Материальные расчеты технологических процессов переработки природных энергоносителей. Физические процессы

Р. А. НАВОЛОКИНА, Л. И. АБРАМОВА







МАТЕРИАЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ







Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия, для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Химическая технология»













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 66.012.2:665.6/.7
ББК 35.11
     Н15


Рецензент:
зав. кафедрой ХТУМ РХТУ им. Д. И. Менделеева доктор химических наук, профессор Т. В. Бухаркина




    Наволокина, Р. А.
Н15 Материальные расчеты технологических процессов переработки природных энергоносителей. Физические процессы : учебное пособие / Р. А. Наволокина, Л. И. Абрамова. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 252 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1189-9


           Изложены общие требования к содержанию и оформлению материального баланса, конкретизированы исходные данные для расчета физических процессов переработки нефтяного сырья, приведены конкретные примеры составления материального баланса производств продуктов первичной переработки нефти и облагораживания отдельных фракций.
           Для студентов вузов, выполняющих курсовой или дипломный проект по химической технологии природных энергоносителей и углеродных материалов. Может быть полезно студентам других профилей подготовки направления «Химическая технология», а также практикующим инженерам.


                                                        УДК 66.012.2:665.6/.7
                                                        ББК35.11











ISBN 978-5-9729-1189-9

     © Наволокина Р. А., Абрамова Л. И., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ



Глава 1. МАТЕРИАЛЬНЫЕ БАЛАНСЫ ФИЗИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ............................................6
1.1. Последовательность расчетов материального баланса..... 7
1.2. Основные термины и характеристики производства.........9
1.3. Требования к сырью и продуктам........................12
1.4. Формирование исходных данных для расчета..............13
1.5. Расчетколичествареакторов.............................16

                       -
Глава 2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ОБЕЗМАСЛИВАНИЯГАЧА.........................................18
2.1. Исходные данные для проектирования....................18
2.2. Материальный баланс стадии приготовления растворителя.22
2.3. Материальный баланс стадии кристаллизации.............24
2.4. Материальный баланс первой ступени стадии фильтрования...31
2.5. Материальный баланс второй ступени стадии фильтрования...52
2.6. Материальный баланс стадии испарения растворителя из суспензии парафина-2................................69
2.7. Материальный баланс стадии отпарки растворителя из парафина-сырца......................................81
2.8. Материальный баланс стадии смешения фильтратов........91
2.9. Материальный баланс стадии отгонки растворителя из фильтрата в отгонной колонне (поз. 25) блока регенерации.........97
2.10. Материальный баланс стадии отгонки растворителя из раствора-1
    слоп-вокса в отгонной колонне (поз. 26) блокарегенерации 103
2.11. Материальный баланс стадии отгонки растворителя из раствора-2 слоп-вокса в отгонной колонне (поз. 27) блока регенерации.....................................110
2.12. Материальный баланс стадии отпарки растворителя из раствора-3
    слоп-вокса в отпарной колонне (поз. 28) блока регенерации.117
2.13. Материальный баланс стадии конденсации и фазового разделения растворителя из блока регенерации растворителя........120
2.14. Материальный баланс стадии смешения конденсатов растворителя в емкости (поз. 33)...................................125
2.15. Материальный баланс стадии смешения обводненных растворителей в разделительной емкости (поз. 31)......128

3

2.16. Материальный баланс стадии отгонки растворителя из водно-органического слоя в отпарной колонне (поз. 29).135
2.17. Сводный материальный баланс производства обезмасливания гача......................................138
2.18. Пересчет материальных потоков из килограммов на тонну в килограммы в час.......................................151
2.19. Пересчет материальных потоков из килограммов на тонну сырья в килограммы на тонну продукта...........................152
2.20. Расчет расходных коэффициентов сырья и растворителя.153

