Разработка энергосберегающей технологии переработки газового конденсата широкого фракционного состава (90

На правах рукописи

НАСИБУЛЛИНА АЛЬБИНА ИЛЬЯСОВНА

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА ШИРОКОГО

ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА

02.00.13– Нефтехимия

АВ Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» и ООО «Научно-производственная фирма ЭИТЭК»

Защита состоится «_30_» ____июня__ 2011 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.05 при ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» по адресу: 420015 г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68, зал заседания Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет».

Автореферат разослан «___» мая 2011 г.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Особенностью нефтегазоперерабатывающего комплекса является возможное изменение состава сырья, поступающего на переработку, и достаточно частая смена приоритетов по топливно-прямогонным фракциям. В таких условиях технологическая схема процесса должна обеспечивать переработку исходной смеси с получением заданных продуктов во всем диапазоне колебания состава сырья и возможных изменениях требований конъюнктуры рынка. Ситуация усложняется, когда на переработку поступает смеси различных нефтей или газового конденсата, расход и состав которых в течение времени может сильно меняться.

В результате, одними из главных задач практики и научных исследований становятся принципиальные вопросы технологии: проблемы синтеза технологических схем с определением оптимальных параметров процесса, обеспечивающих технологическую гибкость, расширение диапазона устойчивой работы схемы и снижение энергетических затрат на разделение.

Таким образом, исследование особенностей фракционирования нефтегазоконденсатного сырья, разработка оптимальных режимов и технологически гибких энергетически эффективных схем этого процесса является важной и весьма актуальной задачей.

Вышеизложенное определило цель работы, разработать технологическую схему переработки газового конденсата, способную работать в условиях смены состава исходного сырья, обладающую минимальными энергетическими затратами. Для реализации обозначенной цели потребовалось решение ряда задач: провести анализ существующих методов синтеза технологических схем разделения непрерывных смесей, выполнить анализ организации существующих технологических схем данного процесса, проработать возможные варианты топологии технологической схемы с оценкой энергетических затрат на разделение, реализовать окончательный вариант технологической схемы с учётом особенностей и ограничений существующего оборудования.

Работа выполнена в соответствии с приоритетными направлениями развития науки, техники и технологии РФ, Программой развития топливно-энергетического комплекса Республики Татарстан на 2006-2020 годы (Закон РТ от 27.12.2005 г. №133), государственной программой «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года».

Научная новизна

Определено направление структурного совершенствования существующих установок переработки газового конденсата: переход к схемам с предварительной ректификационной стабилизацией исходного сырья и максимальной интеграцией материальных и тепловых потоков;

Впервые проведено систематическое исследование зависимости энергетических затрат на переработку газового конденсата от топологии технологических схем разделения, структурно отображающих основные направления организации этого процесса на предприятиях нефтегазоперерабатывающего комплекса;

Установлена зависимость влияния рецикла высокотемпературного теплоносителя на энергетические затраты и устойчивость работы технологической схемы;

3

Впервые предложен вариант организации схемы переработки газового конденсата с возможной сменой топологии в процессе эксплуатации.

Практическая значимость работы

На основании проведенных исследований и полученных результатов разработана и реализована в ходе реконструкции технологическая схема, устойчиво работающая в широком диапазоне изменения фракционного состава исходного сырья.

Реализованная технологическая схема позволила:

1.достигнуть проектной мощности установки 1 млн. тонн в год, с выпуском кондиционной продукции всего ассортимента;

2.расширить ассортимент выпускаемой продукции за счет вывода керосиновой фракции (марка КТ-1 по ТУ 38.401-58-8-90) и организовать производство зимнего дизельное топливо (ГОСТ 305-82);

3.стабилизировать обеспечение установки теплом за счет реализации рецикла высокотемпературного теплоносителя (мазута);

4.снизить энергетические затраты на разделение в среднем на 8,2 %, что соответствует снижению эксплуатационных затрат на 15,5 млн. рублей в год.

Публикации

По материалам работы опубликовано 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для размещения материалов диссертаций, 7 тезисов докладов на научных конференциях разного уровня, 1 патент на полезную модель.

Апробация работы

Отдельные разделы диссертации докладывались на Всероссийской научнопрактической конференции «Инновация и высокие технологии XXI века» (Нижнекамск, 2009); XI всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии: Производство и применение» (Пенза, 2010); V международной научно-практической конференции «Наука и современность - 2010» (Новосибирск, 2010); Межвузовской научно-практической конференции «Дни науки – 2010» (Нижнекамск, 2010), IX окружной конференции молодых ученых «НАУКА И ИННОВАЦИИ XXI ВЕКА» (Сургут, 2010); Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), Научная сессия КГТУ по итогам 2010 г. (г.Казань, 2011) .

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации ____ страниц, включая ____ источников литературы, ____ таблиц и ____ рисунков.

Выражаю глубокую признательность и благодарность главному технологу

ООО «НПФ ЭИТЭК», кандидату технических наук Шувалову А.С. за помощь, оказанную при выполнении расчётных исследований и участие в обсуждении результатов исследований.

