1.3. Интенсификация процесса деасфальтизации. Внедрение струйной аппаратуры

Предложено интенсифицировать процесс деасфальтизации гудрона пропаном путем подачи сырья и растворителя в экстрактор через инжекторы, оснащенные коллекторами и отражателями [3]. Достигнуты увеличения загрузки деасфальтизатора и выход деасфапьтизата, снижение кратности пропана к сырью при получении деасфапьтизата заданного качества.

Повышению эффективности деасфальтизации остатков вакуумной перегонки мазута способствуют интенсификация основной стадии процесса — экстракции целевых компонентов из сырья и внедрение энергосберегающих технологий регенерации растворителя из раствора деасфальтизата и асфальтовой фазы.

Существенный прогресс достигнут в решении второй проблемы. За рубежом на ряде предприятий внедрена перспективная технология регенерации растворителя в надкритических условиях. Однако ее реализация, так же как и ряда других разработок, основанных на оптимизации схемы теплообмена блока регенерации, направлена в основном на сокращение энергоемкости производства.

Аппаратурное оформление стадии экстракции за последние 30-40 лет не претерпело существенных изменений. Внедрение ротационно-дисковых экстракторов вместо аппаратов с традиционными контактными устройствами (тарелками типа «жалюзи»), так же как и различных схем обвязки деасфальтизационных колонн, не привело к принципиальному улучшению процесса.

Данная статья посвящена поиску и реализации путей интенсификации работы деасфальтизационных колонн с целью повышения отбора деасфальтизата заданного качества при сокращении кратности пропана к сырью.

Было сделано предположение о целесообразности применения в процессе деасфальтизации приемов, аналогичных применяемым для повышения эффективности массообмена в противоточных экстракционных аппаратах с внешними циркуляционными потоками. Для теоретического обоснования такой возможности разработано математическое описание процесса тепло-массообмена на основе модели. В последней использованы модифицированные параметры растворимости, полученные из уравнений растворимости Гильдебранда, с учетом циркуляции потоков и ее влияния на температурный профиль в колонне.

Расчеты на компьютере по программе, специально созданной на основе предложенной модели, подтвердили справедливость сделанного предположения. Это послужило теоретической базой для нового способа интенсификации рассматриваемого процесса.

В отличие от известных способов создания внешних циркуляционных контуров разработанный способ основан на использовании энергии потоков сырья и растворителя, входящих в аппарат через инжекторы, оснащенные коллекторами и отражателями. Сущность способа ясна из схемы, приведенной на рис. 1.

Сырье (или смесь сырья с растворителем) и растворитель (или часть этих потоков) подают в верхнюю и нижнюю части пустотелого или оснащенного контактными устройствами колонного аппарата. Сырье, выходящее с высокой скоростью из сопла инжектора, попадает в его сужающуюся часть. В полости коллектора создается разрежение, в результате смесь, находящаяся в нижележащем сечении аппарата, движется в эту полость.

Поток сырья увлекает за собой эту смесь и нагнетает ее через инжектор, образуя высокоскоростной поток. Последний дробится на отражателях — наборе полых усеченных конусов или дисков с отверстиями. Образовавшиеся потоки равномерно распределяются по сечению аппарата, контактируя с нисходящим потоком раствора рефлюкса из вышележащей зоны.

При подаче растворителя через соответствующий инжектор нагнетание смеси из нижележащей зоны аппарата, смешение потоков и распределение смеси по сечению аналогичны описанным при подаче сырья.

Таким образом, предлагаемый способ подачи сырья и растворителя обеспечивает: их интенсивное перемешивание с неравновесными потоками в соответствующих зонах аппарата; распределение образующихся смесей по его сечению; создание контуров циркуляции потоков между зонами с разными температурой и концентрацией компонентов сырья и растворителя. Дальнейшее движение потоков обусловлено разностью их плотностей. Развитие поверхности контакта фаз и интенсификация массообмена между ними позволяют приблизить сырье и растворитель, поступающие в аппарат, к состоянию равновесия с потоками, движущимися в соответствующих зонах колонны. При этом достигаются более полное извлечение целевых компонентов из сырья уже на стадии его подачи в аппарат и дополнительное извлечение этих компонентов из потока, контактирующего с растворителем в нижней части аппарата.

Это обеспечивает снижение потерь деасфальтизата с раствором асфальта; повышение селективности процесса и выхода целевого продукта - деасфальтизата; уменьшение кратности растворителя к сырью, а следовательно, энергозатрат.