                        -
Глава 3. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА
СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ МАСЛЯНОГО ДИСТИЛЛЯТА (III ВАКУУМНОГО ПОГОНА)......................155
3.1. Исходные данные для проектирования.................155
3.2. Материальный баланс стадии экстракции..............158
3.3. Материальный баланс стадии испарения растворителя в рафинатной испарительной колонне (поз. 2).............164
3.4. Материальный баланс стадии отпарки растворителя в рафинатной отпарной колонне (поз. 3)................. 168
3.5. Материальный баланс стадии отгонки растворителя в экстрактной испарительной колонне (поз. 5)............172
3.6. Материальный баланс стадии отгонки растворителя в экстрактной испарительной колонне (поз. 4)............177
3.7. Материальный баланс стадии отгонки растворителя в экстрактной испарительной колонне (поз. 6)............180
3.8. Материальный баланс стадии отпарки растворителя в экстрактной отпарной колонне (поз. 6а)................184
3.9. Материальный баланс стадии смешения паров растворителя в емкости (поз. 9)......................................187
3.10. Материальный баланс стадии смешения паров
     обводненного растворителя в испарителе (поз. 10) и отгонки из него воды.............................189
3.11. Материальный баланс стадии смешения регенерированного растворителя из емкостей (поз. 9 и 11)...................192
3.12. Сводный материальный баланс производства селективной очистки масляного дистиллята (III вакуумного погона).............193
3.13. Пересчет материальных потоков из килограммов на тонну в килограммы в час.......................................194
3.14. Пересчет материальных потоков из килограммов на тонну сырья в килограммы на тонну продукта...........................195
3.15. Расчетрасходных коэффициентов сырья...............196

4

Глава 4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА
ДЕПАРАФИНИЗАЦИИ РАФИНАТА СРЕДНЕВЯЗКОГО ПОГОНА........................................197
4.1. Исходные данные для проектирования.....................197
4.2. Расчет материального баланса стадии кристаллизации.....200
4.3. Расчет материального баланса стадии фильтрации.........207
4.4. Расчет материального баланса отгонной колонны (поз. 4).217
4.5. Расчет материального баланса отгонной колонны (поз. 5).220
4.6. Расчет материального баланса отгонной колонны (поз. 6).223
4.7. Расчет материального баланса отпарной колонны (поз. 7).226
4.8. Расчет материального баланса отпарной колонны (поз. 8).227
4.9. Расчет материального баланса отгонной колонны (поз. 9).231
4.10. Расчет материального баланса отпарной колонны (поз. 10).234
4.11. Сводный материальный баланс установки депарафинизации рафината средневязкого погона.........................236
4.12. Пересчет материальных потоков из килограммов на тонну в килограммы в час....................................247
4.13. Расчет расходных коэффициентов сырья и растворителя...248

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................250

5

ГЛАВА 1

МАТЕРИАЛЬНЫЕ БАЛАНСЫ
ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

    Химическая технология изучает процессы, протекающие с изменением химического состава перерабатываемых веществ (материалов), а также аппараты, необходимые для осуществления этих процессов. Чаще всего технологический процесс разделен на несколько стадий, сочетание которых в определенной последовательности называют технологической схемой производства.
    Важнейшая задача химической технологии - определение оптимальных условий для экономически целесообразного получения целевого продукта из определенного вида сырья.
    Химико-технологические процессы глубокой переработки нефтяного сырья предназначены для получения продуктов, являющихся сырьем для промышленности основного органического синтеза или представляющих собой продукты целевого назначения, необходимые в различных отраслях народного хозяйства.
    Процессы первичной переработки нефти приводят к очистке и делению нефтяного сырья на фракции с различными диапазонами температур кипения и не изменяют структуру молекул компонентов нефти. Как правило, при такой переработке задействованы физические процессы.
    Глубокая или вторичная переработка нефтяного сырья, основанная на химических реакциях (различных термических и каталитических превращениях углеводородов), ведет к изменению структуры молекул, что позволяет получать в качестве товарных продуктов углеводороды, пользующиеся наибольшим спросом, а вторичная переработка, основанная на физических процессах, ведет к облагораживанию отдельных нефтяных фракций путем удаления из них нежелательных компонентов.
    Производства продуктов глубокой переработки нефти являются многостадийными, включающими в себя (в том или ином количестве) последовательные и согласованные между собой технологические стадии:
    -  подготовку сырья;
    -  синтез или облагораживание целевого продукта;
    -  разделение реакционной смеси с выделением целевого товарного и сопутствующих продуктов;

