Теоретические основы процессов перегонки нефти и газов

С основными закономерностями процессов физической перера­ботки нефти и газов, в частности, перегонки и ректификации, а также конструкцией и принципами работы их аппаратов студенты ознако­мились в курсе «Процессы и аппараты нефтепереработки». В этой связи ниже будут изложены лишь обобщающие сведения по теорети­ческим основам процессов, получивших в нефтепереработке наиме­нование первичной (прямой) перегонки (переработки), подразумевая, что продукты этих головных на НПЗ процессов будут подвергаться далее вторичной (физической или химической) переработке с полу­чением товарных нефтепродуктов или их компонентов.

5.2.1. Общие сведения о перегонке и ректификации нефти и газов

Перегонка (дистилляция) - это процесс физического разделения нефти и газов на фракции (компоненты), различающиеся друг от дру­га и от исходной смеси по температурным пределам (или температу­ре) кипения. По способу проведения процесса различают простую и сложную перегонку.

Простая перегонка осуществляется постепенным, однократным или многократным испарением.

Перегонка с постепенным испарением состоит в постепенном нагревании нефти от начальной до конечной температуры с непре­рывным отводом и конденсацией образующихся паров. Этот способ перегонки нефти и нефтепродуктов в основном применяют в лабо­раторной практике при определении их фракционного состава.

При однократной перегонке жидкость (нефть) нагревается до заданной температуры, образовавшиеся и достигшие равновесия пары однократно отделяются от жидкой фазы — остатка. Этот спо­соб, по сравнению с перегонкой с постепенным испарением, обеспе­чивает при одинаковых температуре и давлении большую долю от­гона. Это важное его достоинство используют в практике нефтепе-регонки для достижения максимального отбора паров при ограни­ченной температуре нагрева во избежание крекинга нефти.

Перегонка с многократным испарением заключается в последо­вательном повторении процесса однократной перегонки при более

высоких температурах или низких давлениях по отношению к ос­
татку предыдущего процесса. '■> *

Из процессов сложной перегонки различают перегонку с деф­легмацией и перегонку с ректификацией.

При перегонке с дефлегмацией образующиеся пары конденси­руют и часть конденсата в виде флегмы подают навстречу потоку пара. В результате однократного контактирования парового и жид­кого потоков уходящие из системы пары дополнительно обогащают­ся низкокипящими компонентами, тем самым несколько повышает­ся четкость разделения смесей.

Перегонка с ректификацией - наиболее распространенный в химической и нефтегазовой технологии массообменный процесс, осуществляемый в аппаратах - ректификационных колоннах - пу­тем многократного противоточного контактирования паров и жид­кости. Контактирование потоков пара и жидкости может произво­диться либо непрерывно (в насадочных колоннах) или ступенчато (в тарельчатых ректификационных колоннах). При взаимодействии встречных потоков пара и жидкости на каждой ступени контактиро­вания (тарелке или слое насадки) между ними происходит тепло- и массообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию рав­новесия. В результате каждого контакта компоненты перераспреде­ляются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящими, а жидкость - высококипящими компонентами. При достаточно дли­тельном контакте и высокой эффективности контактного устройства пар и жидкость, уходящие из тарелки или слоя насадки, могут дос­тичь состояния равновесия, то есть температуры потоков станут оди­наковыми, и при этом их составы будут связаны уравнениями рав­новесия. Такой контакт жидкости и пара, завершающийся достиже­нием фазового равновесия, принято называть равновесной ступенью, или теоретической тарелкой. Подбирая число контактных ступеней и параметры процесса (температурный режим, давление, соотноше­ние потоков, флегмовое число и др.), можно обеспечить любую тре­буемую четкость фракционирования нефтяных смесей.

Место ввода в ректификационную колонну нагретого перегоняе­мого сырья называют питательной секцией (зоной), где осуществля­ется однократное испарение. Часть колонны, расположенная выше питательной секции, служит для ректификации парового потока и называется концентрационной (укрепляющей), а другая - нижняя

7*

часть, в которой осуществляется ректификация жидкого потока -отгонной, или исчерпывающей секцией.

Различают простые и сложные колонны.

Простые колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сы­рья) на два продукта: ректификат (дистиллят) - выводимый с верха колонны в парообразном состоянии, и остаток - нижний жидкий про­дукт ректификации.

