Новиков А.А., Федяева И.М. Физико-химические основы процессов первичной переработки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

122

поскольку рабочая температура ОИ – равновесного разделения

этого потока, должна удовлетворять условию

НОИ

Х0

< t

ОИ

< t

КОИ X0

7. Смешение потоков. Алгоритм «ХУ

Алгоритмы «X

ÆXY» и «X

ÆXY» принципиально не отли-

чаются, поскольку «

ÆXY» может быть сведен к «X

ÆXY»

путем предварительного смешения потоков. Даже если смешения

входных потоков не требуется технологически, все равно сущест-

вует проблема определения характеристик суммарного потока, на-

пример, при определении допустимого интервала температуры

процесса ОИ при наличии двух и более входных потоков

НОИ,S0

< t

ОИ

< t

КОИ,S0

Основные формулы расчета смешения потоков:

Мольный отгон

мл,S,0

= ml

Y,0

/(ml

X,0

+ml

Y,0

) = ml

Y,0

/ml

S,0

, (4.67)

Массовый отгон

мc,S,0

= ms

Y,0

/(ms

X,0

+ms

Y,0

) = ms

Y,0

/ms

S,0

, (4.68)

Связь мольного и массового потоков

= М⋅ml

(4.69)

Связь мольного и массового отгона

мс,0

= е

мл,0

·М

Y,0

/М

S,0

. (4.70)

Мольный состав суммарного потока

мл,i,S

= Х

мл,i

·(1-е

мл

) + Y

мл,i

·е

мл

, (4.71)

Массовый состав

мс,i,S

= Х

мс,i

·(1-е

мс

) + Y

мс,i

·е

мс

. (4.72)

Средняя молярная масса

ср,S

= М

ср,X

·(1-е

мл

) + М

ср,Y

·е

мл

. (4.73)

Средняя плотность.

ср,S

= 1 / [(1-е

мс

)/ρ

ср,X

+ е

мс

/ρ

ср,Y

(4.74)

Средняя температура кипения

ср,S

= t

ср,X

·(1-е

мл

) + t

ср,Y

·е

мл

. (4.75)

123

Температура суммарного потока

= t

·(1-е

мл

) + t

·е

мл

. (4.76)

рассчитывается в качестве первого приближения t*

ОИ

, если нет

дополнительных источников подвода тепла. Расчет средней тем-

пературы суммарного потока при технологическом смешении

потоков требует учета испарения и конденсации компонентов

при смешении, т.е. фактически расчета процесса ОИ.

8. Учет теплового баланса

Блоки 1-5 составляют базовый алгоритм однократного испа-

рения, позволяющий решить основную задачу определения харак-

теристик паровой и жидкой фаз в условиях равновесия. Однако в

расчетах процессов и аппаратов нефтеподготовки и переработки

часто требуется учет тепловых эффектов при смешении потоков,

испарении и конденсации сложных углеводородных смесей. В

этом случае базовый алгоритм дополняется уравнениями, нео

бхо-

димыми для расчета теплового баланса процесса ОИ.

Блок 3. «Расчетные характеристики фракций

исходной нефти»

Энтальпии жидких и парообразных нефтепродуктов (кДж/кг)

при атмосферном давлении.

3.7. Для узких фракций нефти жидкой фазы можно использо-

вать уравнение Фортча и Уитмена:

i,t

= [0,001855·(t + 273)

+ 0,4317·(t+273) – 256,11]×

× (2,1 –

(4.77)

или уравнение Крэга:

i,t

= [0,0017·(t+273)

+ 0,762·(t+273) – 334,25]/ (

)

0,5

(4.78)

3.8 Для узких фракций нефти паровой фазы предлагается

уравнение Уэйра и Итона:

i,t

= [0,00059·(t + 273)

+ 0,134·(t + 273) + 129,58] ×

× (4 –

) – 308,99.

