КУРСОВАЯ РАБОТА «Организация производства и управление предприятием» / ТООиНХС(лит.обзор)

1.АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР С ЭЛЕМЕНТАМИ ПАТЕНТНОЙ ПРОРАБОТКИ

1.1.Теоретические основы процесса вакуумной дистилляции мазута

Процесс дистилляции представляет собой многократное частичное испарение жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков жидкости и пара, имеющих различную температуру, и осуществляется обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно легколетучий, или низкокипящий (НК), компонент, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно труднолетучий, или высококипящий (ВК), компонент, переходящий в жидкость. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить в конечном счете пары, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в теплообменнике образуют дистиллят и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения куба колонны, являющегося почти чистым ВК /1/.

Сырьем секции вакуумной перегонки является прямогонный мазут – кубовый остаток колонны атмосферной перегонки сырой нефти. Этот остаток является смесью нефтяных фракций с температурами кипения 260 °С и выше, в состав которых входят приблизительно 10 % веществ, выкипающих при температуре ниже 360 °С, и около 50 % веществ, выкипающих в диапазоне 360547 °С.

Целью процесса вакуумной перегонки мазута является получение вакуумного дизельного топлива (ВДТ, фракция 260‑360 °С) и вакуумного газойля (ВГО, фракция 360‑547 °С).

При снижении общего давления проведения процесса снижается парциальное давление паров и соответствующая ему температура кипения (конденсации) веществ разделяемой смеси. Поскольку в процессе ректификации происходит многократное испарение более летучих и конденсация менее летучих веществ, проведение ее в условиях вакуума позволяет снизить температуру процесса и делает возможным разделение труднолетучих или термолабильных смесей при более низких температурах. В частности, перегонка мазута в условиях вакуума позволяет получить фракции ВДТ и ВГО, избежав нагрева сырья в печи выше температуры 400 °С и предотвратив его термическое разложение.

Кроме этого, в нижнюю часть вакуумной колонны подается водяной пар, который снижает парциальное давление паров углеводородов ниже соответствующего температуре процесса давления их насыщения, что приводит к дополнительному выпариванию из гудрона паров летучих веществ и позволяет примерно на 10 % увеличить выход целевых фракций.

Температура в зоне ввода сырья устанавливается исходя из качества перерабатываемого мазута и давления в зоне ввода. Любое изменение температуры влечет за собой изменение выходов и качества продуктов во всей колонне.

Температура в верхней части колонны поддерживается расходом и температурой верхнего циркуляционного оро­шения и "горячего" орошения.

Температура в низу вакуумной колонны поддерживается при помощи рециркуляции части предварительно охлаж­денного вакуумного остатка в низ колонны (квенчинг) /2/.

1.2. Другие методы вакуумной дистилляции мазута

1.2.1. Перегонка мазута по топливному варианту. Вакуумная перегонка мазута по топливному варианту пред­назначена для получения широкой масляной фракции (вакуумно­го газойля) с температурами выкипания 350—500°С как сырья установки каталитического крекинга и гидрокрекинга. Широкая масляная фракция должна быть светлой или слегка окрашенной, свободной от смолисто-асфальтеновых веществ и содержать мини­мальные концентрации металлов, особенно Ni и V, которые силь­но влияют на активность, селективность и срок службы алюмосиликатных катализаторов. Никель и ванадий находятся в нефти в виде комплексов с порфиринами, выкипающих при температуре около 450 °С и концентрирующихся при перегонке главным обра­зом в асфальтенах.

Таким образом, удовлетворительное качество разделения мазу­та определяется не только фракционным составом масляных фрак­ций, но и их цветом, коксуемостью и содержанием металлов.

Для перегонки мазута по топливному варианту используют схему однократного испарения /3/. На рис.1.1а изображена схема атмосферной перегонки нефти и вакуумной перегонки мазута по топливному варианту с потоками атмосферного и вакуумного газойлей, направляемых на каталитический крекинг. За рубежом применяют еще схему перегонки нефти с промежуточным испарителем /3/, изображенную на рис.1.1б, в соответствии с которой атмосферный газойль получают в паровой фазе, а вакуумный газойль – в жидкой фазе.