6

     -  регенерацию вспомогательных материалов;
     -  переработку или утилизацию отходов производства.
     На каждой из стадий технологического процесса могут использоваться один или несколько аппаратов, в которых осуществляются различные физические, химические и физико-химические процессы.
     При осуществлении химико-технологического процесса на некоторых стадиях возможно образование газообразных, жидких или твердых отходов, практически не содержащих целевого продукта или его компонентов. Такие потоки одного агрегатного состояния часто объединяют и, как правило, подвергают дополнительной обработке с целью выделения из них либо исходных реагентов, которые могут быть возвращены в реакторный (или основной продукционный) блок, либо продукции, сопутствующей целевой, или с целью снижения содержания вредных компонентов в них до уровня, соответствующего экологически безопасным требованиям.
     В результате таких технических решений улучшаются основные технико-экономические показатели производства за счет снижения расходных коэффициентов по сырью, реализации сопутствующей продукции или использования ее для собственных технологических нужд, а также решаются вопросы охраны окружающей среды.
     Основой всех технологических расчетов, с помощью которых определяют важнейшие размеры и число аппаратов, необходимых для осуществления технологического процесса при заданной его производительности в целевой продукт, являются материальные балансы, а для периодических процессов еще и балансы времени протекания процесса по отдельным стадиям.
     Выполнение расчетов по составлению материальных балансов химико-технологических процессов требует ясного представления о существе химических, физических или физико-химических процессов, протекающих в каждом из аппаратов технологической схемы.
     При сложном составе сырья (природные энергоносители как раз относятся к этой категории) и наличии рециркулирующих потоков необходимо соблюдать определенную последовательность проведения расчетов.

     1.1. Последовательность расчетов материального баланса

     Расчет материального баланса обычно начинают со схематического изображения принципиальной технологической схемы в виде, например, прямоугольников (каждый из которых соответствует отдельному аппарату), соединенных стрелками, отражающими определенные материальные потоки. При этом указывают все без исключения основные, вспомога

7

тельные и второстепенные, в том числе и рециркулирующие, большие и малые потоки.
     Над стрелками обычно указывают все известные данные о величине потока, его составе, температуре и давлении.
     Если в одном аппарате протекает несколько разных стадий процесса (так бывает в периодических производствах), то для каждой стадии изображают последовательно этот аппарат и соответствующую этой стадии схему потоков.
     Полученная диаграмма материальных потоков позволяет:
     -  представить в наглядной форме соотношение между потоками;
     -  определить величины, подлежащие определению расчетным путем;
     -  облегчить расчет;
     -  уменьшить вероятность ошибок;
     -  выявить возможные пути снижения потерь сырья, вспомогательных веществ и продукта (т. е. снижения расходных коэффициентов по компонентам сырья и вспомогательных материалов в килограммах в расчете на 1 тонну товарного продукта).
     Расчет материального баланса проводят по стадиям, причем отдельные стадии могут протекать как в одном, так и в разных аппаратах. Первый вариант часто реализуется в периодических процессах, второй - в непрерывных.
     Важность правильного составления материального баланса производства заключается в том, что он является основой для выполнения остальных разделов проекта.
     На основании материального баланса выполняют ряд действий:
     -  составляют энергетический (тепловой) баланс отдельных стадий процесса;
     -  осуществляют теплотехнический и технологический расчет реакторного блока;
     -  подбирают основное и вспомогательное оборудование;
     -  рассчитывают коэффициенты расхода сырья и вспомогательных материалов;
     -  вычисляют коэффициенты расхода энергоресурсов (пара, воды, электроэнергии, рассола, холода и т. д.);
     -  составляют калькуляцию себестоимости продукции;
     -  оценивают технико-экономические показатели производства;
     -  отмечают критические стадии процесса (операции, аппараты и т. д.), требующие особого внимания и разрешения существующих

8

        проблем (технологических, организационных, экологических и других);
     -   выявляют пути оптимизации действующей (или новой проектируемой) технологии.


     1.2. Основные термины и характеристики производства

     Инженеры-химики и технологи в работе используют определенную терминологию, приведенную ниже.
     Сырьем называют исходные вещества (материалы), которые применяют для получения (а в химических процессах - синтеза) продукта, обладают стоимостью и на получение и доставку которых затрачен труд.
     Продукт, получаемый на промежуточной стадии, называют промежуточным продуктом или полуфабрикатом.
     Продукт, который получают в конечной стадии и ради которого реализуют технологический процесс, называют готовым, или целевым, или товарным продуктом.
     Вспомогательные материалы - это растворители, дисперсионные среды, жидкости для промывки, разного рода добавки и т. п.
     В химической промышленности часто готовый продукт одного производства является исходным сырьем другого.
     Наряду с целевым продуктом, в производстве образуются и побочные (или сопутствующие) продукты, например за счет фракционирования сырья в физических процессах или протекания сложных последовательных, параллельных или последовательно-параллельных реакций в химических процессах. В большинстве случаев наряду с основным целевым продуктом побочные (или сопутствующие) продукты выпускают также в качестве товарных.
     Неиспользуемые побочные продукты, а также потоки, содержащие безвозвратные потери сырья и целевого продукта, называют отходами производства.
     В результате исследования химико-технологического процесса получения целевого продукта на лабораторной установке, а затем на полупромышленной установке в аппаратах, являющихся моделями промышленных, определяют оптимальные значения мольных соотношений исходных компонентов, начальных концентраций реагентов и катализатора (при протекании химической реакции), скоростей подачи исходных компонентов, давления, температуры, степени превращения сырья (в химической реакции), степени кристаллизации, экстракции и т. п. (в физическом процессе).

