Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет ректификационных колонн установок перегонки нефти. Учебное пособие.pdf
11
имущества и недостатки. Обычно при выделении легких фракций применяют холодное орошение, при выделении более тяжелых – циркуляционное. Кроме верхнего орошения, в основной атмосферной колонне применяют промежуточные циркуляционные орошения. Анализ
фактических показателей работы атмосферных колонн АВТ показывает, что промежуточных циркуляционных орошений должно быть в колонне одно или два. Третье организовывать, как правило, нецелесообразно, так как при этом дополнительно регенерируется небольшое количество тепла, но в вышерасположенных секциях снижаются флегмовое число и четкость разделения, а схема установки – усложняется.
Количество тепла, отводимого верхним и нижним промежуточным циркуляционным орошениями, должно определяться требованиями к качеству получаемых дистиллятов и регулироваться по температуре паров под тарелками, с которых выводятся эти дистилляты.
Промежуточное циркуляционное орошение организуется в сечении
колонны под тарелками вывода дистиллятов. Эти тарелки должны
быть оснащены сливными устройствами, обеспечивающими нормальный переток жидкости на лежащую ниже тарелку [1].
Для циркуляционного орошения часть флегмы забирается с тарелки, проходит теплообменник, охлаждается до заданной температуры, поступает на тарелку выше той, с которой флегма забиралась на
охлаждение.
Паровое орошение в основной атмосферной колонне и в отпарных колоннах создается при помощи острого водяного пара (1,23,5 % мас.) в атмосферной колонне и 0,5-1 % мас. – в отпарных колоннах), который понижает парциальное давление нефтяных паров. От
эффективности работы отпарных колонн в значительной степени зависит четкость разделения получаемых на установке продуктов.
В данных колоннах из отбираемых в К-2 боковых фракций отделяются попавшие в них нежелательные более легкие компоненты.
В отпарных секциях, работающих с вводом водяного пара, стекающая по тарелкам жидкость испаряется под действием своего тепла;
его количество, а, следовательно, и количество образующихся паров,
ограничено. Эффективность обычных тарелок в таких условиях низка
(15-20 %), поэтому необходимо применять специальные тарелки с повышенным сопротивлением сухой тарелки. Из-за недостатка тепла дизельная фракция из мазута отгоняется не полностью, и в смежном
продукте (вакуумном газойле) содержится 20-30 % мас. таких фракций.
12
Отбираемая из К-2 фракция направляется в верхнюю часть отпарной колонны, оборудованной 9-12 тарелками. Отбираемый поток,
стекая с тарелки на тарелку в низ стриппинга, встречается с потоком
паров, движущихся вверх. Чтобы поток
легкие фракции, в нижнюю часть стриппинга подают водяной пар с
температурой нагрева выше конца кипения этих фракций. Отпаренные
легкие фракции вместе с водяным паром направляются в пространство
между тарелкой отбора и вышележащей тарелкой в К-2.
Тарелки циркуляционного орошения уступают по своему действию обычным ректификационным тарелкам, так как на этих тарелках жидкость с нижней тарелки подаётся на верхнюю.
Действие тарелок отпарной секции сводится к достаточно полному удалению из остатка лишь самих летучих компонентов, общая
же величина загрязнения остатка дистиллятными компонентами мало
меняется.
Так, в мазуте светлых фракций обычно содержится 5-7 % мас.,
еще больший процент масляных фракций в гудроне, значительное количество примесей легкокипящих содержится в дизельном топливе.
Увеличение подачи водяного пара сокращает примеси низкокипящих
в остатках, однако рост расхода водяного пара прогрессивно опережает рост количества отпаренных компонентов. Поэтому обычно расход
водяного пара не превышает нескольких процентов от веса остатка.
Подача водяного пара существенно улучшает температуру
вспышки, температуру начала кипения и температуру 10 % выкипания. Все это зависит от наличия низкокипящих компонентов.
