, энергетический-рассчитан для теплообменного оборудования. Рассмотрены энергоносители: вода для охлаждения и конденсации паров; греющий пар давлением 3 и 8 атм., а также паровой конденсат, используемые для обогрева ректификационных колонн (табл. 1).
Таблица 1 - Материальный и энергетический балансы
Материальный баланс колонн Кт-420, Кт-430
Расход БИФ 20.17 т/ч
Расход ББФ 11.83 т/ч
Соотношение растворитель/углеводороды 8.91
Расход растворителя 285.00 т/ч
Расход растворителя из Кт-470 3.23 т/ч
Материальный баланс экстрактивной колонны Кт-350
Расход смеси бутан-изобутана и растворителя 12.35 т/ч
Соотношение фузельная вода/углеводороды 1.39
Расход фузельной воды 17.20 т/ч
Расход бутан-изобутановой фракции 11.88 т/ч
Материальный баланс экстрактивной колонны Кт-462
Смесь бутилен-изобутилена и растворителя 22.80 т/ч
Соотношение фузельная вода/углеводороды 0.96
Расход фузельной воды 22.00 т/ч
Расход БИФ 20.00 т/ч
Материальный баланс колонны Кт-470
Расход смеси растворителя и фузельной воды 42.47 т/ч
Расход растворителя на выходе колонны 3.45 т/ч
Расход фузельной воды на выходе колонны 39.02 т/ч
Материальный баланс колонны Кт-250
Расход БИФ 20.00 т/ч
Расход ИБФ 15.00 т/ч
Расход а-БИФ 21.52 т/ч
Расход кубового остатка 13.48 т/ч
Энергетический баланс узла I
Расход воды 483.00 т/ч 11592.00 т/сутки
Расход греющего пара 8 атм. 18.52 т/ч 444.48 т/сутки
Энергетический баланс узла II
Расход воды 186.83 т/ч 4483.92 т/сутки
Расход греющего пара 3 атм. 6.27 т/ч 150.48 т/сутки
Паровой конденсат 130.00 т/ч 3120.00 т/сутки
Энергетический баланс узла III
Расход воды 934.00 т/ч 22416.00 т/сутки
Расход греющего пара 3 атм. 24.56 т/ч 589.44 т/сутки
Паровой конденсат 71.59 т/ч 1718.16 т/сутки
Итого на переработку БИФ, ББФ, ИБФ
Расход воды 1603.83 т/ч 38491.92 т/сутки
Расход греющего пара 3 атм. 30.83 т/ч 739.92 т/сутки
Расход греющего пара 8 атм. 18.52 т/ч 444.48 т/сутки
Паровой конденсат 201.59 т/ч 4838.16 т/сутки
Анализ узла экстрактивной ректификации БИФ, ББФ и десорбции растворителя
Принципиальная технологическая схема узла I приведена на рис. 2.
растворитель, 4 - -концентрированный растворитель, 5 - бутан-изобутановая фракция с примесью растворителя, 6 - куб Кт-4201, 7 - пары углеводородов, 8 - БИФ с примесью растворителя
Расчет узла I выявил наличие двух «узких мест» (табл. 2):
1) в силу недостаточной площади теплопередачи испарители Т-4261, Т-4262 не обеспечивают подвод тепла в колонну Кт-4202;
2) производительность насоса Н-4241 не достаточна для перекачки жидкости из куба колонны Кт-4201 в колонну Кт-4202.
Таблица 2 - Технологический режим узла I
Колонная аппаратура
Параметр Кт-4201 Кт-4202 Кт-430
1 2 3
Нагрузка по сырью Текущ Треб. Текущ Треб. Текущ Треб.
