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

Чтобы легче ориентироваться во всем многообразии имеющихся конструкций, на рис. 3.9 мы приводим классификацию контактных устройств, применяемых не только в ректификационных, но и абсорбционных и экстракционных процессах разделения смесей. В соответствии с ней тарельчатые контактные устройства подразделяются:

—по способу организации относительного движения потоков контактирующих фаз – на противоточные, прямоточные, перекрестноточные и перекрестнопрямоточные;

—по регулируемости сечения контактирующих фаз – на тарелки с нерегулируемым и регулируемым сечениями.

Рис. 3.9. Классификация контактных устройств массообменных процессов

Насадочные контактные устройства принято подразделять на следующие два типа: нерегулярные и регулярные.

Противоточные тарелки характеризуются высокой производительностью по жидкости, простотой конструкции и малой металлоемкостью. Основной их недостаток – низкая эффективность и узкий диапазонустойчивойработы,неравномерноераспределениепотоковпо сечению колонны, что существенно ограничивает их применение.

Прямоточные тарелки отличаются повышенной производительностью, но умеренной эффективностью разделения, повышенным гидравлическимсопротивлениемитрудоемкостьюизготовления,онипредпочтительны для применения в процессах разделения под давлением.

411

К перекрестноточнымтипамтарелок, получившим в современ-

ной технологии переработки нефти и газа преимущественное применение, относятся:

1)тарелки с нерегулируемым сечением контактирующих фаз следующих конструкций: ситчатые, ситчатые с отбойниками, колпачковые с круглыми, прямоугольными, шестигранными, S-образными, желобчатыми колпачками (рис. 3.10а–д);

2)тарелкисрегулируемымсечениемследующихконструкций:клапанные с капсульными, дисковыми, пластинчатыми, дисковыми эжекционными клапанами; клапанные с балластом; комбинированные колпачково-клапанные (например, S-образные и ситчатые с клапаном) (рис. 3.10е–к) и др.

Рис. 3.10. Типы некоторых колпачков и клапанов:

колпачки:а—круглый;б—шестигранный;в—прямоугольный;г—желобчатый;д—S-образный;кла- паны:е—прямоугольный;ж—круглыйснижнимограничителем;з—тожесверхнимограничителем; и — балластный; к — дисковый эжекционный перекрестноточный; л — пластинчатый перекрестно- прямоточный;м—S-образныйколпачоксклапаном;1—дисктарелки;2—клапан;3—ограничитель; 4 — балласт

412

Перекрестноточные тарелки характеризуются в целом (за исключением ситчатых) наибольшей разделительной способностью, поскольку время пребывания жидкости на них наибольшее по сравнению

сдругимитипамитарелок.Кнедостаткамколпачковыхтарелокследует отнести низкую удельную производительность, относительно высокое гидравлическое сопротивление, большую металлоемкость, сложность и высокую стоимость изготовления.

Ситчатые тарелки с отбойниками имеют относительно низкое гидравлическое сопротивление, повышенную производительность, но более узкий рабочий диапазон по сравнению с колпачковыми тарелками. Применяются преимущественно в вакуумных колоннах.

Клапанные и балластные тарелки получают за последнее время все более широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа, и постепенно вытесняют старыеконструкцииконтактныхустройств.Принципдействияклапанных тарелок состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке клапанразличнойформыавтоматическирегулируетвеличинуплощади зазора между клапаном и плоскостью тарелки в зависимости от газопаровой нагрузки и тем самым поддерживает постоянной (в пределах высоты подъема клапана) скорость газа и, следовательно, гидравлическое сопротивление тарелки в целом. Высота подъема клапана ограничивается высотой ограничителя (кронштейна, ножки).

Балластныетарелки отличаются по устройству от клапанных тем, что в них между легким клапаном и ограничителем установлен более тяжелый, чем клапан, балласт. Клапан начинает приподниматься при небольших скоростях газа или пара. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе

сним. В результате балластная тарелка, по сравнению с чисто клапанной, значительно раньше вступает в работу, имеет более широкий рабочий диапазон, более высокую (на 15…20%) эффективность разделения и пониженное (на 10…15%) гидравлическое сопротивление.

