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

Технологический режим и характеристика ректификационных колонн блока стабилизации и вторичной перегонки бензина

№ колонны

3.3.5.Особенности технологии вакуумной перегонки мазута по масляному варианту

Основное назначение процесса вакуумной перегонки мазута масляного профиля (ВТМ) — получение узких масляных фракций заданной вязкости,являющихсябазовойосновойдляполучениятоварныхмасел путемпоследующеймногоступенчатойочисткиотнежелательныхкомпонентов (смолистых, асфальтеновых соединений, полициклических ароматических углеводородов, твердых парафинов).

Многие показатели качества (вязкость, индекс вязкости, нагарообразующая способность, температура вспышкиидр.)товарных масел, а также технико-экономические показатели процессов очистки масляного производства во многом предопределяются качеством исходных нефтей и их масляных фракций. Поэтому в процессах ВТМ, по сравнению с вакуумной перегонкой топливного профиля, предъявляются болеестрогиетребованиякчеткостипогоноразделенияивыборусырья. Наиболее массовым сырьем для производства масел в нашей стране являются смеси западно-сибирских (самотлорская, усть-балыкская, соснинская) и волго-уральских (туймазинская, ромашкинская, волгоградская) нефтей. Для получения масел высокого качества из таких нефтейрекомендуетсяполучатьузкие50-градусныемасляныефракции (350…400; 400…450и 450…500°С) с минимальным налеганием темпера-

6 Тип тарелок — клепаные перекрестно-прямоточные.

431

туркипениясмежныхдистилятов(неболее30…60°С).Дляобеспечения требуемойчеткостипогоноразделениянаректификационныхколоннах ВТМ устанавливают большее число тарелок (до 8 на каждый дистиллят), применяют отпарные секции; наряду с одноколонными широко применяют двухколонные схемы (двухкратного испарения по дистилляту) перегонки (рис. 3.18а,б).

Рис. 3.18. Схемы одноколонной (а) и двухколонной (б) перегонки мазута по масляному варианту: I — мазут; II, III и IV — соответственно маловязкий, средневязкий и высоковязкий дистилляты; V — гудрон; VI — водяной пар; VII — неконденсированные газы и водяной пар; VIII — легкий вакуумный газойль

Следует отметить, что одноколонные ВТМ превосходят двухколонные по капитальным и эксплуатационным затратам, но уступают по четкости погоноразделения: обычно налегание температур кипения между смежными дистиллятами достигает 70…130°С. В то же время желаемое повышение четкости ректификации путем увеличения числа тарелок не достигается из-за снижения при этом глубины вакуума в секции питания колонны.

При работе установки ВТМ по схеме, изображенной на рис. 3.18а, давлениевсекциипитанияколонныподдерживаетсяпорядка13...33кПа при давлении вверху 6…10 кПа и температуре нагрева мазута не выше 420°С. В низ колонны подается 5…10% водяного пара (на гудрон). При работе ВТМ по схеме, показанной на рис. 3.18б, необязательно иметь во второй колонне глубокий вакуум, больший эффект разделения в ней достигается увеличением общего числа тарелок. Температура нагрева мазута на входе в первую колонну 400…420°С и широкой масляной фракции во второй ступени вакуумной перегонки — 350…360°С.

432

3.3.6.Вакуумная (глубоковакуумная) перегонка мазута в насадочных колоннах

В последние годы в мировой нефтепереработке все более широкое распространение при вакуумной перегонке мазута получают насадочные контактные устройства регулярного типа, обладающие, по сравнению с тарельчатыми, наиболее важным преимуществом — весьма низким гидравлическим сопротивлением на единицу теоретической тарелки. Это достоинство регулярных насадок позволяет конструировать вакуумные ректификационные колонны, способные обеспечить либо более глубокий отбор газойлевых (масляных) фракций с температурой конца кипения вплоть до 600°С, либо при заданной глубине отбора существенно повысить четкость фракционирования масляных дистиллятов.

Применяемые в настоящее время высокопроизводительные вакуумные колонны с регулярными насадками по способу организации относительного движения контактирующих потоков жидкости и пара можно подразделить на следующие 2 типа:

—противоточные;

—перекрестноточные.

Противоточные вакуумные колонны с регулярными насадками конструктивно мало отличаются от традиционных малотоннажных насадочных колонн: только вместо насадок насыпного типа устанавливаются блоки или модули из регулярной насадки и устройства для обеспечения равномерного распределения жидкостного орошения по сечению колонны. В сложных колоннах число таких блоков (модулей) равно числу отбираемых фракций мазута.