4

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, дано краткое описание структуры диссертации и содержание основных глав.

В первой главе представлен литературный аналитический обзор по направле-

ниям проведенных исследований. В первой части главы приводятся сведения о выборе оптимальных схем разделения дискретных и непрерывных смесей. Отмечено,

что методы синтеза схем для разделения дискретных смесей разработаны гораздо

лучше, чем для непрерывных. Организации схем разделения дискретных смесей по-

священо достаточное количество работ с приведением сравнительной оценки энергетической эффективности конкретных схем. Относительно синтеза схем непре-

рывных смесей, можно сказать, что вопрос организации технологической схемы

представлен лишь в аспектах незначительных модификациий типовых схем, приня-

тых в нефтепереработке. Как правило, уделяется внимание модернизации отдельных блоков технологического процесса или конструктивному изменению отдель-

ных единиц оборудования. Практически отсутствует сравнительная оценка энерге-

тической эффективности схем при различных способах организации технологиче-

ского процесса. При этом, основное направление исследований связано с поиском оптимальной с точки зрения выбранного критерия технологических схем при пере-

работке сырья определенного состава, однако практически отсутствуют данные от-

носительно наличия областей оптимальности технологических схем при переработ-

ке сырья различного состава. В ряде работ показано наличие областей, характеризующихся равенством критерия оптимизации для нескольких схем, когда целесооб-

разно изменять топологию технологической схемы для сохранения оптимального

режима работы. Однако в литературе отсутствуют данные, относительно создания

технологических схем с переменной топологической структурой, позволяющих функционировать системе с минимальными затратами в широком диапазоне изме-

нения состава питания.

Во второй части главы выполнен анализ существующих установок переработки газового конденсата. Отмечено многообразие способов организации технологических схем, при этом на большинстве установок переработки газового конденсата наблюдается аналогия с типовыми процессами, нашедшими широкое распространение на объектах газо- и нефтепереработки. Так, переработка газового конденсата легкого состава осуществляется аналогичного газофракционирующим установкам, при переработке газового конденсата в смеси с нефтью используются технологические приемы нефтеперерабатывающих установок. Кроме этого, встречается ряд технологических схем, присущих только переработке газового конденсата.

Во второй главе представлены характеристики объектов и методы их исследования. В качестве объекта исследования выбрана технологическая схема (рис.1) переработки газового конденсата широкого фракционного состава с получением в качестве продуктов пропан-бутановой, бензиновой, дизельной, керосиновой фракции

5

и мазута. Рассматриваются три различных состава газового конденсата, характеризующих наиболее легкое (проба 1, ООО «РН-Пурнефтегаз», Тюменская область, г. Губкинский), среднее (проба 2, ЗАО «РОСПАН-Интернешнл», г. Салехард) и наиболее тяжелое сырье установки (проба 3, П-т «Смородинка», Саратовская область). Указанные составы наиболее полно отражают весь спектр составов, поступающих на переработку. Параметры выбранных для расчета проб газового конденсата представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Свойства газового конденсата

Все расчеты химико-технологических процессов, представленных в работе, проводили с помощью комплекса PRO/II with Provision corp. SimSci. Для моделирования свойств газового конденсата исходная смесь разбивалась на псевдокомпоненты с использованием внутреннего метода SPLINE. Генерирование свойств псевдокомпонентов осуществлялось методом Twu.

Для описания фазового равновесия использовалось кубическое уравнение состояния Соава-Редлиха-Квонга (SRK) для паровой и жидкой фаз.

Для расчета процесса ректификации в настоящей работе был использован алгоритм Inside Out, представляющий собой строгую модель равновесных ступеней контакта с решением теплового и материального балансов, уравнений фазового равновесия.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием адекватной модели парожидкостного равновесия, строгих алгоритмов расчета процесса ректификации; точность полученных результатов – заданием погрешностей определяемых параметров (температуры – 0,05°С, давления – 0,5%, тепловой нагрузки – 0,1%, остальных параметров – 0,3%).

Втретьей главе выполнен анализ существующей технологической схемы (рис. 1) установки переработки газового конденсата и проведена проработка возможных вариантов организации технологической схемы.

Впервой части главы проведено детальное обследование режима работы установки и построена адекватная модель существующей технологической схемы.

Врезультате проведенного обследования выявлены следующие эксплуатационные проблемы:

1.Невозможность достигнуть проектной мощности – 1 млн. тонн в год по сырью. Максимальная производительность данной установки составила 70-75% от проектной;

2.Частая смена состава сырья, поступающего на переработку, изменяющегося как в пределах нескольких процентов (в течение суток), так и карди-

6

нальным образом, вплоть до практически полного отсутствия отдельных фракций;

3.Отсутствие технологической гибкости схемы, позволяющей оперативно реагировать на смену состава исходного сырья и как следствие подбирать оптимальные параметры работы технологического оборудования;

4.Получение некондиционной продукции, либо отдельных продуктов, либо всего ассортимента сразу (см. Таблицу 2).

