книги / Технология глубокой переработки нефти и газа

240°С; дизельные 240 - 350°С; вакуумный дистиллят (вакуумный газойль) 350-400°С, 400-450°С и 450-500°С; тяжелый остаток - гуд­ рон >490°С (>500°С). Иногда ограничиваются неглубокой атмосфер­ ной перегонкой нефти с получением в остатке мазута >350 °С, ис­ пользуемого в качестве котельного топлива.

3. Высококипящие и остаточные фракции нефти содержат зна­ чительное количество гетероорганическихсмолисто-асфальтеновых соединений и металлов, попадание которых при перегонке в дистил­ ляты резко ухудшает их эксплуатационные характеристики и зна­ чительно усложняет последующую их переработку. Это обстоятель­ ство обусловливает необходимость организации четкой сепарации фаз в секции питания атмосферной и особенно вакуумной колонн. Эффективная сепарация фаз в секции питания колонн достигается установкой специальных сепараторов (отбойных тарелок, насадок и т.д.), улавливающих мельчайшие капли (туман, пена, брызги) кубо­ вой жидкости, а также промывкой потока паров стекающей жидко­ стью в специальной промывной тарелке. Для этого и с целью повы­ шения разделительной способности нижних тарелок сепарационной секции колонны необходимо обеспечить некоторый избыток ороше­ ния, называемый избытком однократного испарения, путем незна­ чительного перегрева сырья (но не выше предельно допустимой ве­ личины). Доля отгона при однократном испарении в секции питания колонны должна быть на 2 -5 % больше выхода продуктов, отбирае­ мых в виде дистиллята и боковых погонов.

5.2.3. Способы регулирования температурного режима ректиф икационных колонн

Нормальная работа ректификационных колонн и требуемое ка­ чество продуктов перегонки обеспечиваются путем регулирования теплового режима - отводом тепла в концентрационной и подводом тепла в отгонной секциях колонн, а также нагревом сырья до опти­ мальной температуры. В промышленных процессах перегонки не­ фти применяют следующие способы регулирования температурно­ го режима по высоте колонны (рис. 5.8).

Отвод тепла в концентрационной секции путем: а) использования парциального конденсатора;

б) организации испаряющегося (холодного) орошения; в) организации неиспаряющегося (циркуляционного) орошения.

201

ЛООбменныЙ аппа- рым) орошением (б); неиспаряющимся циркуляционным рат (см. рис. 5.8,а), орошением (в) и подводом тепла - подогревателем-кипятиль- установленный го- ником горячей струей (д)

ризонтально или вертикально на верху колонны. Охлаждающим агентом служит вода, иногда исходное сырье. Поступающие в меж­ трубное пространство пары частично конденсируются и возвраща­ ются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары ректификата от­ водятся из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания и значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограни­ ченное применение (в малотоннажных установках и при необходи­ мости получать ректификат в виде паров).

Холодное (острое') орошение (см. рис. 5.8,6). Этот способ отвода тепла на верху колонны получил наибольшее распространение в практике нефтепереработки. Паровой поток, уходящий с верха ко­ лонны, полностью конденсируется в конденсаторе - холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, от­ куда часть ректификата насосом подается обратно в ректификаци­ онную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводится как целевой продукт.

Циркуляционное неиспапяюшееся орошение Гем, рис. 5.8,в). Этот вариант отвода тепла в концентрационной секции колонны в техно­ логии нефтепереработки применяется исключительно широко не

202

только для регулирования температуры наверху, но и в средних се­ чениях 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 выше­ лежащую тарелку.

На современных установках перегонки нефти чаще применяют комбинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосфер­ ной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и затем по высоте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Из промежуточных орошений чаще применяют циркуляционные орошения, располагаемые обычно под отбором бокового погона или использующие отбор бокового погона для создания циркуляционно­ го орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции. В концентрационной секции сложных колонн вакуумной перегонки мазута отвод тепла осуществляется преимущественно посредством циркуляционного орошения.

