Основы нефтегазопромыслового дела. Учебное пособие

Процесс центрифугирования Процесс центрифугирования применяется в нефтегазопереработ-

ке для разделения неоднородных систем, а именно суспензий и эмульсий. Происходит это под воздействием центробежной силы.

Применение процесса центрифугирования значительно увеличивает интенсификацию процесса разделения неоднородных систем, так как значение силы тяжести на порядок ниже значения центробежной си-

лы, за счёт возможности её регулирования в процессе. Для использо-

вания центробежной силы используются два вида аппаратов. Первый вид – это центрифуги (оборудованы вращающимся сосудом, ротором или барабаном), второй – циклоны (с вращающимся в них потоком газа) и гидроциклоны (с вращающимся потоком жидкости).

Центрифуги, в свою очередь, делятся на отстойные и фильтрую-

щие. Отстойные центрифуги имеют сплошные стенки. В процессе ра-

боты, под действием центробежной силы, происходит разделение не-

однородных систем и наиболее тяжёлые частицы отбрасываются к стенкам сосуда. Через определённый период времени на стенках накапливается осадок, который впоследствии удаляется.

Фильтрующие центрифуги оборудованы перфорированными стенками, содержащими фильтровальную ткань, которая задерживает осадок и пропускает фильтрат.

Стоит отметить также технологические процессы, которые пред-

полагают использование слоя зернистого материала. В химической технологии они получили довольно широкое распространение. Через слой зернистого материала (адсорбенты, катализаторы, теплоносите-

ли и т.п.) движется поток газа, пара, капельной жидкости. Слой мате-

51

риала может быть либо монодисперсным(состоящим из частиц оди-

накового размера), либо полидисперсным (состоящим из частиц раз-

ных размеров). Состояние зернистого слоя может быть трех видов:

плотный, взвешенный (псевдоожиженный, «кипящий») и «режим транспорта частиц». Плотный слой содержит частицы, которые нахо-

дятся в тесном соприкосновении между собой и не изменяются при изменении скорости потока газа, проходящего через слой. Взвешен-

ный слой содержит частицы, которые находятся в движении, и объём слоя может меняться при изменении скорости газа, проходящего че-

рез слой. Режим транспорта частиц происходит при высоких скоро-

стях потока в направлении движения частиц.

Механические процессы

Используются для обработки твёрдых материалов. Предполагают процессы измельчения, рассева, транспортирования, дозирования,

смешивания [8]. Движущей силой в механических процессах высту-

пает разность сил, давлений, а также градиент напряжения. Законы механики твёрдых тел определяют скорость процессов.

Механическое измельчение твёрдых материалов довольно часто используют в нефтехимии. Дробление частиц осуществляют сухим и мокрым способами с последующей классификацией частиц. Чаще всего измельчение твёрдых материалов применяют при производстве катализаторов, адсорбентов и т.п.

Главной характеристикой процесса является степень измельчения материала. В зависимости от размера и свойств материала применяют различные способы измельчения, основные – это раскалывание, удар,

раздавливание, истирание. Осуществляют применение этих способов

52

с помощью специальных машин(крупного дробления, среднего и мелкого дробления и тонкого измельчения).

Тепловые процессы

Чтобы передать тепло от одного тела другому в нефтеперераба-

тывающей промышленности используют тепловые процессы. К ним относятся: нагревание, охлаждение, плавление, конденсация и др.

Разность или градиент температур является движущей силой тепло-

вых процессов. Скорость определяется законами теплопередачи.

Для реализации тепловых процессов используют различные ап-

параты (трубчатые печи, теплообменные аппараты).

Трубчатые печи являются достаточно широко распространённым аппаратом в нефтепереработке, предназначаются для передачи тепла нагреваемому продукту, используются во многих технологических процессах. С помощью трубчатых печей осуществляют очистку ма-

сел, перегонку нефти, гидроочистку и т.п.

Свою популярность в использовании тепловых процессов печи получили благодаря тому, что имеют ряд особенностей:

–они обладают высокой тепловой эффективностью;

–принцип однократного испарения помогает обеспечивать более глубокий отгон при данной конечной температуре нагрева сырья и заданный отгон при более низкой температуре нагрева;

–КПД трубчатых печей высок, они обеспечивают довольно вы-

сокую тепловую мощность;

–являются компактными аппаратами, в связи с этим удобны в эксплуатации;

–полностью автоматизированы;

53

– в трубчатых печах может находиться довольно небольшое ко-

личество нефтепродуктов, что обеспечивает снижение пожарной опасности.

Тепловые печи подразделяются на: конвективные; радиационные

и радиационно-конвективные.

