Общие сведения о перегонке и ректификации

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Общие сведения о перегонке и ректификации

1.2 Современные промышленные установки перегонки

1.2.1 Блок АТ установки ЭЛОУ-АВТ-6

1.2.2 Блок ВТ установки ЭЛОУ-АВТ-6

1.2.3 Блок стабилизации и вторичной перегонки бензина установки ЭЛОУ-АВТ-6

1.2.4 Вакуумная перегонка мазута в насадочных колоннах

1.3 Суть процесса ректификации

1.4 Аппаратура для ректификации

1.5 Назначение тарелок и насадок и критерии их сравнения

1.6 Принципиальное устройство тарельчатой колонны

1.7 Классификация и конструкции тарелок

1.7.1 Колпачковые тарелки

1.7.2 Клапанные тарелки

1.7.3 Ситчатые тарелки

1.7.4 Решетчатые тарелки

1.8 Способ проведения ректификации

3. Технологическая часть

2.1 Описание технологической схемы установки

2.2 Материальный баланс установки

2.3 Описание атмосферной колонны

2.4 Физические характеристики по высоте колонны

2.5 Доля отгона сырья на входе в колонну

2.6 Тепловой баланс колонны

2.7 Расчет внутренних материальных потоков

2.8 Диаметр колонны

2.9 Уточнение температур вывода боковых фракций

2.10 Расчет стриппинг-секций

2.11 Высота колонны

2.12 Диаметры штуцеров

2.12.1 Ввод сырья в колонну

2.12.2 Вывод легкого бензина

2.12.3 Ввод мазута

2.12.4 Ввод водяного пара

2.12.5 Вывод первого циркуляционного орошения

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Разделение смесей и очистка продуктов - типичные и широко распространенные задачи химической технологии. Для жидких и газообразных потоков (в последнем случае после ожижения путем конденсации) эти задачи во многих отраслях производства чаще всего решают методом ректификации. Широко различаются масштабы ректификационных установок - от крупнейших ректификационных колонн нефте- и газо-переработки до малых установок в производствах фармацевтических препаратов, реактивов и особо чистых веществ.

Ректификация осуществляется в простой аппаратуре без привода и движущихся частей. промышленный стабилизация бензин ректификация

Ректификация (от позднелатинского rectificatio - выпрямление, исправление), один из способов разделения жидких смесей, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При ректификации потоки пара и жидкости, перемещаются в противоположных направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах (ректификационных колоннах), причем часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость - менее летучими. При затрате того же количества тепла, что и при дистилляции, ректификация позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов.

Основные области промышленного применения ректификации - получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, получение окиси этилена, акрилонитрила, капролактама, алкилхлорсиланов - в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: цветной металлургии, коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленностях.

1. Литературный обзор

1.1 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 образующих 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 нефтеперегонки 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 остатку предыдущего процесса.

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

При перегонке с дефлегмацией образующиеся пары конденсирую 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 (тарелки 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 обогощается 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, для ректификации парового потока и называется концентрационной (укрепляющей), а другая - нижняя 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 - жидкий нижний 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 стриппингами. Последний вид колонн нашел широкое применение на установках первичной перегонки нефти. Аппараты классифицируют в зависимости от давления, технологического назначения и типа контактных устройств.

В зависимости от давления выделяют:

-атмосферные колонны (избыточное давление н/б 0,05 МПа), к этой группе относятся, например, колонны, предназначенные для получения топливных фракций путем перегонки нефти;

-вакуумные колонные, работающие при давлении ниже атмосферного для снижения температуры процесса и предотвращения разложения сырья (например, колонны вакуумной перегонки мазута);

- колонны, работающие под давлением (избыточное давление более 0,07 МПа); к этой группе можно отнести абсорберы (адсорберы), стабилизационные и газофракционирующие колонны.

В зависимости от типа внутренних контактных устройств колонны подразделяют, в основном, на тарельчатые и насадочные. В тарельчатых колоннах контакт между Ж и П (Г) фазами осуществляется на поверхности специальных контактных устройств - тарелок, а в насадочных колоннах контактирование осуществляется на поверхности специальных насадок и в пространстве между ними.