На рис. 3.19 представлена принципиальная конструкция вакуумной насадочной колонны противоточного типа фирмы Гримма (ФРГ). Она предназначена для глубоковакуумной перегонки мазута с отбором вакуумного газойля с температурой конца кипения до 550°С.

Рис. 3.19. Принципиальная конструкция противоточной насадочной колонны фирмы «Грима» (ФРГ):

I — мазут; II — легкий вакуумный дистиллят; III — глубоковакуумный газойль; IV — гудрон; V — водяной пар; VI — газы и пары в вакуумсоздающей системе

433

Отмечаются следующие достоинства этого процесса:

—высокая производительность — до 4 млн т/год по мазуту;

—возможностьполученияглубоковакуумногогазойлястемпературой конца кипения более 550°С с низкими коксуемостью (<0,3% мас. по Конрадсону) и содержанием металлов (V + 10Ni + Na) менее

2,5 ррm;

—пониженная (на 10…15°С) температура нагрева мазута после печи;

—более чем в 2 раза снижение потери давления в колонне;

—существенное снижение расхода водяного пара на отпарку.

На Шведском НХК (ФРГ) эксплуатируются две установки этой фирмы производительностью по 2 млн т/г по мазуту. Вакуумная колонна оборудована регулярной насадкой типа «Перформ-Грид». Давление в верху и зоне питания колонны поддерживается соответственно

7 и 36гПа (5,2 и 27 мм рт. ст.).

На ряде НПЗ развитых капиталистических стран эксплуатируются аналогичные высокопроизводительные установки вакуумной (глубоковакуумной) перегонки мазута, оборудованные колоннами с регулярными насадками типа «Глитч-Грид».

НанекоторыхотечественныхНПЗвнедренаиуспешнофункционируетпринципиальноноваявысокоэффективнаятехнологиявакуумной перегонки мазута в перекрестноточных насадочных колоннах7.

Гидродинамическиеусловияконтактапаровойижидкойфазвперекрестноточных насадочных колоннах(ПНК) существенно отличаются от таковых при противотоке. В противоточных насадочных колоннах насадка занимает все поперечное сечение колонны, а пар и жидкость движутся навстречу друг другу. В ПНК насадка занимает только часть поперечного сечения колонны (в виде различных геометрических фигур: кольцо, треугольник, четырехугольник, многоугольник и т.д.). Перекрестноточнаярегулярнаянасадкаизготавливаетсяизтрадиционных для противоточных насадок материалов: плетеной или вязаной металлической сетки (так называемые рукавные насадки), просечно-вытяж- ных листов, пластин и т.д. Она проницаема для пара в горизонтальном направлении и для жидкости в вертикальном направлении. По высоте ПНКразделенараспределительнойплитойнанесколькосекций (модулей),представляющихсобойединуюсовокупностьэлементарегулярной насадкисраспределителемжидкостногоорошения.Впределахкаждого модуля организуется перекрестноточное (поперечное) контактирование фаз, то есть движение жидкости по насадке сверху вниз, а пара —

7 Разработчики — профессор УГНТУ К. Ф. Богатых с сотрудниками.

434

вгоризонтальномнаправлении.Следовательно,вПНКжидкостьипары проходят различные независимые сечения, площади которых можно регулировать (что дает проектировщику дополнительную степень свободы), а при противотоке — одно и то же сечение. Поэтому перекрестноточный контакт фаз позволяет регулировать в оптимальных пределах плотность жидкого и парового орошений изменением толщины и площади поперечного сечения насадочного слоя и тем самым обеспечить почти на порядок превышающую при противотоке скорость паров (в расчете на горизонтальное сечение) без повышения гидравлического сопротивления и значительно более широкий диапазон устойчивой работы колонны при сохранении в целом по аппарату принципа и достоинствпротивотокафаз,атакжеустранитьтакиедефекты,какзахлебывание, образование байпасных потоков, брызгоунос и другие, характерные для противоточных насадочных или тарельчатых колонн.