2.3 Колонна стабилизации бензина
Обычно в бензиновой фракции, получаемой на АВТ, содержатся растворенные газы. Поэтому ее подвергают физической стабилизации в ректификационной колонне, называемой стабилизатором. Качество стабильного бензина контролируют по содержанию в нём суммы
изобутана и н-бутана или по допустимому давлению насыщенных паров товарного бензина.
Кроме того, при стабилизации из бензина желательно удалять
сероводород – не менее 96-99 % его содержания. Это позволяет сократить расход реагентов при щелочной очистке бензина и выделить сероводород для дальнейшего использования.
пара отпарил нежелательные
13
Если бензиновая фракция направляется далее на переработку
(например, после ректификационного разделения на узкие фракции их
подвергают ароматизации на установках каталитического риформинга), то в процессе стабилизации изобутан и н-бутан могут быть удалены из бензина практически полностью.
Для стабилизации бензина и разделения его на узкие фракции
необходимо иметь несколько простых ректификационных колонн.
Число их должно быть на единицу меньше числа получаемых фракций. Как правило, стабилизацию проводят в одной колонне при давления 0,8-1,4 МПа, которое обеспечивает почти полную конденсацию
газов при использовании воздуха или воды в качестве хладагента.
2.4 Вакуумная перегонка мазута
Основное назначение вакуумной перегонки мазута:
1) получение широкой фракции 350-500°С – сырья для катали-
тического крекинга;
2) получение дистиллятов для производства масел и парафи-
нов.
Общим условием является максимальный отбор дистиллятов
при минимуме потерь их с остатком.
Состав мазута, поступающий на вакуумный блок из атмосферной колонны, регламентируется содержанием фракций, выкипающих
до 350°С. Традиционно считают, что содержание светлых должно составлять не более 5 % (мас.) т.к. их рост приводит к увеличению диаметра вакуумной колонны, затрудняет полную конденсацию паров
наверху колонны и увеличивает загрузку вакуумсоздающей системы.
Температура нагрева сырьевого потока (мазута) определяется
температурой его термического разложения, которое ведёт к образованию нескоденсируемых газов разложения. На их отгонку расходуется мощность вакуумсодержащей системы. При нагреве малосернистых
мазутов до 410-415°С и сернистых – до 400-410°С – выход этих газов
составляет 0,05-0,15 % мас. на мазут.
Доля испарения темных фракций (350-500°С) из мазута в сечении питания колонны во многом определяет эффективность работы
вакуумной колонны, т.к. необходимое количество тепла для разделения нефтяного парового потока на фракции в основном вносится в зону питания с сырьем. Вследствие ограничения температуры нагрева
мазута (не выше 390-410°С) доля испарения в зоне питания зависит от
14
остаточного давления (глубина вакуума) именно в зоне питания колонны.
Замена ректификационных тарелок насадками является наиболее эффективным способом снижения абсолютного давления в эвапорационном пространстве вакуумной колонны. Такая замена позволяет
снизить перепад давления между сечением питания и верхом вакуумной колонны с 100-150 (13,3-20 кПа) до 5-15 мм рт. ст. (0,7-2,6 кПа).
Это улучшает качество дистиллятов. При снижении общего давления в
колонне увеличивается относительная летучесть углеводородов и повышается четкость разделения компонентов. Снижение общего остаточного давления в вакуумной колонне отражается не только на четкости разделения, но и на перераспределении углеводородов масляных
фракций в процессе однократного испарения мазута, т.е. непосредственно на качестве масляных фракций [1,2].
Обычно перегонка мазутов осуществляется с вводом водяного
пара в низ отгонной части колонны в количестве 1-5 % на мазут.
Однако для отпарки углеводородных светлых фракций из мазута расход пара достаточен – 1,5 %. Но использование водяного пара
имеет и отрицательный эффект:
1) увеличение площади сечения колонны на 20-30 %;
2) разбавление потока углеводородных паров концентрацион-
ной части и увеличение сопротивления массопередачи (снижение КПД
тарелок);
3) увеличение выноса углеводородных фракций с верха колон-
ны;
4) увеличение нагрузки на вакуумную систему.