9

     Аналогичным образом исследуют и все другие стадии технологического процесса, включающие:
     -  подготовку сырья (например, ректификацию, обезвоживание, растворение и т. д.);
     -  разделение продуктов (например, фракционную перегонку, отгонку летучих компонентов, ректификацию, осаждение, кристаллизацию, экстракцию, фильтрование, центрифугирование и т. д.);
     -  очистку целевого продукта от компонентов реакционной смеси (например, перекристаллизацию, отгонку, отпаривание, ректификацию и т. д.);
     -  сушку ит.п.
     После этого составляют математическую модель всей технологической схемы и производят оптимизацию параметров процесса по экономическому критерию (минимуму себестоимости, максимуму прибыли или другому актуальному для данного производства в данный момент критерию).
     Используя данные, полученные при оптимизации, производят расчет процесса и необходимых аппаратов, проектируют производство, затем осуществляют строительство, монтаж и опробование оборудования, пуск и налаживание производства.
     Любое производство характеризуется производительностью, обычно заданной при проектировании. Производительность реактора (аппарата, установки, цеха) - это, как правило, количество целевого продукта, а в нефтехимии - количество исходного сырья (обычно выраженное в тоннах), фактически вырабатываемого реактором (аппаратом, установкой, цехом) в единицу времени (обычно в год) при данном режиме его работы.
     Максимальную производительность аппарата (установки, цеха), которая может быть достигнута в оптимальном режиме его эксплуатации, называют мощностью.
     Обычно при проектировании химико-технологического производства задают производительность по целевому продукту, а в нефтехимии по исходному сырью. Проектирование ведут так, чтобы мощность производства несколько превышала заданную производительность (как правило, не более чем наЗО %).
     Важнейшими безразмерными характеристиками каждого производства являются:
     -  степень превращения (конверсия) одного из исходных реагентов (как правило, ключевого реагента, который либо определяет всю цепь химических превращений, либо берется в недостатке по отношению к другому реагенту, либо является очень дорогостоящим по сравнению с другими исходными веществами);

10

     -  селективность в целевой продукт (ради которого реализуется процесс) по одному из исходных реагентов (как правило, по ключевому реагенту);
     -  выход продукта по ключевому реагенту.
     Степень превращения - это доля израсходованного исходного реагента (в химических процессах обычно того, который взят в недостатке) от начального его количества. Часто степень превращения выражают в процентах. В реальных производствах она не может быть менее 5 % и может достигать величины, близкой к100%.
     Физические процессы под степенью превращения обычно подразумевают степень кристаллизации, степень экстракции, степень осаждения, степень отгонки и т. п. определенных компонентов, например из многокомпонентных фракций первичной переработки нефти.
     Степень кристаллизации определенного компонента (или группы компонентов) из многокомпонентного сырья - это доля выкристаллизованного компонента (или группы компонентов) от его исходного количества в исходном сырье.
     Степень экстракции определенного компонента (или группы компонентов) из многокомпонентного сырья - это доля экстрагированного компонента (или группы компонентов) от его исходного количества в исходном сырье и т. д.
     В сложных химических процессах, состоящих из нескольких параллельно, последовательно или последовательно-параллельно протекающих реакций, важной характеристикой является селективность в целевой продукт (а также в каждый из побочных продуктов) по одному из исходных реагентов (обычно ключевому реагенту).
     Селективность в целевой продукт по исходному реагенту - это доля полезно израсходованного реагента (в целевой продукт) от общего количества израсходованного реагента. Доля полезно израсходованного сырья в реальном производстве должна быть максимально возможной в данных условиях, в любом случае она должна быть более 0,50, т. е. стремиться к максимально возможной величине, в идеале близкой к 100 %. Если товарными являются несколько продуктов, то сумма селективностей процесса в эти продукты должна быть максимальной (стремиться к 100 %) при заданном соотношении продуктов, соответствующем определенным селективностям в каждый из них.
     Выход продукта - это доля фактически получаемого в данных условиях продукта от теоретически возможного его количества при полной конверсии исходного ключевого реагента или при полном извлечении целевого продукта из соответствующей фракции. Выход также часто выра

11

жают в процентах и стараются его максимизировать, увеличивая степень превращения ключевого реагента и селективность процесса в целевой продукт, а также минимизируя безвозвратные (неизбежные) потери.
     Теоретически возможное количество целевого продукта вычисляют по стехиометрическому уравнению реакции с учетом её обратимости, если таковая наблюдается. Расчет теоретически возможного количества продукта проводят при условии, что в процессе расхода сырья образуется только целевой продукт, т. е. без учета протекания побочных реакций.