Более прогрессивны и эффективны, по сравнению с колпачковы- ми,комбинированныеколпачково-клапанныетарелки.Так,S-образная тарелка с клапаном работает следующим образом: при низких скоростях газ (пар) барботирует преимущественно через прорези S-образных элементов, и при достижении некоторой скорости газа включается в работу клапан. Такая двухстадийная работа тарелки позволяет повысить производительность ректификационной колонны на 25…30% исохранитьвысокуюэффективностьразделениявширокомдиапазоне рабочих нагрузок.

413

Перекрестно-прямоточныетарелкиотличаются от перекрестно-

точныхтем,чтовнихэнергиягаза(пара)используетсядляорганизации направленного движения жидкости по тарелке, тем самым устраняется поперечная неравномерность и обратное перемешивание жидкости на тарелке и в результате повышается производительность колонны. Однако эффективность контакта в них несколько меньше, чем в перекрестноточных тарелках.

Среди клапанных тарелок нового поколения можно отметить дисковые эжекционные (перекрестноточные) и пластинчатые перекрест- но-прямоточные тарелки, внедрение которых на ряде НПЗ страны позволило улучшить технико-экономические показатели установок перегонки нефти (рис. 3.10к, л) 1.

Эжекционная клапанная тарелка представляет собой полотно с отверстиями ( 90мм) и переливными устройствами. В отверстия полотнатарелокустанавливаютсяклапаны,представляющиесобойвогнутый диск ( 110мм) с просечными отверстиями (каналами) для эжекции жидкости, имеющий распределительный выступ для равномерного стока жидкости в эжекционные каналы. Клапаны имеют 4 ограничительные ножки и 12 эжекционных каналов. Они изготавливаются штамповкойизнержавеющейсталитолщиной 0,8...1,0мм.Массаодного клапана составляет всего 80…90 г (а капсульного с паровым пространством — 5…6 кг).

При минимальных нагрузках по парам клапаны работают в динамическом режиме. При увеличении нагрузки клапаны приподнимаются

впределе до упора ограничителей и начинается эжекция жидкости над клапанами, что способствует более интенсивному перемешиванию жидкостивнадклапанномпространстве.Распределительныйвыступна клапанеприостановкеколонныспособствуетполномустокужидкости с тарелки.

Опытно-промышленные испытания показали высокие эксплуатационные их достоинства: устойчивость и равномерность работы

вширокомдиапазоненагрузокбезуносажидкости;исключительновысокий КПД (≈ 80…100%), высокая производительность, превышающая на ≈ 20% производительность колпачковых тарелок, и т.д.

Сравнение эффективности некоторых конструкций тарельчатых контактных устройств приведено на рис. 3.11. Видно, что лучшими показателями по гидравлическому сопротивлению обладают тарелки ситчатые и S-образные с клапанами, а по КПД — клапанная балластная и S-образная с клапаном.

1 Разработаны и внедрены на Ново-Уфимском НПЗ.

414

Следует отметить, что универсальных конструкций тарелок, эффективно работающих «всегда и везде», не существует. При выборе конкретного типа тарелок из множества вариантов следует отдать предпочтение той конструкции,основные(не обязательно все) показателиэффективностикоторой в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым исходя из функционального назначения ректификационных колонн. Так, в вакуумных колоннах предпочтитель-

но применение контактных устройств, имеющих как можно меньшее гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны применяются преимущественно в малотоннажных производствах и при необходимости проведения массообменных процессов с малым перепадом давления.

К насадкам предъявляются следующие основные требования:

1)большая удельная поверхность;

2)хорошая смачиваемость жидкостью;

3)малое гидравлическое сопротивление;

4)равномерность распределения жидких и газовых (паровых) потоков;

5)высокие химическая стойкость и механическая прочность;

6)низкая стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требовани-

ям,несуществует,посколькунекоторыеизтребованийпротиворечивы, например, пункты 1 и 3. При нормальной эксплуатации насадочных колонн массообмен происходит в основном в пленочном режиме на смоченной жидкостью поверхности насадок. Естественно, чем больше удельная поверхность насадки, тем эффективнее массообменный процесс. Однако насадки с высокой удельной поверхностью характеризуются повышенным гидравлическим сопротивлением. В химической

415

промышленности и нефтегазопереработке применяют разнообразные поформе и размерам насадки, изготавливаемые из различныхматериалов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.) (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Типы насадок:

