Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Совершенствование работы установок подготовки нефти
.pdf
полнительные продукты отбирают из специальных отпарных колонн,
именуемых стриппингами [10].
В этих колоннах происходит отпарка легких фракций водяным
паром, так получают дистилляты, отвечающие требованиям ГОСТа по
температурам вспышки, начала кипения, вязкости и другим свойствам
[3].
Отпарные колонны конструктивно выполняются в одном корпусе, но отделены друг от друга глухой перегородкой [9].
Итак, для осуществления ректификации в колонне необходимо
создать восходящий поток паров и нисходящий поток жидкости, а
также надлежащий температурный режим. Первый поток образуется
за счет тепла, вводимого в нижнюю (отгонную) часть колонны в результате испарения исходного сырья, а также введением острого водяного пара, второй – вводом холодного орошения, подаваемого в
верхнюю (концентрационную) часть колонны [4]. Место же ввода в
ректификационную колонну нагретого сырья называют питательной
зоной, где осуществляется однократное испарение [10].
Необходимо также, чтобы жидкость, стекающая с вышележащей
тарелки, не находилась в равновесии с восходящим потоком паров,
поднимающихся с нижележащей тарелки. Только в этом случае в результате контакта таких паров и жидкости пары частично охладятся,
сконденсируются и обогатятся низкокипящим компонентом, а жидкость частично нагреется, часть ее испарится, и она насытится высококипящим компонентом [4].
Ректификационную тарелку, на которой устанавливается равновесие между жидкой (стекающей с данной тарелки) и паровой (поднимающейся с тарелки) фазами, именуют теоретической, или идеальной; состав уходящих фаз в точности соответствует условиям равновесия для данной температуры (фазы принимают какую-то общую
среднюю температуру) при данном давлении. В колоннах с реальными тарелками достичь равновесного состояния между фазами на каждой тарелке невозможно [3]. Происходит это потому, что при прохождении через тарелку паров продолжительность их соприкосновения с
жидкостью недостаточна для установления равновесия. Температура
паров при выходе из жидкости остается более высокой, нежели температура жидкости. Пары поэтому богаче вышекипящим компонен-
11
том, а жидкость – нижекипящим по сравнению с тем, что должно быть
при полном равновесии. Число, показывающее во сколько раз практическая тарелка работает хуже теоретической, называется коэффици-
ентом полезного действия тарелки (КПД); его величина обычно равна 0,6–0,8. Это значит, что для получения нужной степени фракционировки надо ставить в 1,5–2 раза больше реальных тарелок, чем требовалось теоретических.
В насадочной колонне состав фаз меняется непрерывно по высоте колонны, а не ступенчато – от тарелки к тарелке. Здесь под теоретической тарелкой подразумевают такую высоту слоя насадки, которая дает степень ректификации, одинаковую с теоретической колпачковой тарелкой [2].
Конструкция аппаратов, предназначенных для ректификации,
зависит от способа организации процесса в целом и способа контакта
фаз. Наиболее простая конструкция ректификационных аппаратов при
движении жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести.
При ступенчатом осуществлении процесса ректификации контакт пара и жидкости может происходить в противотоке, в перекрестном токе и в прямотоке [9].
На большей части действующих установок ректификация протекает нечетко. Получаемые компоненты светлых дистиллятов не соответствуют требуемому фракционному составу, наблюдается налегание
фракций, часть наиболее тяжелых фракций светлых нефтепродуктов –
дизельного топлива – проваливается в низ колонны, в мазут, гудрон.
Поэтому, чтобы снизить данные проблемы, необходимо рационально выбирать схему отдельных узлов, правильно использовать
энергетические потоки, разрабатывать наиболее эффективные контактные устройства [9].
1.6. Перегонка нефти в присутствии испаряющего агента
Одним из методов повышения концентрации высококипящих
компонентов в остатке от перегонки нефти является ввод в нижнюю
часть ректификационной колонны испаряющего агента. В качестве
него обычно используют водяной пар, но можно применять пары бен-
12
зина, керосина, дизельной фракции [3].
