книги из ГПНТБ / Багиров, И. Т. Современные установки первичной переработки нефти

На большей части действующих установок ректификация про­ текает нечетко. Получаемые компоненты светлых и масляных ди­ стиллятов не соответствуют требуемому фракционному составу, наблюдается налегание фракций, часть наиболее тяжелых фрак­ ций светлых нефтепродуктов —дизельного топлива — проваливает­ ся в низ колонны, в мазут. Поэтому исследованию и анализу ра­ боты ректификационных колонн, разработке и испытанию новых типов барботажных тарелок, совершенствованию методов их рас­ чета уделяется большое внимание.

Назначение ректификационных аппаратов установок АВТ

Современные ректификационные аппараты классифицируются в зависимости от их технологического назначения, давления, спосо­ ба осуществления контакта между паром и жидкостью и внутрен­ него устройства, обеспечивающего этот контакт. По технологиче­ скому назначению на современных комбинированных установках АВТ ректификационные аппараты делятся на колонны атмосфер­ ной перегонки нефти, вакуумной перегонки мазута, стабилизации легких фракций, абсорбции жирных газов переработки нефти, вто­ ричной перегонки широкой бензиновой фракции и др. По прово­ димому процессу различают следующие ректификационные колон­ ны: атмосферные, вакуумные, стабилизаторы и др. В зависимости от давления колонны делятся на вакуумные, атмосферные и рабо­ тающие под давлением. В качестве контактного устройства в ко­ лоннах применяют тарелки. Часто эти колонны именуются тарель­ чатыми. По способу контакта между паром (газом) и жидкостью все ректификационные аппараты на установках первичной пере­ гонки нефти характеризуются непрерывной подачей обеих фаз.

На конструкцию ректификационной колонны оказывают влияние технологические особенности: система подачи сырья, отвод боковых жидких погонов, подача орошений, пара и др.

Типовая схема работы атмосферной ректификационной колонны

обогащенный низкокипящими компонентами и содержащий водя­ ной пар. В средней части с соответствующих тарелок отбирают боковые флегмы — компоненты светлых нефтепродуктов, а снизу остаток — мазут, обогащенный высококипящими компонентами. Часть колонны, расположенная выше ввода сырья, называется кон­ центрационной, или укрепляющей, а расположенная ниже ввода сырья, — отгонной, или исчерпывающей. Верхняя тарелка отгонной части колонны, на которую поступает сырье, обычно называется тарелкой питания.

Для ректификации многокомпонентных смесей на установках АТ и АВТ применяется ректификационная колонна, состоящая

50

фактически из нескольких отдельно работающих колонн (по числу отбираемых фракций). Сырьем для каждой последующей колон­ ны может служить дистиллят или остаток предыдущей колонны. Такие колонны весьма сложны, так как кроме верхнего и нижне­ го продуктов (бензин и мазут) в них получают несколько боковых погонов: лигроин, керосин, дизельное топливо. Каждый боковой погон, отводимый из колонны, отправляется в свою отпарную ко­ лонну, где отпариваются легкие фракции, направляемые затем об­ ратно в основную колонну.

/.

5

\и

Отпарные колонны конструктивно выполнены в одном корпусе, но отделены друг от друга глухой перегородкой. В отпарных ко­ лоннах создается орошение водяным паром, который снижает пар­ циальное давление нефтяных паров и способствует их испарению.

Недостаток сложной колонны — наличие при одном верхнем орошении различных паровых и жидкостных нагрузок в разных сечениях. В связи с этим в каждой секции весьма целесообразно создание самостоятельного циркулирующего орошения. Атмосфер­ ные и вакуумные колонны с промежуточным циркуляционным оро­ шением широко применяются. Так, запроектированные Гипроазнефтыо высокопроизводительные установки АВТ различной моди­ фикации (типа А-12/4, А-12/5, А-12/5м, А-12/6, А-12/7, А-12/9,

А-12/9В, А-12/10В и др.) оборудованы сложными колоннами с цир­ кулирующим промежуточным орошением. Большая часть таких

установок имеется и успешно эксплуатируется на нефтеперераба­ тывающих заводах СССР и за рубежом (ПНР, ГДР, ВНР, КНР

и др.).

Давление в атмосферной колонне зависит от ряда факторов. При выборе давления температуру конденсации паров дистиллята

Рис. 25. Типовая схема работы ва­ куумной колонны:

/ — продукты разложения: 2 — острое оро­ шение; 5 — фракция <ЗС0 °С в вакуум-при­

ционные орошения из колонны в теплооб­ менники; 15, 17, 19, 21 — циркуляционные орошения в колонну после охлаждения.