Сложные ректификационные колонны разделяют исходную смесь более чем на два продукта. Различают сложные колонны с от­бором дополнительных фракций непосредственно из колонны в виде боковых погонов и колонны, у которых дополнительные продукты отбирают из специальных отпарных колонн, именуемых стриппин-гами. Последний тип колонн нашел широкое применение на уста­новках первичной перегонки нефти.

Для разделения бинарных или многокомпонентных смесей на 2 компонента достаточно одной простой колонны (если не предъяв­ляются сверхвысокие требования к чистоте продукта). Для разделе­ния же многокомпонентных непрерывных или дискретных смесей на более чем 2 компонента (фракции) может применяться одна слож­ная колонна либо система простых или сложных колонн, соединен­ных между собой в определенной последовательности прямыми или обратными паровыми или (и) жидкими потоками. Выбор конкрет­ной схемы и рабочих параметров процессов перегонки определяется технико-экономическими и технологическими расчетами с учетом заданных требований по ассортименту и четкости разделения, тер­мостабильности сырья и продуктов, возможности использования до­ступных и дешевых хладоагентов, теплоносителей и т.п.

Четкость погоноразделения - основной показатель эффективнос­ти работы ректификационных колонн, характеризует их разделитель­ную способность. Она может быть выражена в случае бинарных сме­сей концентрацией целевого компонента в продукте. Применительно к ректификации нефтяных смесей она обычно характеризуется груп­повой чистотой отбираемых фракций, то есть долей компонентов, выкипающих по кривой ИТК до заданной температурной границы деления смеси в отобранных фракциях (дистиллятах или в остатке), а также отбором фракций от потенциала. Как косвенный показатель четкости (чистоты) разделения на практике часто используют такую характеристику, как налегание температур кипения соседних фрак­ций в продукте. В промышленной практике обычно не предъявляют

сверхвысоких требований по отношению к четкости погоноразделе-ния, поскольку для получения сверхчистых компонентов или сверхуз­ких фракций потребуются соответственно сверхбольшие капиталь­ные и эксплуатационные затраты. В нефтепереработке, например, в качестве критерия достаточно высокой разделительной способности колонн перегонки нефти на топливные фракции считается налегание температур кипения соседних фракций в пределах 10-30°С.

Установлено, что на разделительную способность ректификаци­онных колонн значительное влияние оказывают число контактных ступеней и соотношение потоков жидкой и паровой фаз. Для полу­чения продуктов, отвечающих заданным требованиям, необходимо, наряду с другими параметрами ректификационной колонны (давле­ние, температура, место ввода сырья и т.д.), иметь достаточное чис­ло тарелок (или высоту насадки) и соответствующее флегмовое и паровое числа.

Флегмовое число (R) характеризует соотношение жидкого и па­рового потоков в концентрационной части колонны и рассчитывает­ся как R=L/D, где L и D - количества соответственно флегмы и рек­тификата.

Паровое число (Ш характеризует соотношение контактирую-щихся потоков пара и жидкости в отгонной секции колонны, рассчи­тываемое как П = G/W, где G и W- количества соответственно паров и кубового продукта.

Число тарелок CN) колонны (или высота насадки) определяется числом теоретических тарелок (N^T), обеспечивающим заданную чет­кость разделения при принятом флегмовом (и паровом) числе, а так­же эффективностью контактных устройств (обычно КПД реальных тарелок или удельной высотой насадки, соответствующей 1 теоре­тической тарелке). Зависимость числа теоретических тарелок от флегмового числа колонны можно выразить в виде графика, как это представлено на рис. 5. 6. Из анализа рис. 5. 6 вытекает следующая закономерность, обусловливающая граничные пределы нормально­го функционирования ректификационных колонн: заданная четкость разделения смесей может быть обеспечена (достигнута) лишь при одновременном выполнении ограничений по флегмовому числу и числу теоретических тарелок:

R_M„„<R<°°, ->№>№,„„.

где R_MIIII и N^T _м„„ - минимальные значения соответственно флегмо­вого числа и числа теоретических тарелок.

