Ахметов А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

401

честь и др.), ком-

понентный состав

число

(би- или мно-

гокомпонентный

)

и характер распре

деления

(непрерыв-

ный, дискретный

)

компонентов пе-

регоняемого сырья

В наиболее обоб

щенной форме раз

делительные свой

ства перегоняемого

сырья принято вы

ражать коэффици

ентом относительной летучести

(аналогом коэффициенту разделения

(селективности) в процессах экстракции).

Коэффициент относительной летучести — отношение летучес-

тей компонентов (фракций) перегоняемого сырья при одинаковых

температуре и давлении:

= К

/К

где К

и К

— константы фазового равновесия соответственно низко-

и высококипящего компонентов (фракций). Поскольку

> К

то

> 1.

Коэффициент

косвенно характеризует движущую силу процесса

перегонки применительно к разделяемому сырью. Сырье, у которого

>> 1, значительно легче разделить на компоненты, чем при его зна-

чении, близком к единице.

Относительная летучесть зависит от давления и температуры, при

которых находятся компоненты. С увеличением давления и темпера

туры величина

снижается. Вблизи критической области значение

коэффициента

приближается к единице.

3.2.2. Особенности нефти как сырья процессов перегонки

Нефть и нефтяные смеси как сырье для ректификации характери

зуются рядом специфических свойств, обусловливающих некоторые

особенности в технологии их переработки.

1. Нефть и особенно ее высококипящие фракции и остатки характе

ризуются невысокой термической стабильностью. Для большин

Рис. 3.7. Изменение затрат в зависимости

от количества орошения в ректификационной колонне

402

ства нефтей температура термической стабильности соответствует

температурной границе деления примерно между дизельным топли

вом и мазутом по кривой ИТК, то есть

≈ 350…360 °С. Нагрев нефти

до более высоких температур будет сопровождаться ее деструкци

ей и, следовательно, ухудшением качества отбираемых продуктов

перегонки. В этой связи перегонку нефти и ее тяжелых фракций

проводят с ограничением по температуре нагрева. В условиях та

кого ограничения для выделения дополнительных фракций нефти,

выкипающих выше предельно допустимой температуры нагрева

сырья, возможно использовать практически единственный способ

повышения относительной летучести компонентов — перегонку под

вакуумом. Так, перегонка мазута при остаточных давлениях в зоне

питания вакуумной колонны

≈ 100 и ≈ 20 мм рт. ст. (≈ 133 и 30 гПа)

позволяет отобрать газойлевые (масляные) фракции с температурой

конца кипения соответственно до

500 и 600 °С. Обычно для повы-

шения четкости разделения при вакуумной (а также и атмосферной)

перегонке применяют подачу водяного пара для отпаривания более

легких фракций. Следовательно, с позиций термической нестабиль

ности нефти технология ее глубокой перегонки (то есть с отбором

фракций до гудрона) должна включать как минимум 2 стадии: ат

мосферную перегонку до мазута с отбором топливных фракций

и перегонку под вакуумом мазута с отбором газойлевых (масляных)

фракций и в остатке гудрона.

2. Нефть представляет собой многокомпонентное сырье с непрерывным

характером распределения фракционного состава и соответственно

летучести компонентов. Расчеты показывают, что значение коэффи

циента относительной летучести непрерывно (экспоненциально)

убывает по мере утяжеления фракций нефти, а также по мере суже

ния температурного интервала кипения фракций. Эта особенность

нефтяного сырья обусловливает определенные ограничения как на

четкость погоноразделения, особенно относительно высококипящих

фракций, так и по отношению к «узости» фракций. С экономической

точки зрения, нецелесообразно требовать от процессов перегонки вы

делить, например, индивидуальный чистый углеводород или сверх

узкие фракции нефти. Поэтому в нефтепереработке довольствуются

получением следующих топливных и газойлевых фракций, выкипаю-

щих в достаточно широком интервале температур:

— бензиновые н

. к. 140 °С (180 °С);

— керосиновые

140 (180)…240 °С;

— дизельные

240…350 °С;

403

— вакуумный дистиллят (вакуумный газойль) 350…400 °С, 400…450 °С

и 450…500 °С;

— тяжелый остаток — гудрон

>490 °С (>500 °С).

Иногда ограничиваются неглубокой атмосферной перегонкой нефти

с получением в остатке мазута >350 °С, используемого в качестве ко

тельного топлива.

