Реконструкции цеха ректификации сырого бензола КХП ОАО "Северсталь", направленная на улучшение технико-экономических показателей работы колонны редистилляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Цех ректификации сырого бензола введен в эксплуатацию 24 марта 1964 года.

Первоначальная мощность цеха по переработке сырого бензола - 50 тысяч тонн. Еще до пуска, учитывая сложность технологии, была приглашена большая группа специалистов из Челябинска.

В период с 1971 года по 2001 год цехом руководили Партин Иван Александрович, Соколов Николай Васильевич и Самойлов Владимир Алексеевич.

1971 год. Двум видам продукции цеха - бензолу для синтеза и бензолу для нитрации - присвоен Государственный Знак качества.

1978 год. Принята в эксплуатацию установка утилизации кислых смолок.

1979-1982 год. Проведена реконструкция. Мощность цеха увеличилась до 80 тысяч тонн в год по переработке сырого бензола.

1985 год. Разработана новая технология производства бензола марки «Для синтеза».

В настоящее время в ЦРСБ два участка: участок переработки сырого бензола и участок утилизации отходов химических производств. Цех занимает твёрдую позицию в основной технологической цепи Коксохима. Ориентированный на внешний рынок, цех полностью зависит от потребностей предприятий органического синтеза в продуктах переработки сырого бензола, цен на сырую нефть и продукты её переработки. Перспективы у цеха есть, и они подтверждаются реальными делами.

Участок утилизации отходов химических производств жёстко привязан к процессу производства кокса и продуктов коксования и является важнейшим составляющим в деле обеспечения экологической безопасности КХП, снижения нагрузки на окружающую среду.

Сегодня все химические отходы, обусловленные технологией КХП, утилизируются внутри производства.

В будущем цех ректификации ожидают значительные перемены. Это в первую очередь капитальные ремонты основных технологических агрегатов, зданий и сооружений, отработавших свой нормативный срок эксплуатации, в условиях действующего производства. Учитывая специфику цеха когда вокруг находятся тысячи тонн токсичных ЛВЖ, обеспечение безопасности производства работ становится главной задачей, решать которую придется всем ректификатчикам от кладовщика до начальника цеха.

Из перспективных направлений развития ЦРСБ следует отметить освоение новых видов оборудования и новых технологий, заимствованных в основном в нефтехимической промышленности, стабилизацию объемов производства за счет собственного сырья, повышение уровня промышленной и экологической безопасности и как следствие этого, улучшение условий труда работников цеха.

1. Общая часть

1.1 Описание схемы отделения редистилляции

Сырой бензол 2 с расходом 2,0-4,0 м³/ч из хранилища №33 склада промпродуктов насосом №7 подается на колонну редистилляции. В зависимости от состава сырья питание подается на одну из следующих тарелок: №№9, 11, 13.

Нагрев сырого бензола 2 производится в кубе-подогревателе паром среднего давления до температуры 100-150С. Для уменьшения температуры кипения сырого бензола 2 в куб-подогреватель подается «острый» пар 800-1200 кг/ч. Через верх колонны, где поддерживается температура 92-98С, выходят пары погонов сырого бензола, выкипающих до температуры 150С, которые затем поступают в конденсатор-холодильник. В конденсаторе пары погонов до 150С конденсируются, охлаждаются и перетекают в сепаратор. В сепараторе происходит разделение погонов до 150С от воды, которая по водяной линии сбрасывается в общецеховой сепаратор для окончательного отстоя. Погоны до 150С (рефлюкс) с расходом 2-4 м³/ч из сепаратора насосом №9 подаются на орошение колонны на тарелку №30, избыток их этим же насосом отбирается в хранилище №5 склада чистых продуктов. После отгона всех бензольных углеводородов, выкипающих до температуры 180С, в кубе-подогревателе остается сольвент-нафта, которая, по мере накопления, периодически откачивается из него насосом №43 в смолоперегонный цех.

В средней части колонны сосредотачивается в основном тяжелый бензол (инден-кумароновая фракция), которая в жидком виде отводится из колонны с тарелок №18 (или №20) в приколонок на тарелку №10.

