книги / Современные и перспективные термолитические процессы глубокой переработки нефтяного сырья

Рисунок 2.2 — Схема пилотной установки висбрекинга:

1,2 — емкости; 3 — печь; 4 — фильтр; 5 — регулятор давления; 6 — газосепаратор; 7 — холодильник; 8 — каплеотбойник; 9 — приемник крекинг-остатка; 1 0 — газовые печи; 11 — пусковое устройство; 12 — обводная линия с задвижками

Термопары

Рисунок 2.3 — Профиль температур продукта по длине змеевика пилотной установки висбрекинга (технологический режим: 2,5 л/ч; 2,0 МПа)

61

2.4.3. Пилотная установка замедленного коксования (ЗК)

Схема пилотной установки замедленного коксования показана на рис. 2.4. Сы­ рье с температурой 150 °С из емкости Е-1 поступает на насос Н-1 (РПН-2-100) (рис. 2.4), которым подается в предварительный подогреватель П-1 и нагревается

внем до 300 °С. При необходимости работы с применением рисайкловых фрак­ ций из емкости Е-2 газойль коксования насосом Н-2 (РПН-2-100) подкачивается

всырьевую линию печи П-2. Конденсат водяного пара из емкости Е-4 насосом Н-3 (РПН-2-500) прокачивается через пароперегреватель П-3, из него водяной пар при температуре 220 °С подается в сырьевую линию после П-1. Смесь сырья, рисайкла и турбулизатора направляется в реакционный змеевик печи П-2, где нагревается до 400 °С, а из него — в нижнюю часть реактора Р-1. В Р-1 и накапливается кокс,

апарогазовая фаза через клапан (ГСП), предназначенный для регулирования дав­ ления в системе, следует в конденсатор-холодильник Х-1, а затем в газосепаратор Е-6 . Газ коксования из Е- 6 поступает в каплеотбойник Е-7 и далее через газовый счетчик сбрасывается в атмосферу. Дистиллят коксования и конденсат водяного пара собираются в емкостях Е-3 и отстаиваются. Производительность установки по сырью 15 л/ч.

Рисунок 2.4 — Схема пилотной установки замедленного коксования:

Е-1 — сырьевые емкости; Е-3 — дистиллятные емкости; Е-2 — емкость для легкого нефтепродукта; Е-4 — емкость для воды; Е-5 — емкость сырья для циркуляции; Е-6 — газосепаратор; Е-7 — каплеотбойник; Ф - 1 - 3 — фильтры; П - 1 — предварительный подогреватель сырья; П - 2 — реакционная печь; П-3 — испаритель воды; Р-1 — коксовая камера; Н-1 — сырьевой насос; Н-2 — насос для циркуляции; Н-3 — турбулизаторный насос; Х-1 — конденсатор-холодильник; ГС — газовый счетчик

2.5. Исследования факторов закоксовывания печных труб на пилотных и промышленных установках ЗК, ТК и ВБ

После окончания подготовительных работ пилотные установки переводились на режим на дизельном топливе, из которого в условиях экспериментов кокс не

62

образовывался ни в змеевиках печей, ни в реакторе. Во время прогрева аппаратуры производительность циркуляционных насосов равна производительности соответ­ ствующих сырьевых насосов по заданию; скорость подъема температуры продукта составляла 100-120 °С /ч. В период циркуляции на УЗК налаживалась подача тре­ буемого количества турбулизатора. Давление в реакторах установок замедленного коксования и в печах установок термического крекинга поддерживалось регулято­ рами давления типа ПВ-10 и записывалось на операторном щите. Температура на выходе из печи регулировалась при помощи регулятора РН0-250-10, а в сырьевых емкостях — подачей определенного количества водяного пара в паровые рубашки или змеевики. В качестве критерия скорости отложения кокса в змеевиках печей принималось время, в течение которого пилотная установка при заданных условиях работала до закоксовывания змеевика (до достижения давления на выкиде сырье­ вых насосов 50 и 9 атм соответственно для установок термокрекинга и коксова­ ния). После окончания опытов аппараты установок продувались водяным паром. Определялся выход газа (по показаниям счетчиков) и дистиллята. На установках замедленного коксования кокс в реакторах пропаривался водяным паром (по схеме подачи турбулизатора), после чего охлаждался, затем выгружался и взвешивался. Коксовые отложения из печных змеевиков выжигались воздухом при температуре в алюминиевых блоках 550 °С. О полноте сгорания кокса судили по отсутствию двуокиси углерода в воздухе, выходящем из печи. Из-за низкой производитель­ ности пилотных установок и относительно большого диаметра печных змеевиков скорость потока в несколько десятков раз меньше, чем на промышленных установ­ ках. Поэтому при нагреве продукта при близких значениях давления и температу­ ры реакционные змеевики печей пилотных установок закоксовываются гораздо быстрее, чем в промышленных условиях. Однако, как показывают исследования, возможен относительный перенос результатов экспериментов с пилотных объектов на промышленные.

