Глубокая переработка нефти

В современной нефтеперерабатывающей промышленности для осуществления перегонки сырой нефти в объемах исчисляемых сотнями тонн используется процесс тепло-массообмена называемый ректификацией. Процесс ректификации протекает в специальной установке – ректификационной колонне, которая делает этот процесс непрерывным, высоко эффективным, с гораздо меньшими затратами оборудования и энергии, чем перегонка в кубовой батарее.

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;

- фракционирования нефтезаводских, нефтяных и природных газов;

- отгонки растворителей в процессах очистки масел;

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

2 . По способу организации контакта парогазовой и жидкой фаз:

- тарельчатые;

- насадочные;

- роторные.

В современной нефтегазовой промышленности по типу применяемых контактных устройств наибольшее рас­пространение получили насадочные и тарельчатые ректифи­кационные колонны.

Перегонка (фракционирование) сырой нефти и продуктов ее переработки методом ректификации осуществляется в аппаратах пу­тем многократного противоточного контактирования паров и жид­кости. Технологический процесс ректификации может произво­диться или непрерывно в колоннах заполненных насадками или ступенчато в тарельчатых ректификационных колоннах.

Конструктивно тарельчатая ректификационная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический высотой до 30 метров и диаметром от 2-х до 4-х метров. Колона набирается из отдельных элементов называемых «царга», которые имеют между собой фланцевые соединения.

Каждая царга внутри разделена горизонтальными мембранами (тарелками), в которых расположены отверстия для прохода паровой и жидкой (капельной) смеси. Отверстия в тарелках для прохода паровой фазы снабжены барботажными колпачками, а для перелива жидкой фазы с верхних тарелок на нижерасположенные - сливными стаканами.

Барботажные колпачки обеспечивают проход (барботаж) поднимающихся паров, через слой жидкости толщиной около 10 см находящийся на тарелке. Смесь паров и жидкости, поднимаясь по колонне, разделяется, более тяжелые, с высокой температурой кипения, компоненты опускаются вниз, а легкокипящие пары поднимаются вверх.

При взаимодействии встречных потоков пара и жидкости на каждой ступени контактиро­вания (тарелке или слое насадки) между ними происходит тепло- и массообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию динамического рав­новесия. Пары, проходя через слой жидкости, несколько охлаждаются, так как температура жидкости ниже при этом происходит естественный процесс конденсации, и часть углеводородов переходит в жидкое состояние, увеличивая объем жидкости на тарелке, избыток которой переливается через сливной стакан на нижнюю тарелку. Пройдя через слой жидкости, и потеряв часть тяжелых углеводородов, пары поднимаются к следующей тарелке, где процесс повторяется.

В процессе теплофизического процесса ректификации заключается в том, что в момент каждого контакта компоненты смеси перераспреде­ляются между фазами: пар обогащается низкокипящими, а жидкость - высококипящими молекулами углеводородов. При высокой эффективности контактного устройства пар и жидкость, уходящие из тарелки или слоя насадки, достигают состояния равновесия, то есть температуры потоков станут оди­наковыми, а их составы в соответствии законами термодинамики будут связаны уравнениями рав­новесия. Некоторые «перегретые» молекулы многократно циркулируют в виде пара, поднимаясь на несколько тарелок вверх и на несколько тарелок опускаясь вниз. Именно эта промывка пара жидкостями с разными температурами и обеспечивает четкое разделение на фракции.

Контакт жидкости и пара, завершающийся достиже­нием фазового равновесия, называется равновесной ступенью, или теоретической тарелкой. Температура на разных уровнях колонны (на заданных разделительных тарелках) четко фиксирована и с этих тарелок происходит отбор желаемого продукта (фракции). Задавая число контактных ступеней и параметры процесса (температуру, давление, соотноше­ние потоков, и другие), можно получить любую тре­буемую четкость границ фракционирования нефтяных смесей.

Ректификационная колонна условно распределена на несколько секций (зон). Предварительно подготовленная, электрообессоливающей установке ЭЛОУ обезвоженная и обессоленная нефть подается насосом в нагревательную печь, где разогревается до температуры 360 - 380 °С. При такой температуре сырая нефть частично (более 50%) испаряется, образуя парожидкостную смесь, которая направляется в нижнюю часть ректификационной колонны.