в первом приближении можно принимать не менее чем на 15— 20 °С выше температуры охлаждающего агента на выходе из кон­ денсатора. Некоторое повышение давления против расчетного вверху колонны необходимо для преодоления потерь напора при движении пара через трубопроводы и аппараты, расположенные после ректификационной колонны. Внизу колонны давление уве­ личивается на величину, соответствующую гидравлическому сопро­ тивлению тарелок. В атмосферных колоннах для перегонки нефти, работающих с водяным паром, максимальная температура соот­ ветствует температуре вводимого сырья.

На рис. 25 показана типовая схема работы вакуумной колонны,

схеме. Схема перегонки на этой установке отличается от схем, при­ нятых на остальных действующих установках, и показатели ее ра­ боты несколько лучше, особенно по выработке масляных фракций. Мазут из атмосферной колонны забирается насосом и прокачи­ вается через змеевик печи вакуумной части в вакуумную колонну при 380 °С. Температура верха колонны 100 °С, низа 355 °С. Ко­

52

имеют слива жидкости вниз. Верхняя часть колонны с шестью тарелками является конденсатором смешения. Пары легких фрак­ ции и фракции до 350 °С конденсируются в конденсаторе смешения и поступают в вакуум-приемник. Сбоку колонны отбираются три боковые масляные фракции 5, 7, 9 и направляются в соответст­ вующие отпарные колонны.

Рис. 26. Типовая схема технологиче­ ской связи между стабилизатором и фракционирующим абсорбером:

Пониженное давление в вакуумной колонне необходимо при разделении термически нестабильных смесей. Максимальная тем­ пература в вакуумных колоннах соответствует температуре вводи­ мого в нее сырья; она ограничивается возможностью термического разложения продуктов и закоксовыванием труб в печи. Эта темпе­ ратура и определяет расчетное давление в колонне. Для поддер­ жания температуры в питательной секции необходимо наверху колонны иметь глубокий вакуум. По практическим данным, оста­ точное давление наверху вакуумной колонны не должно превы­ шать 40—60 мм рт. ст. Однако на большинстве действующих уста­ новок наблюдается значительное гидравлическое сопротивление на тарелках, а наверху колонн-—высокие остаточные давления поряд­ ка 100—120 мм рт. ст. и более. Это является одной из причин плохой погоноразделительной способности вакуумных колонн.

На современных комбинированных установках АВТ имеются блоки стабилизации, абсорбции-десорбции и вторичной перегонки широкой бензиновой фракции. Во всех этих блоках процесс ректи­ фикации, или фракционирования, осуществляется в ректификацион­ ных колоннах. Эти технологические блоки на установках АВТ до­ бавляются в зависимости от углеводородного состава перерабаты­ ваемой нефти и от назначения их в схеме переработки по заводу в целом. На рис. 26 приводится типовая схема технологической связи между стабилизатором и фракционирующим абсорбером на установках АВТ.

53

Факторы, улучшающие погоноразделительную способность ректификационных колонн

Цель расчета ректификационных колонн АВТ на заданную про­ изводительность и четкость разделения фракции — определить тех­ нологический режим аппарата, основные его размеры и внутренние устройства. Технологический режим колонны зависит от темпера­ тур всех внешних материальных потоков, рабочего давления в ап­ парате, удельного расхода тепла на испарение остатка и конденса­ цию части верхнего продукта, флегмового числа или удельного расхода абсорбента. Основные размеры колонны — диаметр и вы­ сота— зависят, главным образом, от типа и числа тарелок, рас­ стояния между ними. Основными размерами тарелки являются ее свободное сечение и размеры некоторых элементов, характерные для каждого типа тарелок.

Научно-исследовательские работы и опыт производственников позволили выявить существенный недостаток ректификационных ко­ лонн действующих промышленных установок АВТ — их малую по­ гоноразделительную способность, а также конструктивные, техно­ логические, экономические недостатки тарелок. Эти недостатки объясняются использованием формул и методов расчета ректифи­ кационных систем, рекомендованных в 30-х годах для маломощных установок с ограниченным количеством получаемых фракциц при наличии незначительного количества технологических узлов. Кроме того, ни количество данных, требуемых для разработки методов расчета, ни опыт эксплуатации таких сложных аппаратов, как рек­ тификационные колонны, не были в то время достаточно полными. Механический перенос устаревших данных и методов расчета на современные мощные ректификационные колонны приводит к тому, что их фактические показатели, как правило, отличаются от проект­ ных; в итоге не обеспечивается получение продуктов нужных ка­ честв.

Большая часть колонн атмосферной перегонки ранее построен­ ных установок имеет запас производительности 30—50%. Вакуум­ ные же колонны часто не обеспечивают проектную производитель-

.ность, в них наблюдается большое налегание фракций и ряд других недостатков. Анализ работы большого количества ректифика­ ционных колонн и обобщения этих данных показали, что на погоно­ разделительную способность колонн оказывают существенное влия­ ние следующие факторы: тепловой режим паровых и жидкостных потоков, материальный баланс колонны, размеры сечений контакт­ ных элементов, конструкция и число тарелок, кратность орошения, способ ввода орошения в колонну, весовая и линейная скорость ларов.