кольца:а—Рашига;б—Лессинга;в—Паля;седла:г—Берля;д—«Инталлокс»;ситчатыеиизпер- форированного металлического листа: е — «Спрейпак», ж — Зульцер; з — Гудлоу; и — складчатый кубик; к — Перформ-Грид

Основной недостаток нерегулярных (насыпных) насадок, ограничивающий их применение в крупнотоннажных производствах, – неравномерность распределения контактирующих потоков по сечению аппарата. Регулярные насадки, изготавливаемые из сетки, перфорированного металлического листа, многослойных сеток и т.д., обеспечивают более однородное, по сравнению с традиционными насадками из колец и седел, распределение жидкости и пара (газа) в колоннах. Кроме того, они обладают исключительно важным достоинством, таким как низкое гидравлическое сопротивление — в пределе до

416

1…2 ммрт. ст. (130…260Па) на1 теоретическую тарелку.Поэтому показателюонизначительнопревосходятлюбойизизвестныхтиповтарельчатыхконтактныхустройств.Вэтойсвязивпоследниегодызарубежом и в нашей стране начаты широкие научно-исследовательские работы по разработке самых эффективных и перспективных конструкций регулярных насадок и широкому применению их в крупнотоннажных производствах, в том числе в таких процессах нефтепереработки, как вакуумная и глубоковакуумная перегонка мазутов. На НПЗ ряда развитых капиталистических стран вакуумные колонны установок перегонки нефти в настоящее время оснащены регулярными насадками, что позволяет обеспечить глубокий вакуум в колоннах и существенно увеличить отбор вакуумного газойля и достичь температуры конца кипения до 600°С.

3.2.7.Конденсационно-вакуумсоздающие системы вакуумных колонн

Заданная глубина вакуума в вакуумных колоннах создается с помощью конденсационно-вакуумсоздающих систем (КВС) установок АВТ путем конденсации паров, уходящих с верха колонн, и эжектирования неконденсирующихся газов и паров (водяной пар, Н2S, СО2, легкие фракции и продукты термического распада сырья и воздух, поступающий через неплотности КВС).

Конденсационно-вакуумсоздающаясистемасовременныхустановок АВТ состоит из системы конденсации, системы вакуумных насосов, барометрической трубы, газосепаратора и сборника конденсата.

Для конденсации паров на практике применяются следующие два способа (рис. 3.13):

1)конденсациясректификациейвверхнейсекциивакуумнойколонны посредством:

—верхнего циркуляционного орошения (ВЦО);

—острого орошения (ОО);

2)конденсация без ректификации вне колонны в выносных конденса- торах-холодильниках:

—поверхностного типа (ПКХ) теплообменом с водой или воздухом;

—барометрического типа (БКС) смешением с водой или газойлем, выполняющим роль хладоагента и абсорбента;

—в межступенчатых конденсаторах, устанавливаемых непосредственно в пароэжекторных насосах (ПЭК), – водой.

417

Для создания достаточно глубокого вакуума в колонне не обязательно использование одновременно всех перечисленных выше способов конденсации. Так, не обязательно включение в КВС обоих способов конденсации паров сректификациейвверхней секции колонны: для этой цели вполне достаточно одного из них. Однако ВЦО значительно предпочтительнееинаходитболее широкое применение,

поскольку по сравнению с ОО позволяет более полно утилизировать тепло конденсации паров, поддерживать на верху вакуумной колонны оптимальнонизкуютемпературувпределах60…80°С,темсамымзначительно уменьшить объем паров и газов. Из способов конденсации паров без ректификации вне колонны на установках АВТ старых поколений применялись преимущественно барометрические конденсаторы смешения, характеризующиеся низким гидравлическим сопротивлением ивысокойэффективностьютеплообмена,крометого,приэтомотпадает необходимость в использовании газосепаратора. Существенный недо- статокБКС–загрязнениенефтепродуктомисероводородомоборотной воды при использовании последней как хладоагента. В этой связи более перспективноиспользованиевкачествехладоагентаиодновременноабсорбента охлажденного вакуумного газойля. По экологическим требованиям в КВС современных высокопроизводительных установок АВТ, какправило,входяттолькоповерхностныеконденсаторы-холодильники

всочетании с газосепаратором.