(4.79)

3.9. Удельная теплота испарения, кДж/кг. Для парафинистых

низкокипящих нефтепродуктов применяют уравнение Крэга:

124

= [354,1 – 0,3768·(t

ср,i

+ 273)]/

(4.80)

Возможен расчет теплоты испарения фракции по разности

энтальпий паровой I

и жидкой I

фаз, взятых при одинаковой

температуре и давлении:

= I

i,t

– I

i,t

(4.81)

В этих уравнениях t – температура, ºC, при которой опреде-

ляются тепловые характеристики.

Блок 4. «Расчетные средние характеристики

исходной нефти»

4.4. Энтальпии потоков

= Σ(I

t,i

⋅Х

мс,i

⋅),

(4.82)

= Σ(I

t,i

⋅Х

мс,i

⋅).

(4.83)

Они также могут быть рассчитаны и по усредненной

смеси с использованием вышеприведенных уравнений Фортча и

Уитмена, Крэга, Уэйра и Итона.

Блок 5. Однократное испарение «Х

ХУ»

Уравнение теплового баланса процесса ОИ запишем в виде

X,0

+ I

Y,0

= I

+ I

+ Q

исп

, (4.84)

где Q

исп

= Σ(L

·ΔY

(4.85)

ΔY

мл,i

= Y

мл,i

·е

мл

– Y

мл,i,0

·е

мл,0

(4.86)

ΔХ

мл,i

= Х

мл,i

·(1 – е

мл

) – Х

мл,i,0

·(1 – е

мл,0

(4.87)

При неверно заданной температуре ОИ разбаланс по теплу

составит

= I

X,0

+ I

Y,0

– I

– Q

исп

(4.88)

Подбором t

ОИ

можно добиться соблюдения ΔQ = 0. В качест-

ве начального приближения t

ОИ

* можно взять среднюю темпера-

туру исходных потоков

= t

·(1-е

мл

) + t

·е

мл

. (4.89)

125

При использовании процедуры «Поиск решения» в среде Mi-

crosoft Excel совместное итерационное решение уравнений мате-

риального и теплового балансов ОИ достигается следующими

друг за другом процедурами

- целевая ячейка [Σ(X

мл,i

)] Æ 1, варьируется [е

мл

], задано t

ОИ

- целевая ячейка [ΔQ] Æ 0, варьируется [t

ОИ

], задано е

мл

Таким образом, расчет процесса ОИ с учетом теплового ба-

ланса сводится к поочередному приближению [

Σ(Y

мл i, вых

)] Æ 1

и [

ΔQ] Æ 0. Несколько циклов таких приближений позволяют

одновременно выполнить оба условия, т.е. получить решение.

4.3.4. Построение линии

однократного испарения

Линия однократного испарения (ОИ) – это графическая зави-

симость между температурой и долей отгона при однократном

испарении, выраженная в масс. процентах или в массовых долях.

При этом на оси ординат откладывают числовые значения тем-

пературы, а на оси абсцисс – числовые значения доли отгона.

При однократном испарении смесей состав паровой фазы за-

висит от температуры испарения: чем ниже температура, тем

выше относительное содержание легких компонентов. Темпера-

тура ОИ смесей является также функцией давления и фракцион-

ного состава исходной смеси.

Приведенный выше алгоритм расчета однократного испарения

позволяет рассчитать линию ОИ, варьируя мольный отгон е

мл

в ин-

тервале от е

мл

= 0,0001 до е

мл

= 0,9999. Для каждой заданной е

мл

опре-

деляют температуру ОИ по критерию [Σ(X

мл,i

)] Æ 1, рассчитывают

массовый отгон, мольные, массовые составы, плотность, средние

молярная масса и температура кипения паровой и жидкой фаз, т.е.

получают исчерпывающую информацию по физико-химическим

характеристикам продуктов, образующихся в разных условиях ОИ.

Результаты расчета линии ОИ для типовой нефти и фракции

40-350ºС приведены на рис. 26 и 27. Для сравнения на этих же

графиках приведены кривые ИТК типовой нефти и фракции 40-

350ºС и линии ОИ, определенные графическим методом Обряд-

чикова-Смидович.

