Ахметов А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

411

Чтобы легче ориентироваться во всем многообразии имеющихся

конструкций, на рис. 3.9 мы приводим классификацию контактных

устройств

, применяемых не только в ректификационных, но и абсорб-

ционных и экстракционных процессах разделения смесей. В соот

ветствии с ней тарельчатые контактные устройства подразделяются

— по способу организации относительного движения потоков контак

тирующих фаз – на противоточные

, прямоточные, перекрестноточ-

ные и перекрестнопрямоточные;

— по регулируемости сечения контактирующих фаз – на тарелки с не

регулируемым и регулируемым сечениями.

Насадочные контактные устройства принято подразделять на сле-

дующие два типа: нерегулярные и регулярные.

Противоточные тарелки характеризуются высокой производи

тельностью по жидкости, простотой конструкции и малой металло

емкостью. Основной их недостаток – низкая эффективность и узкий

диапазон устойчивой работы, неравномерное распределение потоков по

сечению колонны, что существенно ограничивает их применение.

Прямоточные тарелки отличаются повышенной производитель

ностью, но умеренной эффективностью разделения, повышенным гид-

равлическим сопротивлением и трудоемкостью изготовления, они пред

почтительны для применения в процессах разделения под давлением.

��

� ��

��

Рис. 3.9. Классификация контактных устройств массообменных процессов

412

К перекрестноточным типам тарелок, получившим в современ-

ной технологии переработки нефти и газа преимущественное приме

нение, относятся:

1) тарелки с нерегулируемым сечением контактирующих фаз следую

щих конструкций: ситчатые, ситчатые с отбойниками, колпачковые

с круглыми, прямоугольными, шестигранными, S-образными, же

лобчатыми колпачками (рис. 3.10а–д);

2) тарелки с регулируемым сечением следующих конструкций: клапан

ные с капсульными, дисковыми, пластинчатыми, дисковыми эжек

ционными клапанами; клапанные с балластом; комбинированные

колпачково-клапанные (например, S-образные и ситчатые с клапа

ном) (рис. 3.10е–к) и др.

Рис. 3.10. Типы некоторых колпачков и клапанов:

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

паны: 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

413

Перекрестноточные тарелки характеризуются в целом (за исключе-

нием ситчатых) наибольшей разделительной способностью, посколь

ку время пребывания жидкости на них наибольшее по сравнению

с другими типами тарелок. К недостаткам колпачковых тарелок следует

отнести низкую удельную производительность, относительно высокое

гидравлическое сопротивление, большую металлоемкость, сложность

и высокую стоимость изготовления.

Ситчатые тарелки с отбойниками имеют относительно низкое гид-

равлическое сопротивление, повышенную производительность, но бо

лее узкий рабочий диапазон по сравнению с колпачковыми тарелками.

Применяются преимущественно в вакуумных колоннах.

Клапанные и балластные тарелки получают за последнее время

все более широкое распространение, особенно для работы в условиях

значительно меняющихся скоростей газа, и постепенно вытесняют ста

рые конструкции контактных устройств. Принцип действия клапанных

тарелок состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке

клапан различной формы автоматически регулирует величину площади

зазора между клапаном и плоскостью тарелки в зависимости от газо

паровой нагрузки и тем самым поддерживает постоянной (в пределах

высоты подъема клапана) скорость газа и, следовательно, гидравличес-

кое сопротивление тарелки в целом. Высота подъема клапана ограни

чивается высотой ограничителя (кронштейна, ножки).

Балластные тарелки отличаются по устройству от клапанных тем,

что в них между легким клапаном и ограничителем установлен более

тяжелый, чем клапан, балласт. Клапан начинает приподниматься при

небольших скоростях газа или пара. С дальнейшим увеличением ско

рости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе

с ним. В результате балластная тарелка, по сравнению с чисто клапан

ной, значительно раньше вступает в работу, имеет более широкий рабо

чий диапазон, более высокую (на 15

…20 %) эффективность разделения

и пониженное (на 10…15 %) гидравлическое сопротивление.

Более прогрессивны и эффективны, по сравнению с колпачковы

ми, комбинированные колпачково-клапанные тарелки. Так, S-образная

тарелка с клапаном работает следующим образом: при низких скорос-

тях газ (пар) барботирует преимущественно через прорези S-образных

элементов, и при достижении некоторой скорости газа включается

в работу клапан. Такая двухстадийная работа тарелки позволяет по

высить производительность ректификационной колонны на 25

…30 %

и сохранить высокую эффективность разделения в широком диапазоне

рабочих нагрузок.