Известны различные способы создания вакуума в системе. Вакуум создается барометрическими конденсаторами и вакуумным насосами (поршневыми, ротационными, эжекторными или струйными),
которые можно включать в различной последовательности.
При использовании барометрического конденсатора – эжектора [3] – основная масса паров, отходящих с верха вакуумной колонны,
конденсируется в данном конденсаторе, а оставшаяся часть затем отсасывается вакуумным насосом (обычно – паровым эжектором). Остаточное давление в барометрическом конденсаторе зависит от температуры охлаждающей воды, но оно не может быть ниже давления насыщенного водяного пара при данной температуре. Поэтому вакуум определяется температурой воды, выходящей из конденсатора.
15
Вода из барометрического конденсатора смешения загрязнена
нефтепродуктами и сернистыми соединениями (иногда до 5,5 % мазута). Поэтому используют оборотную воду, но при этом повышается
температура воды, подаваемой в барометрический конденсатор.
Проще и экономически целесообразнее заменить барометрический конденсатор смешения трубчатыми теплообменниками – поверхностными конденсаторами, хотя по техническим показателям они существенно уступают конденсаторам смешения (неглубокий вакуум).
Кроме того, необходимо улавливать и использовать H
S из парогазо-
2
вой смеси, выбрасываемой после последней ступени сепарации [3].
При использовании схемы эжектор–барометрический конденсатор пары из верхней части вакуумной колонны подаются непосредственно в эжектор, и глубина вакуума не зависит от температуры воды, выходящей из барометрического конденсатора. В результате создается глубокий вакуум (остаточное давление 5-10 мм рт. ст., или 0,671,33 кПа), и глубина вакуума определяется противодавлением на выходе из эжектора. Поэтому для создания глубокого вакуума соединяют
последовательно несколько эжекторов. Такая система обходится дороже первой, т.к. эжектор отсасывает все пары, уходящие из колонны, и
в барометрическом конденсаторе необходимо конденсировать большее количество паров.
На ряде заводов в качестве хладагента в барометрические конденсаторы стали подавать дизельное топливо. При замене воды нефтепродуктом кроме конденсации происходит абсорбция углеводородов.
При его применении происходит более полное поглощение углеводородов из газов, покидающих конденсационно-вакуумную систему
(КВС). Содержание сернистых соединений в газах, покидающих вакуумную систему, существенно уменьшается – в 3,5-4 раза, температура
абсорбента – 30°С, кратность – 4,3-8,6.
Подача дизельной фракции в барометрический конденсатор
позволила отказаться от подачи водяного пара в низ вакуумной колонны во избежание обводнения дизельной фракции.
Новые системы создания вакуума основаны на циркуляции
жидких нефтяных фракций (дизельная, газойлевая) через специальные
эжекторные системы [3, 4].
Достигаемая глубина вакуума позволила прекратить подачу
пара в низ колонны (сухая перегонка). Циркулирующее дизельное топливо или газойль постоянно обновляется. Часть выводится на гидроочистку.
16
2.5 Тарелки, применяемые при перегонке нефти и нефтепродуктов
Перегонка с ректификацией – наиболее распространенный в химической и нефтегазовой технологии массообменный процесс, осуществляемый в аппаратах – ректификационных колоннах – путем многократного противоточного контактирования паров и жидкости.
Контактирование потоков пара и жидкости может производится
либо непрерывно (в насадочных колоннах) или ступенчато (в тарельчатых ректификационных колоннах). При взаимодействии встреч-ных
потоков пара и жидкости на каждой ступени контактирования (тарелке
или слое насадки) между ними происходит тепло- и массообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами:
пар несколько обогащается низкокипящими, а жидкость – высококипящими компонентами. При достаточно длительном контакте и высокой
эффективности контактного устройства пар и жидкость, уходящие из
тарелки или слоя насадки, могут достичь состояния равновесия, то есть
температуры потоков станут одинаковыми, и при этом их составы будут
связаны уравнениями равновесия. Такой контакт жидкости и пара, завершающийся достижением фазового равновесия, при-нято называть
равновесной ступенью, или теоретической тарелкой. Подбирая число
контактных ступеней и параметры процесса (температурный режим,
давление, соотношение потоков, флегмовое число и другие), можно
обеспечить любую требуемую четкость фракционирования нефтяных
смесей.