По первой схеме получают сырье для установки каталитического крекинга с пылевидным катализатором, а по второй – с движущимся гранулированным катализатором. На обеих схемах показан рецикл флегмы с нижней тарелки концентрированной части вакуумной колонны в печь. Применение рецикла незначительно увеличивает концентрации целевых компонентов в масляных фракциях, однако заметно снижает содержание металлов в вакуумном газойле, поэтому рецикл флегмы довольно часто используется на практике.

Поскольку асфальтены являются нелетучими соединениями и в них концентрируются порфирины из нефти, качество широкой масляной фракции ухудшается в основном за счет жидкости, уносимой после однократного испарения сырья в питательной секции колонны. Поэтому при топливном варианте перегонки мазута более важно уменьшить унос тяжелой флегмы в концентрационной части колонны, нежели обеспечить четкое разделение мазута на масляные фракции и гудрон. Вследствие этого вакуумные колонны по топливному варианту имеют

Схема перегонки нефти и мазута по топливному варианту с получением жидкостного (а), жидкостного и парового (б) потоков атмосферного и вакуумного газойлей (сырья установки каталитического крекинга)

1 – атмосферная колонна; 2 – вакуумная колонна; 3 – промежуточный сепаратор;

I – нефть; II – атмосферные дистилляты; III – атмосферный и вакуумный газойли в жид­кой фазе; IV – водяной пар; V – гудрон; VI – атмосферный газойль в паровой фазе;

VII – вакуумный га зойль.

Рис.1.1

небольшое число тарелок или невысокий слой насадки и развитую питательную секцию (рис.1.2) /3/.

В верху колонны обычно два циркуляционных орошения для лучших условий регенерации тепла. В секции питания устанавливается отбойник из сетки и промывные тарелки. Часть остатка может охлаждаться и закачиваться вновь в колонну для снижения температуры низа. Качество вакуумного газойля контролируется по его коксуемости, цвету и фракционному составу.

1.2.2. Увеличение глубины отбора светлых и улучшение качества широкой масляной фракции. Увеличение глубины отбора светлых и повышение качества масляных фракций в вакуумных колоннах достигается за счет улучшения условий нагрева и испарения нефти в печи, движения парожидкостной смеси в трансферном трубопроводе от печи до колонны и улучшения конструкций внутренних устройств колонны (тарелок, насадок и сепараторов жидкости). Основная цель про­водимых мероприятий – обеспечить высокую долю отгона без за­метного разложения углеводородов при минимальном уносе жид­кости на нижнюю тарелку концентрационной части колонны.

Схема вакуумной колонны по топливному варианту перегонки ма­зута

I — мазут; II — неконденсируемые газы и во­дяной пар; III — легкий вакуумный газойль; IV — тяжелый вакуумный газойль; V— гудрон; VI — водяной пар.

Рис.1.2

Многолетний опыт эксплуатации установок вакуумной перегон­ки мазута показывает, что нагрев его в трубчатой лечи выше 420 – 425 °С вызывает интенсивное образование газов разложения, закоксовывание и прогар труб печи, осмоление вакуумного газойля. При этом чем тяжелее нефть, тем более интенсивно идет газообра­зование и термический крекинг высокомолекулярных соединений мазута.

Давление вакуумной перегонки мазута изменяется в верху ко­лонны от 53 до 133 гПа, в секции питания от 133 до 266 гПа и на участке испарения в змеевике печи оно доходит до 666 гПа. При таких условиях перегонки доля отгона масляных фракций в сек­ции питания колонны не выше потенциального содержания их в мазуте, чего обычно бывает недостаточно для обеспечения высоко­го отбора масляных фракций и четкого отделения их от мазута.

Для максимального нагрева мазута снижают время пребыва­ния его в печи, устраивая многопоточные змеевики печи (до четы­рех потоков), применяют печи двустороннего облучения, в змеевик печи подают водяной пар и уменьшают длину трансферного трубо­провода.