414

Перекрестно-прямоточные тарелки отличаются от перекрестно-

точных тем, что в них энергия газа

(пара) используется для организации

направленного движения жидкости по тарелке

, тем самым устраняет-

ся поперечная неравномерность и обратное перемешивание жидкости

на тарелке и в результате повышается производительность колонны

Однако эффективность контакта в них несколько меньше

, чем в пере-

крестноточных тарелках.

Среди клапанных тарелок нового поколения можно отметить дис

ковые эжекционные

(перекрестноточные) и пластинчатые перекрест-

но

-прямоточные тарелки, внедрение которых на ряде НПЗ страны

позволило улучшить технико

-экономические показатели установок

перегонки нефти (рис. 3.10к, л)

Эжекционная клапанная тарелка представляет собой полотно с от

верстиями

(∅ 90 мм) и переливными устройствами. В отверстия полот-

на тарелок устанавливаются клапаны, представляющие собой вогнутый

диск (∅ 110 мм) с просечными отверстиями (каналами) для эжекции

жидкости, имеющий распределительный выступ для равномерного

стока жидкости в эжекционные каналы. Клапаны имеют 4 ограни

чительные ножки и 12 эжекционных каналов. Они изготавливаются

штамповкой из нержавеющей стали толщиной 0,8...1,0 мм. Масса одного

клапана составляет всего

80…90 г (а капсульного с паровым простран-

ством — 5…6 кг).

При минимальных нагрузках по парам клапаны работают в динами

ческом режиме

. При увеличении нагрузки клапаны приподнимаются

в пределе до упора ограничителей и начинается эжекция жидкости

над клапанами, что способствует более интенсивному перемешиванию

жидкости в надклапанном пространстве. Распределительный выступ на

клапане при остановке колонны способствует полному стоку жидкости

с тарелки.

Опытно

-промышленные испытания показали высокие эксплуа-

тационные их достоинства: устойчивость и равномерность работы

в широком диапазоне нагрузок без уноса жидкости; исключительно вы

сокий КПД

(≈ 80…100 %), высокая производительность, превышающая

на ≈ 20 % производительность колпачковых тарелок, и т. д.

Сравнение эффективности некоторых конструкций тарельчатых

контактных устройств приведено на рис. 3.11. Видно, что лучшими

показателями по гидравлическому сопротивлению обладают тарелки

ситчатые и S-образные с клапанами, а по КПД — клапанная балластная

и S-образная с клапаном.

Разработаны и внедрены на Ново-Уфимском НПЗ.

415

Следует отметить, что

универсальных конструк

ций тарелок, эффектив

но работающих «всегда

и везде», не существует.

При выборе конкретного

типа тарелок из множе

ства вариантов следует

отдать предпочтение той

конструкции, основные (не

обязательно все) показате

ли эффективности которой

в наибольшей степени удо

влетворяют требованиям,

предъявляемым исходя из

функционального назна

чения ректификационных

колонн. Так, в вакуумных

колоннах предпочтитель

но применение контактных устройств, имеющих как можно меньшее

гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны применяются преимущественно в малотон

нажных производствах и при необходимости проведения массообмен

ных процессов с малым перепадом давления.

К насадкам предъявляются следующие основные требования:

1) большая удельная поверхность;

2) хорошая смачиваемость жидкостью;

3) малое гидравлическое сопротивление;

4) равномерность распределения жидких и газовых (паровых) пото-

ков;

5) высокие химическая стойкость и механическая прочность;

6) низкая стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требовани

ям, не существует, поскольку некоторые из требований противоречивы

например, пункты 1 и 3. При нормальной эксплуатации насадочных

колонн массообмен происходит в основном в пленочном режиме на

смоченной жидкостью поверхности насадок

. Естественно, чем больше

удельная поверхность насадки

, тем эффективнее массообменный про-

цесс. Однако насадки с высокой удельной поверхностью характери

зуются повышенным гидравлическим сопротивлением

. В химической

Рис. 3.11. Зависимость КПД (η)

и гидравличсекого сопротивления (∆ρ) тарелок

некоторых типов от F-фактора ( ),

где

ϖ = скорость пара, ρ — плотность пара

416

промышленности и нефтегазопереработке применяют разнообразные

по форме и размерам насадки, изготавливаемые из различных материа-

лов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.) (рис. 3.12).

Основной недостаток нерегулярных (насыпных) насадок, ограни

чивающий их применение в крупнотоннажных производствах, – не

равномерность распределения контактирующих потоков по сечению

аппарата. Регулярные насадки, изготавливаемые из сетки, перфори

рованного металлического листа, многослойных сеток и т.

д., обеспе-

чивают более однородное, по сравнению с традиционными насадками

из колец и седел, распределение жидкости и пара (газа) в колоннах.