Любая точка на кривой рис. 5.6 может быть выбрана в качестве рабочей. Это означа­ет, что заданная четкость раз­деления смеси может быть до­стигнута бесконечным множе­ством пар чисел N^T и R. Как следует из рисунка, флегмовое число, следовательно, и коли­чество орошения в колонне из­меняется от минимального зна­чения до бесконечно большой величины; при этом необходи­мое для обеспечения заданной четкости разделения число та­релок будет изменяться соот­ветственно от бесконечно боль­шой величины до некоторой минимальной. Очевидно, при увеличении количества орошения бу­дут расти эксплуатационные затраты (связанные с расходом энергии на перекачку, тепла в кипятильнике и холода в конденсаторах), а ка­питальные затраты вначале будут существенно уменьшаться в резуль­тате снижения высоты, затем будут расти из-за увеличения диаметра колонны. Из опыта эксплуатации колонн установлено, что оптималь­ное значение флегмового числа, соответствующее минимуму общих

затрат на ректифика­цию (рис. 5.7), не на­много превышает ми­нимально необходимое

"мин •

ин '

где (3—коэффици­ент избытка флегмы (в пределах 1,0 -1,3).

Фактическое чис­ло тарелок И_ф опреде­ляется либо аналити-Рис. 5.7. Изменение затрат в зависимости от ческим расчетом (на количества орошения в ректификационной колонне ЭВМ С использовани-

ем уравнений равновесия фаз, материального и теплового балансов потоков), либо исходя из опытных данных с учетом эффективного КПД тарелки г)_т:

N₀=N_r/ri_T.

В зависимости от конструкции и места расположения в колонне п_т изменяется в пределах 0,3-0,9.

На технико-экономические показатели и четкость погоноразде-ления ректификационной колонны, кроме ее разделительной способ­ности, в значительной степени влияют физические свойства (моле­кулярная масса, плотность, температура кипения, летучесть и др.), компонентный состав, число (би- или многокомпонентный) и харак­тер распределения (непрерывный, дискретный) компонентов пере­гоняемого сырья. В наиболее обобщенной форме разделительные свойства перегоняемого сырья принято выражать коэффициентом относительной летучести (аналогом коэффициенту разделения (се­лективности) в процессах экстракции).

Коэффициент относительной летучести - отношение летучестей компонентов (фракций) перегоняемого сырья при одинаковых тем­пературе и давлении:

а = К,/К₂,

где К, и К₂ - константы фазового равновесия соответственно низко- и высококипящего компонентов (фракций). Поскольку К!>К₂ тоа>1.

Коэффициент а косвенно характеризует движущую силу про­цесса перегонки применительно к разделяемому сырью. Сырье, у ко­торого а» 1, значительно легче разделить на компоненты, чем при его значении, близком к единице.

Относительная летучесть зависит от давления и температуры, при которых находятся компоненты. С увеличением давления и тем­пературы величина а снижается. Вблизи критической области зна­чение коэффициента а приближается к единице.

5.22. Особенности нефти как сырья процессов перегонки

Нефть и нефтяные смеси как сырье для ректификации характе­ризуются рядом специфических свойств, обусловливающих некото­рые особенности в технологии их переработки.

1. Нефть и особенно ее высококипящие фракции и остатки ха­рактеризуются невысокой термической стабильностью. Для боль­шинства нефтей температура термической стабильности соответ­ствует температурной границе деления примерно между дизельным топливом и мазутом по кривой ИТК, то есть «350 - 360 °С. Нагрев нефти до более высоких температур будет сопровождаться ее дест­рукцией и, следовательно, ухудшением качества отбираемых про­дуктов перегонки. В этой связи перегонку нефти и ее тяжелых фрак­ций проводят с ограничением по температуре нагрева. В условиях такого 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 повыше­ния четкости разделения при вакуумной (а также и атмосферной) перегонке применяют подачу водяного пара для отпаривания более легких фракций. Следовательно, с позиций термической нестабиль­ности нефти технология ее глубокой перегонки (то есть с отбором фракций до гудрона) должна включать как минимум 2 стадии: ат­мосферную 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 коэффициента относительной летучести непрерывно (экспо­ненциально) убывает по мере утяжеления фракций нефти, а также по мере сужения 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 выделить, например, индивидуальный чистый уг­леводород или сверхузкие фракции нефти. Поэтому в нефтеперера­ботке довольствуются получением следующих топливных и газой­левых фракций, выкипающих в достаточно широком интервале тем­ператур: бензиновые н.к. - 140°С (180°С); керосиновые 140 (180)-

240°С; дизельные 240 - 350°С; 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 котельного топлива.

