Ahmetov_Pererab_nefti

Лекция 11. Основное оборудование ректификационной колонны

Классификация РК и их КУ. Применяемые в нефте- и газоперераб. РК подразделяются:

1) по назначению:

—для АП и ВП нефти и мазута;

—ВПБ;

—стабилизации нефти, г.кон-тов, нестабильных бензинов;

—фракционирования нефтезаводских, нефт. и прир. газов;

—отгонки растворителей в процессах очистки масел;

—разделения продуктов ТП и КП перераб. нефт. сырья и газов и т.д.;

2) по способу межступенчатой передачи жид-ти:

—с переточными устр-вами (с одним, двумя или более);

—без переточных устр-в (провального типа);

3)по способу организации контакта парогазовой и жидкой фаз:

—тарельчатые;

—насадочные;

—роторные.

По типу применяемых КУ наиб. распространение полу-

чили тарельчатые, а также насадочные РК.

В РК применяются сотни разл. конструкций КУ, существенно различающихся по своим характеристикам и техни- ко-экон. показателям. При этом в экспл. находятся, наряду с самыми совр. конструкциями, КУ таких типов (напр., желобчатые тарелки и др.), к-рые, хотя и обеспечивают получение целевых продуктов, но не могут быть рекомендованы для совр. и перспективных произ-в.

При выборе типа КУ обычно руководствуются след. показателями: произв-стью; гидравлическим сопротивлением; КПД; диапазоном рабочих нагрузок; возможностью работы на средах, склонных к обр-ю смолистых или др. отложений; мат-лоемкостью; простотой конструкции, удобством изготовления, монтажа и ремонта.

Чтобы легче ориентироваться во всем многообразии имеющихся конструкций, на рис. 4.2 мы приводим классификацию КУ.

91

92

* — с нерегулируемым, ** — регулируемым сечением контактирующих фаз.

Рис. 4.2. Классификация КУ массообменных процессов

Применяемые не только в ректификационных, но и абсорбционных и экстракционных процессах разделения смесей тарельчатые КУ подразделяются:

—по способу организации относительного движения потоков контактирующих фаз — на противоточные, прямоточные, перекрестноточные и перекрестнопрямоточные;

—по регулируемости сечения контактирующих фаз — на тарелки с нерегулируемым и регулируемым сечениями. Насадочные КУ принято подразделять на нерегулярные

и регулярные.

Противоточные тарелки характ-ся высокой произв-тью по жидкости, простотой конструкции и малой металлоемкостью. Осн. их недостаток — низкая эффективность и узкий диапазон устойчивой работы, неравномерное распределение потоков по сечению колонны, что существенно ограничивает их применение.

Прямоточные тарелки отличаются повышенной про- изв-тью, но умеренной эффективностью разделения, повышенным гидравлическим сопротивлением и трудоемкостью изготовления, они предпочтительны для применения в процессах разделения под давл.

Кперекрестноточным типам тарелок, получившим

вперераб. нефти и газа преим. применение, относятся:

1)тарелки с нерегулируемым сечением контактирующих фаз: ситчатые, ситчатые с отбойниками, колпачковые

скруглыми, прямоугольными, шестигранными, S-об- разными, желобчатыми колпачками (рис. 4.3а–д);

2)тарелки с регулируемым сечением: клапанные с капсульными, дисковыми, пластинчатыми, дисковыми эжекционными клапанами; клапанные с балластом; комб. колпачково-клапанные (напр., S-образные и ситчатые

склапаном) (рис. 4.3е–к) и др.

Перекрестноточные тарелки (за исключением ситчатых) характ-ся наиб. разделительной способностью, поскольку время пребывания жид-сти на них наиб. по ср. с др. типами тарелок. К недостаткам колпачковых тарелок следует отнести низкую удельную произв-сть, относительно высокое гидравлическое сопротивление, большую металлоемкость, сложность и высокую стоимость изготовления.

93

94

Рис. 4.3. Типы нек-рых колпачков и клапанов:

колпачки: а — круглый; б — шестигранный; в — прямоугольный; г — желобчатый; д — S-образный; клапаны: е — прямоугольный;

ж— круглый с нижним ограничителем; з — то же с верхним ограничителем; и — балластный; к — дисковый эжекционный перекрестноточный; л — пластинчатый перекрестно-прямоточный; м — S-образный колпачок с клапаном; 1 — диск тарелки; 2 — клапан;

3 — ограничитель; 4 — балласт

Ситчатые тарелки с отбойниками имеют относительно низкое гидравлическое сопротивление, повышенную произвсть, но более узкий рабочий диапазон по ср. с колпачковыми тарелками. Применяются преим. в ВК.