Экспериментально установлено, что перекрестноточный насадочный блок конструкции Уфимского государственного нефтяного университета (УГНТУ), выполненный из металлического сетчато-вязано- го рукава, высотой 0,5 м, эквивалентен одной теоретической тарелке и имеет гидравлическое сопротивление в пределах всего 1ммрт.ст. (133,3Па), то есть в 3…5 раз ниже по сравнению с клапанными тарелками. Это достоинство особенно важно тем, что позволяет обеспечить

взоне питания вакуумной ПНК при ее оборудовании насадочным слоем, эквивалентным 10…15 тарелкам, остаточное давление менее 20…30ммрт.ст. (27…40гПа) и, как следствие, значительно углубить отбор вакуумного газойля и тем самым существенно расширить ресурсы сырья для каталитического крекинга или гидрокрекинга. Так, расчеты показывают, что при глубоковакуумной перегонке нефтей типа запад- но-сибирских выход утяжеленного вакуумного газойля 350…690°С составит 34,1% (на нефть), что в 1,5 раза больше по сравнению с отбором традиционного вакуумного газойля350…500°С (выход которого составляет 24,2%). С другой стороны, процесс в насадочных колоннах можно осуществить в режиме обычной вакуумной перегонки, но с высокой четкостью погоноразделения, например, масляных дистиллятов. Низкое гидравлическое сопротивление регулярных насадок позволяет «вместить»ввакуумнуюколоннустандартныхтипоразмеровв3…5раза большее число теоретических тарелок. Возможен и такой вариант эксплуатации глубоковакуумной насадочной колонны, когда перегонка мазута осуществляется с пониженной температурой нагрева или без подачи водяного пара.

Отмеченное выше другое преимущество ПНК — возможность организации высокоплотного жидкостного орошения — исключительно

435

важно для эксплуатации высокопроизводительных установок вакуумнойилиглубоковакуумнойперегонкимазута,оборудованныхколонной большого диаметра. Для сравнения сопоставим потребное количество жидкостного орошения применительно к вакуумным колоннам противоточного и перекрестноточного типов диаметром 8м (площадью сечения ≈50 м2). При противотоке для обеспечения даже пониженной плотности орошения ≈20 м3/м2ч на орошение колонны требуется 50×20=1000м3/ч жидкости, что технически не просто осуществить. При этом весьма сложной проблемой становится организация равно-

мерногораспределениятакогоколичест-

436

вакуумного газойля, пятый является фракционирующим, а шестой служит для фильтрации и промывки паров. Для снижения крекинга

внижнюю часть колонны вводится охлажденный до 320°С и ниже гудрон в виде квенчинга. Поскольку паровые и жидкостные нагрузки

вПНК различны по высоте, насадочные модули выполнены различными по высоте и ширине в соответствии с допустимыми нагрузками по пару и жидкости. Предусмотрены циркуляционное орошение, рецикл затемненного продукта, надежные меры против засорения сетчатых блоков механическими примесями, против вибрации сетки и проскока брызгоуноса в вакуумный газойль.

Давление в зоне питания колонны составило 20…30ммрт.ст., или 27…40гПа, а температура верха — 50…70°С; конденсация вакуумного газойля была почти полной: суточное количество конденсата легкой фракции (180…290°С) в емкости — отделителе воды — составило менее 1т. В зависимости от требуемой глубины переработки мазута ПНК может работать как с нагревом его в вакуумной печи, так и без нагрева за счет самоиспарения сырья в глубоком вакууме, а также в режиме сухой перегонки. Отбор вакуумного газойля ограничивался из-за высокой вязкости арланского гудрона и составлял 10…18% на нефть.

3.3.7.Перекрестноточные насадочные колонны для четкого фракционирования мазута с получением масляных дистиллятов

Перекрестноточные насадочные колонны (ПНК) в зависимости от количества устанавливаемых в них насадочных блоков и, следовательно, от достигаемого в зоне питания глубины вакуума можно использовать в следующих вариантах:

а) вариант глубоковакуумной перегонки с углубленным отбором, но менее четким фракционированием вакуумных дистиллятов, если ПНК оборудованы ограниченным числом теоретических ступеней контакта;

б) вариант обычной вакуумной перегонки, но с более высокой четкостью фракционирования отбираемых дистиллятов, когда ПНК оборудована большим числом теоретических ступеней контакта.

Второйвариантособенноэффективендляфракционированиямазута с получением масляных дистиллятов с более узким температурным интервалом выкипания за счет снижения налегания температур кипения смежных фракций.

На одном из НПЗ России («Орскнефтеоргсинтез») проведена реконструкция вакуумного блока установки АВТМ, где ранее отбор

437

масляных дистиллятов осуществлялся по типовой двухколонной схеме с двухкратным испарением по дистилляту (см. рис. 3.18б) с переводом ее на одноколонный вариант четкого фракционированиямазутавПНК.Принципиальная конструкция этой колонны представлена на рис. 3.21.