Проводились также специальные комплексные исследования непосредственно на промышленных установках ТК, ВБ и ЗК на ряде отечественных НПЗ: НовоУфимском (НУНПЗ), Ферганском (ФНПЗ), Надворнянском (ННПЗ) и Волгоград­ ском (ВНПЗ) с целью установления причин и места закоксовывания труб печей и модернизации их конструкций, тем самым удлинения межремонтного пробега установок.

При программировании исследований имелось в виду, что на интенсивность коксоотложения в трубчатых печах существенное влияние оказывают групповой хими­ ческий и фракционный состав сырья, температура, давление и продолжительность термолиза, коэффициент рециркуляции, гидродинамическая обстановка в трубах: линейные скорости и структура потока реакционной системы, профиль теплонапряженности в змеевиках печи, диаметр, длина и повороты труб и т. д.

2.5.1. Влияние давления и группового химического состава сырья

Ниже, в табл. 2.4, представлены результаты опытов по исследованию влияния

давления на длительность пробега пилотной установки ТК. Как видно, с повышени­ ем давления пробег установки при термолизе тяжелого сырья уменьшается, а при­ менительно к дистиллятному сырью — наоборот, увеличивается.

63

Противоположное влияние давления на скорость закоксовывания змеевиков при переработке сырья различного фракционного состава объясняется наличием дисперс­ но-кольцевой формы течения и переходом ее в дисперсную [39,40]. При переработке сырья утяжеленного фракционного состава снижение скорости коксоотложений при снижении давления объясняется уменьшением времени пребывания реакционной смеси за счет более интенсивного испарения. При переработке сырья облегченного фракционного состава при низком давлении большая его часть переходит в паровую фазу, а незначительное количество неиспарившейся жидкой фазы не обеспечивает должного теплосъема, что и приводит к быстрому закоксовыванию поверхности зме­ евика. При повышении давления интенсивность испарения снижается, жидкой фазы становится достаточно для обеспечения должного теплосъема, трубы не перегрева­ ются, а некоторое увеличение времени пребывания компенсируется более высокой термостабильностью дистиллятов по сравнению с остатками.

Влияние группового химического состава сырья на скорость коксоотложений иллюстрируется табл. 2.5. Из таблицы следует, что более ароматизированное сырье обеспечивает гораздо более длительную работу змеевика и добавка небольшого ко­ личества парафина, являющегося «высадителем» асфальтенов, резко увеличивает скорость отложения кокса на поверхности труб. Это указывает на то, что физико­ химические явления, протекающие в пристенном слое, обусловливаются составом сырья и его агрегативной устойчивостью.

65

4 4 0 - 3

2.5.2.Влияние теплопередачи и гидродинамического фактора

взмеевиках трубчатой печи установок замедленного коксования

Печь в процессе замедленного коксования часто называют «сердцем» установки. Межремонтный пробег установки прежде всего определяется длительностью работы печи, т. е. временем между операциями по удалению из змеевиков кокса, который в течение эксплуатации откладывается на внутренней поверхности труб и происхо­ дит постепенное закоксовывание (склероз), что и приводит к необходимости чистки труб. Длительность работы установки между операциями удаления кокса из печных змеевиков определяется многими факторами. Прежде всего, это качество исходного сырья, содержание механических примесей, особенно свободной щелочи, способа провода тепла, конструкции горелок и еще целым рядом факторов, чему посвящены многочисленные публикации. Гораздо менее изучено и значительно меньше пуб­ ликаций по влиянию на скорость закоксовывания реакционных змеевиков струк­ туры газожидкостного потока. При выборе диаметра труб используется постулат, что линейная скорость потока на входе в печь должна быть на уровне 1 ,8 - 2 , 0 м/с по жидкому продукту. Между тем прохождение сырья в трубах сопровождается его нагревом, химическими превращениями, испарением, изменением толщины при­ стенной пленки жидкости, срывом капель в ядро потока и обратным осаждением капель в пленку жидкости, что приводит к изменению структуры газожидкостного течения и как следствие интенсивности теплообмена по длине змеевика. Протека­ ние таких сложных физико-химических процессов конечно сказывается на скорости закоксовывания внутренней поверхности труб.