Использование только одного острого орошения в ректифика­ ционных колоннах неэкономично, так как низкопотенциальное теп­ ло верхнего погона малопригодно для регенерации теплообменом. Кроме того, в этом случае не обеспечивается оптимальное распреде­ ление флегмового числа по высоте колонны: как правило, оно зна­ чительное на верхних и низкое на нижних тарелках колонны. Соот­ ветственно по высоте колонны сверху вниз уменьшаются значения КПД тарелок, а также коэффициента относительной летучести и, следовательно, ухудшается разделительная способность нижних та­ релок концентрационной секции колонны, в результате не достига­ ется желаемая четкость разделения. При использовании циркуля­ ционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти, выравниваются нагрузки по вы­ соте колонны и тем самым увеличивается производительность ко­ лонны и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной секции.

П ри подводе тепла в низ колонны кипятильником (см. рис. 5.8, г) осуществляют дополнительный подогрев кубового продукта в вы­ носном кипятильнике с паровым пространством (рибойлере), где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращают под ниж­ нюю тарелку колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие в кипятильнике постоянного уровня жидкости и

2 0 3

парового пространства над этой жидкостью. По своему разделитель­ ному действию кипятильник эквивалентен одной теоретической та­ релке. Этот способ подвода тепла в низ колонны наиболее широко применяется на установках фракционирования попутных нефтяных и нефтезаводских газов, при стабилизации и отбензинивании неф­ тей, стабилизации бензинов прямой перегонки и вторичных процес­ сов нефтепереработки.

При подводе тепла в низ колонны трубчатой печью (рис. 5.8, д) часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь, и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает в низ колонны. Этот способ применяют при необходимости обеспе­ чения сравнительно высокой температуры низа колонны, когда при­ менение обычных теплоносителей (водяной пар и др.) невозможно или нецелесообразно (например, в колоннах отбензинивания нефти).

5.2.4. Выбор давления и температурного режима в ректификационной колонне

При принятых значениях флегмового числа, числа и типа таре­ лок на экономические показатели процессов перегонки наибольшее влияние оказывают давление и температурный режим в колонне. Оба эти рабочие параметры тесно взаимосвязаны: нельзя оптимизиро­ вать, например, только давление без учета требуемого температур­ ного режима и наоборот.

При оптимизации технологических параметров колонн ректи­ фикации целесообразно выбрать такие значения давления и темпе­ ратуры, которые:

1) обеспечивают состояние разделяемой системы, далекое от кри­ тического (иначе нельзя реализовать процесс ректификации), и воз­ можно большее значение коэффициента относительной летучести; 2) исключают возможность термодеструктивного разложения сырья и продуктов перегонки или кристаллизации их в аппаратах и

коммуникациях; 3) позволяют использовать дешевые и доступные хладоагенты

для конденсации паров ректификата (вода, воздух) и теплоносители для нагрева и испарения кубовой жидкости (например, водяной пар высокого давления), а также уменьшить требуемые поверхности хо­ лодильников, конденсаторов, теплообменников и кипятильников;

204

4)обеспечивают нормальную работу аппаратов и процессов, свя­ занных с колонной ректификации с материальными и тепловыми потоками;

5)обеспечивают оптимальный уровень по удельной производит тельности, капитальным и эксплуатационным затратам.

По величине давления колонны ректификации, применяемые на промышленных установках перегонки нефтяного сырья, можно под­ разделить на следующие типы:

а) атмосферные, работающие при давлении несколько выше ат­ мосферного (0,1-0,2 МПа), применяемые при перегонке стабили­ зированных или отбензиненных нефтей на топливные фракции и мазут;

6) вакуумные (глубоковакуумные), работающие под вакуумом (или глубоком вакууме) при остаточном давлении в зоне питания (=100 и 30 гПа соответственно), предназначенные для фракциониро­ вания мазута на вакуумный (глубоковакуумный) газойль или узкие масляные фракции и гудрон;

в) колонны, работающие под повышенным давлением (1-4 МПа), применяемые при стабилизации или отбензинивании нефтей, ста­ билизации газовых бензинов, бензинов перегонки нефти и вторич­ ных процессов и фракционировании нефтезаводских или попутных нефтяных газов.

Повышение или понижение давления в ректификационной ко­ лонне сопровождается, как правило, соответствующим повышени­ ем или понижением температурного режима. Так, для получения в качестве ректификата пропана требуемая температура верха колон­ ны при давлениях 0,1 и 1,8 МПа составит соответственно-4 2 и+55°С. Предпочтительность второго варианта ректификации очевидна, по­ скольку повышенное давление позволяет использовать для конден­ сации паров пропана воду, а не специальные хладоагенты и дорого­ стоящие низкотемпературные системы охлаждения. Перегонка, на­ пример, под вакуумом позволяет осуществить отбор без заметного разложения фракций нефти, выкипающих при температурах, пре­ вышающих температуру нагрева сырья более чем на 100-150°С.