При реконструкции вакуумной колонны было смонтировано 20 перекрестноточных насадочных блоков (из просечно-вытяжного листа конструкции УГНТУ с малым гидравлическим сопротивлением),вт.ч.17изкоторых— вукрепляющейчасти,чтоэквивалентно 10,8 теоретическим тарелкам (вместо 5,6 до реконструкции).

При эксплуатации реконструированной установки АВТМ были получены следующие результаты по работе ПНКикачествупродуктовразделения:

Рис. 3.21. Вакуумная перекресточная насадочная колонна для четкого фракционирования мазута на масляные дистилляты (авторы разработки К. Ф. Богатых и С. К. Чураков)

438

Как видно из приведенных выше данных, применениемПНК достигается значительная интенсификация процесса вакуумной перегонки на установках АВТМ. По сравнению с типовым двухколонным энергоемким вариантом вакуумной перегонки энергосберегающая технология четкого фракционирования мазута в одной перекрестноточной насадочной колонне имеет следующие достоинства:

—исключается из схемы вакуумной перегонки вторая трубчатая печь

ивтораявакуумнаяколоннасовсемсопутствующимоборудованием

ивакуумсоздающей системой;

—температура нагрева мазута на входе в ПНК ниже на 10…15°С;

—расход водяного пара меньше в 2 раза;

—масляные дистилляты имеют более узкий фракционный состав: 100–110 вместо 130…140°С;

—отбор масляных дистиллятов увеличивается с18,5 до 25% на нефть;

—производительность вакуумного блока увеличивается примерно на 10%.

3.3.8.Особенности технологий фракционирования газоконденсатов

Добычаипереработкагазоконденсатногоуглеводородногосырьяно сравнению с нефтью и природным газом является сравнительно новой отраслью нефтегазового комплекса страны. История открытия и эксплуатации ГК в бывшей СССР началась в1955 г. с Карадагского месторождениявАзербайджане.Затембылиоткрытыгазоконденсатныеместорождения в Краснодарском (Ахтырско-Бугундырское, Украинское,

439

Крымское,Калужскоеидр.),Ставропольском(Северо-Ставропольское, Мелагеидинское.Журавлевское,РусскийХуторидр.)краях,Дагестане, Калмыкии,Ростовской,АстраханскойиОренбургскойобластях.С 1961 по 1980 гг. были открыты ГК месторождения в Туркмении (всего 38), Узбекистане (52), Казахстане (где наиболее крупное Карачаганакское)

инаУкраине(Шебелинское,Глебовскоеидр.),РеспубликеКоми(Вуктыльское). С открытия в 1985 г. Уренгойского месторождения центр запасов ГК переместился в Западную Сибирь. Наиболее крупными в настоящее время являются Ямбургское, Уренгойское. Северо-Урен- гойское, Ен-Яхтинское, Песцовое и Заполярное месторождения севера Тюменской области, Бованенковское, Харасавейское, Крузенштерновское на полуострове Ямал, Марковское в Иркутской области и др.

Среди принятых в эксплуатацию имеются газоконденсаты исключительно уникальные но химическому составу. Так, например, ГК Сеноманской залежи Уренгойского месторождения характеризуется низким содержанием общей серы (около 0,01%), исключительно высокой концентрацией нафтеновых углеводородов (95,7% мас.) и практически полностью состоит из бензиновых и дизельных фракций.

Впоследние годы в переработку стали широко вовлекать газовые конденсаты. Основные его запасы находятся в районах Западной Сибири, Европейского Севера и Прикаспийской низменности. В районах добычи выделенный газовый конденсат подвергается стабилизации,

при этом из него удаляются фракции С1–C4 и частично С5. Образующийся стабильный газовый конденсат содержит в основном (85%) бензиновые и дизельные фракции (до 360°С). Себестоимость добычи газоконденсата в 2…4 раза ниже себестоимости добычи нефти, а при квалифицированном ведении процесса продукты его переработки оказываются примерно в 1,5 раза экономичнее нефтепродуктов. Газовые конденсаты, по сравнению с традиционными нефтями, имеют еще то преимущество, что их переработка позволяет без значительных капитальных затрат существенно повысить глубину переработки нефти

ивыход моторных топливных фракций от исходного сырья. Основной способ получения топлив заключается в прямой перегонке газового конденсата на отдельные бензиновые и дизельные фракции.

Вбольшинстве случаев бензиновые фракции обладают низкими октановыми числами и подвергаются дополнительному облагораживанию.КеросиновыеидизельныефракциигазовогоконденсатаЗападной Сибири в основном соответствуют требованиям ГОСТа на товарную продукцию,авслучаеполучениязимнихиарктическихсортовтоплива их подвергают процессу деперафинизации.

440