Конвективные печи в настоящее время практически не применя-

шими капитальными затратами на единицу переданного тепла.

Радиационно-конвективные печи состоят из двух секций(радиа-

ционной и конвективной). Они обладают высокой эффективностью теплопередачи.

Выбор типа печи зависит от свойств углеводородов, условий экс-

плуатации и т.п.

Теплообменные аппараты обладают высокой эффективностью, с

их помощью на предприятиях нефтегазопереработки происходят процессы нагрева и охлаждения сырья. Нефтеперерабатывающие за-

воды тратят около 30 % общего расхода металла на все установки, так как высокий уровень их работы позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, а также оказывает существенное влияние на техни-

ко-экономические показатели предприятия.

Теплообменные аппараты, которые применяются в нефтеперера-

батывающей промышленности, можно классифицировать по способу передачи тепла и назначению.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты подразде-

ляются на следующие группы:

54

– аппараты смешения (передача тепла между теплообмениваю-

щимися средами осуществляются путём их соприкосновения);

– поверхностные теплообменные аппараты (передача тепла меж-

ду теплообменивающимися средами осуществляется через поверх-

ность, разделяющую эти среды);

– теплообменники (теплообмен происходит с учётом нагрева од-

ного потока за счёт другого, получаемого в процессе и подлежащего охлаждению, аппараты этого типа предназначены для нагрева нефти на нефтеперерабатывающей установке);

– испарители, нагреватели, кипятильники (группа аппаратов,

нагрев в которых происходит за счёт использования высокотемпера-

турных потоков нефтепродуктов и других теплоносителей);

– холодильники и конденсаторы (с помощью специального охла-

ждающего агента охлаждают жидкие потоки, пары продукции);

– кристаллизаторы (предусмотрены для охлаждения жидких по-

токов, с выделением кристаллов вещества, охлаждающим агентом в данном процессе выступает вода и специальные хладагенты);

– кожухотрубчатые аппараты (аппараты с неподвижными труб-

ными решетками, имеющие цилиндрический кожух, применяются при разнице температур теплообменивающихся сред, которые прохо-

дят через трубы и межтрубное пространство не более пятидесяти гра-

дусов и при небольшой длине аппарата);

– теплообменные аппараты с температурным компенсатором

(снабжены специальными устройствами, которые компенсируют раз-

личие в удлинении кожуха и труб, которое возникает из-за различия их температурного режима);

55

– теплообменные аппараты с плавающей головкой(поверхност-

ные аппараты, в которых температурные напряжения возникают лишь при существенном различии температур трубок);

– спиральные аппараты (компактные, легкие аппараты, с невысо-

ким гидравлическим сопротивлением, состоящие из двух листов,

свернутых в спираль);

– погружные аппараты (используются в качестве холодильников или конденсаторов, конструкция аппаратов предполагает наличие ём-

кости, в которую погружены теплообменные трубы);

– оросительные аппараты (также используют в качестве холо-

дильников или конденсаторов, отличаются достаточной громоздко-

стью, высокой коррозийностью);

– аппараты воздушного охлаждения (используются в качестве холодильников или конденсаторов, охлаждающим агентом здесь вы-

ступает поток атмосферного воздуха, нагнетаемый специально уста-

новленными вентиляторами) и т.п.

Описывая классификацию теплообменного оборудования, часто обращаемся к следующим терминам: нагревающие и охлаждающие агенты. Для чего же они служат? Нефтеперерабатывающие заводы в качестве основного источника тепла используют сгорание топлива.

Топливо либо сжигают в аппарате, либо тепло сжигаемого топлива используют для нагрева теплоносителя. Самым распространённым теплоносителем является водяной пар. Преимуществом водяного па-

ра является его высокий коэффициент теплоотдачи, а недостатком – низкая температура при высоком давлении. Поэтому для снижения давления в теплообменной аппаратуре используют конденсирующий-

56

ся теплоноситель с более высокой температурой кипения. Самый распространённый охлаждающий агент – вода, которая используется для охлаждения температуры до30–35 °С. Широкого применения в качестве охлаждающего агента вода достигла вследствие её доступ-

ности и высокого коэффициента теплоотдачи. Но есть и обратная сторона широкого применения воды в качестве охлаждающего агента на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности. Во-

первых, во многих районах наблюдается лимитирующий фактор ис-

пользования воды, во-вторых, использование воды в промышленных масштабах часто связано с загрязнением водоемов и окружающей среды. В связи с этим, в качестве охлаждающего агента используют воздух. Использование воздуха с помощью мощных вентиляторов,

которые нагнетают его в мощные аппараты, является достаточно вы-

годным техническим решением, так как воздух не приводит к загряз-

нению поверхности и доступен во всех отношениях. Но надо отме-

тить и недостатки использования воздуха в качестве охлаждающего агента, а именно его низкий коэффициент теплоотдачи по сравнению с водой, низкая теплоёмкость, существенные колебания начальной температуры, которое обусловлено временем года, а также географи-

ческим расположением предприятия. В нефтепереработке для охла-

ждения до низких температур также используют хладагенты(испа-

ряющийся аммиак, пропан, этан и др.).

