CALCULUL TEHNOLOGIC AL INSTALATIEI DE DEPARAFINARE PRIN PROCEDEUL DE DEPARAFINARE CONVENTIONAL

CALCULUL TEHNOLOGIC AL INSTALATIEI DE DEPARAFINARE PRIN PROCEDEUL DE DEPARAFINARE CONVENTIONAL

1. Calculul tehnologic al sectiei de racire pentru procesul de deparafinare conventional

Calculul tehnologic urmareste dimensionarea sectiei de racire pentru procesul de deparafinare cu solventi clasici, respectiv determinarea principalilor parametrii tehnologici : temperaturile la intrare/iesire a produsului din cristalizatoare, temperaturile la intrare/iesire a agentului de racire din cristalizatoare, vitezele de racire, debitele de produs, timpii de curgere ai produselor.

Materia prima este trasa de la rezervor cu o pompa cu piston si se amesteca cu o cantitate de solvent impins de la o pompa centrifuga, care trage dintr-un vas cu solvent. Amestecul se incalzeste cu abur mort intr-un preancalzitor pana la temperatura de 70-80^oC, apoi se raceste intr-un racitor cada pana la temperatura de 35-55^oC, de unde este condusa la cristalizatoare.

Aici se imparte in doua circuite, astfel :

care cuprinde cristalizatoarele C1, C2, C3 de regenerare (in care se face schimb de caldura cu filtratul) si C7, C8 (in care se face schimb de caldura cu amoniac) ;

cuprinde cristalizatoarele C4, C5, C6 de regenerare si C9, C10 cu amoniac.

Solventul de dilutie, (S/F)_d este introdus in trei portiuni astfel : prima portiune se introduce inainte de preancalzitorul cu abur, a doua portiune se introduce inainte de cristalizatoarele C2, C5, iar a treia inainte de cristalizatoarele C7, C9.

La iesirea din cristalizatoarele C8, C10, racirea se realizeaza pana la temperatura de deparafinare, t_D =-12^oC, apoi amestecul racit este condus la sistemul de filtrare si recuperare a solventului.

In conformitate cu cerintele temei primite, in continuare este prezentat calculul tehnologic al sistemului de racire al unei instalatii de deparafinare care prelucreaza ulei mediu solventat, cu o capacitate de 88000t/an.

Pentru stabilirea bilantului material s-a luat valoarea 66,7% pentru randamentul de ulei deparafinat. Conditiile de lucru ale aparaturii si indicii de exploatare au fost apreciate conform datelor existente in literatura [16] si corelate cu valorile realizate in instalatiile aflate in functiune.

Calculul este prezentat pe categorii de aparate (schimbatoare de caldura si cristalizatoare), pentru fiecare cristalizator in parte dandu-se dupa caz, conditiile de lucru, bilanturilr materiale si termice.

Tabelul 1.1.Caracteristicile materiei prime, ale uleiului mediu deparafinar si ale gaciulu_i

In tabelul 1.1. sunt prezentate caracteristicile principale ale materiei prime si produselor obtinute din procesul de deparafinare, iar in continuare sunt redate conditiile de lucru si bilantul de materiale pe instalatie.

Date de proiectare:

debit de materie prima, kg/h:11 000

compozitie solvent: 60% masa MEC + 40% masa Toluen

solvent de dilutie, (S/F)_d, masa: 2/1

solvent de spalare, (S/F)_sp, masa: 1/1

temperatura de deparafinare, ^oC: -15

randamentul de ulei deparafinat, fr. masa: 0,667

continut de solvent in filtrat, fr. masa: 0,7280

In tabelele 1.2. si 1. sunt prezentate bilanturile materiale pe instalatie.

Tabelul 1.2. Bilantul material pe instalatie

Tabelul 1. Bilantul material pe instalatie

1.1. Calculul tehnologic al preincalzitorului cu abur

Acest calcul urmareste determinarea suprafetei de schimb de caldura necesara transferului termic dintre amestecul materie prima-solvent si abur.

Amestecul initial de materie prima si solvent ce are temperatura din rezervoare se preincalzeste pana la temperatura de 70^oC cu abur mort (abur saturat la 4atm si 140^oC) pana la condensarea totala.

In tabelul 1.4. este prezentat bilantul de materiale si termic pe preincalzitorul de abur.