3. Высококипящие и остаточные фракции нефти содержат зна­чительное количество гетероорганических смолисто-асфальтеновых соединений и металлов, попадание которых при перегонке в дистил­ляты резко ухудшает их эксплуатационные характеристики и зна­чительно усложняет последующую их переработку. Это обстоятель­ство 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) 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 однократного испарения, путем незна­чительного перегрева сырья (но не выше предельно допустимой ве­личины). Доля отгона при однократном испарении в секции питания колонны должна быть на 2 -5 % больше выхода продуктов, отбирае­мых в виде дистиллята и боковых погонов.

5.2.3. Способы регулирования температурного режима ректификационных колонн

Нормальная работа ректификационных колонн и требуемое ка­чество продуктов перегонки обеспечиваются путем регулирования теплового 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. 5.8).

Отвод тепла в концентрационной секции путем:

а) использования парциального конденсатора;

б) организации испаряющегося (холодного) орошения;

в) организации неиспаряющегося (циркуляционного) орошения.

Подводтеплав отгонной секции путем:

а) нагрева ос­
татка ректифика­
ции в кипятильни­
ке с паровым про­
странством;

б) циркуляции
части остатка, на­
гретого в трубча­
той печи.

Парциальный конденсатор пред­ставляет собой КО- Рис. 5.8. Способы регулирования температурного режи-Жухотоубный теп- ^{Ма В} Р^ектиФ^ика«^и0НН0Й колонне: отводом тепла - парци-

_л „ альным конденсатором (а); испаряющимся холодным (ост-

ЛООбменныи аппа- рым) орошением (б); неиспаряющимся циркуляционным рат (см. рис. 5.8,а), орошением (в) и подводом тепла - подогревателем-кипятиль-установленный го- ^ником <&> ^г°Р^ячей струей (д)

ризонтально или вертикально на верху 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 трудности монтажа и обслуживания и значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограни­ченное применение (в малотоннажных установках и при необходи­мости получать ректификат в виде паров).

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

Циркуляционное неиспаряюшееся орошение (см. рис. 5.8,в). Этот вариант отвода тепла в концентрационной секции колонны в техно­логии нефтепереработки применяется исключительно широко не

только для регулирования температуры наверху, но и в средних се­чениях 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 выше­лежащую тарелку.

На современных установках перегонки нефти чаще применяют комбинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосфер­ной 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 циркуляционно­го 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 ректифика­ционных колоннах неэкономично, так как низкопотенциальное теп­ло верхнего погона малопригодно для регенерации теплообменом. Кроме 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 высоте колонны сверху вниз уменьшаются значения КПД тарелок, а также коэффициента относительной летучести и, следовательно, ухудшается разделительная способность нижних та­релок концентрационной секции колонны, в результате не достига­ется желаемая четкость разделения. При использовании циркуля­ционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти, выравниваются 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 (см. рис. 5.8, г) осуществляют 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 разделитель* ному действию кипятильник эквивалентен одной теоретической та­релке. 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 процесс 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 обеспе­чения сравнительно высокой температуры низа колонны, когда при­менение 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 таре­лок на экономические показатели процессов перегонки наибольшее влияние оказывают давление и температурный режим в колонне. Оба эти рабочие параметры тесно взаимосвязаны: нельзя оптимизиро­вать, например, только давление без учета требуемого температур­ного режима и наоборот.

При оптимизации технологических параметров колонн ректи­фикации целесообразно выбрать такие значения давления и темпе­ратуры, 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 хо­лодильников, конденсаторов, теплообменников и кипятильников;

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

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

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

а) атмосферные, работающие при давлении несколько выше ат­мосферного (0,1-0,2 МПа), применяемые при перегонке стабили­зированных 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, ста­билизации газовых бензинов, бензинов перегонки нефти и вторич­ных процессов и фракционировании нефтезаводских или попутных нефтяных газов.