Химические процессы

С помощью химических процессов обрабатывают материалы с целью получения новых соединений. Движущая сила химических процессов – разность концентрации реагирующих веществ. К хими-

57

ческим процессам можно отнести гидроочистку, каталитический кре-

кинг, пиролиз и др. Законы химической кинетики определяют ско-

рость процесса.

Химические процессы отличаются от массообменных тем, что исходные вещества не переходят из одной фазы в другую, а карди-

нально меняют свои свойства, что приводит к появлению в системе совершенно новых веществ. В связи с этим, в нефтеперерабатываю-

щей промышленности эти процессы предназначены для получения ряда новых нефтепродуктов, а также для повышения их качества.

Например, с помощью химических процессов удаётся получить сырьё для нефтехимического производства (этилен, пропилен, бутадиен и

др.) и ароматические углеводороды(ксилол, бензол, этилбензол и

т.п.). В дальнейшем это сырьё служит для производства моющих средств, пластмасс, синтетических волокон и т.п. Также с помощью процессов переработки получают различные смазочные масла, кото-

рые по качеству превышают нефтяные. Рассмотрим подробнее ос-

новные химические процессы, используемые в нефтепереработке:

– гидроочистка (химический процесс, используемый для завер-

шающей очистки масел и парафинов);

– коксование нефтяных остатков и высококипящих дистиллято-

ров (процесс широко применяется в алюминиевой промышленности,

служит для получения малозольного электродного кокса);

– каталитический риформинг (с помощью этого процесса, полу-

чают ароматические углеводороды, газ, который используют для

58

– каталитический крекинг (с помощью этого химического про-

цесса получают компоненты высокооктановых бензинов и газа с вы-

сокой концентрацией);

– гидрокрекинг (применяют с целью получения сырья для произ-

водства высокоиндексных масел и светлой продукции);

– пиролиз (применяется для производства непредельных углево-

дородов (этилена, пропилена и т.д.));

–дегидрирование (предназначен для получения непредельных УВ из предельных, например, изопрена из изоамилена, пропилена из пропана и т.д.);

–алкилирование изопарафиновых углеводородов (с помощью этого процесса получают высооктановые компоненты бензина);

–полимеризация (применяется с целью получения высокомоле-

кулярного вещества полимера, с помощью этого процесса получают каучук, пластмассы, масла и др. продукты);

– алкилирование бензола (используется для производства синте-

тического каучука и др. химических продуктов).

Для проведения химических процессов используют специальные аппараты, которые называют реакционными устройствами или реак-

торами. Они классифицируются по различным признакам:

–по характеру действия – периодические и непрерывные;

–по направлению потоков реагентов и катализаторов– прямо-

точные, противоточные, ступенчато-противоточные;

– по гидродинамическим особенностям – частичного смешения,

идеального смешения;

– по термодинамическим признакам – изотермические, политро-

пические, адиабатические реакторы;

59

– по назначению – коксовые камеры, печи пиролиза, реакторы риформинга и т.п.

Каждый аппарат имеет свои особенности в зависимости от своего предназначения и протекающих в нем реакций.

Выбор аппаратов предполагает учёт многих факторов, таких как

термодинамические условия процесса, необходимость использования катализатора, обеспечения определённого температурного режима, с

использованием методов теплообмена, свойства тепловых агентов, а

также либо непрерывность, либо периодичность процесса. Учитывая

1. Пустотелый цилиндрический аппарат (простейший тип реакто-

ра, в котором реакция будет протекать в адиабатических условиях без использования катализатора либо с небольшим его количеством).

Данный вид аппаратов используют для химических процессов, кото-

рые протекают при малом тепловом эффекте, небольшой глубине превращения, в связи с чем температура колеблется в небольших пределах и скорость основной реакции изменяется не сильно, вслед-

ствие чего риск побочных нежелательных реакций сведен до мини-

мума. Примером такого реактора является аппарат для жидкофазной гидрогенерации. Сырьём для такого процесса является угольная паста или нефтяные остатки.

2. Адиабатические реакторы для каталитических процессов(ци-

линдрические аппараты, заполненные слоем гранулированного ката-

лизатора). Данные виды аппаратов предназначаются для химических процессов с использованием катализаторов, которые работают до-

60