Ранее все эти факторы при проектировании и строительст­ ве маломощных установок в полной мере не учитывались и расче­ ты, как правило, проводились на основе практических данных и ме­ тодом приближения.

54

Элементы оптимизации технологических систем установок

Для правильного выбора при проектировании -размеров основ­ ного технологического оборудования установок АВТ необходимо­ тщательно изучить и определить следующие технологические фак­ торы.

Давление. Давление в основной колонне атмосферной секции должно обеспечивать преодоление гидравлических сопротивлений парогазовых потоков по всей системе. Обычно избыточное давле­ ние в атмосферной колонне находится в пределах 0,7—0,8 кгс/см2 и не должно превышать 1, 0 кгс/см2, т. е. оно должно приниматься минимально возможным. Практически это давление несколько ко­ леблется в зависимости от условий эксплуатации. При двухколон­ ной схеме работы установки давление в отбензинивающей колонне, как правило, должно быть выше, чем в основной атмосферной колонне, но его следует принять минимально возможным, лишь достаточным для того, чтобы преодолеть сопротивление шлемовой трубы, змеевика конденсатора и коммуникации газоотводящей си­ стемы. В отбензинивающей колонне отгоняются легкие бензиновые пары и газы, а для подачи последних в газовую сеть предприятия давление в первой ректификационной колонне должно быть не ни­ же 3—4 кгс/см2. По фактическим данным, на действующих двух­ колонных установках избыточное давление в большинстве случа­ ев составляет от 1 до 3,5 кгс/см2.

Остаточное давление наверху вакуумных колонн следует при­ нимать равным 40—60 мм рт. ст. Однако на практике оно значи­ тельно выше, что ухудшает погоноразделительную способность колонны.

Температурный режим в колонне. Температурный режим, влия­ ющий на показатели работы колонны, зависит от качества дистил­ лятов и давления в колонне. Нужно определить обычным путем температуры верха и низа колонны, боковых погонов и низа остат­ ка. При этом следует учитывать, что в низ колонн подается водя­ ной пар и температура внизу колонны будет определяться парци­ альным давлением нефтяных паров. Водяной пар оказывает суще­ ственное влияние на температурный режим колонны. Нижеприводится средний температурный режим, поддерживаемый в ос­ новных колоннах .действующих АВТ (см. стр. 56).

Необходимо создать такие условия, чтобы с потоком сырья в ко­ лонну вносилось максимальное количество тепла. Температура сырья, поступающего в колонну, определяется методом А. М. Тре­ губова либо по кривой однократного испарения (ОН) сырья дан­ ной колонны (кривая построена для давления эвапорационного пространства). Эта температура должна соответствовать доле от­ гона, равной суммарному отбору дистиллятов из колонны по ма­ териальному балансу. Было обнаружено, особенно в ранее постро­ енных установках АВТ, что температура поступающего в колонну

55

сырья на 20—30 °С выше, чем определенная по проекту. Поэтому очень важно правильно рассчитать сечения трубопровода от колон­ ны до печи и температуру выхода сырья из печи. Перед состав­ лением теплового баланса колонны необходимо рассчитать измене­ ние температуры сырья в трубопроводе от печи до колонны.

Установлено, что перепад температуры между печью и колон­ ной на установках АВТ составляет для атмосферной секции от 5 до 18 °С, для вакуумной 25—30 °С. В работе колонны этот фактор играет решающую роль. Однако в ранее запроектированных уста­ новках он не учитывался. В расчетах часто, определив долю отгона и температуру сырья при входе в колонну по кривой ОИ, прини­ мают эту температуру равной температуре потока сырья на вы­ ходе из печи. Это приводит к неправильному определению количе­ ства тепла, вносимого в колонну. В среднем ошибка составляет 10—15% от общего количества тепла в колонне.

В трансферной линии — трубопроводе, идущем от печи до ко­ лонны, меняется доля отгона и температура сырья, а энтальпия остается постоянной. Вследствие крайней сложности и трудоемко­ сти ранее предложенной методики расчета изменения состояния сырья в трубопроводе (метод постепенных приближений) ею почти не пользовались. Менее трудоемок графоаналитический метод, раз­ работанный в ГрозНИИ. В последующих проектах промышленных установок указанный недостаток был устранен. В результате, в от­ личие от принятого на прежде построенных установках (мощностью 2,0 млн. т/год) диаметра трансферной линии от печи до атмосфер­ ной колонны АТ, равного 250 мм, был принят рассчитанный по но­ вому методу диаметр, равный 300 мм. Таким образом, при подходе к основной ректификационной колонне вместо 2 X 250 принято

2x350 мм.