Tabelul 1.4. Bilantul material si termic pe preincalzitorul de abur

Cantitatea de caldura schimbata rezulta din bilannt termic. Entalpiile materiei prime si a solventului se gasesc in literatura [13,16]. Entalpiile solventului sunt calculate ca entalpii de amestec astfel:

h_s³⁰=fr.MEC*h_MEC³⁰+fr.T*h_T³⁰=0,6*15,8+0,4*12,0=14,24kcal/kg (1)

h_s⁷⁰=fr.MEC*h_MEC⁷⁰+fr.T*h_T⁷⁰=0,6*37,8+0,4*25,6=34,12kcal/kg (2)

In calculul suprafetei de schimb de caldura se utilizeaza formula:

(3)

unde:

S= suprafata de transfer termic, m²;

Q= cantitatea de caldura schimbata, kcal/h;

K= coeficientul global de transfer termic, kcal/m²h^oC;

tm= diferenta de temperatura medie logaritmica, ^oC.

Cantitatea de caldura schimbata se calculeaza ca diferenta intre cantitatea de caldura la iesire si cantitatea de caldura la intrare in preincalzitor.

Q_schimbat = Q_iesire - Q_intrare = 775720-514140=261580 (4)

Diferenta de temperatura medie logaritmica se calculeaza astfel:

abur

140°C 140°C

70°C

48°C

Conform datelor din literatura [18 ] se accepta pentru coeficientul global de schimb de caldura valoarea de 250kcal/m²h^oC. Temperatura de 48^oC se calculeaza astfel: se alege din practica industriala temperatura materiei prime (t_mp), temperatura solventului (t_solv.) si se calculeaza prin incercari temperatura amestecului materiei prime si solvent (t_mp+s).

Ecuatia de bilant termic este:

Q_mp^tmp + Q_s^ts = Q_mp^tam + Q_s^tam (6)

h_mp⁴⁸ = 22,56kcal/kg [13]

h_s⁴⁸ = fr.MEC*h_MEC⁴⁸+ fr.T*h_T⁴⁸ = 0,5*25,6+0,5*19,3 = 22,45 kcal/kg (7)

Ecuatia de bilant termic se verifica pentru temperatura amestecului materie prima-solvent, t_am=48^oC.

514140=512380

Cu formula (3) se calculeaza suprafata de schimb de caldura, S:

(8)

Se alege un schimbator de caldura cu suprafata S=13m²

Cantitatea de abur necesara se calculeaza cu relatia urmatoare:

Q = G_abur (H₁₄₀ - h₁₄₀) (9)

(10)

1.2. Calculul tehnologic al racitorului cu apa

Racitorul cu apa realizeaza racirea amestecului initial de materie prima si solvent de la temperatura de 70^oC la temperatura de 32 ^oC, temperatura de intrare a materiei prime in sistemul de racire. Ca agent de racire se foloseste apa de recirculare care intra in schimbator cu temperatura de 25 ^oC si iese cu temperatura de 35 ^oC. In tabelul 1.5. sunt prezentate datele de calcul, bilantul material si bilantul termic pe racitorul cu apa.

Se calculeaza cantitatea de caldura schimbata:

Q_schimbat = Q_intrare - Q_iesire=775720-332750=442970  kcal/h (11)

Se accepta pentru coeficientul global de transfer de caldura valoarea de 150 kcal/m²h ^oC.

Se calculeaza diferenta medie de temperatura:

70°C

Materie prima_­­+solvent

32°C

35°C

Apa

25°C

(12)

Se calculeaza suprafata de schimb de caldura:

(13)

Se calculeaza cantitatea de apa necesara pentru racire:

1.Calculul tehnologic al cristalizatoarelor cu filtrat

Amestecul initial de materie prima-solvent se raceste in continuare, cedand caldura filtrului. Se accepta temperatura de intrare a filtratului in sistemul de recuperare a frigului de, t_Fⁱ = -14 ^oC, iar ca temperatura de iesire t_F^e = 18 ^oC. Avand randamentul de ulei deparafinat de 66,7% masa si considerand conform datelor experimentale continutul de solvent in filtrat de 0,7280 fr. masa, cantitatea de filtrat va fi:

unde:

G_mp - debitul de materie prima, kg/h:11000;

G_{F -} debitul de filtrat, kg/h;

X_S,R - continutul de solvent in filtrat, fr. masa: 0,7280;

- randamentul de ulei deparafinat, fr. masa: 0,6670;

(15)

Cantitatea de caldura ce poate fi prelucrata de filtrat intre cele doua temperaturi se calculeaza cu relatia:

