Технология переработки нефти и газа. Часть 1. Первичная переработка не
.pdf
рения, должны быть подвергнуты концентрированию по низкокипя- щим и высококипящим углеводородам. Эта цель достигается ректи- фикацией паровой и жидкой фаз. Сущность процесса ректификации состоит в многократном контактировании встречных потоков паров и жидкости, каждый акт такого контакта сопровождается парциаль- ной конденсацией паров и парциальным испарением жидкости. При этом пары обогащаются низкокипящими компонентами, а жидкость – высококипящими. Схема ректификации нефти на две фракции пока- зана на рис. 6.7.
В случае необходимости перегонки нефти на n фракций должно быть использовано n – 1 ректификационных колонн (рис. 6.8).
Рис. 6.7. Схема ректификации нефти на две фракции:
1 – нагреватель; 2 – испаритель; 3 – укрепляющая (верхняя) часть колонны; 4 – отгонная (нижняя) часть колонны; 5 – конденсатор; 6 – сепаратор.
I – сырье; II – парожидкостная смесь; III – остаток; IV – углеводородный газ;
V – дистиллят; VI – водяной пар; VII – орошение
211
Рис. 6.8. Схема ректификации многокомпонентных смесей:
1, 2, 3 – ректификационные колонны 1-й, 2-й и 3-й ступени; 4 – сложная колонна; 5 – печь; 6 – полный конденсатор; 7 – приемник конденсата; 8 – насос;
9– теплообменник;10 – парциальный конденсатор; 11 – отпарная колонна. I – нефть; II – бензин; III – керосин; IV – дизельное топливо; V – мазут; VI – углеводородный газ; VII – водяной пар
212
По варианту, представленному на рис. 6.8, а, колонны работают последовательно по остатку. Остаток дистилляции выводится в этом случае с низа последней колонны. Рис. 6.8, б представляет развитие перегонки за счет многоступенчатой ректификации паровой фазы нефти. В этом случае наиболее тяжелый остаток выводится снизу первой колонны.
Вариант на рис. 6.8, в – осуществление ректификации в одной сложной колонне с отпарными секциями. В этом случае укрепляю- щие (верхние) части колонн 2 и 3 как бы поставлены на колонну 1, а отгонные (нижние) части колонн 2 и 3 вынесены в виде отдельных отпарных колонн 11. Такое устройство позволяет упростить схему разделения и иметь одну сложную колонну вместо трех простых.
Для перегонки нефтяных фракций, выкипающих при температу- ре выше 350 °С, используют перегонку при низком остаточном дав- лении в вакуумной колонне (рис. 6.9).
6.8. Установка прямой перегонки нефти
Установки прямой перегонки нефти получили название трубча- тых. В зависимости от используемого давления они бывают атмо-
сферные (АТ), вакуумные (ВТ) или комбинированные (установка АВТ).
В случае комбинирования последних с установкой ЭЛОУ установку называют ЭЛОУ-АВТ.
Рассмотрим схему такой комбинированной установки ЭЛОУ- АВТ (рис. 6.10). Установка включает 4 блока: ЭЛОУ, АТ, ВТ и бло- ки стабилизации и вторичной перегонки бензинов (ВТБ) (для полу- чения узких бензиновых фракций – сырья риформинга и изомериза- ции). Мощности действующих сейчас установок АВТ колеблются от 0,5 до 10 млн т/год. Начиная с 60-х годов XX века в мире нача- лось массовое строительство установок ЭЛОУ-АВТ мощностью 3, 6 и 8 млн т/год. Самая большая установка АВТ мощностью 11 млн т/год была пущена в Антверпене (Бельгия). В эти же годы в США были построены две установки мощностью 10,5 млн т/год. В последующие годы строились установки 6–8 млн т/год.
213
Рис. 6.9. Схема вакуумной колонны:
1 – атмосферная колонна; 2 – вакуумная колонна; 3 – печь; 4 – отпарная колонна; 5 – сепаратор; 6 – вакуумный приемник; 7 – вакуумсоздающая система;
8 – конденсатор; 9 – теплообменник.
I – мазут; II – легкая газойлевая фракция (до 360 °С); III, IV – 1 и 2 боковые дис- тилляты (350–420 и 420–500 °С); V – гудрон (свыше 500 °С); VI – углеводородные и др. газы; VII – верхнее циркуляционое орошение; VIII – водяной пар;
IX – конденсат водяного пара
На современном НПЗ установки АВТ являются головными во всей цепи переработки нефти и определяют мощность завода в целом.
Общее число дистиллятов, выделяемых из нефти на установках АВТ, колеблется от 7 до 10.
214
215
Рис. 6.10. Принципиальная технологическая схема ЭЛОУ-АВТ:
1 – резервуар с нефтью; 2 – электродегидраторы; 3, 4, 5 – отбензинивающая, атмосферная и вакуумная колонны; 6, 7 – колонны стабилизации и вторичной перегонки; 8 – печь.