Кроме того, они обладают исключительно важным достоинством,

таким

как низкое гидравлическое сопротивление — в пределе до

Рис. 3.12. Типы насадок:

кольца: а — Рашига; б — Лессинга; в — Паля; седла: г — Берля; д — «Инталлокс»; ситчатые и из пер

форированного металлического листа: е — «Спрейпак», ж — Зульцер; з — Гудлоу; и — складчатый

кубик; к — Перформ-Грид

а б в г д е

ж з

и к

417

1…2 мм рт. ст. (130…260 Па) на 1 теоретическую тарелку. По этому пока-

зателю они значительно превосходят любой из известных типов тарель

чатых контактных устройств. В этой связи в последние годы за рубежом

и в нашей стране начаты широкие научно-исследовательские работы

по разработке самых эффективных и перспективных конструкций ре

гулярных насадок и широкому применению их в крупнотоннажных

производствах, в том числе в таких процессах нефтепереработки, как

вакуумная и глубоковакуумная перегонка мазутов. На НПЗ ряда раз

витых капиталистических стран вакуумные колонны установок пере

гонки нефти в настоящее время оснащены регулярными насадками,

что позволяет обеспечить глубокий вакуум в колоннах и существенно

увеличить отбор вакуумного газойля и достичь температуры конца ки

пения до 600 °С.

3.2.7. Конденсационно-вакуумсоздающие системы

вакуумных колонн

Заданная глубина вакуума в вакуумных колоннах создается с по

мощью конденсационно-вакуумсоздающих систем (КВС) установок

АВТ путем конденсации паров, уходящих с верха колонн, и эжекти

рования неконденсирующихся газов и паров (водяной пар, Н

S, СО

легкие фракции и продукты термического распада сырья и воздух, по

ступающий через неплотности КВС).

Конденсационно-вакуумсоздающая система современных установок

АВТ состоит из системы конденсации, системы вакуумных насосов,

барометрической трубы, газосепаратора и сборника конденсата.

Для конденсации паров на практике применяются следующие два

способа (рис. 3.13):

1) конденсация с ректификацией в верхней секции вакуумной колонны

посредством:

— верхнего циркуляционного орошения (ВЦО);

— острого орошения (ОО);

2) конденсация без ректификации вне колонны в выносных конденса

торах-холодильниках:

— поверхностного типа (ПКХ) теплообменом с водой или возду

хом;

— барометрического типа (БКС) смешением с водой или газойлем,

выполняющим роль хладоагента и абсорбента;

— в межступенчатых конденсаторах, устанавливаемых непосред

ственно в пароэжекторных насосах (ПЭК), – водой.

418

Для создания до-

статочно глубокого

вакуума в колонне не

обязательно исполь

зование одновременно

всех перечисленных

выше способов кон

денсации. Так, не обя

зательно включение

в КВС обоих способов

конденсации паров

с ректификацией в верх-

ней секции колонны:

для этой цели вполне

достаточно одного из

них. Однако ВЦО зна

чительно предпочти

тельнее и находит более

широкое применение,

поскольку по сравнению с ОО позволяет более полно утилизировать

тепло конденсации паров, поддерживать на верху вакуумной колонны

оптимально низкую температуру в пределах 60

…80 °С, тем самым значи-

тельно уменьшить объем паров и газов. Из способов конденсации паров

без ректификации вне колонны на установках АВТ старых поколений

применялись преимущественно барометрические конденсаторы сме

шения, характеризующиеся низким гидравлическим сопротивлением

и высокой эффективностью теплообмена, кроме того, при этом отпадает

необходимость в использовании газосепаратора. Существенный недо

статок БКС – загрязнение нефтепродуктом и сероводородом оборотной

воды при использовании последней как хладоагента. В этой связи более

перспективно использование в качестве хладоагента и одновременно аб

сорбента охлажденного вакуумного газойля. По экологическим требо

ваниям в КВС современных высокопроизводительных установок АВТ

как правило, входят только поверхностные конденсаторы

-холодильники

в сочетании с газосепаратором

В качестве вакуум

-насосов в настоящее время применяют струйные

насосы — одно

- и преимущественно двух- или трехступенчатые эжек-

торы на водяном паре с промежуточной его конденсацией

(ПЭН). Па-

роэжекционные вакуумные насосы обладают рядом принципиальных

недостатков

(низкий коэффициент полезного действия, значительный

Рис. 3.13. Основные способы конденсации паров,

применяемые в конденсационно-вакуумсоздающих системах

вакуумных колонн:

ВЦО — верхним циркуляционным орошением; ОО — острым

орошением; ПКХ — в поверхностных конденсаторах-холодиль

никах; БКС — в барометрических конденсаторах смешения;

ПЭК — в промежуточных конденсаторах пароэжекторного на

соса; Е — емкость сепаратор; КБ — колодец барометрический

419

расход водяного пара и охлажденной воды для его конденсации, загряз-

нение охлаждающей воды и воздушного бассейна и т. д.).