Клапанные и балластные тарелки получают в последнее время все более широкое распространение, особенно для работы в условиях знач. меняющихся скоростей газа, и постепенно вытесняют старые конструкции КУ. Принцип действия тарелок с клапанами различной формы состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке клапан автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки в зависимости от газопаровой нагрузки и тем самым поддерживает постоянной (в пределах высоты подъема клапана) скорость газа и, следовательно, гидравлическое сопротивление тарелки в целом. Высота подъема клапана ограничивается высотой ограничителя (кронштейна, ножки).

Балластные тарелки отличаются по устр-ву от клапанных тем, что в них между легк. клапаном и ограничителем установлен более тяжелый, чем клапан, балласт. Клапан начинает приподниматься при небольших скоростях газа или пара. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе с ним. В рез-те балластная тарелка, по ср. с чисто клапанной, знач. раньше вступает в работу, имеет более широкий рабочий диапазон, более высокую (на 15…20%) эффективность разделения и пониженное (на 10…15%) гидравлическое сопротивление.

Более прогрессивны и эффективны, по ср. с колпачковыми, комб. колпачково-клапанные тарелки. Так, S-образная тарелка с клапаном работает след. образом: при низких скоростях газ (пар) барботирует преим. через прорези S-образных элементов, и при достижении нек-рой скорости газа включается в работу клапан. Такая двухстадийная работа тарелки позволяет повысить произв-ть РК на 25…30% и сохранить высокую эффективность разделения в широком диапазоне рабочих нагрузок.

Перекрестно-прямоточные тарелки отличаются от перекрестноточных тем, что в них энергия газа (пара) используется

95

для организации направленного движения жид-сти по тарелке, тем самым устраняется поперечная неравномерность и обратное перемешивание жид-сти на тарелке и в рез-те повышается произв-ть колонны. Однако эффективность контакта в них несколько меньше, чем в перекрестноточных тарелках.

Среди клапанных тарелок нового поколения можно отметить дисковые эжекционные (перекрестноточные) и пластинчатые перекрестно-прямоточные тарелки, внедрение к-рых на ряде НПЗ страны позволило улучшить техникоэкон. показатели установок перегонки нефти (рис. 4.3к, л)*.

Эжекционная клапанная тарелка представляет собой полотно с отверстиями ( 90мм) и переливными устр-вами. В отверстия полотна тарелок устанавливаются клапаны, представляющие собой вогнутый диск ( 110мм) с просечными отверстиями (каналами) для эжекции жид-сти, имеющий распределительный выступ для равномерного стока жид-сти в эжекционные каналы. Клапаны имеют 4 ограничительные ножки и 12 эжекционных каналов. Они изготавливаются штамповкой из нержавеющей стали толщиной 0,8..1,0 мм. Масса клапана = 80…90 г (а капсульного с паровым пространством — 5…6 кг). При min нагрузках по парам клапаны работают в динамическом режиме. При увеличении нагрузки клапаны приподнимаются в пределе до упора ограничителей и начинается эжекция жид-сти над клапанами, что способствует более интенсивному перемешиванию жид-сти в надклапанном пространстве. Распределительный выступ на клапане при остановке колонны способствует полному стоку жид-сти с тарелки. Опытно-пром. испытания показали их высокие экспл. достоинства: устойчивость и равномерность работы в широком диапазоне нагрузок без уноса жид-сти; исключительно высокий КПД (≈80…100%), высокая произв-сть, превышающая на ≈20% произв-ть колпачковых тарелок, и т.д.

Сравнение эффективности нек-рых конструкций тарельчатых КУ приведено на рис. 4.4. Видно, что лучшими показателями по гидравлическому сопротивлению обладают ситчатые и S-образные тарелки с клапанами, а по КПД — клапанная балластная и S-образная с клапаном.

*Разработаны и внедрены на Ново-Уфимском НПЗ.

96

Рис. 4.4. Зависимость КПД (η) и гидравличсекого сопротивления ( ρ) тарелок нек-рых типов от F-фактора ( F = ϖ ρ ), где ω = скорость пара, ρ — плотн. пара.

Типы тарелок: 1 — из S-образных колпачков; 2 — ситчатая с отбойником; 3 — клапанная перекрестно-прямоточная; 4 — S-образная с клапаном; 5 — клапанная баластная; 6 — вихревая

Следует отметить, что универсальных конструкций тарелок не существует. При выборе конкретного типа тарелок следует отдать предпочтение той конструкции, осн. (не обязательно все) показатели эффективности к-рой в наиб. степ. удовлетворяют требованиям, предъявляемым исходя из функционального назначения РК. Так, в вакуумных РК предпочтительно применение КУ, имеющих как можно меньшее гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны применяются преим. в малотоннажных произв-вах и при необходимости проведения массообменных процессов с малым перепадом давл.

