Технологическая схема производства битума. Дипломная работа - часть 2

 

  Главная      Учебники - Разные     Технологическая схема производства битума. Дипломная работа

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

 

содержание      ..      1      2      3      ..

 

 

Технологическая схема производства битума. Дипломная работа - часть 2

 

 

Парафино-нафтеновые  соединения  в  сырье  являются  разжижителем  и 

пластификатором,  улучшающим  свойства  битума,  их  присутствие  в  сырье 

до 10

 

- 20 % желательно. 

Присутствие  серы  и  сернистых  соединений  в  сырье  способствует 

улучшению  пластических  свойств  окисленных  битумов  и  их  пониженной 

температурой чувствительности. Содержание различных соединений в сырье в 

значительной мере предопределено химической природой нефти. 

Температура процесса окисления 

С  повышением  температуры  процесса  возрастает  скорость  окисления 

гудрона,  понижается  содержание  кислорода  в  окисленном  битуме, 

продолжительность  процесса  окисления  и  необходимый  суммарный  расход 

воздуха снижаются, степень использования кислорода воздуха повышается. 

С  повышением  температуры  выше  250  °С  изменяются  некоторые 

товарно-технические  свойства  битумов:  температура  хрупкости  битума 

повышается,  а  пенетрация,  растяжимость,  теплостойкость  и  интервал 

пластичности  окисленных  битумов  понижаются.  В  зависимости  от  природы 

сырья  и  требуемых  свойств  битума  следует  подбирать  соответствующую 

температуру  окисления.  Для  дорожных  марок  битумов  рекомендуется 

температура окисления 250-290 °С, а для строительных марок битума не выше 

320 °С. 

При снижении температуры окисления до 190-220 °С скорость реакции 

становится очень мала, что экономически нецелесообразно. 

Содержание свободного кислорода в газах окисления 

Допускаемая  концентрация  свободного  кислорода  в  горячих  газах 

окисления  установлена не выше  8 % об., а в охлажденных газах окисления не 

выше 10%  об. 

Давление 

Улучшению качества окисленных битумов и интенсификации процесса 

окисления способствует увеличение давления в зоне реакции.  

Повышенное  давления  в  зоне  реакции  сокращает  продолжительность 

окисления,  улучшает  диффузию  кислорода  в  жидкую  фазу,  в  результате 

конденсации  увеличивается  интервал  пластичности  получаемых  битумов. 

Масляные пары из газовой фазы улучшаются тепло- и морозостойкость.  

свойства получаемых битумов и состав можно регулироват правильным 

подбором давления в системе. 

Давление обычно находится в пределах от 0,3 до 0,8 МПа. [2] 

1.9 Характеристика сырья и готовой продукции 

1.9.1.Характеристика исходного сырья 

Гудрон.  

Гудрон представляет собой остаток, образующийся в результате отгонки 

из  нефти  фракций,  выкипающих  в  пределах  400-600 

С  при  атмосферном 

давлении  и  под  вакуумом.  Применяется  в  качестве  сырья  для  производства 

битумов дорожных и строительных. В качестве сырья для битумной установки 

использован гудрон смеси западно-сибирских нефтей с вакуум-установки. 

Таблица 2 –Характеристика гудрона. 

Наименование показателя  

Норма  

Температура размягчения, по КИШ, 

о

С; 

36 

Плотность, при 20 

С, кг/м

3

 

980 

Температура вспышки в открытом тигле, 

С  274 

Содержание серы, % мас. 

2,63 

Вязкость условная при 80 

°

С на ВУБ 

40-91 

Содержание асфальтенов, % мас. 

12 

1.9.2.Характеристика готового продукта. 

При окислении гудрона был получен битум марки БНД 60/90. 

Таблица 3 –Характеристика битума дорожного БНД 60/90. 

Свойства 

Ед. измерения  Норма по ГОСТ (ТУ) 

Плотность 

кг/м

3

 

980 

Температура Размягчения по КИШ, не ниже 

Хрупкости, не выше 

Вспышки, не ниже 

°С

 

47 

-15 

230 

Дуктильность  (растяжимость),см,  не  менее  при 

температуре: 

25°С 

0°С 

 

См. 