Для снижения давления в змеевике трубчатой печи применяют несколько потоков сырья в печи, часть змеевика печи на участке испарения делают большего диаметра, уменьшают перепад высоты ввода мазута в колонну и выхода его из печи, трансферный трубо­провод делают специальной конструкции, в вакуумной колонне применяют тарелки с низким гидравлическим сопротивлением или насадку, используют вакуумсоздающие системы, обеспечивающие умеренный и достаточно глубокий вакуум.

Повышение доли отгона мазута способствует не только увели­чению глубины отбора масляных фракций, но и повышению каче­ства фракций по

цвету и коксуемости из-за увеличения флегмового числа в верхней секции колонны.

Качество масляных фракций также существенно зависит от надежной работы отбойного устрой­ства, установленного над вводом сырья в питательной секции колонны. В связи с этим следует отметить, что особое значение для эффективной сепарации имеет правильно выполнен­ный расчет зоны питания колонны и выбор основных размеров отбойного устройства.

Отбойные устройства из сетки без промывки жидкостью в ва­куумных колоннах по топливному варианту не всегда работают нормально, так как они коксуются. Предпочтительнее применять насадку, например, из просечно-вытяжного гофрированного листа.

Для предотвращения попадания металлорганических соедине­ний в тяжелый вакуумный газойль, кроме установки отбойных устройств, на некоторых зарубежных установках в сырье вводят антипенную присадку силоксан. Благодаря этому тяжелый газойль с к.к. 572 °С имеет прозрачный цвет, низкую коксуемость (0,2%) и содержит следы металлорганических соединений.

К конструкции трансферного трубопровода предъявляют целый ряд специальных требований, обусловленных необходимостью иметь высокую долю отгона сырья и стабильное движение парожидкостной смеси в трубопроводе.

При определенных режимах движение двухфазной парожидкостной смеси характеризуется пульсациями давления, нежела­тельными для нормальной работы вакуумной колонны. Оптимальным является кольцевой режим движения, когда жидкость движет­ся в виде пленки по стенке трубы, а пар — в середине трубопрово­да. Этот режим устанавливается при достаточно высокой скорости потока (Fr_c>300) и высоком объемном паросодержании (р>0,95).

Причиной пульсаций давления может быть неправильный вы­бор длины трубопровода, его диаметра и конфигурации. В связи с этим рекомендуется, кроме оп­ределения минимальной длины трубопровода, вывод его из печи и ввод в вакуумную колонну вы­полнять на одной отметке, а фор­му трубопровода принимать S-образной, т. е. состоящей из двух равновеликих дуг (рис.1.3) /3/.

В таком трубопроводе исключа­ются пульсации давления, благо­даря чему обеспечивается стабильность состава питания колонны. При этой конфигурации трубопровода происходит само­компенсация температурных удлинений трубо­провода. При реконструкции имеющегося транс­ферного трубопровода с разностью отметок между выводом из печи и вводом в вакуумную колонну S-образный трубопровод устанавлива­ется в вертикальной плоскости, наклоненной под некоторым углом к горизонту. Разность отметок начала и конца трубопровода должна быть ми­нимальной.

К контактным устройствам вакуумных колонн предъявляют особо жесткие требования, так как они должны обеспечить мини­мальное гидравлическое сопротивление потоку паров при высокой разделительной способности и высокую производи­тельность колонны по пару. Кроме того, контакт­ные устройства должны обеспечивать достаточно широкий диапа­зон стабильной работы колонны.

Конструкция S–образного трансферного трубопровода вакуумной колонны установки АВТ

а – вариант в вертикальной плоскости; б - вариант в плоскости, наклоненной под углом 31,3˚ к горизонту; 1 - вакуумная колонна; 2 - печь; 3 - трансферный трубопровод.

Рис1.3

Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют насадки, поэтому они все чаще применяются вместо тарелок в ка­честве контактного устройства вакуумных колонн для перегонки мазута. На рис.1.4. показаны характеристики различных таре­лок и насадок в виде зависимости между комплексами ∆P/N и ВЭТТ/Fs (где ∆Р — перепад давления, гПа; ВЭТТ — высота, экви­валентная теоретической тарелке, м; F_s—фактор нагрузки, рав­ный F_s = w√ρ_п; w – м/с; ρ_п – кг/м³) /3/. Очевидно, чем меньше эти комплексы, тем более эффективно контактное устройство.