I – нефть; II, III – углеводородный газ низкого и высокого давления; IV – сжиженный газ; V – головка бензина (С3–85 °С); VI – бензиновая фракция (85–180 °С); VII – нестабильный бензин; VIII – отбензиненная нефть; IX – тяжёлый компонент бензина (100–180 °С); X – керосин (140–240 °С); XI – дизельное топливо (200–350 °С); XII – мазут; XIII – смесь неконден- сируемых газов; XIV – лёгкая газойлевая фракция (до 300 °С); XV – лёгкий вакуумный газойль (280–360 °С);
XVI – вакуумный газойль (350–500 °С); XVII – гудрон (выше 500 °С); XVIII, XIX,
XX – верхнее и промежуточные циркуляционные орошения; XXI – водяной пар; XXII – вода
6.9. Интенсификация процесса прямой перегонки нефти
Интенсификация прямой перегонки нефти направлена, прежде всего, на повышение отбора дистиллятных фракций (суммы светлых в блоке AT и вакуумных дистиллятов – на ВТ), а также на обеспече- ние четкости ректификации, т.е. уменьшение наложения температур конца кипения предыдущей и начала кипения последующей фракции.
Для реализации этих задач в последние годы в ректификацион- ных колоннах все шире используются новые, более эффективные контактные устройства – регулярные насадки, а также нерегулярные разделительные устройства – каскадные мини-кольца. Эти устройства позволяют повысить эффективность разделения сложных углеводо- родных смесей, пропускную способность действующих тарельчатых колонн, уменьшить их гидравлическое сопротивление (перепад дав- ления) на одну теоретическую ступень разделения, улучшить качест- во отбираемых погонов. На обычных тарелках пары барботируют че- рез слой жидкости. Насадка же позволяет интенсифицировать тепло- и массообмен за счет непрерывного поверхностного взаимодействия пленки стекающей жидкости и поднимающихся паров, уменьшить унос капель жидкости парами.
Область применения насадок – от вакуумных колонн до колонн, работающих при избыточном давлении 1,2 МПа при разделении газо- образных углеводородных смесей.
Примеры повышения эффективности разделения нефти в атмо- сферной колонне при использовании насадки приведены на рис. 6.11.
В колонне, оборудованной клапанными тарелками, измеренное по методу ASTM наложение температур выкипания 95 об. % легкой дизельной (ЛД) и 5 об. % тяжелой дизельной (ТД) фракции (∆ t5д-95 )
составило 19 °С (табл. 6.1). Общий выход газойлевой (дизельной) фракции – около 20 % на нефть.
216
Рис. 6.11. Кривые разгонки продуктов, полученных: а – в обычной тарельчатой, б – насадочной колонне;
I – легкая дизельная фракция; II – тяжелая дизельная фракция; III – мазут
Таблица 6.1
Характеристика газойлевых фракций, полученных при работе колонн, оснащенных насадками mellapak
Показатели |
Вариант а |
Вариант б |
Температура, °С: |
|
|
выкипания 95 об. % ЛД |
337 |
316 |
выкипания 5 об. % ТД |
318 |
306 |
к.к. ТД |
420 |
400 |
Наложение, ∆tд5-95, °С |
19 |
10 |
Температура застывания, °С: |
–5 |
–8 |
ЛД |
||
ТД |
+20 |
+10 |
Переоснащение колонны насадкой mellapak позволяет при неиз- менном выходе улучшить качество газойлевых фракций за счет сни- жения температурного налегания фракций боковых погонов ∆ t5д-95 с 19
до 10 °С. Температура застывания легкой и тяжелой дизельной фрак- ции снижается с минус 5 до минус 8 °С и с 20 до 10 °С соответственно (по сравнению с исходным вариантом без насадки). В то же время ис- пользование насадки позволяет при неизменном качестве повысить суммарный выход дизельных фракций на 2 % за счет снижения выхода остатка вследствие меньшего давления в сечении отбора фракции. Та-
217
кое улучшение показателей процесса обусловлено повышением эф- фективности ректификации и уменьшением уноса легких фракций с остатком.
Переоснащение промывной секции колонны максимально уве- личивает ее технологическую гибкость и позволяет улучшить качест- во и повысить выход продукта.
При использовании насадки mellapak в вакуумной колонне, ра- ботающей по топливному варианту с получением широкой фракции тяжелого вакуумного газойля – сырья каталитического крекинга, в значительной степени снижается перепад давления в колонне. Вследствие этого давление в зоне испарения уменьшается с 8,7 кПа (65 мм рт. ст.) до 6,7 кПа (50 мм рт. ст.). Выход легкого газойля, ос- тавшегося в мазуте после атмосферной перегонки нефти, увеличива- ется с 3 до 4 % (по отношению к питанию колонны).
Кроме того, благодаря насадке улучшается разделение на легкий и тяжелый газойли.
Усовершенствованное устройство промывной секции позволяет уменьшить содержание металлов и коксуемость по Конрадсону в га- зойле при минимальном расходе промывочной жидкости.