 

 

55 

3,5 

Индекс пенетрации 

 

От минус 1,0 до + 1,0 

Изменение  температуры  размягчения  после 

прогрева,  не более 

°С 

Глубина проникания иглы, не менее: 

при 25 °С 

при 0 °С 

ºС 

 

61-90 

20 

Побочными  продуктами  процесса  получения  окисленных  битумов 

являются отходящие газы и жидкий конденсат («черный соляр»). Соляр имеет 

плотность при 20 ºС 880,0 кг/м

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Инженерные расчеты 

2.1  Принципиальная  технологическая  схема  производства  с 

описанием. 

Из ректификационной колонны установки атмосферной перегонки нефти 

мазут подается в нижнюю часть вакуум–колонны ВК, расход регулируется  по 

достижению  уровня  в  колонне  уровномером  LIRA-1,  гудрон  c  температурой 

153 

о

С,  показание  на  термометре  TI-2  насосом  Н1  подается  в  среднюю  часть 

колонны  окисления  КО.  Одновременно  с  гудроном  в  колонну  окисления  КО 

подается  воздух,  предварительно  подогретый  в  теплообменнике  Т  до 

температуры 60 

о

С, показание на термометре TI-6, теплом битума, выходящего 

из нижней части колонны окисления КО. В колонне окисления КО, температура 

в колонне 250 

С и давление 0,5 Мпа, показание на термометре TI-7 и манометре 

PI-8, нагретый воздух поступает в распределительное устройство и барботирует 

через жидкий гудрон. В верхней части окислительной колонны КО установлен 

каплеотбойник  для  предотвращения  уноса  капель  гудрона.  Для  аварийного 

сброса давления на колонне окисления КО установлен клапан ППК (пружинный 

предохранительный клапан прямого действия), срабатывающий при давлении на 

манометре PIRA-5 - 0,6 МПа. После срабатывания клапана ППК газообразные 

продукты через огнепреградитель 7 поступают на факел. Окисленный битум с 

низа колонны окисления  КО насосом Н2 подается в емкость Е1 для хранения 

битума,  которая  обогревается  топочными  газами,  забираемыми  из  печи 

дожига  П.  После  обогрева  емкости  Е1  для  хранения  битума,  газ  подают  в 

адсорбер А. В процессе окисления из верхней части окислительной колонны КО 

удаляются  продукты  неполного  сгорания  (абгаз,  содержащий  азот,  остатки 

кислорода,  углеводородные  газы,  углекислый  газ),  охлаждаются  в 

холодильнике  -  конденсаторе  ХК  и  поступают  в  сепаратор  С.  В  сепараторе  С 

конденсат  («черный  соляр»)  отделяется  от  газов.  С  низа  сепаратора  С 

насосом Н2 «черный соляр» подается в емкость Е2. Часть «черного солярая» из 

емкости  Е2  идет  на  печь  дожига  П.    Газы  из  верхней  части  сепаратора 

дожигаются  в  печи  дожига  П.  Продукты  сгорания  очищаются  угольным 

фильтром в адсорбере А, после чего удаляются в атмосферу. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Материальный расчет 

Исходные данные:  

- производительность установки по сырью 

𝐺

𝑓

= 25000 тонн/год

  

- сырье – гудрон смеси западно-сибирских нефтей  

-температура размягчения  36 

о

С  

-плотность  980 кг/м

3

;  

- марка получаемого битума БНД 60/90  

-температура размягчения по КиШ 47 

о

С;  

выход битума составляет около 97,232 % масс. на исходный гудрон  [9]. 

Условия процесса: 

удельный расход воздуха g

возд. 

= 95 м

3

/т;  

температура процесса окисления  t = 250

 о

С;  

давление процесса Р = 0,5 МПа;  

объемная скорость подачи гудрона w = 0,30 ч

-1

Расчет материального баланса колонны. 

 

Переводим производительность установки из размерности т/год в кг/ч по 

формуле (1).  

Среднее число рабочих дней в году  220 дней 

кг/ч

  

,

24

n

3

10

F

G

с

G

.                                                                                          (1) 

где G

- производительность по сырью, т/год;  

n - число рабочих дней работы установки в году. 