Нами были обработаны данные по работе печей УЗК за 20 лет их эксплуатации [40]. Результат оказался неожиданным — на всех без исключения печах наибольшей выбраковке (замене) подвергались выходные трубы. Казалось бы, на выходе из печей скорость потока наивысшая, время пребывания минимальное, но кокс откладывается именно в последних трубах, что при паровоздушном выжиге и приводит к их частой выбраковке. Для выяснения причины были проведены более детальные обследова­ ния печей. При подготовке к обследованию печи были оборудованы приборами для измерения давления по длине змеевика, температуры ядра потока поверхностными термопарами (около 100 штук по длине и окружности труб). По результатам обсле­ дования были рассчитаны профили падения давления в трубах, профили подъема температуры, состав продуктов на входе и выходе из реакционных змеевиков, рас­ считана величина коэффициента теплопередачи (рис. 2.5). Получен неожиданный результат — наименьшая величина коэффициента теплопередачи наблюдается на выходе из змеевиков, где имеют место наибольшие скорости газожидкостного по­ тока. Исследования были продолжены с целью экспериментального определения линейных скоростей и времени пребывания газожидкостного потока в змеевике. В качестве трассеров для жидкой фазы использовалось радиоактивное золото, для паровой — радиоактивный криптон. Результаты экспериментов показали, что время пребывания паровой и жидкой фаз одинаково.

Для анализа выявленных аномалий была разработана математическая модель на­ грева нефтяного сырья в трубчатом змеевике с подводом тепла (работа проводилась под руководством академика Российской академии наук Р. И. Нигматуллина) [40]. При разработке концепции модели было принято, что гидродинамика нагрева нефтя­

66

ного сырья в трубах реакционных змеевиков сопровождается физико-химическими процессами, протекающими в многокомпонентном двухфазном потоке в дисперсно­ кольцевом режиме течения, когда помимо фазовых переходов идут химические реак­ ции, полнота происхождения которых зависит не только от температуры, но и чисто физических эффектов — изменения давления и интенсивности испарения реагирую­ щей смеси; срыва и осаждения капель; формирования жидкой пленки; линейных скоростей пленки жидкости, капель и паровой фазы. Для расчета таких сложных яв­ лений требуются совместные решения полной системы уравнений масс, импульсов, энергий фаз, кинетики химических превращений и межфазных процессов.

На рис. 2.6 показана структура двухфазного потока в режиме дисперсно-кольце­ вого течения. Двухфазный поток представляет собой смесь 3 компонентов: пар — это водяной пар + газообразные продукты, образующиеся в процессе химических превра­ щений исходного сырья, пленка жидкости и капли жидкости. В жидких компонентах протекают химические реакции; возможны процессы массообмена, испарение пленки и капель, срыв капель с поверхности пленки и осаждение капель в пленку жидкости.

Расстояние от выхода из печи, м

Рисунок 2.5 — Изменение коэффициента теплопередачи по длине змеевиков УЗК: 1 — НУНПЗ; 2 — ВНПЗ; 3 — ННПЗ; 4 — ФНПЗ

Рисунок 2.6 — Структура двухфазного потока в режиме дисперсно-кольцевого течения: 1 — пар; 2 — пленка жидкости; 3 — капли жидкости

67

Исходное сырье (жидкая фаза) состоит из 3 компонентов — масел, смол и ас­ фальтенов, в результате химических превращений образуются газ и карбоиды (кокс). Ниже представлены схема химических превращений жидкости, уравнение сохране­ ния масс, импульсов и энергии.