     ....
     1.3. Требования к сырью и продуктам

     Требования к каждому виду сырья, вспомогательных материалов, готовому продукту, отходам производства закреплены государством законодательным порядком в форме соответствующих ГОСТов (государственных стандартов) или ведомственным (отраслевым) порядком в форме ТУ (технических условий) или ОСТов (отраслевых стандартов, стандартов отрасли СТО), а также предельно допустимых концентраций веществ (ПДК) в выбросах (сдувках, сточных водах, органических отходах), загрязняющих атмосферу, водный бассейн и почву.
     Для материальных расчетов, в частности, важны данные по составу всех компонентов реакционной системы, соответствующие государственным, ведомственным или отраслевым стандартам: обычно в массовых долях (процентах) основного вещества и конкретных примесей, присутствующих в данном сырье, вспомогательных веществах (растворителе, добавках и т. п.) или продукте, а также в возможных отходах (сдувках, сточных водах, органических отходах).
     В отличие от технологических процессов основного органического синтеза, исходные реагенты (сырьевые компоненты) в нефтехимическом синтезе, как правило, являются не индивидуальными веществами, а многокомпонентными смесями, получающимися при фракционировании нефти. Такие фракции неоднородны не только с точки зрения их химической природы, то есть принадлежности к определенным классам органических веществ (алканы, алкены, алкины, арены, серо-, кислород- и азотсодержащие вещества разных классов и т. д.), но и с точки зрения структуры углеродной цепи (нормальное или изо-строение), не говоря уже и о том, что соединения в пределах одного гомологического ряда имеют различные молярные массы. При этом в условиях проведения химического процесса некоторые из компонентов сырьевой смеси превращениям не подвергаются и выводятся из реакционного блока в неизменном состоянии. Другие же могут участвовать в параллельных, последовательных или последовательно-параллельных реакциях с образованием ря

12

да веществ, которые входят либо в состав целевого продукта (как правило, многокомпонентного) в качестве полезных ингредиентов или примесей, либо в состав других материальных потоков, отделяемых от целевого. Следует отметить, что вещества даже одного гомологического ряда могут иметь различную реакционную способность. Поэтому их конверсии и селективности превращения в целевой и побочные продукты в реакторном блоке могут различаться.
     Кроме того, поскольку качественный и количественный состав нефтей разных месторождений колеблется в достаточно широком диапазоне, то есть каждая нефть имеет свою характерную кривую истинных температур кипения, обусловленную специфическим распределением в ней отдельных компонентов, как по содержанию, так и по температуре кипения, физико-химические характеристики фракций, имеющих одни и те же температуры начала и конца кипения, могут существенно различаться. Это обусловливает отсутствие ГОСТов, регламентирующих требования к показателям качества отдельных нефтяных фракций, в отличие от таких стандартов для индивидуальных веществ, использующихся и образующихся в химико-технологических процессах основного органического синтеза. Вследствие этого, как альтернатива ГОСТам в нефтеперерабатывающих производствах используются стандарты организации (СТО) или предприятия (СТП), определяющие требования к показателям качества конкретной нефтяной фракции, получающейся и перерабатывающейся на данном конкретном предприятии.
     Исходя из вышеизложенного, составление материальных балансов отдельных стадий и сводного материального баланса является наиболее важной и трудоемкой частью всех инженерных химикотехнологических расчетов, выполняемых студентами в курсовом и дипломном проектировании, действующими инженерами реальных производств, сотрудниками исследовательских и проектных институтов при разработке и проектировании новых химико-технологических производств, реконструкции и/или модернизации действующих производств с целью оптимизации их работы.
     _______ ..
     1.4. Формирование исходных данных для расчета

     Для выполнения расчетов материального баланса, соответствующего предложенной технологической схеме (диаграмме потоков), необходимы данные:
     -  по всем возможным в рассматриваемом процессе химическим реакциям, если таковые протекают (основной и побочным реакциям, значимым для материального баланса);


13