 

кг/ч,

 

4734,8

24

20

2

000

1

25000

с

G

 

Выход готового продукта G

б

, кг/ч,  

,  кг/ч.                                                                                        (2) 

где В

Б

 – выход битума на сырье, % масс;  

G

С 

- производительность установки, кг/ч. 

.

кг/ч

 

4603,7

8

,

734

4

100

97,232

Б

G

С

Б

Б

G

100

В

G

Общий расход воздуха G

возд

, кг/ч,  

 кг/ч                                                                                     (3а) 

где Х

ВОЗД

 – расход воздуха, % масс; 

       G

С 

- производительность установки, кг/ч. 

кг/ч

 

 

1000

p

G

возд

G

возд

c

возд

g

                                                                    (3б) 

где g

возд 

 – удельный расход воздуха, м

3

/т сырья;   

       р

возд 

– плотность воздуха,  кг/м

3  

плотность воздуха 1,293 кг/м

       G

С 

- производительность установки, кг/ч. 

кг/ч

 

 

581,6

1000

1,293

4734,8

5

9

возд

G

0,77

G

ВОЗД

N

2

G

,  кг/ч                                                                                     (4) 

Где  G

возд

 – общий  расход воздуха, кг/ч, 

8

,

47

4

0,77

6

,

81

5

G

2

N

 кг/ч 

Количество кислорода 

2

О

G

, кг/ч,  

0,23

G

G

ВОЗД

О

2

,  кг/ч                                                                                     (5) 

Где  G

возд

 – общий  расход воздуха, кг/ч, 

8

,

33

1

0,23

6

,

81

5

G

2

О

 кг/ч 

Количество остаточного кислорода в газах окисления G′

О2

, кг/ч,  

05

,

0

'

2

ВОЗД

О

G

G

,  кг/ч                                                                                             (6) 

1

,

9

2

0,05

6

,

81

5

G

'
О

2

кг/ч 

Количество  израсходованного  кислорода  G′′

О2

,  кг/ч,  рассчитывается  по 

уравнению 

,

G

G

G

'
О

O

''

О

2

2

2

 кг/ч                                                                                      (7) 

7

,

04

1

1

,

9

2

8

,

33

1

''

О

2

G

 кг/ч 

,

3

,

0

2

2

2

''

2

О

СО

О

СО

М

М

G

G

 кг/ч                                                                                    (8) 

,

100

С

ВОЗД

ВОЗД

G

Х

G

Где 

2

СО

М и 

2

О

М -  молекулярные  массы  диоксида  углерода  и  кислорода 

соответственно, г/моль,  

G′′

О2

 –количество израсходованного кислорода, кг/ч. 

2

,

3

4

32

44

7

,

04

1

0,3

G

2

СО

 кг/ч 

Количество образующейся воды, кг/ч: 

,

65

,

0

2

2

''

2

О

О

Н

О

О

Н

М

М

G

G

 кг/ч                                                                               (9) 

Где 

О

Н

2

М

и 

О

М

-  молекулярные  массы  воды  и  молекулярная  масса 

кислорода  в  молекуле  воды  соответственно,  г/моль,  G′′

О2

  –количество 

израсходованного кислорода, кг/ч. 

6

,

6

7

16

18

7

,

04

1

0,65

G

О

Н

2

 кг/ч 

Количество  гудрона,  пошедшее  на  образование  СО

2

  и  Н

2

О,  кг/ч, 

рассчитывается по уравнению 

),

65

,

0

(

)

3

,

0

(

''

''

2

2

2

2

О

О

Н

О

СО

Г

G

G

G

G

G

 кг/ч                                                         (10) 

28

,

0

2

)

7

,

04

1

0,65

(76,6

)

7

,

04

1

0,3

(43,2

G

Г

 кг/ч 

что составляет 

.

сырья

от

масс.

%

 

0,4

100

4734,8

20,28

 

Количество  углеводородных  газов,  образующихся  в  процессе, 

принимается равным 1,5 % масс от сырья.  

,

100

5

,

1

.

.