Q_abs = G_F (h_F^te - h_F^ti) (16)

unde:

h_F^{t -} entalpia filtratului la temperatura de iesire din cristalizator, te = 18 ^oC;

h_F^ti - entalpia filtratului la temperatura de intrare in cristalizator, t_i = -14 ^oC

Q_abs = G_F (h_F¹⁸ - h_F^-14) = 26875 8,2+6,26) = 390058 kcal/kg (17)

Pe un singur fir Q_abs =195029 kcal/h

Entalpiile filtratului la temperatura de intrare, respectiv temperatura de iesire se vor calcula ca entalpii de amestec, avandu-se in vedere continutul de solvent in filtrat, cat si continutul de materie prima in filtrat.

h_F^t = fr.masa S_F . h_S^t + fr.masaMp.h_mp^t

h_S^t = fr.masaMEC. h_MEC^t + fr.masaT.h_T^t

Temperatura de iesire a amestecului materiei prime si solvent din cristalizatorul de recuperare a frigului de determina dintr-un bilant termic in care se pune conditia egalitatii caldurii cedate de amestecul racit cu caldura absorbita.

Conform indicatiilor din literatura, se admite pentru temperaturile de4 cristalizare a parafinelor valoarea medie de 46kcal/kg

Ecuatia bilantului termic este:

G_mp (h_mp^ti - h_mp^te) + G_S⁰ (h_S^ti - h_S^te) + G_S^l (h_S^tl - h_S^te) + Q_crist = Q_abs (18)

unde:

G_mp - cantitatea de materie prima prelucrata orar pe un singur fir de cristalizatoare:11000kg/h

G_S⁰ -. Cantitatea de solvent de dilutie introdusa initial pe un singur fir de cristalizatoare: 11000kg/h

G_S^l cantitatea de solvent introdusa ca a doua injectie pe un singur fir de cristalizatoare:5500kg/h

h_mp^ti - entalpia materiei prime la temperatura de intrare in grupul de cristalizatoare, (ti =32 ^oC), kcal/kg

h_mp^te - entalpia materiei prime la temperatura de iesire din grupul de cristalizatoare,  (te =6 ^oC)

h_S^ti -entalpia solventului de dilutie la temperatura de intrare in grupul de cristalizatoare,  (ti =32 ^oC), kcal/kg

h_S^{te -} entalpia solventului de dilutie la temperatura de iesire din grupul de cristalizatoare,  (te =6^oC), kcal/kg

h_S^tl = entalpia solventului introdus ca a doua injectie la temperatura de intrare in grupul de cristalizatoare, (t_l = 24 ^oC), kcal/kg

h_S^te = entalpia solventului introdus ca a doua injectie la temperatura de iesire din grupul de cristalizatoare, (t_l = 24 ^oC), kcal/kg

t_i = temperatura cu care amestecul materie prima-solvent intra in grupul de cristalizatoare, ^oC

t_e = temperatura cu care amestecul materie prima-solvent iese din grupul de cristalizatoare, ^oC

h_mp³² = 15 kcal/kg [13]

h_mp⁶ = 2 kcal/kg [13]

h_S³² =15,21 kcal/kg

Se presupune temperatura de iesire a amestecului materie prima-solvent din cristalizatoare, t_e =6°C si t_l =24°C in ecuatia de bilant termic (18). Se rezolva prin incercari succesive dand valori arbitrare variabilei t_e, pana la stabilirea egalitatii. Din calcul rezulta ca pentru o valoare a temperaturii de iesire a amestecului de materie prima si solvent de 6 ^oC, egalitatea dintre caldura cedata de amestecul ulei-solvent si absorbita de filtrat este stabila.

Cantitatea de caldura cedata prin cristalizare, considerand ca pe fiecare cristalizor, cristalizeaza 4% masa parafina este data de relatia:

Q_crist = G_mp . fr.masa_p.hp = 11000·0 ·46=60720 kcal/h

Ecuatia de bilant termic va fi:

Eroarea este data de relatia urmatoare:

Se admite ca temperatura de iesire a amestecului materie prima-solvent din grupul de cristalizatoare de recuperare a frigului este, t_e =6°C

Dispunand de 10 cristalizatoare (5 pe fiecare fir) pentru racirea de la temperatura de 32 ^oC, pana la temperatura de filtrare de -15 ^oC,, considerandu-seca primele 6 cristalizatoare (3 pe fiecare fir), racirea se face la temperatura de 6 ^oC, in contul frigului cedat de filtru, iar ultimele 4 cristalizatoare (2 pe fiecare fir), racirea se face prin evaporarea amoniacului lichid.