Тяжелый бензол стекает по тарелкам вниз приколонка, где поддерживается температура 95-135С. Затем в жидком виде через смотровой фонарь отводится в хранилища №№19, 20 склада чистых продуктов.

Для выделения из тяжелого бензола погонов до 150С, которые частично попадают в приколонок вместе с тяжелым бензолом, тяжелый бензол нагревают в подогревателе приколонка и погоны до 150С в парообразном состоянии выходят через верх приколонка в колонну на тарелку №19 (или №21) и затем выходят через верх колонны вместе с основной массой погонов до 150 С.

Температурный режим колонны редистилляции и приколонка регистрируется термопарами; расход сырья и рефлюкса - ротаметрами; расход острого пара в куб-подогреватель и приколонок - диафрагмами и регулирующими клапанами.

1.2 Характеристика, принцип действия, устройство основного оборудования

Техническая характеристика холодильника паров бензола:

Рабочее давление в межтрубном пространстве 1,0 МПа,

Рабочее давление в трубном пространстве 0,6 Мпа,

Максимально допустимая рабочее температура стенок в межтрубном пространстве 140⁰С,

Минимально допустимая рабочее температура стенок в межтрубном пространстве 30⁰С,

Максимально допустимая рабочее температура стенок в трубном пространстве 45⁰С,

Минимально допустимая рабочее температура стенок в межтрубном пространстве 25⁰С,

Внутренний объем межтрубного пространства 2,2 м³,

Внутренний объем трубного пространства 2,755 м³,

Прибавка на коррозию в межтрубном пространстве 1,0 мм,

Прибавка на коррозию в трубном пространстве 1,0 мм,

Материал корпуса 12Х18Н10Т,

Трубы 12Х18Н10Т,

Материал трубной решётки 12Х18Н10Т,

Поверхность теплообмена холодильника паров бензола 361 м³,

Стабильная работа оборудования должна обеспечиваться при температуре окружающей среды от -40⁰С до 40⁰С,

Температура наиболее холодного месяца -39⁰С,

Температура наиболее жаркого месяца +35⁰С,

Относительная влажность воздуха 60-86%,

Рабочее барометрическое давление 745 мм рт.ст.,

Тип соединения труб с трубными решётки и класс точности соединения по ОСТ26-02-1015-85 С1Р4-4, степень развальцовки труб по ОСТ 26-02-1015-85 -0,44, класс герметичности по ОСТ 26-11-14-88,

Листовой прокат из стали 09Г2С по ГОСТ 5520-79 в состоянии поставки должен быть термообработан, содержание серы не более 0,035%, фосфора не более 0,035%.

Установленный срок службы - 10 лет,

Скорость коррозии, мм/год - 0,1

Наименование рабочей среды и ее состав:

Вода - класс опасности пр 12.1.007-76 - нет, пожароопасность - нет, взрывоопасность - нет, коррозийность - да.

Бензольные углеводороды - класс опасности пр 12.1.007-76 - да, 2 кл., пожароопасность - да, взрывоопасность - да, коррозийность - да.

В трубное пространство подается бензол, а в межтрубное вода.

1.3 Требования к качеству готового продукта до и после реконструкции. ГОСТы и ТУ на сырье и готовую продукцию

Таблица 2 - Требования к качеству сырья

Наименование показателей	Нормы для марок
	БС-2
Внешний вид	Прозрачная жидкость от светло до темно-коричневого цвета, не содержащая взвешенных частиц
Фракционный состав: Массовая доля отгона, до 150 ?С, не более, %	12
Массовая доля отгона до 180 ?С, не менее, %	не нормируется
Массовая доля отгона до 200 ?С, не менее, %	45
Массовая доля бензола в отгоне до 180 ?С, %, не менее	не нормируется
Температура конца отгона 97% пробы, ?С, не выше	не нормируется

Таблица 3 - Требования, предъявляемые к ИКФ

Наименование показателей	Норма для сорта
	1-го	2-го
Массовая доля смолообразующих соединений, %, не менее	50	40
Массовая доля нафталина, %, не более	5,0	12,0

