Ахметов и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа (2006)

честь и др.), компонентный состав, число(би-илимно- гокомпонентный) и характер распределения(непрерывный, дискретный) компонентов перегоняемого сырья. В наиболее обобщенной форме разделительные свой-

ентом относительной летучести (аналогом коэффициенту разделения (селективности) в процессах экстракции).

Коэффициент относительной летучести — отношение летучес-

тей компонентов (фракций) перегоняемого сырья при одинаковых температуре и давлении:

α = К1/К2,

где К1 и К2 — константы фазового равновесия соответственно низко- и высококипящего компонентов (фракций). Поскольку К1 >К2,

то α>1.

Коэффициент α косвенно характеризует движущую силу процесса перегонки применительно к разделяемому сырью. Сырье, у которого α>>1, значительно легче разделить на компоненты, чем при его значении, близком к единице.

Относительная летучесть зависит от давления и температуры, при которых находятся компоненты. С увеличением давления и температуры величина α снижается. Вблизи критической области значение коэффициента α приближается к единице.

3.2.2. Особенности нефти как сырья процессов перегонки

Нефть и нефтяные смеси как сырье для ректификации характеризуются рядом специфических свойств, обусловливающих некоторые особенности в технологии их переработки.

1.Нефть и особенно ее высококипящие фракции и остатки характеризуются невысокой термической стабильностью. Для большин-

401

ства нефтей температура термической стабильности соответствует температурнойграницеделенияпримерномеждудизельнымтопливом и мазутом по кривой ИТК, то есть ≈ 350…360°С. Нагрев нефти до более высоких температур будет сопровождаться ее деструкцией и, следовательно, ухудшением качества отбираемых продуктов перегонки. В этой связи перегонку нефти и ее тяжелых фракций проводят с ограничением по температуре нагрева. В условиях такого ограничения для выделения дополнительных фракций нефти, выкипающих выше предельно допустимой температуры нагрева сырья, возможно использовать практически единственный способ повышенияотносительнойлетучестикомпонентов—перегонкупод вакуумом. Так, перегонка мазута при остаточных давлениях в зоне питания вакуумной колонны ≈ 100 и ≈ 20ммрт.ст. (≈ 133 и 30гПа) позволяетотобратьгазойлевые(масляные)фракциистемпературой конца кипения соответственно до 500 и 600°С. Обычно для повышениячеткостиразделенияпривакуумной(атакжеиатмосферной) перегонке применяют подачу водяного пара для отпаривания более легких фракций. Следовательно, с позиций термической нестабильности нефти технология ее глубокой перегонки (то есть с отбором фракций до гудрона) должна включать как минимум 2 стадии: атмосферную перегонку до мазута с отбором топливных фракций и перегонку под вакуумом мазута с отбором газойлевых (масляных) фракций и в остатке гудрона.

2.Нефтьпредставляетсобоймногокомпонентноесырьеснепрерывным характером распределения фракционного состава и соответственно летучести компонентов. Расчеты показывают, что значение коэффициента относительной летучести непрерывно (экспоненциально) убывает по мере утяжеления фракций нефти, а также по мере сужения температурного интервала кипения фракций. Эта особенность нефтяного сырья обусловливает определенные ограничения как на четкостьпогоноразделения,особенноотносительновысококипящих фракций,такипоотношениюк«узости»фракций.Сэкономической точкизрения,нецелесообразнотребоватьотпроцессовперегонкивыделить, например, индивидуальный чистый углеводород или сверхузкие фракции нефти. Поэтому в нефтепереработке довольствуются

получениемследующихтопливныхигазойлевыхфракций,выкипающих в достаточно широком интервале температур:

—бензиновые н.к. 140°С (180°С);

—керосиновые 140 (180)…240°С;

—дизельные 240…350°С;

402

—вакуумный дистиллят (вакуумный газойль) 350…400°С, 400…450°С

и 450…500°С;

—тяжелый остаток — гудрон >490°С (>500°С).

Иногдаограничиваютсянеглубокойатмосфернойперегонкойнефти

с получением в остатке мазута >350°С, используемого в качестве котельного топлива.

3.Высококипящие и остаточные фракции нефти содержат значительное количество гетероорганических смолисто-асфальтеновых соединений и металлов, попадание которых при перегонке в дистилляты резко ухудшает их эксплуатационные характеристики

изначительно усложняет последующую их переработку. Это обстоятельство обусловливает необходимость организации четкой сепарации фаз в секции питания атмосферной и особенно вакуумной колонн. Эффективная сепарация фаз в секции питания колонн достигается установкой специальных сепараторов (отбойных тарелок, насадок и т.д.), улавливающих мельчайшие капли (туман, пена, брызги) кубовой жидкости, а также промывкой потока паров стекающей жидкостью в специальной промывной тарелке. Для этого и с целью повышения разделительной способности нижних тарелок сепарационной секции колонны необходимо обеспечить некоторый избыток орошения, называемый избытком однократного испарения, путем незначительного перегрева сырья (но не выше предельно допустимой величины). Доля отгона при однократном испарении в секции питания колонны должна быть на 2…5% больше выхода продуктов, отбираемых в виде дистиллята

ибоковых погонов.