Область ввода в ректификационную колонну нагретого сырья, где осуществля­ется однократное испарение, называется питательной секцией или зоной. Часть колонны, в которой происходит ректификация паровой фазы, расположенная выше питательной секции, и называется концентрационной (укрепляющей). Другая нижняя часть, в которой осуществляется ректификация жидкого потока - отгонной, или исчерпывающей секцией.

Конструктивно ректификационные колонны различаются на простые и сложные.

Простые колонны разделяют исходной смеси на два продукта: ректификат (дистиллят), выводимый в парообразном состоянии из верхней части колонны, и остаток, жидкий про­дукт ректификации, удаляемый из ее нижней части.

Сложные ректификационные колонны разделяют исходную смесь более чем на два продукта. От­бор дополнительных фракций осуществляется непосредственно из колонны в виде боковых погонов.

Для разделения бинарных или многокомпонентных непрерывных или дискретных смесей на более чем на две фракции может применяться одна сложная колонна или комплекс из простых или сложных колонн, соединен­ных между собой прямыми или обратными паровыми и жидкими потоками. Выбор конкрет­ной схемы и рабочих параметров ректификации определяется технико-экономическими и технологическими расчетами с учетом заданных требований к ассортименту и четкости разделения, возможности использования до­ступных и дешевых хладоагентов и теплоносителей.

Четкость границ фракционирования один из основных показателей эффективнос­ти работы ректификационной колонны, характеризующий их разделитель­ную способность. Применительно к ректификации нефтяных смесей этот показатель характеризуется груп­повой чистотой отбираемых фракций, то есть долей компонентов, выкипающих до заданной температурной границы деления смеси в отобранных фракциях. На практике в качестве показателя четкости (чистоты) разделения используют такую характеристику, как перекрытие (налегание) температур кипения соседних фрак­ций. На производстве критерием достаточно высокой разделительной способности колонн перегонки нефти на топливные фракции считается взаимное перекрывание температур кипения соседних фракций в пределах 10-30°С.

На четкость границ фракционирования ректификаци­онных колонн влияет число контактных ступеней и соотношение потоков жидкой и паровой фаз. Для полу­чения продуктов с требуемыми свойствами необходимо, помимо технологических параметров, иметь достаточное чис­ло тарелок или слоя насадки. Число тарелок должно быть таким, что бы общее количество продуктов, входящих в колонну в колонну, равнялось количеству продуктов отбираемых из отдельных тарелок.

По величине давления ректификационные колонны ректификации под­разделяются на следующие типы:

- атмосферные, работающие при давлении 0,1-0,2 МПа, применяются при перегонке стабили­зированной нефти на топливные фракции и мазут;

- вакуумные (глубоковакуумные) предназначены для фракциониро­вания мазута на вакуумный газойль или узкие масляные фракции и гудрон;

- колонны, работающие под повышенным давлением 1-4 МПа, применяются при стабилизации или отбензинивании нефти, ста­билизации газовых бензинов, бензинов перегонки нефти, и фракционирование нефтезаводских или попутных нефтяных газов.

Существуют технологические приемы, способствующие повышению производительности ректификационной колонны и качества технологического процесса разгонки - орошение и повторное испарение.

Орошение - этот способ отвода тепла из верхней части колонны получил наибольшее распространение в практике нефтепереработки. Часть тяжелые углеводородов могут забрасываться в верхнюю часть колонны вместе с легкими фракциями. Чтобы этого не происходило, пары выходящие из колонны периодически направляются в холодильник, а из него в сепаратор где происходит отделение конденсата (ректификата) от паровой фазы. Полученный конденсат насосом подается обратно в ректификаци­онную колонну. Происходит процесс холодного орошения ректификационной колоны (восходящих паров), снижение температуры тяжелых фракций и их конденсации на нижних тарелках.

Повторное испарение – это процесс, при котором осуществляется дополнительный подогрев кубового продукта в нагревателе. В результате, остатки легких углеводородов получают дополнительную энергию, испаряются и вновь поступают в колону в виде пара. При этом только незначительная часть сырья повторно циркулирует. Этот способ подвода тепла в низ колонны наиболее широко применяется на установках фракционирования попутных нефтяных и нефтезаводских газов, при стабилизации и отбензинивании нефти, стабилизации бензинов прямой перегонки и вторичных процессов нефтепереработки.