Контактные устройства в отгонной части колонны не обяза­тельно должны иметь низкий перепад давления, так как сопротив­ление их не влияет на давление в питательной секции колонны. Для этих устройств главным является высокая эффективность контакта. В то же время число тарелок в отгонной секции колон­ны не должно быть большим из-за увеличения времени пребыва­ния продукта в зоне повышенных температур. Обычно число та­релок в отгонной секции принимается равным 6—8.

Схема вакуумной колонны с насадкой из колец Паля, высота которых меньше диаметра, приведена на рис. 1.5 /3/.

Сравнение эффективности ра­боты различных контактных устройств в вакуумных колоннах

I — клапанные тарелки; II — специальные тарелки, насыпная насадка (ситчатая тарелка с большими отверстиями, кольца Паля); III — регулярная насадка крупная (Спейшим, Скофилд, ГИАП); IV—регулярная насадка сред­няя (плоскопараллельная, Перформ-грид, Глитч-грид);

V — регулярная насадка мелкая (сотовая, Малтикнит, Кох-3ульцер, Гудлое, Клосса).

Рис1.4

Высота слоя насадки по секциям принята такой (сверху вниз): 2,13, 2,74 и 1,83 м. Применение насадочных колонн вместо тарельчатых при­вело к снижению конца кипения легкого вакуумного газойля, по­вышению конца кипения тяжелого вакуумного газойля и к снижению содержания металлов в последнем и повышению отбора мас­ляных дистиллятов.

Предложен также способ увеличения глубины отбора светлых фракций путем вакуумной перегонки мазута в присутствии отработанных минеральных масел (ОММ), взятых в количестве 0,3 – 5% мас. в расчете на мазут /5/.Используют предварительно обезвоженные и очищенные от механических примесей отработанные моторное или трансмиссионное, или индустриальное масло, или их смесь; ОММ вводят в нефтяной остаток непосредственно перед его подачей в колонну вакуумной перегонки. Технический результат – увеличение выхода дистиллятных фракций не менее, чем на 2% и использование ОММ совместно с исходным сырьем при перегонке мазута, что позволяет утилизировать ОММ и решить экологические проблемы.

Схема вакуумной колонны для перегонки мазу­та по топливному варианту

1 – колонна; 2 — холодильник; 3 — слон насадки; 4 — «глухая» та­релка; 5 — ороситель;

6 — сетчатый сепаратор; 7 — сепаратор в трансферном трубопроводе;

I — мазут; II — неконденсируемые газы и водяной пар; III — лег­кий вакуумный газойль; IV — тяжелый вакуумный газойль; V — ре­цикл затемненного продукта в печь;

VI — гудрон.

Рис1.5

1.2.3. Перегонка мазута по масляному варианту. Вакуумная перегонка мазута является головным процессом по­точной схемы масляного производства. При масляном варианте пе­регонки основная цель процесса – получить масляные фракции заданной вязкости, удовлетворяющие также необходимым требова­ниям по цвету и температуре вспышки. Существующими нормами на производство масел, как известно, не ограничивается фракцион­ный состав масляных фракций и допустимые пределы температур налегания соседних фракций. В связи с этим в настоящее время на заводах для производства масел используют дистил­ляты широкого фракционного состава, выкипающие в пределах 100 °С и более, и гудроны с высоким содержанием дистиллятных фракций до 490°С.

В то же время фракционный состав исходных масляных фрак­ций (основы масел) является одним из основных способов регули­рования их качества. Регулирование нижнего предела вы­кипания масел и содержания в них более легких фракций исклю­чает возможность испарения масел в рабочих условиях. Регулиро­вание фракционного состава основы масел по верхнему пределу выкипания в сочетании с применением вязкостных присадок поз­воляет практически из всех нефтей получать смазочные масла улучшенного качества по вязкостно-температурным характеристи­кам и нагарообразующей способности, а последующее добавление присадок — и по всем другим свойствам.