Таблица 4 - Требования, предъявляемые к сольвент - нафте

Наименование показателей	Норма
Массовая доля воды, %, не более	4,0
Массовая доля нафталина в пересчете на безводную массу, %, не менее	50

1.4 Контроль технологического режима до и после реконструкции (при внедрении проекта)

Таблица 5 - Виды контроля

Виды контроля	Назначение	Ответственность	Примечание
Входной	Контроль качества поступающего сырья (указать конкретно)	Персонал цеха Лабораторный анализ - КХЛ	Осуществляется, согласно схеме лабораторного контроля (см. таблица 6)
Операционный	Контроль технологического режима (указать конкретно)	Цеховой персонал Лабораторный анализ - КХЛ	См. таблица 7
Приемочный	Контроль качества готового продукта (указать конкретно)	Персонал цеха, ОТК, лаборатория	Осуществляется, согласно схеме лабораторного контроля (см. таблица 6)

Таблица 6 - Схема лабораторного контроля редистилляции

Что контролируется	Точка отбора	Периодичность отбора	По каким показателям	Масса отбираемой пробы	Ответственность
СБ -2	Цистерна	Постоянно	Удельный вес, tн.к., tк.к., V120-180	250 мл	аппаратчик
ИКФ	Приколонок	Раз в смену	tн.к., tк.к., V180	100 мл	аппаратчик
Погоны до 1500С	Насос №9	Раз в смену	P420, tн.к., tк.к., V120-150	100 мл	аппаратчик

1.5 Метрологическое обеспечение

Таблица 7 - Метрологическое обеспечение редистилляции

Что контролируется	Значение показателя	Тип прибора	Периодичность контроля	Ответственность	Техническая документация
Давление, кгс/см2 (МПа)	не более 0,5 (0,05)		постоянно	Старший аппаратчик	ТИ 105-КХ.ЦР-10-03
Расход сырья, м3/ч	2,0-5,0	ротаметр пневматический	постоянно	Старший аппаратчик	ТИ 105-КХ.ЦР-10-03
Расход рефлюкса, м3/ч	2,0-4,0	ротаметр пневматический	постоянно	Старший аппаратчик	ТИ 105-КХ.ЦР-10-03
Температура, ?С - внизу колонны (тарелка №1) - вверху (тарелка №25) - внизу приколонка (тарелка №5) - дистиллята	100 - 150 92 - 98 90 - 135 30 - 45	термопара градусник	постоянно	Старший аппаратчик	ТИ 105-КХ.ЦР-10-03

1.6 Автоматизация производства

Основными задачами автоматизации являются повышение производительности труда, стабилизация качества получаемых продуктов и снижение производственных потерь, требования, предъявляемые к системам автоматического регулирования, охватывают весь технологический режим, начиная от приема сырья и кончая выдачей готовой продукции.

Превышение допустимых отклонений параметров от нормы, как правило, приводит к нарушению режимов работы основного технологического оборудования., а следовательно, к ухудшению качества получаемых продуктов, увеличению расходных коэффициентов и безвозвратных потерь ценных химических продуктов.

Технологические требования к средствам измерения можно разделить на общие, характеризующие соответственно изменение параметров в ходе технологического процесса, и специальные, определяющие конструктивные решения вопросов автоматизации с учетом надежности работы средств автоматического контроля и регулирования.

2. Специальная часть

редистилляция шихта реконструкция бензол

2.1 Расчёт материального баланса коксования угольной шихты производительностью 5160 тыс. т/год валового кокса 6%-ой влажности

Приходная часть	Расходная часть
название статьи	Масса	процентный состав	название статьи	Масса	Процентный сост.
		на раб. Шихту	на сухую шихту			на раб. Шихту	на сухую шихту
Сухая шихта	6225644,975	92,9	100	Выход валового кокса	4849837,749	72,4	77,9
Влага шихты	475802,7914	7,1	0	выход К. газа	877889,6574	13,1	14,1
Итого	6701447,766	100	100	выход смолы	205064,3017	3,1	3,3
				выход С.Б.	67550,59349	1,0	1,2
				выход аммиака 100%-го	16753,61942	0,3	0,2
				выход серы	14073,04031	0,2	0,2
				влага	475936,8204	7,1	0,0
				Вода пирогенетич.	194341,9852	2,9	3,1
				Невязка	0	0,0	0,0
				Итого	6701447,766	100,0	100,0