Расход пара. На практике расход пара колеблется в широких пределах. Обследование работы действующих колонн показало, что в атмосферных колоннах в 32-х случаях расход пара состав­ лял более 1 вес. % на нефть (1—5,4%); в 19-и случаях — ниже 1% (0,17—0,09%)- В вакуумных колоннах в 17-и случаях расход пара

56

на сырье составлял 1,2—3,9%. В атмосферных колоннах увеличе­ ние расхода пара не оказывает существенного влияния на увели­ чение скорости нефтяных паров в колонне. В вакуумных колоннах вследдтвие низкого давления линейная скорость нефтяных паров, за счетводяного пара резко увеличивается. При подаче в низ ко­ лонны 2% водяного пара и выше (на мазут) общий объем паров сильно возрастает; в результате скорость паров превышает допу­ скаемую, что вызывает увеличение нагрузки в сечениях колонны примерно в 1,5—2,0 раза. Данные исследований и анализов факти­ ческого материала показывают, что количество водяного пара в вакуумных колоннах не должно превышать 1,0—1,5% на мазут.

На его испарение расходуется избыточное тепло. В итоге избыточ­ ное тепло всех промежуточных колонн основного ректификационно­ го аппарата переносится парами острого орошения в верхнюю часть колонны и затем снимается в конденсаторе. В условиях пе­ регрузки колонны парами острого орошения для обеспечения тре­ буемой скорости паров нужна колонна большого диаметра, а для снятия тепла, уносимого с парами, необходима установка конден­ саторов больших размеров и расходуется значительное количество' хладоагента (охлаждающая вода или электроэнергия при аппара­ тах воздушного охлаждения). Неиспользование избыточного тепла отдельной промежуточной колонны вызывает значительное увели­ чение кратности орошения по всей высоте колонны. Особенно, для верхней и средней промежуточных колонн кратность орошения по­ лучается гораздо больше, чем требуется условиями четкой ректи­ фикации отбираемых фракций.

Из анализа тепловых и материальных потоков можно заклю­ чить, что энергетические условия при работе сложной ректифика­ ционной колонны являются крайне невыгодными.

В связи со сказанным в проектах промышленных установок предусматривается новая схема работы основной ректификацион­ ной колонны, при которой все избыточное тепло отводится непо­ средственно каждой промежуточной колонной. Это достигается применением циркулирующих промежуточных орошений в коли­ честве, равном количеству отбираемых боковых погонов.

Показатели работы тарелок. К основным показателям работы ректификационных колонн и контактных устройств промышленных установок АВТ относятся кратность орошения (флегмовое число), весовая скорость паров, линейная скорость паров в свободном се­ чении колонны, плотность орошения тарелки, градиент уровня жид­ кости на тарелке, высота подбора слива, гидравлическое сопротив­ ление тарелки, число теоретических тарелок, к. п. д. тарелки. Не­ маловажную роль играет также конструкция тарелки, способ по­ дачи орошения и отвода тепла.

Кратность орошения, или флегмовое число, определяется как от^ ношение количества горячего орошения — флегмы, орошающей та­

57"

релки данной секции, к количеству дистиллята или ректификата ■секции. Флегмовое число и число тарелок определяют заданную фракционировку в процессе ректификации. При увеличении флегiMOBoro числа необходимое число тарелок уменьшается, при умень­ шении флегмового числа оно возрастает. Минимальное значение флегмового числа наблюдается при движущейся силе процесса разделения в каком-либо сечении колонны, равной нулю. Часто таким сечением является питательная секция колонны.

Для практических расчетов флегмового числа (среднего его значения) ре­ комендуется формула:

где £ср — среднее значение кратности орошения (флегмового числа); ’ g0 — крат­ кость орошения верхней секции; gx — кратность орошения ннжней^секции.

Теоретически разработанных методов расчета флегмового числа при ректи­ фикации таких сложных смесей, как нефть, пока еще нет. Поэтому его опреде­ ляют главным образом на основании опыта промышленной эксплуатации.

Весовая скорость паров (IF). В свободном сечении колонны весовая скорость

паров [(в кг/(м2-ч)] равна:

ров.

Линейная скорость паров. Линейная скорость паров в свободном сечении

<IFCB) колонны, а также в живом сечении (Ц7Ж) тарелки определяется по фор­ муле (в м/с):

,у/ Ун + Ув.п

'Гсв— р

г СВ

шУн + Ув.П

"'ж — с

Iт

где Va и Кв.п — объемный расход нефтяных и водяных паров, м3/с; Fc0 — сво­

бодное сечение колонны, м2; /т — площадь живого сечения тарелки, м2.

Для расчета диаметра колонны очень важно правильно определить допусти­ мую весовую или линейную скорость паров. При этом установление оптнмаль-

58