Температурный режим, наряду с давлением, является одним из наиболее значимых параметров процесса, изменением которого регулируется качество продуктов ректификации. Важнейшими точ­ ками регулирования являются температуры поступающего сырья и выводимых из колонны продуктов ректификации.

205

Как показала практика эксплуатации промышленных устано­ вок, перегонка нефти при атмосферном давлении осуществляется при температуре в зоне питания ректификационной колонны 320 - 360°С, а вакуумная перегонка мазута - при температуре на выходе из печи не выше 430 °С.

Расчет температуры нагрева сырья проводится по уравнению

тК

выведенному совместным решением уравнения материального ба­ ланса процесса однократного испарения

x ^ e 'jf + a - e O x ,' и уравнения равновесия фаз

^ i = К р(Х|,

где x'Fi, у' и x'j - мольные доли компонента i соответственно в исходной смеси, паровой фазе и равновесной жидкости;

е' и (1-е') - мольные доли паров и жидкой фазы соответственно; Kpiконстанта фазового равновесия компонента i при давлении

в системе Р;

i, m - номер и число компонентов соответственно. Температуры выводимых из колонны жидких и парового (верх­

него) погонов рассчитываются по нулевой (е' = 0) и стопроцентной мольной доле их отгона соответственно при давлениях в точках от­ бора продуктов ректификации:

При перегонке с водяным паром температура кубового остатка обычно ниже температуры нагрева сырья на 20 - 30 °С, а фракций, уходящих из отпарных колонн, на 10-15 °С по сравнению с темпе­ ратурой, поступающей на отпаривание жидкости. При подводе теп­

206

ла в низ колонны через кипятильник температура кубовой жидко­ сти должна быть на соответствующее число градусов выше темпера­ туры поступающей жидкости.

5.2.5. Особенности перегонки с водяным паром

Для подвода дополнительного тепла в низ атмосферной и ваку­ умной колонн промышленных установок перегонки нефти такие способы, как кипятильник с паровым пространством или «горячая струя», неприемлемы по причине низкой термостабильности кубо­ вых остатков — мазута и гудрона. В этой связи с целью создания требуемого парового орошения в отгонной секции этих колонн, а также испарения (отпаривания) низкокипящих фракций нефти (по­ падающих в остаток в условиях однократного испарения в секции питания) на практике широко применяют перегонку с подачей водя­ ного пара.

При вводе водяного пара в отгонную секцию парциальное дав­ ление паров снижается и создаются условия, при которых жидкость оказывается как бы перегретой, что вызывает ее испарение (то есть действие водяного пара аналогично вакууму). При этом теплота, необходимая для отпаривания паров, отнимается от самой жидко­ сти, в связи с чем она охлаждается. Испарение жидкости, вызванное водяным паром, прекращается, когда упругость паров жидкости при понижении температуры снизится настолько, что станет равным парциальному давлению. Таким образом, на каждой теоретической ступени контакта установится соответствующее этим условиям рав­ новесие фаз.

Рассмотрим подробнее механизм перегонки с подачей водяного пара, протекающего в отгонных секциях и отпарных колоннах.

Водяной пар, подаваемый в низ колонн, поднимается вверх вме­ сте с парами, образующимися при испарении жидкости (кубового остатка или бокового погона), вступая на вышерасположенной та­ релке в контакт со стекающей жидкостью. В результате тепло- и массообмена в жидкости, стекающей с тарелки на тарелку, концент­ рация низкокипящего компонента убывает в направлении сверху вниз. В этом же направлении убывает и температура на тарелках вследствие испарения части жидкости. Причем, чем большее коли­ чество подается водяного пара и ниже его параметры (температура

207

идавление), тем до более низкой температуры охладится кубовая жидкость. Таким образом, эффект ректификации и испаряющееся действие водяного пара будут снижаться на каждой последующей тарелке. Следовательно, увеличивать количество отпарных тарелок

ирасход водяного пара целесообразно до определенных пределов. Наибольший эффект испаряющего влияния перегретого водяного пара проявляется при его расходе, равном 1,5 -2 ,0 % масс, на исход­ ное сырье. Общий расход водяного пара в атмосферные колонны ус­ тановок перегонки нефти составляет 1,2 - 3,5, а в вакуумные колон­ ны для перегонки мазута - 5-8 % масс, на перегоняемое сырье.