Исследования влияния фракционного состава масляных фрак­ций на технологические показатели производства и качество ба­зовых масел показывают, что одним из способов повышения эф­фективности производства и улучшения качества масел является получение узких фракций. Так, использование узких 50-гра­дусных масляных фракций, обладающих повышенной вязкостью и высокими температурами вспышки, значительно изменяет их до­зировку при производстве моторных масел. Базовые масла, приготовленные на основе масляных компонентов из узких фракций, характеризуются меньшей склон­ностью к осадкообразованию и загустеванию при окислении, чем базовые масла с дистиллятным компонентом широкого фракцион­ного состава. Выход дистиллятных масел из узких фракций на 1,78% больше, чем из широких фракций 350 – 490°С, считая на нефть.

В зависимости от фракционного состава масляных дистиллятов меняются также режим работы установок маслоблока и технико-экономические показатели процессов очистки масляных дистилля­тов и остаточных компонентов. Так, при ухудшении четкости рек­тификации широких масляных фракций снижаются выход рафинатов и депарафинированного масла и скорость фильтрации масел при депарафинизации, увеличиваются расход растворителя при селективной очистке масел, затраты тепла на регенерацию раство­рителя, вероятность переочистки легких и недоочистки тяжелых фракций и повышается отложение кокса на катализаторе при гид­роочистке масел.

В связи с этим для получения масел высокого качества и сырья для производства твердых парафинов рекомендуется получать уз­кие масляные фракции с пределами температур выкипания 50 – 60 °С, налеганием температур кипения не более 20 – 25°С и содер­жанием не более 15% фракций, выкипающих ниже, и 2% фрак­ций, выкипающих выше номинальной температуры кипения. Так, при производстве масел из восточных сернистых нефтей пре­дусматривают получение трех масляных фракций с номинальными пределами температур выкипания: 350 – 400, 400 – 450 и 450 – 500°С (490°С) (разгонка по Богданову). Для получения масляных дистиллятов низкой коксуемости и хорошего цвета с вязкостью 12 мм²/с при 100°С и высоковязкого гудрона с низким содержани­ем фракций до 490°С важно обеспечить очень четкое разделение между дистиллятной фракцией 450 – 500°С (490°С) и гудроном.

Для перегонки мазута по масляному варианту используют схе­мы однократного (рис. 1.6а) и двукратного испарения — по ши­рокой масляной фракции (рис. 1.6б) или по остатку (рис. 1.6в). Наибольшее распространение в промышленности в на­стоящее время получили схемы а и б /3/.

При перегонке мазута по схеме с однократным испарением в вакуумной тарельчатой колонне трудно достичь необходимого ка­чества фракций: обычно налегание температур кипения между смежными дистиллятами составляет 70—130°С. В то же время при увеличении числа тарелок снижается глубина вакуума в сек­ции питания колонны и желаемое повышение четкости ректифика­ции не достигается. Давление в верху колонны поддерживается порядка 67 – 107 гПа, в секции питания 134 – 330 гПа с температу­рой нагрева нефти не выше 420°С и подачей в низ колонны 5 – 10% водяного пара (на остаток). Температура верха колонны не превышает обычно 100°С, так как с ростом температуры наблю­дается повышенный унос газойлевых фракций в барометрический конденсатор.

Анализ перегонки мазута по схеме однократного испарения в вакуумной тарельчатой колонне показывает, что для четкого вы­деления узких масляных фракций требуются следующие условия: число тарелок в каждой простой колонне должно быть по­рядка 12 – 14, из них половина в отгонных секциях; эффективность тарелок должна быть не ниже 0,7 – 0,8; испарение сырья в зоне питания должно быть на несколько процентов больше суммы от­бираемых дистиллятов; в боковые отпарные секции следует по­давать водяной пар – 3 - 4% (масс.) на фракцию; циркуляцион­ные орошения целесообразно устанавливать только на верхних

тарелках (обычно на четырех); промежуточное охлаждение целесообразно осу-

Схемы перегонки мазута по масляному варианту при однократном (а) и дву­кратном испарении по широкой фракции (б) или по остат­ку (в)

1 – колонна; 2 – отпарная секция; 3 – емкость;

I – мазут; II – маловязкнй дистил­лят; III — средневязкий дистиллят; IV – высоковязкий дистиллят; V – гудрон; VI – неконденсируемые га­зы и водяной пар; VII – водяной пар; VIII – легкий вакуумный га­зойль.