Проведенная на ряде отечественных НПЗ реконструкция с заме- ной тарелок на новые, более эффективные контактные устройства по- зволила повысить четкость разделения нефти на фракции, качество отбираемых фракций, т.е. степень подготовки сырья для последую- щих процессов переработки на НПЗ как топливного, так и масляного профиля.
При использовании насадок увеличивается общая искривленная поверхность стекающей жидкости в тонком слое, в результате чего возрастает эффективность испарения этой жидкости и взаимодейст- вие с парами.
Другим способом интенсификации процесса прямой перегонки нефти является использование принципа регулирования коллоидно- дисперсного состояния сырья и фазовых переходов путем соответст- вующего воздействия на сырье – нефть и мазут, которые представляют собой не молекулярные растворы, а дисперсные системы. К таким воз-
218
действиям относятся оптимальное компаундирование нефтей и нефтя- ных остатков разной химической природы, введение активирующих добавок, ПАВ, применение ультразвука, магнитного поля и др.
Согласно теоретическим представлениям образование новой фа- зы в фазовом переходе жидкость–пар на плоской и искривленной по- верхности происходит по-разному. Уравнение Кельвина-Томсона связывает парциальное давление над плоской и искривленной по- верхностью, в частности, с радиусом капли (r), характеризующим степень кривизны (чем меньше r, тем больше кривизна поверхности):
|
|
|
RT ln |
pr |
= |
2σ |
V |
|
, |
(6.13) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
p0 |
|
r |
|
|||
где R – |
универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К); |
|
||||||||
Т – |
абсолютная температура, К; |
|
||||||||
рr и р0 – |
парциальное давление паров над каплей радиусом r и пло- |
|||||||||
|
|
|
ской поверхностью соответственно; |
|
||||||
σ – |
поверхностное натяжение, Н/м; |
|
||||||||
|
|
|
парциальный молярный объем, м3/моль; |
|
||||||
V – |
|
|||||||||
r – |
радиус капли, м. |
|
|
|
|
|
|
|||
Согласно этому уравнению чем меньше радиус капли, тем выше |
||||||||||
давление |
паров над ней (по сравнению с плоской поверхностью) |
|||||||||
и тем легче происходит испарение. |
|
|
|
|
|
|
||||
При нагреве жидкости образование новой фазы в виде пузырь- ков пара происходит как в объеме жидкости, так и на поверхности на- гревателя. На величину диаметра пузырьков пара, отрывающихся от поверхности нагревателя, влияет состав смеси, который, в свою очередь, воздействует на распределение компонентов между сосуще- ствующими фазами и поверхностным слоем.
На базе исследований атмосферно-вакуумной перегонки было установлено, что смешение нефтей разного основания (парафинистой и ароматизованной смолистой) в оптимальном соотношении позволя- ет повысить степень дисперсности системы (по сравнению с исход- ными компонентами) и при этом обеспечить повышение отбора свет- лых фракций, по сравнению с расчетным отбором (по правилу адди-
219
тивности). Так, для оптимальной смеси ухтинской и западносибир- ской нефтей в соотношении 30 : 70 выход фракций до 350 °С при ат- мосферной перегонке выше расчетного на 3–3,5 %, а в соотношении 50 : 50 – напротив, ниже расчетного на 2–2,5 %. То же относится и к вакуумной перегонке остатков выше 350 °С, полученных из ука- занных нефтей. Увеличение выхода паровой фазы в активированном сырье (при оптимальном соотношении компонентов) происходит за счет снижения работы образования пузырьков пара вследствие уменьшения межфазного поверхностного натяжения. По тем же при- чинам должна снизиться энергия активации молекул для преодоления граничного потенциального барьера. Было предложено оценивать энергию межмолекулярного взаимодействия в граничном слое по эн- тальпии фазового перехода (∆Hф.н), рассчитанной по результатам термогравиметрических исследований.
Известно, что в последние годы в совместную переработку с нефтью вовлекают газоконденсаты. Создание устойчивых к рас- слоению нефтяных и нефтегазоконденсатных смесей благоприятно влияет не только на их перекачку и хранение, но и на перегонку.
Таким образом, смешением компонентов, различающихся хими- ческим и фракционным составом, а также физико-химическими свой- ствами, можно изменить баланс сил межмолекулярного взаимодейст- вия, диспергировать систему, что является необходимым условием облегчения процесса образования новой паровой фазы.
Интенсифицировать прямую перегонку нефти можно и путем введения в сырье активирующих добавок – концентратов ароматиче- ских углеводородов, отходов химической и нефтехимической про- мышленности, присадок, деэмульгаторов. Все эти добавки обладают поверхностно-активными свойствами. Наибольшей активностью в качестве добавок к сырью перегонки (нефти, мазуту) обладают де- эмульгаторы, используемые в процессе обезвоживания и обессолива- ния нефти. Эти добавки уже при малых концентрациях, сопостави- мых с их концентрацией на ЭЛОУ, повышают кинетическую устой- чивость (фактор устойчивости Фа повышается) нефтяной системы и отбор дистиллятных фракций, а также изменяют соотношение их выходов в зависимости от концентрации добавки (табл. 6.2).
220