Расход БИФ, т/ч 15.00 20.17 - - - -
Расход ББФ, т/ч 8.80 11.83 - - - -
Цирк. ацет-л, т/ч 206.0 285.0 - - - -
Ацет. из Кт-470, т/ч 3.23 3.23 - - - -
Расход флегмы, т/ч 55.23 74.10 - - - -
Флегмовое число 6.00 6.00 - - - -
Бутан-изобутан. фр. с верха Кт-4201, т/ч 9.21 12.35 - - - -
БИФ из Кт-430, т/ч - - - - - 22.80
Ацет. в Т-426, т/ч - - 309.7 420.3 - -
Ацет. из Т-426, т/ч - - - - 309.7 420.3
Куб. остаток, т/ч - - - - 206.0 285.1
Темп. верха, °С 43.39 44.97 - - 67.00 68.00
Темп. куба, °С - - 60.44 60.5 135.3 137.3
Давление, атм 5.08 5.15 - - - -
Теплообменное оборудование
Параметр Т-401 Т-401 а Т-4191 Т-4192
Пасп Треб Пасп Треб Пасп Треб Пасп Треб
Тепл. нагруз., МВт - 0.36 - 0.19 2.2 - 0.94
Площ. тепл-чи, м2 318 54 68 19 1018 1005 758 756
Расход воды, т/ч 41.8 - 15.7
Нагр. смесь, т/ч - 20.2 - 11.8 - - - -
Охлажд. смесь, т/ч - 185 - 99.7 - 199 - 85.5
Окончание табл.2
1 2 \ 3 \ 4
Параметр Т-421 Т-4261 Т-4262 Т-431и
Пасп Треб Пасп Треб Пасп Треб Пасп Треб
Тепл. нагруз., МВт - 8.2 - 3.7 - 3.7 - 10.6
Площ. тепл-чи, м2 1518 1511 340 360 340 355 502 498
Расход гр. пара, т/ч 18.5
Расход воды, т/ч - 370
Охлажд. смесь, т/ч - - - 142 - 142 - -
Параметр Т-4511 Т-457а Т-458,
Пасп. Треб. Пасп. Треб. Пасп. Треб.
Тепл. нагруз., МВт - 0.76 - 5.15 - 2.5
Площ. тепл-чи, м2 150 38.70 492 259.5 476 471.6
Расход воды, т/ч - - - - - 55.50
Охлажд. смесь, т/ч - 285.1 - 285.1 - -
Насосное оборудование
Параметр Н-418, Н-4231 Н-4241 Н-460а1
Пасп Треб Пасп Треб Пасп Треб Пасп Треб
Произв-ть, м3/ч 450 381 240 157 400 582 65 39.6
В целях обеспечения требуемой производительности 32 т/ч узла I рекомендовано:
- заменить испарители Т-426ь Т-4262 (подвод тепла в колонну Кт-4202) на 2 аппарата с поверхностью теплопередачи не менее 361 м2;
- параллельно включить в работу насосы Н-424ь Н-4242 (перекачка жидкости из куба колонны Кт-4201), при этом насос Н-4243 будет в резерве.
Анализ узла отмывки углеводородов от растворителя и концентрирования растворителя из промывных вод
Принципиальная технологическая схема узла II приведена на рис. 3.
Рис. 3 - Узел II. 1 - фузельная вода; 2 - смесь бутан-изобутановой фракции и растворителя; 3, 7 - рафинат Кт-350, Кт-462; 4 - отмытая бутан-изобутановая фракция; 5,9 - экстракт Кт-350, Кт-462; 6 - смесь ИБФ и растворителя; 8 -отмытая БИФ; 10 - питание Кт-470; 11 -концентрированный растворитель
При росте нагрузки на узел II (табл. 3):
- в Кт-350 до 12.35 т/ч;
- в Кт-462 до 22.80 т/ч;
- в Кт-470 до 42.47 т/ч
колонная аппаратура, теплообменное и насосное оборудование функционируют удовлетворительно.
Таблица 3 - Технологический режим узла II
Колонная аппаратура
Параметр Кт-350 Кт-462 Кт-470
Нагрузка по сырью Текущ. Треб. Текущ. Треб. Текущ. Треб.
Расход фуз. воды, т/ч 12.88 17.20 18.40 22.00 - -
Расход питания, т/ч 9.21 12.35 16.80 22.80 33.58 42.47
Расход флегмы, т/ч - - - - 6.19 11.03
Флегмовое число - - - - 2.50 3.20
Бутан-изобутан. 8.85 11.88 - - - -
фракция из Е-351, т/ч
БИФ из Е-463, т/ч - - 14.86 20.00 - -
Дистиллят, т/ч - - - - 2.48 3.45
Куб. остаток, т/ч 13.24 17.67 20.34 24.80 31.10 39.02
Температура верха, °С 44.00 40.99 40.62 40.96 48.00 51.15
Температура куба, °С 45.00 41.47 45.40 47.33 86.00 87.36
Давление, атм 4.00 4.66 4.36 4.80 0.40 0.40
Теплообменное оборудование
Параметр Т-465, Т-4671 Т-4672
Пасп. Треб. Пасп. Треб. Пасп. Треб.