По способу организации контакта парогазовой и жидкой фаз колонны подразделяются следующим образом:
- тарельчатые;
- насадочные;
- роторные.
Наибольшее распространение получили тарельчатые ректификационные колонны.
В тарельчатых аппаратах контакт между фазами происходит при
прохождение пара (газа) сквозь слой жидкости, находящейся на контактном устройстве (тарелке). При этом пар дробится на мелкие пузыри
и струи, которые с большой скоростью движутся в жидкости. Образуется газожидкостная система, которую называют пеной. В зависимости от
характера диспергирования пара и жидкости различают следующие основные способы контактирования пара и жидкости на тарелках:
17
а) барботажный, когда пар диспергируется в жидкости: на полотне тарелки образуется слой пены, в которой осуществляется массообмен между фазами;
б) струйный, возникающий при больших скоростях пара, когда
жидкость становится дисперсной фазой, а пар – сплошной; контакт
между фазами осуществляется на поверхность капель и струй жидкости, движущихся в потоке пара в межтарельчатом пространстве с
большой скоростью.
В зависимости о величины нагрузок по пару и жидкости в пределах каждого из двух упомянутых способов их взаимодействия и различают следующие режимы:
- неравномерный, когда только часть жидкости на полотне та-
релки пронизывается паром;
- равномерный, когда на всей площади тарелки происходит ин-
тенсивный барботаж;
- факельный, когда струи пара прорываются сквозь слой жид-
кости и выходят на её поверхность;
- унос, когда значительная часть жидкости захватывается пото-
ком пара и перебрасывается на вышележащую тарелку.
Организация интенсивного взаимодействия между фазами на
тарельчатых устройствах позволяет создать аппараты большой единичной мощности при относительно небольших габаритах и массе.
В настоящее время в промышленной практике известны сотни
различных конструкций тарелок, которые можно классифицировать:
- по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку;
- по способу взаимодействия жидкой и паровой (газовой) фаз;
- по характеру взаимодействия диспергирующих фаз;
- по конструкции устройства для ввода пара (газа) в жидкость
и т.д..
По способу передачи жидкости различают тарелки со специальными переточными устройствами и тарелки провальные.
У тарелок со специальными переточными устройствами жидкость перетекает с тарелки на тарелку отдельно от потока пара через
специальные каналы. В зависимости от нагрузки по жидкости и технологического назначения колонны переток жидкости может осуществляться одним, двумя или более потоками. При применении тарелок с
большим числом потоков следует учитывать, что при этом уменьшается длина пути жидкости на тарелке и, как следствие, снижается эффективность массопередачи.
18
В пределах полотна тарелки течение жидкой фазы можно на-
а
б
в
г
править по горизонтальной поверхности или по слегка наклонной в
сторону слива как в одном уровне, так и в каскадном. При низких
значениях нагрузки по жидкости обычно используют переливные трубы или специальные конструкции переливов с кольцевым движением
жидкости на тарелке. В последнем случае корпус аппарата и полотно
тарелки разделяется вертикальной перегородкой на две части, что позволяет вдвое уменьшить длину сливной перегородки и увеличить нагрузку по жидкости на единицу длины сливной перегородки.
У тарелок провального типа пар и жидкость проходят через
одни и те же отверстия (каналы), при этом места стока жидкости и
прохода паров перемещаются по площади тарелки случайным образом.
Классификация тарельчатых контактных устройств по способу
организации относительного движения потоков контактирующих фаз,
показана на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Классификация тарельчатых контактных устройств:
а – противоточные; б – прямоточные; в – перекрестноточные;
г – перекрестно-прямоточные
Противоточные тарелки характеризуются высокой произво-
дительностью по жидкости, простотой конструкции и малой металлоемкостью. Основной их недостаток – низкая эффективность и узкий
диапазон устойчивой работы, неравномерное распределение потоков
по сечению колонны, что существенно ограничивает их применение.