2.2 Расчёты по отделению

Для нахождения количества дистиллята составляем уравнение баланса по бензолу:

45,63*0,8096 = 0,995*D + 0,05*(45,63 - D)

36,94 = 0,995*D + 0,4563 - 0,05*D

D = 35 кмоль/ч

Найдем расход остатка по формуле ():

R = 45,63 - 35 = 10,63 кмоль/ч

Для нахождения содержания бензола в дистилляте составим уравнение баланса по бензолу:

45,63*0,4 = х_DБ *35

х_DМЦГ = 1,92 мол. доли

Для нахождения содержания метилциклогексана в дистилляте составим уравнение баланса по метилциклогексану:

45,63 *0,0021 = х_DМЦГ *35

х_RМЦГ = 0,0027 мол. доли

Найдем содержание диметилциклогексанов в дистилляте:

х_DДМЦГ = 1 - (0,0004+ 0,0005 + 0,0027 + 0,995) = 0,0014 мол. доли.

Для нахождения содержания диметилциклогексанов в остатке составим уравнение баланса по диметилгексанам:

45,63*0,0024 = 0,0014* 35 + х_RТ *10,63

х_RДМЦГ = 0,006 мол. доли.

Находим мольную долю ксилолов в остатке:

45,63 = 1 - (0,006 + 0,05) = 0,944 мол. доли

Минимальное количество тарелок в колонне находим из уравнения:

n_min+1 = = 13,6

n_min = 13,6-1 = 12,6

Для ориентировочного определения числа тарелок при конечном флегмовом числе х используем диаграмму Джиллиленда:

Находим минимальное флегмовое число с использованием формул

M = = 0,229

N = = 8,7

Поскольку в смеси есть компоненты более летучие чем легкий ключевой компонент то рассчитываем величину R₀ по формуле:

R₀ = ,

где: - относительные летучести по отношению к тяжелому ключевому компоненту компонентов более легких чем легкий ключевой компонент;

- содержание компонентов в дистилляте, мол. доли.

R₀ = = 0,02

х _min + 1 = 0,229* (8,7 + 0,02) = 2

х _min = 2 -1 = 1

Рабочее флегмовое число находим принимая коэффициент избытка флегмы равным 2:

х =2,0*1 = 2

Далее находим:

= = 0,33

Воспользовавшись диаграммой находим = 0,35

Т.к. n_min = 12,6 то находим n:

Отсюда находим число теоретических тарелок n = 20 шт. Для нахождения минимального числа теоретических тарелок в укрепляющей и истощающей частях колонны проведем расчет по формуле:

= 7,9

Находим значение n' из уравнения:

= 0,35

= 13

Т.е. минимальное число тарелок в укрепляющей части колонны - 13 шт., исчерпывающей - 7 шт.

Находим число практических тарелок. Перед этим рассчитав КПД тарелки, предварительно найдя динамическую вязкость смеси при температуре 125 ^оС. Динамическую вязкость отдельных компонентов выбираем из таблицы.

з=17 - 61,6lg (0,2*0,0003+0,225*0,8096+0,252*0,1856+ +0,305*0,0021+0,359*0,0024) = 56%

n_пр = 20/0,56 = 35 шт.

Количество тарелок в рассчитанной редистиляционной колонне равно числу тарелок в действующей колонне. Число тарелок в укрепляющей части колонны 23 шт., в исчерпывающей - 12 шт.

В завершении расчета редистиляционной колонны приведем таблицу материального баланса.