Тепл. нагрузка, МВт - 0.92 - 0.88 0.88
Площ. тепл-чи, м2 604 120.62 316 229.41 316 271.90
Расход воды, т/ч - - - 21.60 - 36.23
Параметр Т-471 Т-471 а Т-472
Пасп. Треб. Пасп. Треб. Пасп. Треб.
Тепл. нагрузка, МВт - 3.8 - 1.6 - 4.03
Площ. тепл-чи, м2 361 71.34 224 222.4 1204 1179.6
Расход гр. пара, т/ч - 6.27 - - - -
Расход воды, т/ч - - - - - 129.00
Пар. конденсат, т/ч - - - 33.60 - -
Насосное оборудование
Параметр Н-3521 Н-4641 Н-4661 Н-4741
Пасп Треб Пасп Треб Пасп Треб Пасп Треб
Произв-сть, м3/ч 41 22.4 65 35.6 113 43.3 35 20.6
Анализ узла ректификации изобутилен-бутиленовой фракции
Принципиальная технологическая схема узла III приведена на рис. 4а.
на склаО на скш0
а б
Рис. 4 - а. Узел III. 1 - бутилен-изобутиленовая фракция, 2 - ИБФ, 3 - а-БИФ, 4 - кубовый остаток Кт-250. б. Модернизированная технологическая схема узла III
Анализ узла III проведен для двух случаев:
1) при увеличении питания на входе до 31.95 т/ч (в том числе действующем расходе ИБФ -11.95 т/ч) в связи с ростом нагрузки по БИФ, ББФ на входе установки;
2) при увеличенной нагрузке по третьему сырьевому потоку ИБФ до 15 т/ч, т.е. суммарном питании Кт-250 - 35 т/ч.
В первом случае колонная аппаратура, теплообменное и насосное оборудование функционируют удовлетворительно (табл. 4).
Расчет узла во втором случае выявил невозможность повышения нагрузки до требуемых 35 т/ч на действующем оборудовании. Причина -превышение параметрами гидравлического режима колонны Кт-250 предельных значений.
В этой связи в колонне Кт-250 рекомендовано:
- заменить клапанные тарелки на нерегулярную металлическую насадку Norton Intalox (рис. 4б), общая высота слоев насадки
составит 40 м, при этом точка ввода питания соответствует 46-ой теоретической ступени разделения (76-ая действительная тарелка);
- заменить насос Н-2541 (для перекачки а-БИФ) на насос производительностью не менее 305 м3/ч (табл. 4).
Таблица 4 - Технологический режим узла III
Колонная аппаратура
Параметр Кт-250
Нагрузка по сырью Текущая 31,95 т/ч 35 т/ч (модернизированный вариант)
Смесь от Н-423, т/ч 16.7 20.00 20.00
ИБФ из Т-7, т/ч - 11.95 15.00
Расход флегмы, т/ч 111.10 126.72 150.64
Флегмовое число - 6.40 7.00
Дистиллят, т/ч - 19.80 21.52
Куб. остаток, т/ч - 12.15 13.48
Темп. верха, °С 40.00 41.97 41.92
Темп. куба, °С 55.00 55.52 51.25
Давление, атм 4.74 4.80 4.80
Теплообменное оборудование
Параметр Т-251 Т-251а Т-252]
Пасп 31,9 т/ч 35 т/ч Пасп 31,9 т/ч 35 т/ч Пасп 31,9 т/ч 35 т/ч
Тепл. нагр., МВт - 12.6 14.8 - 2.22 26.1 4.85 5.3
Площ. тепл-чи, м2 820 265 294 150 146 147 885 877 877
Расход гр. пара, т/ч - 21 24.6 - - - - -
Расход воды, т/ч 240 278
Испар. смесь, т/ч - 124 144 - 21.9 25.4 - - -
Пар. конд-сат, т/ч - - - - 49 54.5 - - -
Параметр Т-2522 Т-2523
Пасп. 31,9т/ч 35 т/ч Пасп. 31,9 т/ч 35 т/ч
Тепл. нагр., МВт - 4.85 5.28 - 4.85 5.28
Площ. тепл-чи, м2 758 755.9 755.9 754 752 752
Расход воды, т/ч - 280 334 - 272 322
Насосное оборудование
Параметр Н-254! Н-255,
Пасп 31,9т/ч 35 т/ч Пасп 31,9т/ч 35 т/ч
Произв-сть, м3/ч 300 260 304.4 27.00 21.85 23.54
Основные выводы и заключения
Согласно проведенным расчетам для переработки БИФ, ББФ в количестве 32 т/ч и ИБФ в количестве 15 т/ч необходимо:
циркулирующего растворителя - 285 т/ч; фузельной воды -39 т/ч (табл. 1); воды оборотной - 1603.83 т/ч; греющего пара 3 атм - 30.83 т/ч; греющего пара 8 атм - 18.52 т/ч; парового конденсата - 201.59 т/ч (табл. 1).