К насадкам предъявл. след. осн. требования: большая удельная поверхность; хорошая смачиваемость жид-стью; малое гидравлическое сопротивление; равномерность распределения жидких и газовых (паровых) потоков; высокие хим. стойкость и мех. прочность; низкая стоимость.

97

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, поскольку нек-рые из требований противоречивы. При нормальной экспл. насадочных колонн массообмен происходит в осн. в пленочном режиме на смоченной жид-стью поверхности насадок. Естественно, чем больше удельная поверхность насадки, тем эффективнее массообменный процесс. Однако насадки с высокой удельной поверхностью характ-ся повышенным гидравлическим сопротивлением. В хим. пром-сти и нефтегазоперераб. применяют разнообразные по форме и размерам насадки, изготавливаемые из разл. мат-лов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.) (рис. 4.5).

Осн. недостаток нерегулярных (насыпных) насадок, ограничивающий их применение в крупнотоннажных произ- в-вах, — неравномерность распределения контактирующих потоков по сечению аппарата. Регулярные насадки, изготавливаемые из сетки, перфорированного метал. листа, многослойных сеток и т.д., обеспечивают более однородное, по ср. с традиционными насадками из колец и седел, распределение жид-сти и пара (газа) в колоннах. Они обладают исключительно важным достоинством — низким гидравлическим сопротивлением — в пределе до 1…2 мм рт. ст. (130…260Па) на 1 теор. тарелку. По этому показателю они знач. превосходят любой из типов тарельчатых КУ. В этой связи в последние годы за рубежом и в нашей стране начата широкая науч.-иссл. разработка самых эффективных и перспективных конструкций регулярных насадок и широкому применению их в крупнотоннажных произв-вах, в т.ч. в таких процессах нефтеперераб., как вакуумная и ГВП мазутов. На НПЗ ряда развитых капиталистических стран ВК установок перегонки нефти в наст. время оснащены регулярными насадками, что позволяет обеспечить глубокий вакуум в колоннах, существенно увеличить отбор ВГ и достичь tк.к. до 600°С.

КВСС. Заданная глубина вакуума в ВК создается с помощью КВСС установок АВТ путем конденсации паров, уходящих с верха колонн, и эжектирования неконденсирующихся газов и паров (в.п., Н2S, СО2, легк. фр-и и продукты термического распада сырья и воздух, поступающий через неплотности КВСС).

98

Рис. 4.5. Типы насадок:

кольца: а — Рашига; б — Лессинга; в — Паля; седла: г — Берля; д — «Инталлокс»; ситчатые и из перфорированного метал. листа: е — «Спрейпак», ж — Зульцер; з — Гудлоу; и — складчатый кубик; к — Перформ-Грид

99

КВСС совр. установок АВТ состоит из системы конденсации, системы вакуумных насосов, БТ, газосепаратора и сборника конд-та.

Для конденсации паров на практике применяются след. два способа:

1)конденсация с ректификацией в верхней секции ВК посредством:

—верхнего ЦО;

—ОО;

2)конденсация без рект-ии вне колонны в выносных конд- торах-холодильниках:

—поверхностного типа (ПКХ) теплообменом с водой или воздухом;

—баром. типа (БКС) смешением с водой или газойлем, выполняющим роль хладоагента и абсорбента;

—в межступенчатых конд-торах, устанавливаемых непосредственно в ПЭК, — водой.

Для создания достаточно глубокого вакуума в колонне

не обязательно использование одновр. всех перечисленных выше способов конденсации. Так, не обязательно включение

вКВСС обоих способов конденсации паров с ректификацией

вверхней секции колонны: для этой цели вполне достаточно одного из них. Однако верхнее ЦО знач. предпочтительнее и находит более широкое применение, поскольку по ср. с ОО позволяет более полно утилизировать тепло конденсации паров, поддерживать на верху ВК оптимально низкую t в пре-

делах 60…80°С, тем самым знач. уменьшить объем паров и газов. Из способов конденсации паров без рект-ии вне колонны на установках АВТ старых поколений применялись преим. БКС, характеризующиеся низким гидравлическим сопротивлением и высокой эффективностью теплообмена, кроме того, при этом отпадает необходимость в использовании газосепаратора. Существенный недостаток БКС — загрязнение нефтепр-том и серов-дом оборотной воды при использовании последней как хладоагента. В этой связи более перспективно использование в кач-ве хладоагента и одновр. абсорбента охлажденного ВГ. По экологическим требованиям в КВСС совр. высокопроизводительных установок АВТ, как правило, входят только ПКХ в сочетании с газосепаратором.

100