Материальный баланс редистиляционной колонны

Приход	Расход
Питание		Дистиллят	Остаток
Компонент	кмоль/ч	кг/с	Компонент	кмоль/ч	кг/с	кмоль/ч	кг/с
Бензол	0,0137	0,0003	Бензол	0,0137	0,0003	-	-
Толуол	36,943	0,945	Толуол	34,825	0,891	2,118	0,054
Ксилолы	8,469	0,245	Ксилолы	0,018	0,0005	8,451	0,2447
МЦГ	0,096	0,0033	МЦГ	0,096	0,0033	-	-
ДМЦГ	0,11	0,0037	ДМЦГ	0,049	0,0015	0,061	0,0022
Итого	45,63	1,2	Итого	35	0,896	10,63	0,304

6.3 Тепловой баланс редистиляционной колонны

Формула материального баланса:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q₆

Приход тепла:

Питание в количестве 1,2 кг/с поступает в колонну при t_F=20°С. Теплоемкость компонентов смеси приведена в таблице. Определяем массовую долю компонентов в смеси по формуле, результаты определения заносим в таблицу:

Молекулярная масса смеси, равна 94,8 кг/кмоль;

х_Б' = 0,0003*78,12/94,8 = 0,004

Остальные значения рассчитываем аналогичным образом

Теплоемкость исходной смеси находим по правилу адитивности по формуле:

С_F = 0,0002*1,71+0,7869*1,67+0,2079*1,698+0,0022*1,86+0,0028*1,867 = 1,677 кДж/кг*град

Определяют количество тепла, поступившее с питанием по формуле:

Q₁ = 1,2*1,677* 20*1000 = 40243 Вт

Температура флегмы подаваемой на колонну равна 25°С. Массовую долю компонентов в смеси определяем по формуле. Молекулярная масса дистиллята равна 92,19 кг/кмоль.

х_Б' = 0,004*78,12/92,19 = 0,004

Теплоемкость флегмы находим по правилу адитивности по формуле:

С_D = 0,0034*1,724 + 0,9945*1,674 + 0,0029*1,888 + 1,897*0,0017 + 0,0057*1,71 = 1,687 кДж/кг*град

Q₂ = 2*0,896*1,687*25*1000 = 75578 Вт

Количество тепла приходящее в подогревателе с греющим паром рассчитывается по формуле:

Q₃ = G_ГП*i_ГП.

Количество тепла передаваемого в подогревателе находим из уравнения материального баланса.

В качестве греющего пара применяется перегретый пар давления 1 МПа и температурой 300^оС с энтальпией i = 3037 кДж/кг.

Расход тепла:

Расход тепла с кубовым остатком:

Определяем теплоемкость компонентов смеси при температуре 140^оС, а также массовую долю компонентов в смеси по формуле:

Молекулярная масса смеси равна 105,5 кг/кмоль:

х_Б' = 0,05*92,14/105,5 = 0,0002

Теплоемкость кубового остатка находим по правилу адитивности по формуле:

С_D = 0,0437*1,85 + 0,9494*2,11 + 0,0063*2,31 = 2,1 кДж/кг*град

Q₄ =2,1*140*0,304*1000 = 86822 Вт

Находим расход тепла с дистиллятом, перед этим находим теплоту парообразования по формуле:

I_ПF = 0,995*368,8 = 368 кДж/кг

Q₅ = 368*0,896*1000 = 329728 Вт

Принимаем тепловые потери в количестве 2% от тепла подводимого в подогревателе. з = 1,02

Из уравнения теплового баланса находим тепло передаваемое смеси в подогревателе:

Q₃ = (329728 + 86822 - 75578 - 40243)*1,02 = 306744 Вт

Найдем потери тепла в окружающую среду:

Q₆ = 0,02*306744 = 6135 Вт

Проверяют выражение теплового баланса по уравнению:

40243 +75578 +306744 = 86822 + 329728 + 6135

422565 = 422565

Холодильник дистиллята.

Дистиллят (бензол) поступает холодильник при температуре t_н =110^оС. Конечную температуру смеси принимают равной t_к = 25^оС. Теплоемкость бензола при 110^оС - c_н = 1970 Дж/(кг*град). Теплоемкость бензола при 25^оС - c_к = 1674 Дж/(кг*град).

В качестве хладагента выбирают воду с начальной температурой Т_н = 20^оС и конечной Т_к =30^оС. Бензол и вода направляются в аппарате друг относительно друга противотоком.