126

100

200

300

400

500

600

0 20406080100

- ИТК,

- ОИ по Обрядчикову,

- ОИ.

Рис. 26 Линия однократного испарения типовой нефти

100

150

200

250

300

350

400

0 20 40 60 80 100

- ИТК, - ОИ по Обрядчикову, - ОИ.

Рис. 27 Линия ОИ фр. 40-350 типовой нефти

127

В начале однократного испарения (е

мл

= 0) в соответствии с

уравнениями материального баланса процесса ОИ

мл,i

= Х

мл,i,0

, Y

мл,i

= k

⋅Х

мл,i,0

(4.90)

в конце однократного испарения (е

мл

= 1)

мл,i

= Х

мл,I,0

, Y

мл,i

= Х

мл,i,0

. (4.91)

4.3.5. Эффективность однократного испарения

На практике глубина протекания технологических процессов

всегда меньше предельной, т.е. термодинамически возможной.

Оценить реальную глубину протекания процесса можно двумя

принципиально различными путями:

- проводить расчет, используя кинетические, «скорост-

ные» характеристики процесса,

- ввести формальные коэффициенты «недостижения рав-

новесия» в термодинамических расчетах.

В расчетах массообменных процессов разделения жидких

многокомпонентных смесей, кинетические расчеты для которых

чрезвычайно сложны, вводится специальный коэффициент эф-

фективности контактного устройства

ε, который и учитывает

степень «недостижения равновесия». Он может меняться в об-

щих пределах от

ε = 0 (разделения нет) до ε = 1 (достижение рав-

новесного разделения). В реальных процессах он составляет

обычно

ε = 0,6-0,8.

Один из вариантов учета степени «недостижения равнове-

сия» – использование эффективной константы равновесия

* = ε⋅k

Уравнения материального баланса процесса ОИ в этом слу-

чае выглядят следующим образом

мл i

= Х

мл,i,0

/ [1 + е

мл

⋅(ε⋅k

– 1)],

(4.92)

мл,i

= ε⋅k

⋅Х

мл,I

(4.93)

или

мл,i

= ε⋅k

⋅Х

мл,i,0

/ [1 + е

мл

⋅(ε⋅k

– 1)].

(4.94)

128

Результаты расчета линий ОИ типовой нефти при различной

ε приведены на рис. 28. Зависимость температур начала и конца

ОИ от коэффициента эффективности

ε показана на рис. 29.

С уменьшением коэффициента эффективности

до ε ~ 0,3 ли-

нии ОИ смещаются практически параллельно в область более

высоких температур. При

ε < 0,15 происходит резкое увеличение

температур начала и конца ОИ с одновременным уменьшением

интервала (t

КОИ

−t

НОИ

На рис. 30 приведена расчетная зависимость мольного и мас-

сового отгона типовой нефти при температуре t

ОИ

= 270

С от ко-

эффициента эффективности

ε. Уменьшение коэффициента эф-

фективности

с ε = 1 до ε ~ 0,3 приводит к уменьшению мольного

отгона с ~0,80 до 0,61 и массового отгона с 0,61 до 0,40.

100

200

300

400

500

600

0,00,20,40,60,81,0

Массовый отгон

Температура ОИ, оС

- 1,0, - 0,9, - 0,7,

- 0

Рис. 28 Линии ОИ типовой нефти при различной эффективности процесса од-

нократного испарения

129

100

200

300

400

500

600

700

800

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Эффективность ОИ

Температура, оС

t НОИ, t КОИ.

Рис. 29 Температуры начала и конца однократного испарения при различной

эффективности процесса

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Эффективность ОИ

Доля отгона

- мольный отгон, - массовый отгон.

Рис. 30 Зависимость доли отгона типовой нефти при 270°С от эффективности

процесса ОИ

130

Падение е

мл

и е

мс

практически до нуля при ε ~ 0,06 объясня-

ется тем, что при этой эффективности температура 270ºС являет-

ся температурой начала однократного испарения.