С

Г

У

G

G

                                                                                                      (11) 

Где  G

С 

- производительность установки, кг/ч. 

0

,

1

7

100

1,5

G

8

,

734

4

У.Г.

кг/ч 

Производим  расчет  жидких  продуктов  в  составе  отгона  с  учетом 

соблюдения материального баланса.  

Составляем материальный баланс по произведенным расчетам. 

 

 

Таблица 4 –Материальный баланс колонны окисления 

Приход 

% мас. 

кг/ч 

Расход 

% мас. 

кг/ч 

Гудрон 

89,1 

4734,8 

Битум дорожный 

86,6 

4603,7 

Воздух 

10,9 

581,6 

Азот 

8,4 

447,8 

 

 

 

Кислород 

0,5 

29,1 

 

 

 

Углекислый  газ 

0,8 

43,2 

 

 

 

Водяные  пары 

1,4 

76,6 

 

 

 

Углеводородные  газы 

1,3 

71,0 

 

 

 

Отгон(черный соляр) 

0,8 

45,1 

Итого 

100 

5316,5 

 

100 

5316,5 

 

 

2.3 Тепловой расчет основного аппарата. 

Суть теплового расчета заключается в определении температуры битума 

на входе в окислительную колонну или, задаваясь температурой сырья на входе 

в  окислительную  колонну,  в  определении  количества  циркулирующего 

орошения. 

Для определения температуры сырья на входе производим расчеты  

Приход тепла 

Тепло с сырьем определяем по формуле:  

Q

с

  = G

с

 ∙ t

г

 ∙ c

г

,  кДж/ч,                                                                                 (12) 

где с

г

 – теплоемкость гудрона, кДж/(кг  К); 

t

г

 – температура сырья на входе в колонну, 

о

С, 

G

С 

- производительность установки, кг/ч. 

Q

с

  = 4734,8∙ t

г

 ∙ 2,1 = 9943,1 ∙ t,  кДж/ч. 

Тепло, выделяющееся при окислении гудрона. 

,

I

G

Q

P

С

Р

кДж/ч.                                                                                    (13) 

где  I

P

  –  тепловой  эффект  реакции  окисления  битума,  кДж/кг. 

I=235 кДж/кг.  

G

С 

- производительность установки, кг/ч. 

Зная температуру размягчения битума (47 

о

С) и температуру окисления 

гудрона  (250

о

С)  определяем  по  данным  графика  рис.5,  энтальпию  окисления 

гудрона. 

 

Рисунок  5–Зависимость  теплового  эффекта  окисления  гудрона  от 

достигаемой  температуры  размягчения  битума  при  различной  температуре 

окисления гудрона: 220, 225, 250, 275, 300

о

С. 

Q

р

   = 

кДж/ч

235

  

1112678,0

4734,8

 

Вычисляем тепло с воздухом на окисление 

,

Cp

t

G

Q

ВОЗД

ВОЗД

ВОЗД

ВОЗД

                                                                       (14) 

где G

возд

 – общий  расход воздуха, кг/ч,  

ВОЗД

 – температура сжатого воздуха, принимаем t 

ВОЗД

 = 60 ˚С;  

С

рВОЗД

 – теплоемкость воздуха, С

рВОЗД

 = 1,009 кДж/(кг ∙ 

о

С). 

ч.

Дж/

к

  

35210,1

1,009

60

581,6

возд

Q

 

 Всего приход тепла: 

Q

приход

 = Q

с

 + Q

р 

+ Q

возд

 , кДж/ч.                                                                       (15) 

где Q

с  

- тепло вносимое с сырьем кДж/ч,  

Q

р

 - тепло, выделяющееся при окислении гудрона кДж/ч,  

Q

возд

 - тепло с воздухом на окисление  кДж/ч.                                                                  

;

   

1112678,0

  

9943,1

35210,1

г

t

ПРИХОД

Q

 кДж/ч.                                      

1147888,1

  

9943,1

г

t

ПРИХОД

Q

 кДж/ч.                                      

Расход тепла: 

Вычисляем расход тепла с битумом  

,

Q

Q

Q

Q

ПОТ

,

О

.