При вводе водяного пара создаются условия, при которых жидкость оказывается как бы перегретой, что вызывает ее испарение. Теплота, необходимая для отпаривания легких углеводородов, отнимается от самой жидкости, в связи с чем она охлаждается [10]. Получается, что в присутствии испаряющего агента в ректификационной колонне снижается парциальное давление углеводородов, а следовательно, их температура кипения. В результате наиболее низкокипящие
углеводороды переходят в парообразное состояние и вместе с водяным паром поднимаются вверх по колонне. Водяной пар проходит
всю ректификационную колонну и уходит с верхним продуктом, понижая температуру в ней на 10–20 оС [3].
Кроме того, ректификация происходит под влиянием изменения,
точнее возрастания снизу вверх давления углеводородных паров. Такое возрастание давления обусловливается вводом водяного пара,
парциальное давление которого падает на пути движения снизу вверх,
и этим он дает избыток давления внизу, который позволяет перемещать общую массу паров снизу вверх через встречающиеся на пути
сопротивления [12].
Расход водяного пара зависит от количества отпариваемых компонентов, их природы и условий в низу колонны. Для хорошей ректификации жидкой фазы внизу колонны необходимо, чтобы примерно
25 % ее переходило в парообразное состояние [3]. Наибольший эффект испаряющего влияния проявляется при его расходе при атмосферном давлении 1,2–3,5, а в вакуумной колонне – 5–8 % масс. на
перегоняемое сырье [10].
Итак, водяной пар уменьшает парциальное давление паров углеводородов, облегчает их испарение и понижает в колонне температуру, но, кроме того, он создает необходимые для ректификации условия (градиент давлений углеводородных паров) и выполняет роль двигателя [12].
Необходимо указать на следующие недостатки применения водяного пара в качестве испаряющего агента:
• увеличение затрат энергии (тепла и холода) на перегонку и
конденсацию;
• повышение нагрузки колонн по парам, что приводит к увели-
13
чению диаметра колонны;
• увеличение сопротивления и повышение давления в колонне
и других аппаратах;
• обводнение нефтепродуктов и необходимость их последую-
щей сушки;
• усиление коррозии аппаратуры в присутствии сероводорода
и хлористого водорода и образование больших количеств сточных вод
[10];
• тепло его конденсации не используется [13].
В этой связи в последние годы в мировой нефтепереработке
проявляется тенденция к существенному ограничению применения
водяного пара и к переводу установок на технологию сухой перегонки
[10] или в качестве испаряющего агента использовать легкие нефтяные фракции. Однако чем ниже температура кипения испаряющего
агента и больше его относительное количество, тем ниже температура
перегонки; но чем он легче, тем больше он теряется в процессе перегонки, поэтому в качестве испаряющего агента рекомендуют применять керосино-газойлевую фракцию [3].
Возможные варианты замены использования водяного пара будут рассмотрены в разделе 2.4.
1.7. Виды орошений ректификационных колонн
Нормальная работа ректификационных колонн и требуемое качество продуктов перегонки обеспечиваются путем регулирования
теплового режима – отводом тепла в концентрационной и подводом
тепла в отгонной секциях колонн, а также нагревом сырья до оптимальной температуры.
В промышленных процессах перегонки нефти применяют следующие способы регулирования температурного режима по высоте
колонны (рисунок 1.1):
а) использование парциального конденсатора;
б) организация испаряющегося (холодного) орошения;
в) организация неиспаряющегося (циркуляционного) орошения.
14
Рис. 1.1. Способы создания орошений в ректификационной
колонне:
а – отвод тепла парциальным конденсатором; б – отвод тепла холодным (острым) орошением; в, г – отвод тепла неиспаряющимся циркуляционным орошением; 1 – ректификационная колонна; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – емкость; 4 – отпарная колонна.
Парциальный конденсатор (горячее орошение) представляет собой кожухотрубчатый теплообменный аппарат (рис. 1.1а), установленный сверху колонны. Охлаждающим агентом служит вода. Поступающие в межтрубное пространство пары частично конденсируются и
возвращаются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары отводятся
из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания, а также и
значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограниченное применение (в малотоннажных установках).
Холодное (острое) орошение (рис. 1.1б). Этот способ отвода тепла вверху колонны получил наибольшее распространение в практике
нефтепереработки. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе-холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, откуда часть ректифи-
15
ката насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводиться как целевой продукт.