3.2.3.Способы регулирования температурного режима ректификационных колонн

Нормальная работа ректификационных колонн и требуемое качество продуктов перегонки обеспечиваются путем регулирования теплового режима – отводом тепла в концентрационной и подводом тепла в отгонной секциях колонн, а также нагревом сырья до оптимальной температуры.Впромышленныхпроцессахперегонкинефтиприменяют следующие способы регулирования температурного режима по высоте колонны (рис. 3.8).

Отвод тепла в концентрационной секции путем: а) использования парциального конденсатора;

б) организации испаряющегося (холодного) орошения; в) организации неиспаряющегося (циркуляционного) орошения.

403

Подвод тепла в отгонной секции путем:

а) нагреваостаткаректификациивкипятильникеспаровымпространством;

б) циркуляции части остатка, нагретого в трубчатой печи. Парциальныйконденсаторпредставляетсобойкожухотрубныйте-

плообменный аппарат (рис. 3.8а), установленный горизонтально или вертикально наверху колонны. Охлаждающим агентом служит вода, иногдаисходноесырье.Поступающиевмежтрубноепространствопары частично конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары ректификата отводятся из конденсатора. Из-за трудностимонтажаиобслуживанияизначительнойкоррозииконденсатора этотспособполучилограниченноеприменение(вмалотоннажныхустановках и при необходимости получать ректификат в виде паров).

Холодное(острое)орошение(рис. 3.8б). Этот способ отвода тепла наверхуколонныполучилнаибольшеераспространениевпрактикенефтепереработки. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе – холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, откуда часть ректификата насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводится как целевой продукт.

Циркуляционное неиспаряющееся орошение (рис. 3.8в). Этот ва-

риант отвода тепла в концентрационной секции колонны в технологии нефтепереработки применяется исключительно широко для регулирования температуры не только наверху, но и в средних сечениях сложных колонн. Для создания циркуляционного орошения с некоторой тарелки колоннывыводятчасть флегмы (или бокового дистиллята), охлаждают в теплообменнике, в котором она отдает

404

Насовременныхустановкахперегонкинефтичащеприменяюткомбинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосферной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и затем по высоте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Из промежуточных орошений чаще применяют циркуляционные орошения, располагаемые обычно под отбором бокового погона или использующие отбор бокового погона для создания циркуляционного орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции. В концентрационной секции сложных колонн вакуумной перегонки мазута отвод тепла осуществляется преимущественно посредством циркуляционного орошения.

Использование только одного острого орошения в ректификационных колоннах неэкономично, так как низкопотенциальное тепло верхнего погона малопригодно для регенерации теплообменом. Кроме того, в этом случае не обеспечивается оптимальное распределение флегмовогочислаповысотеколонны:какправило,онозначительноена верхних и низкое на нижних тарелках колонны. Соответственно по высотеколоннысверхувнизуменьшаютсязначенияКПДтарелок,атакже коэффициента относительной летучести и, следовательно, ухудшается разделительная способность нижних тарелок концентрационной секции колонны, в результате не достигается желаемая четкость разделения. При использовании циркуляционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти,выравниваются нагрузки по высоте колонны и тем самым увеличивается производительность колонны и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной секции.

Приподводетеплавнизколонныкипятильником(рис. 3.8г) осу-

ществляют дополнительный подогрев кубового продукта в выносном кипятильнике с паровым пространством (рибойлере), где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращают под нижнюю тарелку колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие вкипятильникепостоянногоуровняжидкостиипаровогопространства над этой жидкостью. По своему разделительному действию кипятильник эквивалентен одной теоретической тарелке. Этот способ подвода тепла в низ колонны наиболее широко применяется на установках фракционирования попутных нефтяных и нефтезаводских газов, при стабилизации и отбензинивании нефтей, стабилизации бензинов прямой перегонки и вторичных процессов нефтепереработки.

При подводе тепла в низ колонны трубчатой печью (рис. 3.8д)

часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь, и подо-

405

гретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает в низ колонны. Этот способ применяют при необходимости обеспечения сравнительно высокой температуры низа колонны, когда применение обычных теплоносителей (водяной пар и др.) невозможно или нецелесообразно (например, в колоннах отбензинивания нефти).