Se admite un cristalizator compus din12 elemente, in serie pentru amestecul materie prima-solvent, cu urmatoarele caracteristici[18]:

- tub exterior: D_e =210 mm si D_i =190 mm

- tub interior: d_e =150 mm si d_e = 140 mm

- lungime element: l = 10 m

Se calculeaza suprafata necesara de schimb de caldura:

1.1.Calculul tehnologic al cristalizatorului 1

Se considera ca in primul cristalizator amestecul initial de materie prima si solvent se raceste de la temperatura de 32 ^oC, la temperatura de23 ^oC, temperatura de intrare in cristalizator fiind de32 ^oC.

Temperatura de intrare in cristalizator a filtratului se determina prin bilant termic ce pune conditia egalitatii de caldura cedata de amestecul racit cu cantitatea de caldura absorbita de filtrat.

In tabelul 1.6. este prezentat bilantul material si termic pe cristalizatorul 1.

Tabelul 1.6. Bilantul material si termic pe cristalizatorul1

Considerand ca in cristalizator cristalizeaza 4% parafina, se calculeaza caldura cedata ca suma caldurilor sensibile si a caldurii de cristalizare a parafinei, pe intervalul de temperatura 32 ^oC- 23 ^oC

Q_cedat =58520 kcal/kg

Q_abs = Q_cedat = G_F (h_F¹⁸ - h_F^ti) (19)

Entalpia filtratului la temperatura de intrare in cristalizatorul 1 din relatia (19)

h_F^ti = h_F¹ -

Entalpia filtratului la temperatura de iesire din cristalizatorul1 se calculeaza astfel:

Valorii entalpiei filtratului la intrare in cristalizator ii corespunde temperatura de 8 ^oC. Rezulta ca temperatura de intrare a filtratului in cristalizatorul 1 (t_i) este 8 ^oC, iar temperatura de iesire (t_e) este 18 ^oC.

Suprafata de schimb de caldura a cristalizatorului se calculeaza cu relatia urmatoare:

(20)

Se calculeaza diferenta medie logaritmica de temperatura:

32°C

23°C

18°C

8°C

(21)

Conform datelor din literatura [19] se alege pentru coeficientul global de schimb de caldura valoarea : K = 110 kcal/m²h°C

Inlocuind in relatia (20) se obtine valoarea suprafetei de schimb de caldura:

(22)

Se alege constructiv valoarea de 56,52 m²

Pentru calculul vitezei de racire a cristalizatorului, se folosesc urmatoarele relatii:

v= (23) (24)

unde:

tm - diferenta de temperatura intre intrarea si iesirea din aparat, ^oC

V - volumul aparatului, m³

D - debitul mediu de produs, m³/min

- timpul de sedere al produselor in cristalizator, minute

v - viteza de racire, ^oC/min

Densitatile materiei prime si ale solventului la temperaturile de intrare/iesire din cristalizatorul 1 se calculeaza cu relatii din literatura [13].

Debitele de produs la intrarea in cristalizator D_i la 32 ^oC si debitul de produs la iesirea din cristalizator D_e la23 ^oC sunt:

Volumul aparatului se calculeaza cu formula:

, pentru tuburi cu diametrul interior, d_i=140 mm si diametrul exterior, d_e=150 mm

Din relatia (24) se calculeaza valoarea timpului de sedere a produselor in cristalizator, iar din relatia (23) se calculeaza viteza de racire corespunzatoare.

1.2. Calculul tehnologic al cristalizatorului 2

Se considera ca in acest cristalizator amestecul de materie prima si solvent se raceste de la 23 ^oC pana la 16 ^oC.

In tabelul 1.7. este prezentat bilantul de materiale si termic pe cristalizatorul 2

Tabelul 1.7. Bilantul material si termic pe cristalizatorul 2

Q_ced = 55553

Q_ced = Q_abs = G_F (25)

Se calculeaza entalpia filtratului la temperatura de intrare in cristalizator:

(26)

Din calcul rezulta temperatura de intrare a filtratului in cristalizator de 0 ^oC.

23°C

16°C

8°C

-1°C

)

(28)

Constructiv se alege valoarea 56,52 m²

Se calculeaza debitul de produs la intrare in cristalizator, D_i la 23 ^oC. si debitul de produs la iesirea din cristalizator, D_e la 16 ^oC.