Рис1.6

ществлять только на проток; пары из отпарных сек­ций в основную колонну следует подавать на одну тарелку выше отвода жидкости в боковую отпарную секцию; перепад давления по паровым линиям в отпарные колонны должен быть минималь­ным, перепад давления на реальную тарелку должен быть не бо­лее 2,6 гПа.

Узкие масляные фракции по схемам однократного испарения значительно проще можно получить в вакуумной насадочной ко­лонне при давлении вверху меньше 20 гПа и в секции питания меньше 13 – 67 гПа, при температуре нагрева мазута 370 – 390°С и температуре верха колонны 50 – 55°С. Водяной пар в низ колон­ны не подается. Узкие масляные фракции по схемам однократного испарения значительно проще можно получить в вакуумной насадочной ко­лонне при давлении вверху меньше 20 гПа и в секции питания меньше 13 – 67 гПа, при температуре нагрева мазута 370 – 390 °С и температуре верха колонны 50 – 55°С. Водяной пар в низ колон­ны не подается.

Схемы двукратного испарения мазута требуют больших энер­гетических затрат, однако, качество масляных дистиллятов улуч­шается и налегание температур кипения снижается до 30 – 60°С.

При двукратном испарении мазута по широкой масляной фрак­ции во второй колонне не обязательно иметь глубокий вакуум, больший эффект разделения здесь достигается увеличением обще­го числа тарелок. Температура нагрева мазута в первой ступени 400 – 420°С и широкой масляной фракции во второй ступени 350 – 360 °С.

При варианте двукратного испарения по остатку применяют независимые вакуумные системы в каждой ступени с поддержани­ем более глубокого вакуума во второй. Эта схема позволяет уве­личить флегмовые числа в колоннах за счет уменьшения расхода паров во второй ступени примерно в 1,5 – 3 раза. По такой схеме получаются масляные фракции лучшего качества при меньшей се­бестоимости процесса очистки масел.

Однако следует отметить, что применение схем двукратного ис­парения мазута мало меняет вязкость, температуру вспышки и цвет масляных фракций и для обеспечения четкого разделения тяжелых масляных фракций необходимо дальнейшее понижение давления, т. е. применение глубоковакуумной перегонки.

Сравнение схем двукратного испарения мазута по широкой масляной фракции и по остатку показывает, что первая схема яв­ляется предпочтительной с точки зрения энергетических затрат. Кроме того, последующий нагрев более тяжелого сырья связан с большей опасностью его термической деструкции и требует повы­шенного расхода водяного пара на создание вакуума. В то же вре­мя схема двукратного испарения по остатку позволяет получить более узкие масляные фракции и понижение давления при этом требуется для более вязкого, тяжелого продукта. По приведенным же затратам схемы одно- и двукратного испарения мало различа­ются между собой.

Таким образом, в схемах двукратного испарения мазута углуб­ляется переработка и получаются фракции с заданным качеством благодаря увеличению общего числа тарелок в системе при фикси­рованном давлении в колоннах или благодаря понижению давле­ния во второй ступени.

Для получения масел высокого качества предложено осуществлять ступенчатое фракционирование мазута в процессе его упаривания путем сепарации паров и последующей их конденсацией /6/. Сепарация паров включает их промывку. Для ступенчатого нагрева и упаривания мазута применена печь, причем каждая ступень выполнена в виде испарителя с паросепаратором. Каждая ступень фракционирующего устройства состоит из паросепаратора и соединенного с ним конденсатора. Все конденсаторы соединены линиями с системой создания вакуума.