Циркуляционное неиспаряющееся орошение (рис. 1.1в). Этот вариант отвода тепла используется широко не только для регулирования
температуры наверху, но и в средних сечениях сложных колонн. Для
создания циркуляционного орошения с некоторой тарелки колонны
выводят часть флегмы (или бокового дистиллята), охлаждают в теплообменнике, в котором она отдает тепло исходному сырью, после
чего насосом возвращают на вышележащую тарелку [10].
Циркуляционное орошение часто сочетают с острым орошением. Так, сложная колонна атмосферной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и по высоте несколько промежуточных
циркуляционных орошений. Последние располагаются обычно под
отбором бокового погона (отбирают на 3 – 4 тарелки ниже, чем вывод
фракции в отпарную секцию) или используют отбор бокового погона
для создания циркуляционного орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции (рис. 1.1г). В
концентрационной секции сложных колонн вакуумной перегонки мазута отвод тепла осуществляется посредством циркуляционного орошения.
Использование только одного острого орошения в колоннах неэкономично, так как тепло верхнего погона малопригодно для регенерации тепла. Кроме того, не обеспечивается оптимальное распределение флегмового числа по высоте колонны (флегмовое число (R) характеризует соотношение жидкого и парового потоков в концентрационной части колонны: R=L/D, где L и D – количества флегмы и ректификата [10]); как правило, оно значительное на верхних и низкое на
нижних тарелках колонны. Соответственно сверху вниз уменьшаются
значения КПД тарелок, а также коэффициент относительной летучести (коэффициент относительной летучести (ά) – отношение летучестей компонентов при одинаковых температуре и давлении; ά =
К
, где К1 и К2 – константы фазового равновесия соответственно
1/К2
низко- и высококипящего компонентов) и, следовательно, ухудшается
разделительная способность нижних тарелок концентрационной секции колонны. При использовании циркуляционного орошения рацио-
16
нально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева
нефти, выравнивается нагрузка по высоте колонны и тем самым увеличивается производительность колонны и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной
секции [10]. Количество тепла, отводимого каждым циркуляционным
орошением, определяется требованиями к качеству получаемых дистиллятов и регулируется по температуре паров под тарелкой отбора
этих дистиллятов [5].
Для создания восходящего потока паров, а также максимального
извлечения из жидкого остатка более легких фракций в нижнюю часть
колонны подают тепло. Делается это путем ввода, в основном, острого
пара или при помощи трубчатой печи [4]. Суть последнего заключалась в том, что часть кубового продукта прокачивалась через печь, и
подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступала в
низ колонны. Этот способ использовался в колоннах отбензинивания
нефти (К-1) [10]. Сейчас же от нее отказались по следующим причинам:
• чтобы увеличить температуру низа колонны К-1 на 30–40 оС
требуется большое количество циркуляционного орошения нефти;
• усложняется схема установки, так как под такой поток жела-
тельно иметь отдельные змеевики в печах, иначе создается повышенное давление в змеевиках печей, увеличивается расход энергозатрат;
• перегружаются тарелки отгонной части колонны по жидкос-
ти, что уменьшает эффективность их работы;
• разложение сераорганики [13];
• в «горячей струе» отбензиненной нефти меньше легких
фракций, которые являются отпаривающим агентом [14].
1.8. Выбор давления и температурного режима в колонне
При принятых значениях флегмового числа, числа и типа тарелок на экономические показатели процессов перегонки наибольшее
влияние оказывают давление и температурный режим в колонне. Оба
параметра тесно взаимосвязаны [10]. Обычно давление поддерживается ниже или выше атмосферного, если необходимо соответственно
понизить или повысить температуры отбираемых из колонны продук-
17
тов.
Так, перегонку мазута осуществляют в колоннах при глубоком
вакууме (остаточном давлении от 10–15 до 50–70 мм рт. ст.), что позволяет проводить ректификацию при сравнительно невысоких температурах и избежать значительного термического разложения продуктов, которое было бы при атмосферном давлении и температурах
выше 500 оС.
С другой стороны, повышение давления позволяет осуществлять ректификацию низкомолекулярных углеводородов (пропана, бутана). Необходимо иметь в виду, что повышение давления в колонне
позволяет повысить удельную производительность колонны по
парам [3]. А некоторое повышение давления против расчетного в
верхней части колонны необходимо для преодоления потерь напора
при движении пара через трубопроводы и аппараты, расположенные
после ректификационной колонны. В низу колонны давление увеличивается на величину, соответствующую гидравлическому сопротивлению тарелок (от их конструкции) [9].