В рамках модернизации оборудования рекомендуется:
- заменить испарители Т-426ь Т-4262 на 2 аппарата с поверхностью теплопередачи не менее
361 м2;
- параллельно включить в работу насосы Н-424ь Н-4242;
- заменить клапанные тарелки в колонне Кт-250 на насадку Norton Intalox;
- заменить насос Н-254ь на насос производительностью не менее 305 м3/ч (табл. 4).
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук, номер гранта МД-5663.2014.8.
Литература
1. Галеев, Э.Р. Проектирование процессов химической технологии методами решения основной задачи управления / Э.Р. Галеев, А.В. Долганов, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Вестник Казан. технол. унта. - 2012. - Т. 15. - Вып. 11. - С. 257-261.
2. Ибушева, Н.В. Моделирование процесса экстрактивной ректификации 1,3-бутадиена с применением диметилформамида / Н.В. Ибушева, Э.Р. Галеев, В.В. Елизаров, В.И. Елизаров // Вестник Казан. технол. унта. - 2014. - Т.17. - Вып. 4. - С. 225-227.
3. Дытнерский, Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Ю.И. Дытнерский ; под ред. Ю.И. Дытнерского. - М. : Химия, 1983. - 272 с. : ил.
4. Холланд, Ч.Д. Многокомпонентная ректификация / Ч.Д. Холланд; пер. с англ. Б.Ц. Генкиной ; под ред. В.М. Платонова. - М. : Химия, 1969. - 352 с.
5. Коган, В.Б. Азеотропная и экстрактивная ректификация / В.Б. Коган - Л. Химия, 1971. - 432 с.
6. Рид, Р. Свойства газов и жидкостей: справочное пособие / Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд ; пер. с англ. ; под ред. Б.И. Соколова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1982. - 592 с. : ил. - Нью-Йорк, 1977.
7. Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков ; под ред. П.Г. Романкова. - 13-е изд., стереотип. Перепечатка с издания 1987 г. - М. : ООО ТИД «Альянс», 2006. - 576 с.
© Н. В. Ибушева - аспирант кафедры автоматизации технологических процессов и производств НХТИ ФГБОУ ВПО «КНИТУ»; Э. Р. Галеев - канд. техн. наук, доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств НХТИ ФГБОУ ВПО «КНИТУ», eldargaleev@inbox.ru; В. В. Елизаров - д-р. техн. наук, заведующий кафедрой автоматизации технологических процессов и производств НХТИ ФГБОУ ВПО «КНИТУ»; В. И. Елизаров - д-р. техн. наук, профессор кафедры автоматизации технологических процессов и производств НХТИ ФГБОУ ВПО «КНИТУ».
© N. V. Ibusheva - postgraduate student of the Department of automation of technological processes and productions "Kazan national research technological university"; E. R. Galeev - candidate technical sciences, Department of automation of technological processes and productions Kazan national research technological university", eldargaleev@inbox.ru; V. V. Elizarov - doctor technical sciences, head of the Department of automation of technological processes and productions "Kazan national research technological university"; V. I Elizarov - doctor technical sciences, Professor of the Department of automation of technological processes and productions "Kazan national research technological university".