Прямоточные тарелки отличаются повышенной производи-
тельностью, но умеренной эффективностью разделения, повышенным
гидравлическим сопротивлением и трудоемкостью изготовления,
предпочтительны для применения в процессах разделения под давлением.
Перекрестноточные тарелки характеризуются в целом (за
исключением ситчатых) наибольшей разделительной способностью,
поскольку время пребывания жидкости на них наибольшее по сравнению с другими типами тарелок.
19
Перекрестно-прямоточные тарелки отличаются от перекрестноточных тем, что в них энергия газа (пара) используется для организации направленного движения жидкости по тарелке, тем самым
устраняется поперечная неравномерность и обратное перемешивание
жидкости на тарелке, и в результате повышается производительность
колонны. Однако эффективность контакта в них несколько меньше,
чем в перекрестноточных тарелках.
В настоящее время на установках перегонки нефти применяют
различные клапанные тарелки в блоках атмосферной перегонки и насадочные – при вакуумной перегонке мазута.
Клапанные тарелки. Принцип их действия состоит в том, что
свободно лежащий над отверстием в тарелке клапан различной формы
автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном
и плоскостью тарелки в зависимости от газопаровой нагрузки и тем
самым поддерживает постоянной (в пределах высоты подъема) скорость газа и, следовательно, гидравлическое сопротивление тарелки в
целом. Высота подъема клапана ограничивается высотой ограничителя
(длиной ножки клапана).
Отличительной особенностью клапанных тарелок является
увеличение их свободного сечения по мере увеличения скорости газа.
Благодаря этому скорость газа при его входе в слой жидкости остается
примерно постоянной вплоть до полного открытия клапана. Перекрытие отверстий тарелки саморегулирующимися клапанами позволяет
расширить интервал рабочих нагрузок.
При сборке клапанных тарелок в зависимости от диаметра аппарата на полотне одной тарелки устанавливают от нескольких десятков до нескольких тысяч клапанов. В связи с этим для аппаратов
больших диаметров необходимо упрощение сборки клапанных тарелок. Тарелки работают в перекрестноточном режиме с большим временем контакта фаз, значительным захватом жидкости на тарелке и
лучшей организацией барботажа.
Клапанные прямоточные тарелки (рис. 2.2). Применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками не
менее 450 мм. Размеры тарелок регламентированы ОСТ 26-02-1401-76
и ОСТ 26-02-1402-76. По сравнению с S-образным тарелками они по-
зволяют повысить производительность колонн примерно на 20-25 %.
Диапазон нагрузок – более 4. В области саморегулируемой работы
клапанов тарелки обладают относительно небольшим сопротивлением. Металлоемкость составляет 55-80 кг/м
2
.
20
3
5
1 2 4
Рис. 2.2. Клапанная прямоточная тарелка:
1 – клапан прямоточный; 2 – полотно тарелки; 3 – длинная
ограничительная ножка; 4 – короткая ограничительная ножка;
5 – выступ, обеспечивающий начальный зазор под клапаном
Жалюзийно-клапанные тарелки. Тарелки применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками,
составляющим не менее 450 мм. Рабочие характеристики практически
аналогичны характеристикам клапанных прямоточных тарелок.
Тарелки с дисковыми клапанами. В отверстиях полотна 1 та-
релки установлены дисковые клапаны 2, которые центрируют тремя,
расположенными под углом 120°, направляющими, имеющими нижние ограничители подъема 3. Начальный зазор между кромкой диска
клапана и полотном тарелки получают при помощи ограничителей.
Для уменьшения гидравлического сопротивления в центре клапана
выполнено коническое углубление, направленное навстречу потоку
пара, что обеспечивает плавное обтекание паровым потоком диска
клапана [4]:
Рис. 2.3. Элемент тарелки с дисковым клапаном:
1 – диск тарелки; 2 – клапан; 3 – ограничитель