1.3- Calculul tehnologic al cristalizatorului 3

Se considera ca in acest cristalizator amestecul de materie prima si solvent se raceste de la temperatura de 16 ^oC. pana la 6 ^oC. In tabelul 1.8. este prezentat bilantul de materiale si termic pe cristalizatorul

Tabelul 1.8. Bilantul material si termic pe cristalizatorul 3

Q_ced =83168 kcal/h

Q_ced = Q_abs = G_F (h_F^-1 - h_F^-14)

16°C

4°C

-1°C

-14°C

Se calculeaza diferenta medie logaritmica de temperatura.

(29)

Se calculeaza suprafata de schimb de caldura a cristalizatorului

(30)

Constructiv se alege valoarea de 56,52 m²

Se calculeaza debitul de produs la intrare in cristalizator, D_i, la 16 ^oC si debitul de produs la iesire din cristalizator, D_e la 6 ^oC.

Parametrii tehnologici ai cristalizatoarelor cu filtrat sunt prezentati in tabelul 1.9.

Tabelul 1.9. Parametrii tehnologici ai cristalizatoarelor cu filtrat

1.4. Calculul tehnologic al cristalizatoarelor cu amoniac

In ultimele 4 cristalizatoare (2 pe fiecare fir), racirea materie prima si solvent se face pe seama caldurii latente de vaporizare a amoniacului lichid.

Amestecul se raceste de la temperatura de iesire din grupul cristalizatoarelor cu filtrat, t_e = 4 ^oC, pana la temperatura de deparafinare, t_D = -15 ^oC. In cristalizatorul 7 amestecul materie prima-solvent intra cu temperatura de 4 ^oC., racirea acestuia realizandu-se prin evaporarea amoniacului lichid la -20 ^oC. Amestecul de materie prima-solvent se raceste pana la temperatura de intrare in cristalizatorul 8, t_i = -5 ^oC, iar in continuare este racit pana la temperatura de deparafinare prin vaporizarea amoniacului lichid la temperaura de -25 ^oC.

1.4.1. Calculul tehnologic al cristalizatorului 7

In acest cristalizator, racirea amestecului de materie prima si solvent se face pe seama caldurii latente de vaporizare a amoniacului lichid cu temperatura de -5 ^oC.. In tabelul nr. 1.10. este prezentat bilantul de materiale si termic pe cristalizatorul 7

Tabelul nr.1.10. Bilantul material si termic pe cristalizatorul 7

Q_ced =72455 kcal/kg

4°C

-5°C

-20°C -20°C

Calculul suprafetei de schimb de caldura:

Constructiv, se alege valoarea de 56,52 m²

Se calculeaza debitul de produs la intrarea in cristalizator (t_i = 6 ^oC) si debitul de produs la iesirea din cristalizator la temperatura de -3 ^oC

Volumul aparatului, pentru tuburi cu diametrul interior d_i =140 mm si diametrul exterior d_e=150 mm este:

Pentru calculul consumului de amoniac se foloseste relatia:

Q_ced = Q_abs = G_{NH3absaaaaabsaaaabsaabbaaaaaaaabs}aa _abs

∙ Q_vapNH3

G_NH3 =

1.4.2.Calculul tehnologic al cristalizatorului 8

In acest cristalizator, racirea amestecului de materie prima si solvent se face pe baza caldurii latente de vaporizare a amoniacului lichid cu temperatura de -20 ^oC. Amestecul se raceste de la temperatura de -3 ^oC la temperatura de -12 ^oC In tabelul 1.11. este prezentat material si termic pe cristalizatorul 8.

Tabelul 1.11. Bilantul material si termic pe cristalizatorul 8

Q_ced = 77645kcal/kg

Materie prima -3°C

-12°C + solvent

-20°C amoniac -20°C

Calculul suprafetei de schimb de caldura:

Constructiv se alege valoarea 56,52 m²

Se calculeaza debitul de materie prima si solvent la iesirea din cristalizator (t_e =-12 ^oC) si debitul de materie prima si solvent la intrarea in cristalizator (t_i =-3 ^oC)

Pentru calculul consumului de amoniac se foloseste relatia:

Q_ced = Q_abs = G_{NH3absaaaaabsaaaabsaabbaaaaaaaabs}aa _abs

∙ Q_vapNH3

G_NH3 =

Parametrii tehnologici ai cristalizatoarelor cu amoniac sunt prezenti in tabelul in tabelul 1.12.

Tabelul nr.1.12. Parametrii tehnologici ai cristalizatoarelor cu amoniac