3. Высококипящие и остаточные фракции нефти содержат значи

тельное количество гетероорганических смолисто-асфальтеновых

соединений и металлов, попадание которых при перегонке в дис

тилляты резко ухудшает их эксплуатационные характеристики

и значительно усложняет последующую их переработку. Это об

стоятельство обусловливает необходимость организации четкой

сепарации фаз в секции питания атмосферной и особенно вакуум

ной колонн. Эффективная сепарация фаз в секции питания колонн

достигается установкой специальных сепараторов (отбойных та

релок, насадок и т

. д.), улавливающих мельчайшие капли (туман,

пена, брызги) кубовой жидкости, а также промывкой потока паров

стекающей жидкостью в специальной промывной тарелке. Для

этого и с целью повышения разделительной способности нижних

тарелок сепарационной секции колонны необходимо обеспечить

некоторый избыток орошения, называемый избытком однократ

ного испарения, путем незначительного перегрева сырья (но не

выше предельно допустимой величины). Доля отгона при одно

кратном испарении в секции питания колонны должна быть на

2…5 % больше выхода продуктов, отбираемых в виде дистиллята

и боковых погонов.

3.2.3. Способы регулирования температурного режима

ректификационных колонн

Нормальная работа ректификационных колонн и требуемое качест-

во продуктов перегонки обеспечиваются путем регулирования тепло

вого 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 (рис. 3.8).

Отвод тепла в концентрационной секции путем:

а) использования парциального конденсатора;

б) организации испаряющегося (холодного) орошения;

в) организации неиспаряющегося (циркуляционного) орошения.

404

Подвод тепла в отгонной секции путем:

а) нагрева остатка ректификации в кипятильнике с паровым простран

ством;

б) циркуляции части остатка, нагретого в трубчатой печи.

Парциальный конденсатор представляет собой кожухотрубный те

плообменный аппарат (рис. 3.8

а), установленный горизонтально или

вертикально наверху колонны. Охлаждающим агентом служит вода,

иногда исходное сырье. Поступающие в межтрубное пространство пары

частично конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку в виде

орошения, а пары ректификата отводятся из конденсатора. Из-за труд

ности монтажа и обслуживания и значительной коррозии конденсатора

этот способ получил ограниченное применение (в малотоннажных уста

новках и при необходимости получать ректификат в виде паров).

Холодное

(острое) орошение (рис. 3.8б). Этот способ отвода тепла

наверху колонны получил наибольшее распространение в практике неф-

тепереработки. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью

конденсируется в конденсаторе – холодильнике (водяном или воздуш

ном) и поступает в емкость или сепаратор, откуда часть ректификата

насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве

холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество от

водится как целевой продукт.

Циркуляционное неиспаряющееся орошение (рис. 3.8

в). Этот ва-

риант отвода тепла в концентрационной секции колонны в технологии

нефтепереработки применяется исключительно широко для регули

рования температуры

не только наверху, но

и в средних сечениях

сложных колонн. Для

создания циркуля

ционного орошения

с некоторой тарелки

колонны выводят часть

флегмы (или бокового

дистиллята), охлажда

ют в теплообменнике

в котором она отдает

тепло исходному сы

рью, после чего насо

сом возвращают на вы

шележащую тарелку.

Рис. 3.8. Способы регулирования температурного режима

в ректификационной колонне:

а — отводом тепла — парциальным конденсатом; б — испаряю-

щимся холодным (сырым) орошением; в — неиспаряющимся

циркуляционным орошением; г — подводом тепла — подогре

вателем-кипятильником; д — горячей струей

405

На современных установках перегонки нефти чаще применяют ком-

бинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосферной

перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и затем по вы

соте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Из про

межуточных орошений чаще применяют циркуляционные орошения,

располагаемые обычно под отбором бокового погона или использую

щие отбор бокового погона для создания циркуляционного орошения

с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпар

ной секции. В концентрационной секции сложных колонн вакуумной

перегонки мазута отвод тепла осуществляется преимущественно по

средством циркуляционного орошения.

Использование только одного острого орошения в ректификаци

онных колоннах неэкономично, так как низкопотенциальное тепло

верхнего погона малопригодно для регенерации теплообменом. Кро

ме того, в этом случае не обеспечивается оптимальное распределение

флегмового числа по высоте колонны: как правило, оно значительное на

верхних и низкое на нижних тарелках колонны. Соответственно по вы

соте колонны сверху вниз уменьшаются значения КПД тарелок, а также

коэффициента относительной летучести и, следовательно, ухудшается

разделительная способность нижних тарелок концентрационной сек

ции колонны, в результате не достигается желаемая четкость разде

ления. При использовании циркуляционного орошения рационально

используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти, вы

равниваются нагрузки по высоте колонны и тем самым увеличивается

производительность колонны и обеспечиваются оптимальные условия

работы контактных устройств в концентрационной секции.