1.2 Современные промышленные установки перегонки нефти и газов

Технологические установки перегонки нефти предназначены для разделения нефти на фракции и последующей переработки или использования их как компоненты товарных нефтепродуктов. Они составляют основу всех НПЗ. На них вырабатываются практически все компоненты моторных топлив, смазочных масел, сырьё для вторичных процессов и для нефтехимических производств. От их работы зависят ассортимент и качество получаемых компонентов, и технико-экономические показатели последующих процессов переработки нефтяного сырья.

Процессы перегонки нефти осуществляют на так называемых атмосферных трубчатых (АТ) и вакуумных трубчатых (ВТ) или атмосферно-вакуумныхтрубчатых (АВТ) установках.

В зависимости от направления использования фракций установки перегонки нефти принято именовать топливными, масляными или топливно-маслеными и соответственно этому - варианты переработки нефти.

На установках АТ осуществляют неглубокую перегонку нефти с получением топливных (бензиновых, керосиновых, дизельных) фракций и мазута. Установки ВТ предназначены для перегонки мазута. Получаемые на них газойливые, масляные фракции и гудрон используют в качестве сырья процессов последующей (вторичной) переработки их с получением топлив, смазочных масел, кокса, битумов и других нефтепродуктов.

Современные процессы перегонки нефти являются комбинированными с процессами обезвоживания и обессоливания, вторичной перегонки и стабилизации бензиновой фракции: ЭЛОУ-АТ, ЭЛОУ-АВТ, ЭЛОУ-АВТ-вторичнаяперегонка и так далее.

Диапазон мощностей отечественных установок перегонки нефти широк - от 0,5 до 8 млн. т нефти в год. До 1950г. максимальная мощность наиболее распространенных установок АТ и АВТ составляла 500-600тыс. т /год нефти. В 1950-60-х гг. проектировались и строились установки мощностью 1; 1,5; 2 и 3 млн. т/год нефти. В 1967 г. ввели в эксплуатацию высокопроизводительную установку АВТ мощностью 6 млн. т/год.

Преимущества установок большой единичной мощности очевидны: высокая производительность труда и низкие капитальные и эксплуатационные затраты по сравнению с установками малой производительности.

Ещё более существенные экономические преимущества достигаются при комбинировании АТ и АВТ (или ЭЛОУ-АТ и ЭЛОУ-АВТ) с другими технологическими процессами, такими, как газофракционирование, гидроочистка топливных и газойливых фракций, каталитический риформинг, каталитический крекинг, очистка масляных фракций и т. д.

Надо отметить, что установки малой мощности подвергались модернизации с увеличением их мощности в 2-2,5 раза и более по сравнению с проектной.

Поскольку в эксплуатации находятся АТ и АВТ довоенного и последующих поколений, отечественные установки перегонки нефти характеризуются большим разнообразием схем перегонки, широким ассортиментом получаемых фракций. Даже при одинаковой производительности ректификационные колонны имеют разные размеры, неодинаковое число и типы тарелок; по разному решены схемы теплообмена, холодного, горячего и циркуляционного орошения, а также вакуумсоздающей системы.

1.2.1 Блок атмосферной перегонки нефти установки ЭЛОУ-АВТ-6

При выборе технологической схемы и режима атмосферной перегонки нефти руководствуются главным образом её фракционным составом и, прежде всего, содержанием в ней газов и бензиновых фракций.

Перегонку стабилизированных нефтей постоянного состава с небольшим количеством растворенных газов (до 1,2% по С₄ включительно), относительно невысоким содержанием бензина (12-15%) и выходом фракций до 350⁰ С не более 45% энергетически наиболее выгодно осуществлять на установках (блоках) АТ по схеме с однократным испарением, то есть с одной сложной ректификационной колонной с боковыми отпарными секциями. Установки такого типа широко на зарубежных НПЗ. Они просты и компактны, благодаря осуществлению совместного испарения легких и тяжелых фракций требуют минимальной температуры нагрева нефти для обеспечения заданной доли отгона, характеризуются низкими энергетическими затратами и металлоёмкостью. Основной их недостаток - меньшая технологическая гибкость и пониженный (на 2,5-3,0%) отбор светлых, по сравнению с двухколонной схемой, требуют более качественной подготовки нефти.