3.2.4.Выбор давления и температурного режима в ректификационной колонне

При принятых значениях флегмового числа, числа и типа тарелок на экономические показатели процессов перегонки наибольшее влияние оказывают давление и температурный режим в колонне. Оба эти рабочих параметра тесно взаимосвязаны: нельзя оптимизировать, например, только давление без учета требуемого температурного режима и наоборот.

При оптимизации технологических параметров колонн ректификации целесообразно выбрать такие значения давления и температуры, которые:

1)обеспечивают состояние разделяемой системы, далекое от критического (иначе нельзя реализовать процесс ректификации), и возможно большее значение коэффициента относительной летучести;

2)исключают возможность термодеструктивного разложения сырья и продуктов перегонки или кристаллизации их в аппаратах и коммуникациях;

3)позволяютиспользоватьдешевыеидоступныехладоагентыдляконденсации паров ректификата (вода, воздух) и теплоносители для нагрева и испарения кубовой жидкости (например, водяной пар высокого давления), а также уменьшить требуемые поверхности холодильников, конденсаторов, теплообменников и кипятильников;

4)обеспечиваютнормальнуюработуаппаратовипроцессов,связанных с колонной ректификации с материальными и тепловыми потоками;

5)обеспечивают оптимальный уровень по удельной производительности, капитальным и эксплуатационным затратам.

По величине давления колонны ректификации, применяемые на

промышленных установках перегонки нефтяного сырья, можно подразделить на следующие типы:

а) атмосферные,работающиепридавлениинескольковышеатмосферного (0,1…0,2 МПа), применяемые при перегонке стабилизированных или отбензиненных нефтей на топливные фракции и мазут;

406

б) вакуумные (глубоковакуумные), работающие под вакуумом (или глубокимвакуумом)приостаточномдавлениивзонепитания(≈ 100 и 30гПа соответственно), предназначенные для фракционирования мазута на вакуумный (глубоковакуумный) газойль или узкие масляные фракции и гудрон;

в) колонны,работающиеподповышеннымдавлением(1…4МПа),применяемые при стабилизации или отбензинивании нефтей, стабилизации газовых бензинов, бензинов перегонки нефти и вторичных процессовифракционированиинефтезаводскихилипопутныхнефтяных газов.

Повышение или понижение давления в ректификационной колонне сопровождается, как правило, соответствующим повышением или понижением температурного режима. Так, для получения в качестве ректификата пропана требуемая температура верха колонны при давлениях 0,1 и 1,8МПа составит соответственно –42 и +55°С. Предпочтительность второговарианта ректификации очевидна, поскольку повышенное давление позволяет использовать для конденсации паров пропана воду, а не специальные хладоагенты и дорогостоящие низкотемпературные системы охлаждения. Перегонка, например, под вакуумомпозволяетосуществитьотборбеззаметногоразложенияфракций нефти,выкипающихпритемпературах,превышающихтемпературунагрева сырья более чем на 100…150°С.

Температурный режим, наряду с давлением, является одним из наиболее значимых параметров процесса, изменением которого peгулируетсякачествопродуктовректификации.Важнейшимиточкамирегулирования являются температуры поступающего сырья и выводимых из колонны продуктов ректификации.

Как показала практика эксплуатации промышленных установок, перегонка нефти при атмосферном давлении осуществляется при температуре в зоне питания ректификационной колонны 320… 360°С, а вакуумная перегонка мазута – при температуре на выходе из печи не выше 430°С.

Расчет температуры нагрева сырья проводится по уравнению

выведенномусовместнымрешениемуравненияматериальногобаланса процесса однократного испарения

X Fi′ = e′yi′ = − e′ xi′ ,

407

и уравнения равновесия фаз

yi′ = K pi xi′ ,

где X Fi′ , yi′ и xi′ — мольные доли компонента i соответственно висходнойсмеси,паровойфазеиравновеснойжидкости;е'и(1–е')— мольные доли паровижидкой фазы соответственно; Кpi —констан- та фазового равновесия компонента i при давлении в системе Р; i, m — номер и число компонентов соответственно.

Температуры выводимых из колонныжидкихипарового (верхнего) погонов рассчитываются по нулевой (e'=0) и стопроцентной мольной доле их отгона соответственно при давлениях в точках отбора продуктов ректификации:

Приперегонкесводянымпаромтемпературакубовогоостаткаобычно ниже температуры нагрева сырья на 20… 30°С, а фракций, уходящих из отпарных колонн, на 10…15°С по сравнению с температурой, поступающей на отпаривание жидкости. При подводе тепла в низ колонны через кипятильник температура кубовой жидкости должна быть на соответствующее число градусов выше температуры поступающей жидкости.