Принята следующая схема химических превращений:

где А — масла, В — смолы, С — асфальтены, Д — карбоиды, Е — газообразные продукты, К. — скорости прямых и обратных реакций.

Система уравнений сохранения массы (тя.) для пара, пленки и капель:

где Fj— часть поперечного сечения канала, занятая j - й фазой; m v т2>тъ— массо­ вые расходы пара, жидкости и капель; J.. — интенсивности массопереноса компо­ нентов; z — длина змеевика от начала; Р — давление; £/. — линейные скорости; / 12 — сила трения на поверхности раздела газ — жидкая пленка; / — сила тре­ ния между пленкой и стенкой канала; Q — тепловой поток; р^.— плотность у-й фазы.

Совместное решение полной системы уравнений масс, импульсов, энергий фаз, кинетики химических превращений и межфазных процессов позволило получить расчетные профили давления, подъема температуры, количества жидкости в пленке и каплях, изменение количества пара по длине змеевика.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных (рис. 2.7-2.10) впол­ не удовлетворительное, и, таким образом, показана возможность проведения адек­ ватного численного эксперимента на основе предложенной модели для изучения процессов, протекающих в реакционных змеевиках печей установок замедленного коксования.

68

ON vO

Расчеты показывают наличие кризиса теплообмена второго рода [56], характе­ ризуемого уменьшением до 0 жидкой пленки из-за испарения, срывом пленки из-за высоких линейных скоростей на уровне 30 м/с и резким снижением коэффициента теплопередачи (рис. 2 .1 0 ), что и обусловливает пережог выходных труб из-за повы­ шения температуры металла внутренней поверхности и осаждения капель жидкости на горячую поверхность с закоксовыванием труб. Одинаковое время пребывания па­ ровой и жидкой фаз объясняется наличием интенсивного массообмена за счет срыва и осаждения капель на стенках труб, при этом подавляющая часть жидкости в виде капель движется в основном ядре потока и имеет одинаковую скорость с паровой фазой.

Существует еще одна форма кризиса теплоотдачи, когда тепловой поток, под­ водимый к поверхности, находящейся в контакте с жидкостью, становится столь большим, что возникают условия, при которых непрерывный контакт между жид­ костью и теплопередающей поверхностью нарушается и коэффициент теплоотдачи уменьшается вследствие образования «паровой подушки» между жидкостью и по­ верхностью, через которую подводится тепло. Такое явление называют кризисом теплопередачи «первого» рода. Кризис теплообмена «первого» рода возможен при наличии локальных перегревов труб печей.

Таким образом, для уменьшения скорости закоксовывания змеевиков и продле­ ния межремонтных пробегов необходимо организовать такой режим работы печи, чтобы исключить возникновения кризисов теплообмена в змеевиках. Этого можно достичь различными путями — оптимизацией количества подаваемого турбулизатора, увеличением диаметра выходных участков змеевика, оптимизацией подвода тепла к поверхности печных труб и т. д. Конечно, уровень технологии постоянно совершенствуется, и современные печи обеспечивают безостановочный пробег ус­ тановок до двух-трех лет за счет организации удаления кокса без остановки всей установки.

2.5.3. Влияние коэффициента рециркуляции

Рециркуляция продуктов термолиза играет важную роль в технологии производ­ ства кокса игольчатой структуры. Причем этот показатель очень важен как в процессе коксования, когда установки по производству кокса игольчатой структуры работают с коэффициентами рециркуляции 1 0 0 % и более, так и при подготовке сырья для процесса коксования на установках термического крекинга. Это связано, прежде всего, с обеспечением оптимальной структуры кокса, а также с необходимостью обеспечения максимального выхода на исходное сырье, так как в качестве сырья используются дефицитные дистиллятные продукты.

При исследованиях в качестве исходного сырья применяли вакуумный газойль, полученный при переработке сернистых нефтей Западной Сибири. Характеристика газойля приведена в табл. 2 .6 .

При проведении опытов поддерживались следующие технологические парамет­ ры работы пилотной установки ТК:

—производительность по сырью и смеси сырья с рециркулятом 3,5 л/ч;

—давление на выходе из змеевика печи 3,5 МПа;

—температура продукта на выходе из печи 500 °С.

70