Выбранный разработчиками в качестве сырья гудрон из смеси западносибирских нефтей был представлен (по аналогии с принятой за основу моделью) в виде смеси пяти фракций: 1 - парафино-нафтеновой; 2 - легкой ароматической; 3 - средней ароматической; 4 - тяжелой ароматической; 5 - коагулята.

Основные свойства гудрона: фракционный состав, ºС: н.к. - 422, 5% - 482, при 500ºС выкипает 12%; условная вязкость - 80 с при 80ºС.

На рис. 2 приведены расчетные кривые зависимости выхода и коксуемости деасфальтизата от кратности пропана к сырью при существующей технологии и инжекционной подаче сырья с коэффициентом инжекции

k ₂ = G_ин2/(G_с.ин + G_р.с.ин) = 2

На рис. 3 показано влияние коэффициента k₂ на показатели процесса при изменении кратности растворителя. Температуры вверху и внизу колонны (соответствующие теоретическим ступеням контакта i = 1 и 4, см. рис. 1) для приведенных расчетов приняты равными соответственно 55 и 80ºС.

П ри инжекционной подаче сырья с коэффициентом k₂ = 2 выход деасфальтизата повышается на 1,5-1,7% (при равных кратностях пропана к сырью). Его коксуемость увеличивается в пределах, допустимых для дальнейшей переработки - экстракционной очистки селективным растворителем.

Эффективность такой подачи сырья повышается при снижении кратности пропана к сырью. Повышение кратности инжекции до k₂ = 3 приводит к росту выхода деасфальтизата еще на 0,4-0,5% при незначительном повышении его коксуемости.

На рис. 4, а и б показано изменение по высоте колонны концентрации фракций (в виде смеси которых представлено рассматриваемое сырье) в масляной фазе, покидающей соответствующую ступень контакта при традиционной технологии и инжекционной подаче сырья (k₂ = 2) с объемной кратностью пропана к гудрону 4,2:1.

Д ля этих вариантов на рис. 5 приведены выходы данных фракций (от их содержания в сырье), определенные как отношения их содержания в масляном растворе 4-й ступени контакта (в растворе деасфальтизата) к их расходу в составе сырья.

Концентрация фракций в масляной фазе на теоретических ступенях контакта в рассмотренных вариантах изменяется незначительно. Однако с повышением отбора фракций 2 и 3 (см. рис. 4) при инжекшюнной подаче сырья обеспечивается увеличение выхода деасфальтизата заданного качества (см. рис. 2).

По расчетным данным, ведение процесса при массовой кратности к сырью растворителя, подаваемого в нижний инжектор - G_р.ин (см. рис. 1), выше 0,2:1 и коэффициенте инжекиии k₁ = G_ин1/G_р.ин > 5 нецелесообразно. При значениях k₂ = 2,2-2,5 и k₁ = 5-5,2 обеспечиваются повышение выхода деасфальтизата заданного качества на 1,8-2,4% (масс.) и снижение общей объемной кратности пропана к сырью на 15-16% (отн.).

Разработанный способ внедрен на производстве масел и парафинов КМ-2 ОАО «Славнефть-Ярославнефтеоргсинтез». Результаты внедрения показали высокую степень сходимости с расчетными данными, что свидетельствует о достаточной достоверности математического описания и программного обеспечения.

В пустотелой колонне (экстракторе), оснащенной инжекционной системой подачи реагентов, достигнуто повышение выхода деасфальтизата улучшенного качества на 2,5-3% (масс.) при сокращении объемной кратности пропана к сырью на 15-20% (отн.) и увеличении загрузки деасфальтизатора по сырью.

В 2001 г. на КМ-2 в работу был включен третий экстрактор, что обеспечило подачу предварительно разбавленного пропаном гудрона тремя параллельными потоками. Второй экстрактор, как и прежде, оснащен инжекционной системой подачи реагентов.

Для оценки эффективности внедренного способа в новых условиях были сопоставлены показатели работы секции деасфальтизации при отключенной системе инжекционной подачи сырья (с 5 по 8.11.2001 г.) и после ее включения во втором экстракторе (с 9 по 15.11.2001 г.).

Как видно из табл. 1, при одинаковой загрузке секции по сырью и практически равной общей кратности пропана к сырью выход деасфальтизата по трем экстракторам вырос в среднем на 1,7% (масс.) при улучшении его качества. Увеличение суточного отбора было отмечено с 9 ноября, т.е. с момента включения сырьевого инжектора во втором экстракторе.