3.2.5. Особенности перегонки с водяным паром

Дляподводадополнительноготеплавнизатмосфернойивакуумной колонн промышленных установок перегонки нефти такие способы, как кипятильник с паровым пространством или «горячая струя», неприемлемы по причине низкой термостабильности кубовых остатков — мазута и гудрона. В этой связи с целью создания требуемого парового орошения в отгонной секции этих колонн, а также испарения (отпаривания) низкокипящих фракций нефти (попадающих в остаток в условиях однократного испарения в секции питания) на практике широко применяют перегонку с подачей водяного пара.

При вводе водяного пара в отгонную секцию парциальное давление паров снижается и создаются условия, при которых жидкость оказывается как бы перегретой, что вызывает ее испарение (то есть действие водяного пара аналогично вакууму). При этом теплота, необходимая для отпаривания паров, отнимается от самой жидкости, в связи с чем

408

онаохлаждается.Испарениежидкости,вызванноеводянымпаром,прекращается, когда упругость паров жидкости при понижении температуры снизится настолько, что станет равным парциальному давлению. Такимобразом,накаждойтеоретическойступениконтактаустановится соответствующее этим условиям равновесие фаз.

Рассмотрим подробнее механизм перегонки с подачей водяного пара, протекающего в отгонных секциях и отпарных колоннах.

Водяной пар, подаваемый в низ колонн, поднимается вверх вместе с парами, образующимися при испарении жидкости (кубового остатка или бокового погона), вступая на вышерасположенной тарелке

вконтакт со стекающей жидкостью. В результате тепло- и массообмена

вжидкости,стекающейстарелкинатарелку,концентрациянизкокипящегокомпонентаубываетвнаправлениисверхувниз.Вэтомженаправлении убывает и температура на тарелках вследствие испарения части жидкости. Причем чем большее количество подается водяного пара и ниже его параметры (температура и давление), тем до более низкой температурыохладитсякубоваяжидкость.Такимобразом,эффектректификации и испаряющее действие водяного пара будут снижаться на каждойпоследующейтарелке.Следовательно,увеличиватьколичество отпарных тарелок и расход водяного пара целесообразно до определенныхпределов.Наибольшийэффектиспаряющеговлиянияперегретого водяного пара проявляется при его расходе, равном 1,5… 2,0% мас. на исходное сырье. Общий расход водяного пара в атмосферные колонны установокперегонкинефтисоставляет1,2…3,5,аввакуумныеколонны для перегонки мазута – 5…8% мас. на перегоняемое сырье.

Необходимо указать на следующие недостатки применения водяного пара в качестве испаряющего агента:

— увеличение затрат энергии (тепла и холода) на перегонку и конденсацию;

— повышение нагрузки колонн по парам, что приводит к увеличению диаметра аппаратов и уносу жидкости между тарелками;

— ухудшение условий регенерации тепла в теплообменниках;

— увеличение сопротивления и повышение давления в колонне и других аппаратах;

— обводнениенефтепродуктовинеобходимостьихпоследующейсушки;

— усиление коррозии нефтеаппаратуры и образование больших количеств загрязненных сточных вод.

Вэтой связи в последние годы в мировой нефтепереработке проявляетсятенденцияксущественномуограничениюпримененияводяного пара и к переводу установок на технологию сухой перегонки.

409

3.2.6.Классификация ректификационных колонн и их контактных устройств

Применяемые в нефте- и газопереработке ректификационные колонны подразделяются:

1)по назначению:

—для атмосферной и вакуумной перегонки нефти и мазута;

—вторичной перегонки бензина;

—стабилизации нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов;

—фракционированиянефтезаводских,нефтяныхиприродныхгазов;

—отгонки растворителей в процессах очистки масел;

—разделения продуктов термодеструктивных и каталитических процессов переработки нефтяного сырья и газов и т.д.;

2)по способу межступенчатой передачи жидкости:

—с переточными устройствами (с одним, двумя или более);

—без проточных устройств провального типа;

3)по способу организации контакта парогазовой и жидкой фаз:

—тарельчатые;

—насадочные;

—роторные.

По типу применяемых контактных устройств наибольшее распространение получили тарельчатые, а также насадочные ректификационные колонны.

Вректификационныхколоннахприменяютсясотниразличныхконструкций контактных устройств, существенно различающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. При этом вэксплуатациинаходятсянарядуссамымисовременнымиконструкциямиконтактныеустройстватакихтипов(например,желобчатыетарелки и др.), которые, хотя и обеспечивают получение целевых продуктов, но не могут быть рекомендованы для современных и перспективных производств.

При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются следующими основными показателями:

а) производительностью; б) гидравлическим сопротивлением;

в) коэффициентом полезного действия; г) диапазоном рабочих нагрузок;

д) возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложений;

е) материалоемкостью; ж) простотойконструкции,удобствомизготовления,монтажаиремонта.

410