Г

Б

РАСХ

                                                                                (16) 

Q

б

= G

б

∙ t ∙ c

б

, кДж/ч,                                                                                      (17) 

где  G

б

 -выход готового продукта кг/ч,  

с

б

 – теплоемкость битума, кДж/(кг 

∙ К); [10] 

t – температура процесса окисления, 

о

С. 

Q

б

  = 4603,7 ∙ 2,0 ∙250 = 2301850,0 кДж/ч. 

Вычисляем расход тепла с газами окисления и с отгоном:  

Q

г,о

 = ΣG

∙ с

i

 ∙ t,                                                                                               (19) 

где G

i

 – количество отдельных составляющих газов окисления, кг/ч; 

с

i

 

 

– 

теплоемкость 

отдельных 

составляющих 

газов 

окисления, кДж/(кг  ∙  К); 

t  – температура процесса окисления, 

о

С;  

Q

г.о. 

= (447,8+29,1+43,2+76,6+71,0+45,1)∙1,3938∙250= 248375,2  кДж/ч. 

Потери  тепла  в  окружающую  среду  принимаем  6  %  от  тепла, 

приходящего в колонну, то есть: 

Q

ок.ср. 

= 0,05 ∙ (

1147888,1

  

9943,1

г

t

 ) = 497,2 ∙ t

г

 + 57394,4  кДж/кг. 

Всего расход тепла составляет: 

Q

рас.

 = Q

б

 + Q

г.о.

 + Q

пот

,  кДж/кг.                                                                   (20) 

где Q

б  

- расход тепла с битумом, кДж/ч;  

Q

г.о 

-

 

расход тепла с газами окисления и с отгоном, кДж/ч; 

Q

пот

 - потери тепла в окружающую среду кДж/кг. 

Q

расх .

= 2301850,0 +248375,2  +  57394,4 + (497,2 ∙ t

г

), кДж/кг 

Q

расх .

=   2607619,6 + 497,2 ∙ t

г

;  кДж/кг. 

Определим  температуру  сырья  на  входе  в  колонну  ( t

г

 )  

1147888,1 + 9943,08 ∙  t

г

 =  2607619,6 + 497,2 ∙ t

б

где  - t

б 

температура сырья на выходе, 

С.  

Зная температуру сырья на выходе: 250 

С, определяем температуру на 

входе - t

г. 

 

1147888,1 + 9943,08 ∙  t

г

 =  2607619,6 + 497,2 ∙ 250 

1147888,1 + 9943,08 ∙  t

г  

=  2731907 

t

г  

2731907−1147888,1

9943,08

= 159,3 

С 

Зная  температуру  сырья  на  входе  в  колонну,  определяем  истинные 

значения прихода и расхода тепла. 

Общий расход тепла: 

Q

расх.

 = 2607619,6 + 497,2 ∙ 159,3 = 2731907,06  кДж/кг. 

Общий приход тепла: 

Q

прих.

  = 1147888,1 + 9943,08∙ 250 = 2731907,06  кДж/кг. 

Q

прих.

 =  Q

рас.; 

2731907,06   кДж/кг = 2731907,06   кДж/кг 

2.4 Гидравлический расчет 

2.4.1 Технологический расчет основного аппарата. 

Определяем реакционный объем колонны Vр, м

3

,

G

Vp

C

C

  м

3

                                                                                             (21) 

где  ρ

С

 - плотность сырья, кг/м

3

ω – объемная скорость подачи сырья ч

-1

 [11] 

10

,

6

1

0,3

 

980

4743,8

Vp

м

Предварительно принимается диаметр колонны D = 2 м. Тогда площадь 

сечения колонны S, м

2

, составит 

,

4

D

S

2

 м

2

                                                                                                 (22) 

14

,

3

4

2

2

3,14

S

 м

Полезная высота слоя  окисления  h

1

, м: 

,

1

S

Vp

h

  м                                                                                                         (23) 

где  Vр - Реакционный объем колонны, м

3

;  

S- площадь сечения колонны,  м

2

1

,

5

1

h

3,14

16,10

 м 

Высота газового пространства h

2

D

2

h

 , м                                                                                                   (24) 

1

2

h

2

2

 м 

Общая высота колонны (м):  

Н = h

1

 + h

 2

.                                                                                                   (25) 

где  h

- Полезная высота слоя  окисления, м; 

h

-

 

высота газового пространства, м; 

Н = 5,1+1= 6,1 м 

Скорость подачи воздуха в условиях процесса V

ВОЗД

, м

3

/с: 

,

3600

1

1

,

0

273

273

P

t

G

V

ВОЗД

ВОЗД

ВОЗД

 м

3

/с                                                                  (26) 

где t – температура процесса, ºС; 

P - давление процесса, Мпа,  

G

возд

 – общий  расход воздуха, кг/ч, 

р

возд 

– плотность воздуха,  кг/м

3  

плотность воздуха 1,293 кг/м

3

3

м

 

0,05

3600

1

0,5

0,1

273

273

250

1,293

581,6

V

ВОЗД

 

Линейная скорость воздуха U

возд

, м/с, в колонне составит 

,

S

V

U

ВОЗД

ВОЗД

                                                                                         (27) 

где V

ВОЗД

 – скорость  подачи воздуха в условиях процесса, м

3

/с: 

S- площадь сечения колонны,  м

2

.

м/с

 

0,02

0,05

U

3,14

ВОЗД

 

Расчетная  скорость  воздуха  в  колонне  не  превышает  допустимых 

значений (не более 0,1 - 0,12 м/с), поэтому размеры колонны D = 2 м и Н = 6,1 м 

можно считать правильными.  

Диаметр трубы маточника при скорости газа в ней w

г

 = 25 м/с [12] 

г

w

4

 

м

d

в

V

, м                                                                                             (28) 

где V

в

 - скорость подачи воздуха в условиях процесса, м

3

/с. 

25

14

,

3

05

,

0

4

 

м

d

0,05 м 

Для  барботера  выбираем  трубу  диаметром  30  х  1,5  мм.  -  метрическая 

резьба с наружным диаметром 30 мм, мелким шагом 1,5 мм; [12] 

Средний диаметр барботера 

D

 = 6 ∙ d,  мм                                                                                                  (29) 

где d

м

 - диаметр трубы маточника, м; 

D

 = 6 ∙ 30 = 180 мм. 

Скорость газа в отверстиях маточника  

в

p

м

d

4

,

3

 

м

V

, м/с                                                                                            (29) 

где р

в

 – плотность воздуха, кг/м

3   

54

,

15

293

,

1

1000

027

,

0

4

,

3

 

м

V

 м/с 

Примем диаметр отверстий в маточнике d

о.м.

 = 5 мм, тогда их количество 

будет: 

м

V

d

м

о

в

V

2

.

4

 

Z

,                                                                                              (30) 

где V

в 

- скорость подачи воздуха, м

3

/с, 

       d

о.м

 –диаметр  отверстий в маточнике, мм; 

       V

м

 - cкорость газа в отверстиях маточника, м/с.  

164

54

,

15

2

005

,

0

14

,

3

05

,

0

4

 

Z

 

Шаг расположения отверстий 

Z

ср

D

 

Е

                                                                                                   (31) 

где D

ср –

средний  диаметр барботера, мм; 

       Z –количество отверстий в маточнике. 

45

,

3

164

180

14

,

3

 

Е

 мм 

 2.4.2. Расчет диаметров штуцеров 

Диаметр трубопровода находят по уравнению: [13] 

w

V

d

785

,

0

, м                                                                                         (32) 

где 

V

 – массовый расход, м

3

/с ; 

w

 – скорость рабочего тела, м/с 

Выход  газов окисления  

11

,

0

20

785

,

0

3600

/

8

,

712

.

.

о

г

d

м 

примем d

г.о

 = 120 мм 

Выход битума 

571

,

0

5

785

,

0

3600

/

7

,

4603

б

d

м 

примем d

б

 = 600мм 

Вход сырья 

579

,

0

5

785

,

0

3600

/

8

,

4734

г

d

 м 

примем d

г

 = 600мм 

Вход воздуха в маточник 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..      1      2      3      ..