При подводе тепла в низ колонны кипятильником (рис. 3.8

г) осу-

ществляют дополнительный подогрев кубового продукта в выносном

кипятильнике с паровым пространством (рибойлере), где он частично

испаряется. Образовавшиеся пары возвращают под нижнюю тарелку

колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие

в кипятильнике постоянного уровня жидкости и парового пространства

над этой жидкостью. По своему разделительному действию кипятиль

ник эквивалентен одной теоретической тарелке. Этот способ подво

да тепла в низ колонны наиболее широко применяется на установках

фракционирования попутных нефтяных и нефтезаводских газов, при

стабилизации и отбензинивании нефтей, стабилизации бензинов пря

мой перегонки и вторичных процессов нефтепереработки.

При подводе тепла в низ колонны трубчатой печью (рис. 3.8

д)

часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь, и подо

406

гретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает в низ

колонны. Этот способ применяют при необходимости обеспечения

сравнительно высокой температуры низа колонны, когда применение

обычных теплоносителей (водяной пар и др.) невозможно или нецеле

сообразно (например, в колоннах отбензинивания нефти).

3.2.4. Выбор давления и температурного режима

в ректификационной колонне

При принятых значениях флегмового числа, числа и типа тарелок

на экономические показатели процессов перегонки наибольшее влия

ние оказывают давление и температурный режим в колонне. Оба эти

рабочих параметра тесно взаимосвязаны: нельзя оптимизировать, на

пример, только давление без учета требуемого температурного режима

и наоборот.

При оптимизации технологических параметров колонн ректифика

ции целесообразно выбрать такие значения давления и температуры,

которые:

1) обеспечивают состояние разделяемой системы, далекое от крити

ческого (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 ком

муникациях;

3) позволяют использовать дешевые и доступные хладоагенты для кон

денсации паров ректификата (вода, воздух) и теплоносители для

нагрева и испарения кубовой жидкости (например, водяной пар вы

сокого давления), а также уменьшить требуемые поверхности холо

дильников, конденсаторов, теплообменников и кипятильников;

4) обеспечивают нормальную работу аппаратов и процессов, связанных

с колонной ректификации с материальными и тепловыми потока

ми;

5) обеспечивают оптимальный уровень по удельной производитель

ности, 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 атмосфер

ного (0,1…0,2 МПа), применяемые при перегонке стабилизирован-

ных или отбензиненных нефтей на топливные фракции и мазут;

407

б) вакуумные (глубоковакуумные), работающие под вакуумом (или

глубоким вакуумом) при остаточном давлении в зоне питания (

≈ 100

и 30

гПа соответственно), предназначенные для фракционирования

мазута на вакуумный (глубоковакуумный) газойль или узкие мас

ляные фракции и гудрон;

в) колонны, работающие под повышенным давлением (1…4 МПа), при

меняемые при стабилизации или отбензинивании нефтей, стабили

зации газовых бензинов, бензинов перегонки нефти и вторичных

процессов и фракционировании нефтезаводских или попутных неф-

тяных газов.

Повышение или понижение давления в ректификационной колон

не сопровождается, как правило, соответствующим повышением или

понижением температурного режима. Так, для получения в качестве

ректификата пропана требуемая температура верха колонны при дав

лениях 0,1 и 1,8 МПа составит соответственно –42 и +55 °С. Предпо-

чтительность второго варианта ректификации очевидна, поскольку по

вышенное давление позволяет использовать для конденсации паров

пропана воду, а не специальные хладоагенты и дорогостоящие низко

температурные системы охлаждения. Перегонка, например, под ваку-

умом позволяет осуществить отбор без заметного разложения фракций

нефти, выкипающих при температурах, превышающих температуру на

грева сырья более чем на 100…150 °С.

Температурный режим, наряду с давлением, является одним из наи

более значимых параметров процесса, изменением которого peгулиру

ется качество продуктов ректификации. Важнейшими точками регули

рования являются температуры поступающего сырья и выводимых из

колонны продуктов ректификации.

Как показала практика эксплуатации промышленных установок,

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

�

� �

��

′

∑ = =

′

−

�

1 +e (K

выведенному совместным решением уравнения материального баланса

процесса однократного испарения

i i

X e y e x��

′ ′ ′ ′ ′

= = − �

408

и уравнения равновесия фаз

i pi i

y K x �

′ ′

= �

где

i i

X e y e x��

′ ′ ′ ′ ′

= = − �

i pi i

y K x �

′ ′

= �

i pi i

y K x �

′ ′

= �

— мольные доли компонента i соответственно

в исходной смеси, паровой фазе и равновесной жидкости;

е' и (1 – е') —

мольные доли паров и жидкой фазы соответственно;

— констан-

та фазового равновесия компонента

i при давлении в системе Р; i,

m — номер и число компонентов соответственно.