Повышение или понижение давления в ректификационной ко­лонне сопровождается, как правило, соответствующим повышени­ем или понижением температурного режима. Так, для получения в качестве ректификата пропана требуемая температура верха колон­ны при давлениях 0,1 и 1,8 МПа составит соответственно - 42 и +55°С. Предпочтительность второго варианта ректификации очевидна, по­скольку повышенное давление позволяет использовать для конден­сации паров пропана воду, а не специальные хладоагенты и дорого­стоящие низкотемпературные системы охлаждения. Перегонка, на­пример, под вакуумом позволяет осуществить отбор без заметного разложения фракций нефти, выкипающих при температурах, пре­вышающих 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 точ­ками регулирования 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

выведенному совместным решением уравнения материального ба­ланса процесса однократного испарения

^хи^=еХ⁺(¹-^е')х₁' и уравнения равновесия фаз

^ i⁼ K_Pi^xi >

где x'_Fi, y'j 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;

K_pi - константа 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 (е' = 0) и стопроцентной мольной доле их отгона соответственно при давлениях в точках от­бора продуктов ректификации:

IK.X^I; (е'=0);

m,

Е¥_и/К„==1; (е'=1).

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 темпе­ратурой, поступающей на отпаривание жидкости. При подводе теп-

ла в низ колонны чгрез кипятильник температура кубовой жидко­сти должна быть на соответствующее число градусов выше темпера­туры поступающей жидкости.

5.2.5. 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», неприемлемы 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 (отпаривания) низкокипящих фракций нефти (по­падающих в остаток в условиях 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 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 жидко­сти, 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 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 остатка 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 низкокипящего компонента убывает в направлении сверху вниз. В этом же направлении 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 ректификации и испаряющееся действие водяного пара будут снижаться на каждой последующей тарелке. Следовательно, увеличивать количество отпарных тарелок и расход водяного пара целесообразно до определенных пределов. Наибольший эффект испаряющего влияния перегретого водяного пара проявляется при его расходе, равном 1,5-2,0 % масс, 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 % масс, на перегоняемое сырье.

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

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

- 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 других аппаратах;

- обводнение нефтепродуктов и необходимость их последующей сушки;

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

В этой связи в последние годы в мировой нефтепереработке про­является тенденция к существенному ограничению применения во­дяного пара и к переводу установок на технологию сухой перегонки.

5.2.6. Классификация ректификационных колонн и их контактных 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;

- 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 рас­пространение получили тарельчатые, а также насадочные ректифи­кационные 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 современны­ми конструкциями 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 смолистых или других отложе­ний; 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 ректификацион­ных, но и абсорбционных и экстракционных процессах разделения смесей. В соответствии с этой классификацией тарельчатые контак­тные устройства подразделяются:

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

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

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

' Противоточные тарелки характеризуются высокой производитель­ностью по жидкости, простотой конструкции и малой металлоемкос­тью. Основной их недостаток - низкая эффективность и увкий диапа­зон устойчивой работы, неравномерное распределение потоков по се­чению колонны, что существенно ограничивает их применение.

Прямоточные тарелки отличаются повышенной производитель­ностью, но умеренной эффективностью разделения и повышенным гидравлическим сопротивлением и трудоемкостью изготовления, предпочтительны для применения в процессах разделения под дав­лением.

К перекрестноточным типам тарелок, получившим в современ­ной технологии переработки нефти и газа преимущественное при­менение, относятся:

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

* С нерегулируемым, ** - регулируемым сечением контактирующих фаз. Рис. 5.9. Классификация контактных устройств массообменных процессов

пачковые fc круглыми, прямоугольными, шестигранными, S-образ-ными, желвбчатыми колпачками (рис. 5.10, а-д);

2) тарелки с регулируемым сечением следующих конструкций: клапанные с капсульными, дисковыми, пластинчатыми, дисковыми эжекционньши клапанами; клапанные с балластом; комбинирован­ные колпач^сово-клапанные (например, S-образные и ситчатые с кла­паном) (см. рис. 5.10, с-к) и др.

Р и с. 5.10. Типы некоторых колпачков и клапанов: колпачки: а - круглый; б - шестигранный; в - прямоугольный; г - желобчатый; д-в-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

Перекрестноточные тарелки характеризуются в целом (за исклю­чением ситчатых) наибольшей разделительной способностью, по­скольку 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 гидравлическое сопротивление, повышенную производительность, но более 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 старые 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 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 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 скорости газа клапан упирается в балласт и затем подни­мается вместе с ним. В результате балластная тарелка, по сравне­нию с чисто клапанной, значительно 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 сравнению с колпачко­выми, комбинированные колпачково-клапанные тарелки. Так, S-об-разная тарелка с клапаном работает следующим образом: при низ­ких скоростях газ (пар) барботирует преимущественно через проре­зи S-образных элементов и при достижении некоторой скорости газа включается в работу клапан. Такая двухстадийная работа тарелки

позволяет повысить производительность ректификационной колон­ны на 25-|-30% и сохранить высокую эффективность разделения в широком диапазоне рабочих нагрузок.