Тепловую нагрузку аппарата определяют по формуле:

Q= D*(t_н * c_н + t_к * c_к) + Q₅, Вт

где: Q₅ - теплота конденсации паров дистиллята, Вт

Q= 0,896*(110 *1970 + 1674*25₎ + 329728 = 486394 Вт

Расход воды определяем по формуле:

G = Q/c_в*(Т_к - Т_н), кг/с

где: с_в - теплоемкость воды. с_в=4190 Дж/(кг*град);

G₂ = 486394/4190*(30 - 20) = 11,6

Среднюю разность температур находят по формуле:

, ^оС

где: t_б - разность температур на том конце аппарата, где она больше, ^оС;

t_м - разность температур на том конце аппарата, где она меньше, ^оС.

Для определения средней разности температур используем тепловую схему теплообменника:

Тепловая схема холодильника дистиллята



Зададимся числом Re = 10000, определим соотношение n/z для конденсатора из труб диаметром d_н = 25х2 мм.

,

где: n - общее число труб;

z - число ходов по трубному пространству;

м₂ - динамический коэффициент вязкости воды, равен 0,00075 Па*с

Действительное число Re определяем по формуле:

,

Коэффициент теплоотдачи воде определяем по уравнению:

, Вт/(м²*град)

где: л - коэффициент теплопроводности, Вт/м*град, равен 0,616 Вт/м*град;

Pr - критерий Прандля, для воды со средней температурой 25 ^оС равен 5,56 [25].

= 2129

Коэффициент теплопередачи от пара, конденсирующегося на пучке вертикально расположенных труб:

, Вт/(м²*град)

где: л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К). Для бензола л=0,125 Вт/(м*К)

с - плотность бензола, 829 кг/м³;

- диаметр трубок наружный, м;

м - вязкость бензола, Па*с, равен 0,0004 Па*с.

= 739

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и пара равно:

2*10^-3/17,5 + 1/1860 + 1/11600 = 0,000738 м²*град / Вт

Коэффициент теплопередачи:

К = = 390 Вт/(м²*град)

Требуемая поверхность теплопередачи:

F = 486394/350*27 = 51,5 м²

Фактически используется конденсатор-холодильник с поверхностью теплообмена 361 м². Число труб 1165 шт.

Холодильник дистиллята.

Дистиллят поступает в холодильник при температуре t_н = 105^оС конечная температура t_к = 25^оС. В качестве хладагента выбирают воду с начальной температурой Т_н = 20^оС и конечной Т_к = 25^оС. Жидкости двигаются относительно друг друга противотоком. Для дистиллята удельная теплоемкость при 105 ^оС: c_н =1910 Дж/(кг*град), при 25^оС - c_к =1596 Дж/(кг*град)

Тепловую нагрузку аппарата определяют по формуле. Теплота конденсации паров дистиллята равна 37301 Вт:

Q=0,102*(105*1910 + 25 * 1596₎ + 37301 = 54630 Вт

Расход воды определяют по формуле:

кг/с

Среднюю разность температур находят по формуле:

^оС

Принимают коэффициент теплопередачи К = 390 Вт/(м²*К).

Необходимая поверхность теплопередачи определяют по формуле:

м²

Предполагается для охлаждения дистиллята использовать резервный конденсатор-холодильник с площадью теплообмена 42 м².

Результаты расчета теплообменников промежуточной колонны

Теплообменник	Холодильник дистиллята
Тепло- или хладоноситель	Вода при Тн=20оС и Тк=25оС.
Тепловая нагрузка, Q, Вт	17029
Расход теплоносителя, кг/с	2,6
,С	32,7
КОР, Вт/(м2К)*	140
Поверхность теплообмена рассчитанная, F, м2	5,18
Поверхность теплообмена фактически, м2	42

Результаты расчета теплообменников редистиляционной колонны

Теплообменник	Холодильник дистиллята
Тепло- или хладоноситель	Вода при Тн=20оС и Тк=30оС.
Тепловая нагрузка, Q, Вт	486394
Расход теплоносителя, кг/с	11,6
,С	32,7
КОР, Вт/(м2К)*	140
Поверхность теплообмена рассчитанная, F, м2	51,5
Поверхность теплообмена фактически, м2	361

Размещено на Allbest.ru