По признаку связи с окружающей средой различают сборники кон

денсата открытого типа — барометрические колодцы (БК) и закрытого

типа — емкости-сепараторы (Е). Вместо широко использовавшихся ра

нее барометрических колодцев на современных установках АВТ при

меняют сборники преимущественно закрытого типа, обеспечивающие

более высокую экологическую безопасность для обслуживающего пер

сонала.

КВС установок АВТ обязательно включают барометрическую тру

бу (БТ) высотой не менее

10 м, которая выполняет роль гидрозатвора

между окружающей средой и вакуумной колонной.

Глубина вакуума в колоннах при прочих идентичных условиях за

висит в значительной степени от температуры хладоагента, подаваемого

в выносные конденсаторы-холодильники. При вакуумной перегонке

с водяным паром остаточное давление в колонне не может быть меньше

давления насыщенных паров воды при температуре их конденсации:

Температура воды, °С 10 15 20 25 30 40 50

Давление насыщенных паров

воды, гПа

1,25 17,1 23,4 32,2 42,5 74 124

Поэтому обычно летом вакуум падает, а зимой повышается. Практи-

чески давление вверху колонны больше вышеуказанных цифр на вели

чину гидравлического сопротивления потоков паров в трубопроводах

и выносных конденсаторах-холодильниках.

В последние годы на вакуумных колоннах ряда НПЗ (Москов

ском, Мозырском, Мажейкяйском, Комсомольском, «Уфанефтехиме»

и др.) внедрена и успешно эксплуатируется новая высокоэффектив

ная экологически чистая КВС с использованием жидкостного струй

ного устройства — вакуумного гидроциркуляционного (ВГЦ) агрегата.

В ВГЦ-агрегате конденсация паров и охлаждение газов осуществляется

не водой, а охлаждающей рабочей жидкостью (применительно к АВТ —

газойлевой фракцией, отводимой из вакуумной колонны). По сравне

нию с традиционным способом создания вакуума с использованием

паровых эжекторов, КВС на базе ВГЦ-агрегатов обладает следующими

преимуществами:

— не требует для своей работы расхода воды и пара;

— экологически безопасно, работает с низким уровнем шума, не об

разует загрязненных сточных вод;

— создает более глубокий вакуум (до

67 Па или 0,5 мм рт. ст.);

420

— полностью исключает потери нефтепродуктов и газов, отходящих

с верха вакуумной колонны;

— значительно уменьшает потребление энергии и эксплуатационные

затраты на тонну сырья;

— позволяет дожимать газы разложения до давления, необходимого

для подачи их до установок сероочистки.

Принципиальная технологическая схема КВС для перспективных

установок АВТ с использованием ВГУ агрегатов приведена на рис. 3.14.

3.3. Современные промышленные установки

перегонки нефти и газов

3.3.1. Типы промышленных установок

Технологические установки перегонки нефти предназначены для

разделения нефти на фракции и последующей переработки или ис

пользования их как компонентов товарных нефтепродуктов. Они со

ставляют основу всех НПЗ. На них вырабатываются практически все

компоненты моторных топлив, смазочных масел, сырье для вторичных

процессов и для нефтехимических производств. От их работы зависят

ассортимент и качество получаемых компонентов и технико-экономи

ческие показатели последующих процессов переработки нефтяного

сырья. Процессы перегонки нефти осуществляют на так называемых

атмосферных трубчатых (AT) и вакуумных трубчатых (ВТ) или атмос

ферно-вакуумных трубчатых (АВТ) установках.

В зависимости от направления использования фракций установки пе

регонки нефти принято именовать топливными, масляными или топлив

но-масляными и соответственно этому – варианты переработки нефти.

На установках AT осуществляют неглубокую перегонку нефти с по

лучением топливных (бензиновых, керосиновых, дизельных) фракций

и мазута. Установки ВТ предназначены для перегонки мазута. Получае

мые на них газойлевые, масляные фракции и гудрон используют в качест-

Рис. 3.14. Принципиальная схема КВС

вакуумной колонны с использованием

вакуумного гидроциркуляционного

агрегата (ВГЦ):

1 — рабочая жидкость (вакуумный газойль

или тяжелая дизельная фракция); 2 — из

быток газойля; 3 — неконденсированный

сжатый газ; 4 — водный конденсат