Температуры выводимых из колонны жидких и парового (верхнего)

погонов рассчитываются по нулевой (

e' = 0) и стопроцентной мольной

доле их отгона соответственно при давлениях в точках отбора продук

тов ректификации:

K X e

�

� � � ��

′

= =

∑

�

Y K e

�

� � � ��

′ ′

= =

∑

�

При перегонке с водяным паром температура кубового остатка обыч-

но ниже температуры нагрева сырья на 20… 30 °С, а фракций, уходящих

из отпарных колонн

, на 10…15 °С по сравнению с температурой, по-

ступающей на отпаривание жидкости. При подводе тепла в низ колон

ны через кипятильник температура кубовой жидкости должна быть

на соответствующее число градусов выше температуры поступающей

жидкости.

3.2.5. Особенности перегонки с водяным паром

Для подвода дополнительного тепла в низ атмосферной и вакуумной

колонн промышленных установок перегонки нефти такие способы, как

кипятильник с паровым пространством или «горячая струя», непри

емлемы по причине низкой термостабильности кубовых остатков —

мазута и гудрона. В этой связи с целью создания требуемого парового

орошения в отгонной секции этих колонн, а также испарения (отпари

вания) низкокипящих фракций нефти (попадающих в остаток в усло

виях однократного испарения в секции питания) на практике широко

применяют перегонку с подачей водяного пара.

При вводе водяного пара в отгонную секцию парциальное давление

паров снижается и создаются условия

, при которых жидкость оказы-

вается как бы перегретой, что вызывает ее испарение (то есть действие

водяного пара аналогично вакууму). При этом теплота, необходимая

для отпаривания паров, отнимается от самой жидкости, в связи с чем

409

она охлаждается. Испарение жидкости, вызванное водяным паром, пре-

кращается, когда упругость паров жидкости при понижении темпера

туры снизится настолько, что станет равным парциальному давлению.

Таким образом, на каждой теоретической ступени контакта установится

соответствующее этим условиям равновесие фаз.

Рассмотрим подробнее механизм перегонки с подачей водяного

пара, протекающего в отгонных секциях и отпарных колоннах.

Водяной пар, подаваемый в низ колонн, поднимается вверх вместе

с парами, образующимися при испарении жидкости (кубового остат

ка или бокового погона), вступая на вышерасположенной тарелке

в контакт со стекающей жидкостью. В результате тепло- и массообмена

в жидкости, стекающей с тарелки на тарелку, концентрация низкокипя

щего компонента убывает в направлении сверху вниз. В этом же направ

лении убывает и температура на тарелках вследствие испарения части

жидкости. Причем чем большее количество подается водяного пара

и ниже его параметры (температура и давление), тем до более низкой

температуры охладится кубовая жидкость. Таким образом, эффект рек

тификации и испаряющее действие водяного пара будут снижаться на

каждой последующей тарелке. Следовательно, увеличивать количество

отпарных тарелок и расход водяного пара целесообразно до определен

ных пределов. Наибольший эффект испаряющего влияния перегретого

водяного пара проявляется при его расходе, равном

1,5… 2,0 % мас. на

исходное сырье. Общий расход водяного пара в атмосферные колонны

установок перегонки нефти составляет 1,2… 3,5, а в вакуумные колонны

для перегонки мазута – 5…8 % мас. на перегоняемое сырье.

Необходимо указать на следующие недостатки применения водяно

го пара в качестве испаряющего агента:

— увеличение затрат энергии (тепла и холода) на перегонку и конден

сацию;

— повышение нагрузки колонн по парам, что приводит к увеличению

диаметра аппаратов и уносу жидкости между тарелками;

— ухудшение условий регенерации тепла в теплообменниках;

— увеличение сопротивления и повышение давления в колонне и дру

гих аппаратах;

— обводнение нефтепродуктов и необходимость их последующей сушки;

— усиление коррозии нефтеаппаратуры и образование больших коли

честв загрязненных сточных вод.

В этой связи в последние годы в мировой нефтепереработке прояв

ляется тенденция к существенному ограничению применения водяного

пара и к переводу установок на технологию сухой перегонки.

410

3.2.6. Классификация ректификационных колонн

и их контактных устройств

Применяемые в нефте- и газопереработке ректификационные ко

лонны 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;

— 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 распро

странение получили тарельчатые, а также насадочные ректификаци

онные колонны.

В ректификационных колоннах применяются сотни различных кон

струкций контактных устройств, существенно различающихся по сво

им характеристикам и технико-экономическим показателям. При этом

в эксплуатации находятся наряду с самыми современными конструкция-

ми контактные устройства таких типов (например, желобчатые тарелки

и др.), которые, хотя и обеспечивают получение целевых продуктов,

но не могут быть рекомендованы для современных и перспективных

производств.

При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются

следующими основными показателями:

а) производительностью;

б) гидравлическим сопротивлением;

в) коэффициентом полезного действия;

г) диапазоном рабочих нагрузок;

д) возможностью работы на средах, склонных к образованию смолис-

тых или других отложений;

е) материалоемкостью;

ж) простотой конструкции, удобством изготовления, монтажа и ремонта.