После пересчета роста отбора деасфальтизата на 1,7% (масс.) для всей секции деасфальтизации на один экстрактор (табл. 2) в соответствии с загрузкой каждого из них установлено следующее.

Таблица 1

Показатели	До подачи сырьевого потока через инжектор (с 5 по 8.11.20001 г.)	После подачи сырьевого потока через инжектор (с 9 по 15.11.2001 г.)
Общая загрузка экстракторов по сырью, т/ч	52	52
Общий расход пропана на все экстракторы, м3/ч	285	284
Выход деасфальтизата, % (масс.)	19,8	21,5
Качество деасфальтизата коксуемость, % (масс.) показатель преломления nD20 цвет, ед. ЦНТ	1,1 1,4992 6,5	0,94 1,4972 6

Таблица 2

Показатели	До включения инжектора	После включения инжектора
Подача пропана во второй экстрактор, мэ/ч на разбавление сырья в пропановый маточник в пропановый инжектор	114,4 28,7 79,7 6	114 27,2 80,8 6
Расход сырьевого потока с учетом предварительного разбавления пропаном, м3/ч	34	30,6
Температура во втором экстракторе, ºС вверху внизу	73 54	73 54
Расчетная загрузка второго экстрактора по сырью, т/ч	16,7	15,6
Расчетный выход деасфальтизата, % (масс.)	19,8	26,9
Количество деасфальтизата во втором экстракторе, т/ч	16,7x0,198 = 3,3	15,6x0,269 = 4,2
Прирост выхода деасфальтизата, % (масс.) на загрузку всех экстракторов	—	(4,2-3,3)100/52 = 1,7

При практически равных температуре в экстракторе и кратности пропана к сырью после включения инжекторов расчетный выход деасфальтизата во втором экстракторе составил 26,9% (масс.) вместо базовых 19,8% (масс.), т.е. увеличился на 7,1% (масс.) на сырье (см. табл. 2). При пересчете прироста отбора деасфальтизата в массовом выражении (0,9 т/ч) на загрузку по сырью всех трех экстракторов получена величина, зафиксированная в режимных листах всех колонн: 1,7% (масс.) - см. табл. 1.

На следующей стадии переработки полученного деасфальтизата - селективной очистки N-метилпирролидоном зафиксировано увеличение выхода рафината в среднем на 4% (масс.) при повышении его качества.

Улучшение качества деасфальтизата и рафината (наряду с ростом их отбора) можно объяснить повышением селективности экстракции в процессе деасфальтизации. Повышение степени диспергирования сырья при инжекционной подаче и создание циркуляции потока в зоне инжектора, видимо, приводит к более полному извлечению целевых компонентов - парафино-нафтеновых, легких и средних ароматических углеводородов.

Перейдя в раствор пропана в большей степени, чем обычно, эти компоненты насыщают его. Обогащенный этими компонентами раствор деасфальтизата находится в равновесии с коагулятом, в котором в большей степени удерживаются полициклические ароматические и асфальтено-смолистые соединения.

Приведем ориентировочный расчет экономической эффективности внедрения предлагаемого способа на одном из трех экстракторов секции деасфальтизации производства КМ-2.

При производительности всех экстракторов по гудрону 52 т/ч увеличение отбора деасфальтизата на 1,7% (масс.) соответствует приросту его выработки на 0,9 т/ч, или 7128 т/год, без дополнительных затрат (не считая небольших вложений на оснащение экстрактора системой инжекционной подачи). С учетом выхода целевой продукции на стадиях селективной очистки, депарафинизации и гидроочистки это обеспечит дополнительное получение -3000 т масла М-20 в год.

Если принять, что побочный продукт процесса — асфальт является компонентом топочного мазута, то при сокращении объема выработки этого продукта, эквивалентном росту объема выработки деасфальтизата, прирост-прибыли ΔП составит:

ΔП = Т(Ц₁ - Ц₂)

где Т - годовой объем дополнительно получаемого масла М-20. т/год; Ц₁, Ц₂ - цена (без НДС) соответственно масла М-20 и мазута, руб./т.

Расчетный прирост прибыли, определенный по ценам IV квартала 2001 г., составил более 19 млн. руб./год. Очевидно, что оснащение остальных двух контакторов инжекционными системами приведет к повышению технико-экономической эффективности производства в целом.

Рост выхода деасфальтизата в конечном счете сопровождается увеличением выработки не только ценного остаточного масла, но и церезина, получение которого недавно освоено на стадии депарафинизации-обезмасливания остаточного рафината. В результате экономическая эффективность совершенствования процесса деасфальтизации становится еще более значимой.