При двухколонной схеме работы установки АТ давление в отбензинивающей (первой колонне), как правило, должно быть выше,
чем в основной атмосферной колонне, но его следует принять минимально возможным, чтобы преодолеть сопротивление шлемовой трубы [9].
Таким образом, выбирают такие значения давления и температуры, которые:
1) позволяют использовать дешевые и доступные хладагенты
для конденсации паров ректификата (вода, воздух) и теплоносителя,
для нагрева и испарения кубовой жидкости (например, водяной пар
высокого давления), а также уменьшить требуемые поверхности холодильников, конденсаторов, теплообменников;
2) обеспечивают большее значение коэффициента относитель-
ной летучести;
3) обеспечивают нормальную работу колонны, связанную с ма-
териальными и тепловыми потоками;
4) обеспечивают нормальный уровень по удельной производи-
тельности, капитальным и эксплуатационным затратам;
5) исключают возможность термодеструктивного разложения
18
сырья и продуктов перегонки [10].
В атмосферных колоннах перегонки нефти важнейшими точками регулирования являются температуры поступающего сырья и выводимые из колонны продукты ректификации. Перегонка при атмосферном давлении осуществляется при температуре в зоне питания
колонны, а вакуумная – при температуре на выходе из печи [10]. При
подборе температуры ввода сырья в колонну учитывают фракционный состав сырья, требуемую глубину отбора дистиллятов, качество
получаемых нефтепродуктов. Чем богаче сырье низкокипящими компонентами, тем ниже при прочих равных условиях температура нагрева [6].
Если легкокипящие фракции из остатка испаряются за счет тепла подводимой рециркулирующей флегмы, то температура в нижней
части колонны должна соответствовать температуре начала однократного испарения остатка при давлении низа колонны. Если легкокипящие фракции отгоняются за счет ввода в низ колонны водяного пара
или тепла нагретой жидкости, то температура в нижней части колонны обычно бывает на 10–30 оС ниже температуры входа сырья в колонну, а фракций, уходящих из отпарных колонн, на 10–15 оС ниже по
сравнению с температурой, поступающей на отпаривание жидкости.
Выбором температуры верха ректификационной колонны задают желаемый фракционный состав ректификата [6].
1.9. Блок атмосферной перегонки нефти
На атмосферных нефтеперегонных установках нефть обычно
разделяют на четыре дистиллятных фракции и остаток – мазут. Побочным продуктом является смесь углеводородных газов, часто содержащая сероводород, который образуется из нестойких соединений
серы при нагреве нефти [7].
Наиболее распространенной в нашей стране является установка
АТ по схеме двукратного испарения и двукратной ректификации
(рис. 1.2).
Обезвоженная и обессоленная на ЭЛОУ нефть дополнительно
подогревается в теплообменниках и поступает на разделение в колонну частичного отбензинивания (К–1). Уходящие с верха этой ко-
19
лонны углеводородный газ и легкий бензин конденсируются и охлаждаются в аппаратах воздушного и водяного охлаждения и поступают в
емкость орошения. Часть конденсата возвращается на верх колонны
К-1 в качестве флегмы. Отбензиненная нефть с низа колонны К-1 подается в трубчатую печь, где нагревается до требуемой температуры и
поступает в атмосферную колонну (К-2). С верха К-2 отбирается тяжелый бензин, а сбоку, через отпарные колонны выводятся топливные
фракции: керосиновая, легкая и тяжелая дизельные.
Рис. 1.2. Принципиальная схема атмосферного блока:
1 – отбензинивающая колонна; 2 – атмосферная колонна;
3 – отпарная клона; 4 – трубчатая печь; 5 – конденсаторхолодильник; 6 – теплообменник; 7 – рефлюксная емкость;
I – нефть с ЭЛОУ; II – пары бензина; III – флегма; IV – лег-
кий бензин; V – отбензиненная нефть; VI – пары тяжелого
бензина; VII – тяжелый бензин; VIII – циркуляционное
орошение; IX, X, XI – боковые погоны; XII – керосиновая
фракция; XIII – легкая дизельная фракция; XIV – тяжелая
дизельная фракция; XV – мазут; XVI – водяной пар; XVII –
газы.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]