Втаблице 2 приведены основные показатели качества получаемых продуктов.

Таблица 2 - Показатели качества получаемых продуктов

В Таблице 2 представлены показатели качества, наиболее часто отклоняющиеся от нормативных показателей:

1. Завышенное значение конца кипения бензина (норма - не более 180°С по ТУ0251-009-05766801-93);

2.Заниженное значение температуры вспышки дизельной фракции (норма - не менее 62 °С для летнего дизельного топлива по ГОСТ 305-82);

3.Заниженное значение температуры вспышки мазута (норма - не менее 90°С для марки мазута М-40 по ГОСТ 10585-99) и высокое содержание фракций, выкипающих до 360°С.

Для выявления узких мест в технологической схеме переработки газового конденсата было выполнено моделирование схемы с последующим полным анализом работы оборудования.

7

Рис.1 - Исходная технологическая схема К-1,К-3 – ректификационные колонны, К-2, К-4 – стриппинговые секции; Т-1/1, Т-1/2, Т- 2, Т-3, Т-4 – теплооб-

менники блока подогрева сырья, Н-1÷Н-8 – насосы, П-1 – технологическая печь, Т-5, Т-6 – ребойлеры, Е-1, Е-2 – рефлюксные емкости, ХВ-1/1,2, ХВ- 2/1,2- аппараты воздушного охлаждения,

Х-1/1,2, Х-2 – водяные холодильники I-газовый конденсат с ТСБ; II - углеводородный газ; III - ПБФ; IV -

фр.НК-140С; V-фр.НК- 180С; VI – частичноотбензиненный газовый конденсат (основной поток); VII - горячая струя; VIII - циркуляционное орошение; IX-дизельное топливо; X-мазут; XIводяной пар; XII - отстоявшаяся вода

8

Выполненный анализ технологического оборудования выявил:

1.неудовлетворительную работу блока подогрева сырья - заниженные скорости по трубному пространству;

2.конструктивные особенности печи П-1 – взаимное влияние температуры горячей струи и основного потока;

3.захлебывание тарелок кубовой части колонны К-3.

Сцелью оценки технологической гибкости схемы был произведен анализ работы на сырье разного состава (свойства сырья приведены в таблице 1). По результатам проведенных расчётных исследований выявлены отклонения по качеству бензина (завышенная температура конца кипения), дизельного топлива (заниженная температура вспышки), что и наблюдалось при эксплуатации (Таблица 2).

Таблица 3 - Качество продуктовых потоков (расчётные исследования)

Важно отметить, что показатели качества, полученные расчётным путем, соответствуют наиболее оптимальному технологическому режиму схемы, при этом данные представленные по результатам эксплуатации отражают реальную ситуацию, и ещё раз доказывают отсутствие технологической гибкости схемы. Как правило, на практике в период эксплуатации отсутствовала возможность получить весь ассортимент продукции, соответствующей требованиям качества. Для решения этой проблемы прибегали к приемам намеренного ухудшения качества одного из продуктов, для возможности улучшения остальных.

На основании обозначенных проблем поставлена задача проведения реконструкции установки, с целью устранения всех недостатков схемы с учетом особенностей существующего оборудования и проведения строительных работ в период капитального ремонта (не более 30 дней) на действующей установке.

9

Во второй части главы выполнена проработка возможных вариантов реконструкции технологической схемы.

Основными требованиями, предъявляемыми к заключительному варианту технологической схемы, являются:

1.способность перерабатывать газовый конденсат во всем диапазоне изменения состава исходного сырья, поступающего на переработку;

2.выполнение требований, предъявляемых к качеству получаемых продуктов, а именно: бензиновые фракции н.к.-110, 80-180°С (с перспективой использования их фракций в качестве сырья установок изомеризации и риформинга);

3.получение керосина технического КТ-1;

4.улучшение качества мазута по показателю температуры вспышки с возможностью выпуска марки 100.

Также немаловажной задачей стало снижение в мазуте (кубовом остатке колонны К-3) содержания фракций, выкипающих до 360ºС.

Из множества вариантов схем разделения были отобраны только те, реализация которых возможна в рамках существующего оборудования с учётом его особенностей и ограничений. Варианты организации технологической схемы процесса представлены на рисунке 2.

Рис. 2 - Принципиальные технологические схемы установки переработки газового конденсата: (а)- существующая схема, (б-е) рассматриваемые варианты реконструкции; А–пропан- бутановая фракция, А1-углеводородный газ; B,С,G– бензиновые фракции; F– керосин; D–дизельное топливо; E–мазут; 1,3,5 – ректификационные колонны, 2,4,6 – отпарные колонны (стриппинги), Е-1 – рефлюксная ёмкость, С-предварительный сепаратор.

Для определения окончательного варианта технологической схемы была проведена оценка энергетических затрат на разделение. Многие авторы в качестве кри-

10