Таким образом, введение коэффициента эффективности

ε в

уравнения материального баланса действительно позволяет ко-

личественно учесть «недостижение равновесия» процесса одно-

кратного испарения.

По мере соответствия реальным процессам массообмена в

контактных аппаратах можно выделить следующие варианты

учета «недостижения» равновесия:

- ε = 1 – эффективность ОИ 100%,

- ε <1, одинакова по всему аппарату (ε = 0,5-0,7) и подби-

рается по технологическим характеристикам работы ап-

парата,

- ε <1 и зависит от типа контактного устройства, темпера-

туры, давления и состава потоков,

- ε не используется, а расчет процессов массо- и теплооб-

мена проводится на основе кинетических закономерно-

стей межфазных переходов вещества и связанных с этим

тепловых эффектов.

4.3.6. Моделирование разгонки по Энглеру

Результаты перегонки нефти в АРН-2 (аппарате ректифика-

ции нефти) – кривые ИТК и физико-химическая характеристика

узких фракций позволяют рассчитать потенциальное содержание

фракций в не

фтях и оценить их товарные качества. Однако пре-

делы выкипания товарных продуктов определяются разгонкой

по Энглеру. Поэтому практически важным является анализ

взаимосвязи кривых ИТК и разгонки по Энглеру. Как показывает

сопоставление кривых ИТК и разгонки по Эйлеру нефтей Коми и

Пермской области (рис. 17), график Скобло (рис. 16) не может

быть ис

пользован в практических расчетах, поскольку и не от-

ражает особенностей конкретных нефтей.

Для моделирования разгонки по Эйлеру на основе результатов

исследования ИТК воспользуемся выведенным уравнением мате-

риального баланса периодического процесса разгонки (раздел 3.2)

131

мс,i

/ dG = (Y

мс,i

- X

мс,i

)/ G. (4.95)

Это дифференциальное уравнение может быть численно

проинтегрировано в пределах изменения массы жидкости в кубе

от начальной G

до G

и соответствующего изменения концен-

трации X

мс,i

от X

мс,i

до X

мс,i

j+1

= X

мс,i

+ ΔG

⋅[(Y

мс,i

- X

мс,i

)/G

(4.96)

где X

мс,i

– массовая доля компонента i в жидкой фазе в момент

времени t

мс,i

j+1

– массовая доля компонента i в жидкой фазе в момент

времени t

j+1

, после равновесного испарения при температуре Т

промежуток времени

Δt=t

j+1

– t

мс,i

– массовая доля компонента i в паровой фазе в момент

времени t

j+1

, равновесной при температуре Т

жидкой фазе с мас-

совой долей компонента i - X

мс,i

j+1

– масса жидкой фазы до равновесного испарения при тем-

пературе Т

в промежуток времени Δt=t

j+1

- t

ΔG

– масса испарившегося вещества в промежуток времени

Δt=t

j+1

- t

Величина

ΔG

/ G

в последнем уравнении представляет мас-

совый отгон в промежуток времени

Δt=t

j+1

– t

мс

= ΔG

/ G

. = G

/ G

(4.97)

С учетом этого формула численного решения дифференци-

ального уравнения материального баланса периодического про-

цесса разгонки выглядит следующим образом

мс,i

j+1

= X

мс,i

+ е

мс

⋅(Y

мс,i

– X

мс,i

(4.98)

Начальные условия:

при j=1 t

= 0, G

= G

, X

мс,i

= X

мс,i

Кроме этого, задается профиль температуры T(t).

Разгонку по Энглеру в этом случае можно представить, как

ряд последовательных, следующих друг за другом состояний

периодического перегонного куба, каждое из которых – процесс

частичного однократного испарения при повышающейся темпе-

ратуре с уменьшением количества жидкой фазы и «утяжелени-

ем» ее состава.