Перекрестно-прямоточные тарелки отличаются от перекрестно-точных тем, что в них энергия газа (пара) используется для органи­зации направленного движения жидкости по тарелке, тем самым устраняется поперечная неравномерность и обратное перемешива­ние жидкости на тарелке и в результате повышается производитель­ность 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 которых на ряде НПЗ стра­ны позволило улучшить технико-экономические показатели уста­новок перегонки нефти (см. рис. 5.10, к,л)*.

Эжекционная клапанная тарелка представляет собой полотно с отверстиями (0 90 мм) и переливными устройствами. В отверстия полотна тарелок устанавливаются клапаны, представляющие собой вогнутый диск (0110 мм) с просечными отверстиями (каналами) для эжекции жидкости, имеющий распределительный выступ для рав­номерного стока жидкости 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 одного клапана составляет всего 80-90 г (а капсульного с па­ровым пространством - 5-6 кг).

При минимальных нагрузках по парам клапаны работают в ди­намическом 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 эксплуа­тационные их достоинства: устойчивость и равномерность работы в широком диапазоне нагрузок без уноса жидкости; исключительно высокий КПД (= 80-100 %), высокая производительность, превыша­ющая на =20 % производительность колпачковых тарелок, и т.д.

♦Разработаны и внедрены на Ново-Уфимском НПЗ.

Сравнение эффективности некоторых конструкций тарельчатых контактных устройств приведено на рис. 5.11. Видно, что лучшими показателями по гидравлическому сопротивлению обладают тарел* ки ситчатые и S-образные с клапанами, а по КПД - клапанная бал­ластная и S-образная с клапаном.

Следует отметить, что универсальных конструкций тарелок, эф­фективно работающих «всегда и везде», не существует. При выборе конкретного типа тарелок из множества альтернативных вариантов следует отдать предпочтение той конструкции, основные (не обяза­тельно все) показатели эффективности которой в наибольшей степе­ни удовлетворяют требованиям, предъявляемым исходя из функцио­нального назначения ректификационных колонн. Так, в вакуумных колоннах предпочтительно применение контактных устройств, име­ющих как можно меньше гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны применяются преимущественно в малотон­нажных 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) пото­ков; 5) высокие химичес­кая стойкость и механи­ческая прочность и 6) низкая стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, посколь­ку некоторые из требова­ний противоречивы, на-

пример, 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 про­цесс. Однако насадки с высокой удельной поверхностью характери­зуются повышенным гидравлическим сопротивлением. В химической промышленности и нефтегазопереработке применяют разнообразные по форме и размерам насадки, изготавливаемые из различных мате­риалов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.) (рис.5.12).

Рис. 5.12. Типы насадок: кольца: а - Рашига; б - Лессинга; в - Палля; седла: г - Берля; д - «Инталлокс»; сетчатые и из перфорированного металлического листа: е - «Спрейпак»; ж - Зульцер; з - Гудлоу; и - складчатый кубик; к - Перформ-Грид

Основной недостаток нерегулярных (насыпных) насадок, огра­ничивающий их применение в крупнотоннажных производствах, -неравномерность распределения контактирующих потоков по сече­нию аппарата. Регулярные насадки, изготавливаемые из сетки, пер­форированного металлического листа, многослойных сеток и т.д., обеспечивают 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 1-2 мм рт.ст. (130-260 Па) на 1 теоретическую тарелку. По этому показателю они значительно превосходят любой из извест­ных типов тарельчатых 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 регулярных насадок и широкому приме­нению их в крупнотоннажных производствах, в том числе в таких процессах нефтепереработки, как вакуумная и глубоковакуумная перегонка мазутов. На НПЗ ряда развитых капиталистических стран вакуумные колонны установок перегонки нефти в настоящее время оснащены регулярными насадками, что позволяет обеспечить глу­бокий вакуум в колоннах и существенно увеличить отбор вакуумно­го газойля и достичь температуры конца кипения до 600 °С.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: