CUPRINS
DATE DE PROIECTARE
1.
Capacitatea de prelucrare: 750000 t/an; 1
2.
Cifra de cocs Condranson: CFR = 1,2;
3.
Durata de funcţionare: 300 zile/an;
4.
Temperatura: 835 °F
5.
Presiunea : 20 Psig
6.
Presiunea medie pe cameră: 2,5 bar
7.
Temperatura de intrare : t i = 446,11°C ;
8.
Δt pe cameră; 24°C
10.
Înalţimea de spumare: 2,8 m
CICLUL DE FUNCŢIONARE
2
Umplere – 24h Liniştire – 8h Stripare cu abur – 2h Deschiderea camerei -1h Forare - 1h Tăiere cocs – 4h Închiderea camerei – 1h Probă de presiune – 1h Încălzire cu abur – 4h Rezervă de timp – 2h TOTAL – 48h
GENERALITAŢI
3
Prin procesul de cocsare intarziata se obtin cocs de petrol, gaze, distilate usoare si medii cu interval de fierbere de la 40 la 450 0C. Odata cu cresterea ponderii titeiurilor sulfuroase si grele in productia mondiala de petrol scopul cocsarii s-a diversificat, astfel: -
Prin cocsarea mp. cu continut scazut de sulf, sub 1,5% se obtine cocs
pentru mase anodice (cocs regular) si cocs pentru electrozi utilizati in industria siderurgica (cocs acicular); -
Prin cocsarea mp. cu continut ridicat de sulf, se obtine un cocs de o
calitate inferioara, acesta fiind utilizat drept combustibil in cuptoarele de calcinare a cimentului , sau in amestec cu carbunele energetic pentru alimentarea termocentralelor. Obs: cocsul obtinut prin procedeul de cocsare in strat fluidizat este de o calitate inferioara si se utilizeaza numai drept combustibil. Produsele distilate de la cocsare, atat cele obtinute din materiile prime nesulfuroase cat si cele obtinute din mp. sulfuroase se prelucreaza uzual, dupa hidrofinarea lor, in amestec cu fractiile de distilare primara sau in vid. Materiile prime uzuale pentru instalatiile de cocsare sunt: -
Reziduuri obtinute in procesele primare de prelucrare, respectiv, la DA si
-
reziduurile obtinute in procese de prelucrare termica, la Cracare Catalitica,
DV; Cracare termica, Piroliza.
Schema de principiu a instalatiei de cocsare intarziata cu un cuptor
4
5
4
Descrierea fluxului tehnologic.
Materia prima face schimb de caldura cu produsele laterale obtinute in coloana de fractionare 2, respectiv cu motorina usoara si cu motorina grea (si cu refluxul de interval). Astfel preincalzita (aproximativ 200 0C) , materia prima intra in zona de convectie a cuptorului unde se incalzeste pana la temperaturi de 300-330 0C dupa care intra in coloana de fractionare, deasupra talerului de alimentare cu efluent obtinut la varful evaporatorului 4. Materia prima joaca rol de reflux la baza coloanei, preluand partile grele din efluent. Mai departe materia prima incalzita pana la temperaturi de aprox. 3600C iese din baza coloanei de fractionare 2 si intra in zona de radiatie a cuptorului; la intrare in aceasta zona se amesteca cu abur de injectie, in proportie de 1,52%, dupa care se incalzeste in cuptor pana la o temperatura de aproximativ 500 0C. Astfel incalzita, materia prima iese din cuptor, se amesteca cu fractiunea lichida separata la baza evaporatorului 4, dupa care intra in camerele de cocsare 1. In camerele de cocsare reactiile de cracare, respectiv de policondensare si formare de cocs se desavarsesc timp de 24-30 h. Efluentul sub forma de vapori, care iese la varful camerelor de cocsare 1, intra in evaporatorul 4, unde se seapara in doua faze: faza de vapori care intra in coloana de fractionare 2 si faza lichida care iese pe la partea inferioara a evaporatorului si se amesteca cu materia prima inainte de intrarea in camerele de cocsare 1. In coloana de fractionare se obtin pe la varf gaze si benzina care sunt separate in condensatorul de varf 5; lateral se obtin doua fractii de motorina, respectiv motorina usoara si motorina grea. In baza coloanei se separa un distilat greu (reziduu) care se 5
amesteca cu materia prima si impreuna ies din baza coloanei si intra in zona de radiatie a cuptorului. Cocsul din camera de cocsare este evacuat astfel: se “foreaza” o gaura centrala in stratul de cocs (operatie care dureaza aprox.4 ore), dupa care se injecteaza apa sub presiune care “taie” cocsul (operatie care dureaza aprox.5 ore). Odata cocsul taiat si dizlocuit este evacuat din camera de cocsare (5-6- ore). Deoarece toate aceste operatii, precum si reactiile de “maturare” din camerele de cocsare, necesita timpi foarte lungi, se lucreaza cu doua camere de cocsare care sunt operate alternativ.
CALCULUL RANDAMENTELOR
6
Din figura 1 s-a determinat, pentru presiunea de referinţă de 0 psig, funcţie de cifra de cocs Conradson = 17% gr., un factor de corelare A = 15,9.
20 psig
Figura 1. Factorul de corelaţie “A”
Pentru A = 15,9 şi temperatura de 835 °F s-a obţinut, din figura 2, randamentul de cocs la 0 psig. ca fiind 21,6% gr. Din figurile 1 şi 2 s-a determinat factorul de corelare A = 18,4 şi randamentul de cocs egal cu 24,3% gr. pentru 20 psig . S-a determinat factorul de corelare B ca un raport între randamentul de cocs la presiunea de operare şi randameatul de cocs la presiunea de referinţă. B
=
24,3 = 1,125 21,6
Din fig. 3 pentru B găsit s-a determinat raţia de recirculare (CFR) ca fiind egală cu 1,16. 7
Figura 2. Randamentul de cocs la presiunea de referinţă şi presiunea de lucru
Figura 3. Determinarea raţiei de recirculare (CFR).
8
Figura 4. Randamentul în gaz uscat faţă de randamentul de cocs.
Figura 5. Randamentul în benzină faţă de randamentul de cocs.
9
Figura 6. Randament total (combinat % gr. şi %vol.).
Cu graficele din figurile 4, 5 şi 6 s-au obţinut, pentru 0 psig., următoarele randamente : –
Gaze uscate, % gr.
6;
–
Benzină, % vol.
24;
–
Suma randamentelor, %
110,9.
Figura 7. Factorul de adiţie la suma randamentului exprimat.
10
Pentru CFR = 1,16 s-au determinat factori de corecţie pentru produse (figura 3) şi pentru suma randamentelor (figura 7), astfel: – Gaze uscate
1,1
– Benzină
1,1
– Cocs
1,125
– Suma randamentelor
0,7
Randamentele la presiunea de lucru = 20 psig. sunt: –
Gaze, % gr.
6 · 1,1 = 6,6
–
Benzină, % vol.
24 · 1,1 = 26,4
–
Cocs, % gr.
21,6 · 1,125 = 24,3
–
Suma randamentelor
110,9 + 0,7 = 111,6
În urma corecţiilor pentru CFR = 1,2 (figurile 3 şi 7) s-au obţinut următorii factori de corecţie: – Gaze
1,125
– Benzină
1,125
– Cocs
1,15
– Suma randamentelor
0,7
După operarea cu factorii rezultaţi randamentele sunt: –
Gaze, % gr.
6,6 · 1,125 = 7,425
– Benzină, % vol.
26,4 · 1,125 = 29,7
– Cocs, % gr.
24,3 · 1,15 = 27,945
– Suma randamentelor –
111,6 + 0,7 = 112,3
Motorină , % vol. (prin diferenţă)
47,23
După corectarea randamentelor de mai sus cu factori bazaţi pe producţia maximă de cocs (figurila 8 şi figura 9) s-au obţinut următoarele randamente finale: –
Gaze, % gr.
7,43
–
Benzină, % vol.
–
Cocs, % gr.
–
Suma randamentelor
112,3
–
Motorină , % vol. (prin diferenţă)
46,62
29,7 · 1, 025 = 30,44 27,945 · 0,995 = 27,81
11
Figura 8. Randamentul de benzină corectat pentru producţie mare de cocs.
Figura 9. Randamentul de cocs corectat pentru producţie mare de cocs.
12
Se estimează cantitatea de fracţie C 4 ca fiind 12 % din randamentul de benzină obţinut. –
Benzină C4 – 400 °F , % vol.
30,44
–
Fracţie C4, % vol.
–
Benzină C5 – final 400 °F , % vol.
30,44 · 0,12 = 3,65 26,79
Se presupune că fracţia C 4 are compoziţia: – 45 % gr. n-butan; –
=> d 1515 = 0,5920
5 % gr. i-butan;
– 50 % gr. butilene.
Pentru materia primă d 1515 = 0,9952 ⋅ 0,960 + 0,00806 = 0,9635 Fracţia C4 = 3,65 ⋅
0,5920 = 2,24 % gr. 0,9635
Se estimează fracţia C3 ca fiind 36,5 % gr. din fracţia de gaze. – Gaze, % gr. –
7,43
Fracţie C3, % gr.
7,43 · 0,365 = 2,71
– Fracţie uşoară, % gr. 15 d 15
4,72
benzină C5+ - 400 °F = 0,7432
Benzină C5+ - 400 °F = 26,79 ⋅
0,7432 = 20,66 %gr. 0,9635
S-a completat structura randamentelor în % gr. astfel: –
Fracţie C2 uşoară
4,72
–
Fracţie C3
2,71
–
Fracţie C4
2,24
–
Benzină C5+ - 400 °F
20,66
– Cocs –
27,81
Motorină (prin diferenţă)
– Total randamente 15 d 15 motorină =
0,9635 ⋅
42,46 100
42,46 = 0,8775 46,62
CALCULUL TEHNOLOGIC
13
Pentru materia primă: 750000 ⋅ 10 3 = = 104167 kg / h ⋅ 300 24
Gmp
=
Gmp 15 d 15
104167 = 28,94 kg / s 3600
= 0,9952 ⋅ d 420 + 0,00806 = 0,9952 ⋅ 0,960 + 0,00806 = 0,9634 M =
44,29 ⋅ 0,9634 = 649,79 kg / kmol 1,03 − 0,9634
Pentru reciclu: Greciclu
= 1,2 ⋅ Gmp − Gmp = 1,2 ⋅ 28,94 − 28,94 = 5,79 kg / s
Debitul total de alimentare: G A
= Gmp + Greciclu = 28,94 + 5,79 = 34,73 kg / s
Pentru produşi: –
Fracţie C2 uşoară GC 2
4,72
= 34,73 ⋅ M C 2
–
2,71
= 34,73 ⋅ M C 3
2,71 = 0,941 Kg / s 100
= 42 kg / kmol
Fracţie C4
2,24 GC 4
15
d 15
= 34,73 ⋅
2,24 = 0,756 Kg / s 100
= 0,9952 ⋅ d 420 + 0,00806 = 0,9952 ⋅ 0,5920 + 0,00806 = 0,5972 M C 4
–
= 22 kg / kmol
Fracţie C3 GC 3
–
4,72 = 1,639 Kg / s 100
⋅ = 44,29 0,5972 = 61,11 kg / kmol 1,03 − 0,5972
Benzină C5+ - 400 °F Gbz = 34,73 ⋅ 15
d 15
20,66 20,66 = 6,979 Kg / s 100
= 0,9952 ⋅ d 420 + 0,00806 = 0,9952 ⋅ 0,7432 + 0,00806 = 0,7477 14
M bz =
44,29 ⋅ 0,7477 = 129,71 kg / kmol 1,03 − 0,7477
– Motorină (prin diferenţă) Gmot 15 d 15
42,46
= 34,73 ⋅
42,46 = 14,076 Kg / s 100
= 0,9952 ⋅ d 420 + 0,00806 = 0,9952 ⋅ 0,8775 + 0,00806 = 0,8813 44,29 ⋅ 0,8813 = 262,49 kg / kmol 1,03 − 0,8813
M mot =
Pentru abur: Gab
= 28,94 ⋅ M ab
2 = 0,579 kg / s 100
= 18 kg / kmol
Temperatura medie este: T = t i +
∆t 2
+ 273 = 446,11 + 24 + 273 = 731 K 2
Debitul maxim de vapori este: Qmax
Qmax
= ∑ Gi ⋅ R M i
⋅ T
P
1,639 0,941 0,756 6,979 14,076 0,579 5,79 0,082 ⋅ 731 = + + + + + + ⋅ 42 61,11 129,71 262,49 18 649,79 2,5 22
Qmax
= 6,18 m 3 / s
vmax
= 0,1914 m / s
Diametrul camerei de cocsare este:
D
4 ⋅ Qmax
=
π
⋅ v max
=
4 ⋅ 6,18 = 6,41 m π ⋅ 0,1914
În situaţia aceasta D > 4 m se recomandă folosirea a două camere de cocsare umplute simultan cu diametrul: 4
D
⋅
Qmax
=
π ⋅
2
v max
4 =
π ⋅
Calculul volumului de cocs: 15
6,18 ⋅
2 0,1914
=
4,53 m
Gcx ρ cx
27,81 ⋅ 24 = 695252 Kg cocs / şarjă 100
= Gmp ⋅η cx ⋅ τ umplere = 104167 ⋅
= 1150 kg / m 3 V cx
=
H util
Gcx
=
ρ cx
695252 = 604,57 m 3 1150
V cx
=
D
π ⋅
604 ,57 2
=
π ⋅
4
H spumare
4,53
2
=
37,5 m
4
= 2,8 m H total
H util
=
V spumare
=
H spumare
π
⋅ D 2 4
V capace
37 =
+
π
⋅ H spumare =
,5
2,8 +4,53 +
⋅ 4,532 4
44 =
04 =6
=
V cx V total
,57
45 +
⋅100 =
,13
24 +
,18
673 =
,88
m3
604,57 ⋅ 100 = 89,71% 673,88
16
,83 m
⋅ 2,8 = 45,13 m 3
3 π ⋅ D 2 3 π ⋅ 4,53 = ⋅ = ⋅ = 24,18 m 3 4 2 4 2
V total
γ util
H Capace
+
BIBLIOGRAFIE
1.
Suciu, G.C., Ţunescu, R.C., Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol. I, Ed.
Tehnică, Bucureşti, 1983; 2.
Suciu, G.C., Ţunescu, R.C., Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol. V, Ed.
Tehnică, Bucureşti, 1999; 3.
Dumitru Dobrinescu - Echipamente de transfer termic si utilaje specifice.
4.
Şomoghi, V. ş.a, Proprietăţi fizice utilizate în calcule termice şi
fluidodinamice, Universitatea “Petrol - Gaze“, Ploieşti, 1997;
17