Вкачестве вакуум-насосов в настоящее время применяют струйные насосы — одно- и преимущественно двухили трехступенчатые эжекторы на водяном паре с промежуточной его конденсацией (ПЭН). Пароэжекционные вакуумные насосы обладают рядом принципиальных недостатков (низкий коэффициент полезного действия, значительный

418

расходводяногопараиохлажденнойводыдляегоконденсации,загрязнение охлаждающей воды и воздушного бассейна и т.д.).

По признаку связи с окружающей средой различают сборники конденсата открытого типа — барометрические колодцы (БК) и закрытого типа —емкости-сепараторы(Е). Вместо широко использовавшихсяранее барометрических колодцев на современных установках АВТ применяют сборники преимущественно закрытого типа, обеспечивающие более высокую экологическую безопасность для обслуживающего персонала.

КВС установок АВТ обязательно включают барометрическую трубу (БТ) высотой не менее 10 м, которая выполняет роль гидрозатвора между окружающей средой и вакуумной колонной.

Глубина вакуума в колоннах при прочих идентичных условиях зависитвзначительнойстепениоттемпературыхладоагента,подаваемого в выносные конденсаторы-холодильники. При вакуумной перегонке сводянымпаромостаточноедавлениевколонненеможетбытьменьше давления насыщенных паров воды при температуре их конденсации:

Поэтомуобычнолетомвакуумпадает,азимойповышается.Практически давление вверху колонны больше вышеуказанных цифр на величину гидравлического сопротивления потоков паров в трубопроводах

ивыносных конденсаторах-холодильниках.

Впоследние годы на вакуумных колоннах ряда НПЗ (Московском, Мозырском, Мажейкяйском, Комсомольском, «Уфанефтехиме»

идр.) внедрена и успешно эксплуатируется новая высокоэффективная экологически чистая КВС с использованием жидкостного струйного устройства — вакуумного гидроциркуляционного (ВГЦ) агрегата. ВВГЦ-агрегатеконденсацияпаровиохлаждениегазовосуществляется неводой,аохлаждающейрабочейжидкостью(применительнокАВТ— газойлевой фракцией, отводимой из вакуумной колонны). По сравнению с традиционным способом создания вакуума с использованием паровых эжекторов, КВС на базе ВГЦ-агрегатов обладает следующими преимуществами:

— не требует для своей работы расхода воды и пара;

— экологически безопасно, работает с низким уровнем шума, не образует загрязненных сточных вод;

— создает более глубокий вакуум (до 67 Па или 0,5 мм рт. ст.);

419

—полностью исключает потери нефтепродуктов и газов, отходящих с верха вакуумной колонны;

—значительно уменьшает потребление энергии и эксплуатационные затраты на тонну сырья;

—позволяет дожимать газы разложения до давления, необходимого

для подачи их до установок сероочистки.

Принципиальная технологическая схема КВС для перспективных установокАВТсиспользованиемВГУагрегатовприведенанарис.3.14.

Рис. 3.14. Принципиальная схема КВС вакуумной колонны с использованием вакуумного гидроциркуляционного агрегата (ВГЦ):

1—рабочаяжидкость(вакуумныйгазойль или тяжелая дизельная фракция); 2 — избыток газойля; 3 — неконденсированный сжатый газ; 4 — водный конденсат

3.3.Современные промышленные установки перегонки нефти и газов

3.3.1. Типы промышленных установок

Технологические установки перегонки нефти предназначены для разделения нефти на фракции и последующей переработки или использования их как компонентов товарных нефтепродуктов. Они составляют основу всех НПЗ. На них вырабатываются практически все компоненты моторных топлив, смазочных масел, сырье для вторичных процессов и для нефтехимических производств. От их работы зависят ассортимент и качество получаемых компонентов и технико-экономи- ческие показатели последующих процессов переработки нефтяного сырья. Процессы перегонки нефти осуществляют на так называемых атмосферных трубчатых (AT) и вакуумных трубчатых (ВТ) или атмос- ферно-вакуумных трубчатых (АВТ) установках.

Взависимостиотнаправленияиспользованияфракцийустановкиперегонкинефтипринятоименоватьтопливными,маслянымиилитоплив- но-масляными и соответственно этому – варианты переработки нефти.

На установках AT осуществляют неглубокую перегонку нефти с получением топливных (бензиновых, керосиновых, дизельных) фракций и мазута. Установки ВТ предназначены для перегонки мазута. Получаемыенанихгазойлевые,масляныефракцииигудрониспользуютвкачест-

420