Необходимо указать на следующие недостатки применения во­ дяного пара в качестве испаряющего агента:

-увеличение затрат энергии (тепла и холода) на перегонку и конденсацию;

-повышение нагрузки колонн по парам, что приводит к увели­ чению диаметра аппаратов и уносу жидкости между тарелками;

-ухудшение условий регенерации тепла в теплообменниках;

-увеличение сопротивления и повышение давления в колонне и Других аппаратах;

-обводнение нефтепродуктов и необходимость их последующей сушки;

-усиление коррозии нефтеаппаратуры и образование больших количеств загрязненных сточных вод.

Вэтой связи в последние годы в мировой нефтепереработке про­ является тенденция к существенному ограничению применения во­ дяного пара и к переводу установок на технологию сухой перегонки.

5.2.6. Классификация ректификационных колонн и их конт акт ных устройств

Применяемые в нефте- и газопереработке ректификационные колонны подразделяются:

1) по назначению для:

-атмосферной и вакуумной перегонки нефти и мазута;

-вторичной перегонки бензина;

-стабилизации нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов;

-фракционирования нефтезаводских, нефтяных и природных газов;

208

-отгонки растворителей в процессах очистки масел;

-разделения продуктов термодеструктивных и каталитических

процессов переработки нефтяного сырья и газов и т.д.; 2) по способу межступенчатой передачи жидкости:

-с переточными устройствами (с одним, двумя или более);

-без проточных устройств провального типа;

3)по способу организации контакта парогазовой и жидкой фаз:

-тарельчатые;

-насадочные;

-роторные.

По типу применяемых контактных устройств наибольшее рас­ пространение получили тарельчатые, а также насадочные ректифи­ кационные колонны.

В ректификационных колоннах применяются сотни различных конструкций контактных устройств, существенно различающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. При этом в эксплуатации находятся наряду с самыми современны­ ми конструкциями контактные устройства таких типов (например, желобчатые тарелки и др.), которые, хотя и обеспечивают получе­ ние целевых продуктов, но не могут быть рекомендованы для совре­ менных и перспективных производств.

При выборе типа контактных устройств обычно руководствуют­ ся следующими основными показателями: а) производительностью; б) гидравлическим сопротивлением; в) коэффициентом полезного действия; г) диапазоном рабочих нагрузок; д) возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложе­ ний; е) материалоемкостью; ж) простотой конструкции; удобством изготовления, монтажа и ремонта.

Для того, чтобы легче ориентироваться во всем многообразии имеющихся конструкций, ниже (рис. 5.9) приводим классификацию контактных устройств, применяемых не только в ректификацион­ ных, но и абсорбционных и экстракционных процессах разделения смесей. В соответствии с этой классификацией тарельчатые контак­ тные устройства подразделяются:

-по способу организации относительного движения потоков кон­ тактирующих фаз на противоточные, прямоточные, перекрестно­ точные и перекрестнопрямоточные;

-по регулируемости сечения контактирующих фаз на тарелки с нерегулируемым и регулируемым сечениями.

209

Насадочные контактные устройства принято подразделять на следующие два типа: нерегулярные и регулярные.

‘ Поотивоточнъте тарелки характеризуются высокой производитель­ ностью по жидкости, простотой конструкции и малой металлоемкос­ тью. Основной их недостаток - низкая эффективность и узкий диапа­ зон устойчивой работы, неравномерное распределение потоков по се­ чению колонны, что существенно ограничивает их применение.

Прямоточные тарелки отличаются повышенной производитель­ ностью, но умеренной эффективностью разделения и повышенным гидравлическим сопротивлением и трудоемкостью изготовления, предпочтительны для применения в процессах разделения под дав­ лением.

К перекрестноточным типам тарелок, получившим в современ­ ной технологии переработки нефти и газа преимущественное при­ менение, относятся:

1) тарелки с нерегулируемым сечением контактирующих фаз следующих конструкций: ситчатые, ситчатые с отбойниками, кол-

* С нерегулируемым, * * ~ регулируемым сечением контактирующих фаз.

Р и с . 5 .9 . Классификация контактных устройств массообменных процесс!»

210