Для перегонки легких нефтей с высоким содержанием растворимых газов(1,5-2,2%) и бензиновых фракций (до20-30%) и фракций до 350⁰ С (50-60%) целесообразно применять атмосферную перегонку двухкратного испарения, то есть установки с предварительной отбензиневающей колонной и сложной ректификационной колонной с боковыми отпарными секциями для разделения частично отбензиненной нефти на топливные фракции и мазут. Двухколонные установки атмосферной перегонки нефти получили в отечественной нефтепереработке наибольшее распространение. Они обладают достаточной технологической гибкостью, универсальностью и способностью перерабатывать нефти различного фракционного состава, так как первая колонна, в которой отбирается 50-60% бензина от потенциала, выполняет функции стабилизатора, сглаживает колебания в фракционном составе нефти и обеспечивает стабильную работу основной ректификационной колонны. Применение отбензиневающей колонны позволяет также снизить давление на сырьевом насосе, предохранить частично сложную колонну от коррозии, разгрузить печь от легких фракций, тем самым несколько уменьшить требуемую тепловую её мощность.

Недостатками двухколонной АТ является более высокая температура нагрева отбензиненной нефти, необходимость поддержания температуры низа первой колонны горячей струей, на что требуются затраты дополнительной энергии. Кроме того, установка оборудована дополнительной аппаратурой: колонной, насосами, конденсаторами - холодильниками и т. д.

Блок атмосферной перегонки нефти высокопроизводительной, наиболее распространенной в нашей стране установки ЭЛОУ - АВТ - 6 функционирует по схеме двухкратного испарения и двухкратной ректификации (рис. 1.1).

Принципиальная схема блока атмосферной перегонки нефти установки ЭЛОУ-АВТ-6

Рис. 1.1

1-отбензинивающая колонна; 2 - атмосферная колонна; 3--отпарные колонны; 4--атмосферная печь; I - нефть с ЭЛОУ; II -легкий бензин; III - тяжелый бензин; IV - фракция 180-220 °С; V - фракция 220-280 °С; VI - фракция 280-350 °С; VII - мазут; VIII - газ; IX - водяной пар.

Обезвоженная и обессоленная на ЭЛОУ нефть дополнительно подогревается в теплообменниках и поступает на разделение в колонну частичного отбензиневания. Уходящие с верха этой колонны углеводородный газ и легкий бензин конденсируются и охлаждаются в аппаратах воздушного и водяного охлаждения и поступают в ёмкость орошения. Часть конденсата возвращается на верх первой колонны в качестве острого орошения. Отбензиненная нефть с низа первой колонны подается в трубчатую печь, где нагревается до требуемой температуры и поступает во вторую атмосферную колонну. Часть отбензиненной нефти из трубчатой печи возвращается в низ первой колонны в качестве горячей струи. С верха второй колонны отбирается тяжелый бензин, а сбоку через отпарные колонны выводятся топливные фракции 180 - 220 (230), 220 (230) - 280 и 280 - 350 С. Атмосферная колонна, кроме острого орошения, имеет 2 циркуляционных орошения, которыми отводится тепло ниже тарелок отбора фракций 180 - 220 и 220 - 280 С. В нижние части атмосферной и отпарных колонн подается перегретый водяной пар для отпарки легко кипящих фракций. С низа атмосферной колонны выводится мазут, который направляется на блок вакуумной перегонки.

Практикой эксплуатации промышленных установок АТ и АВТ были выявлены следующие недостатки этой схемы :

- не обеспечиваются проектные показатели по температуре подогрева нефти на входе в первую колонну (К-1), тем самым и по отбору легкого бензина в ней;

- способ регулирования температуры низа К-1 посредством горячей струи через печь требует повышения энергозатрат на циркуляцию отбензиненной нефти.

Для интенсификации работы К-1 на ряде НПЗ были переобвязаны теплообменники по сырью и теплоносителю с целью повышения температуры подогрева нефти на входе в К-1. На одном НПЗ (ЭЛОУ - АВТ ОАО “Орскнефтеоргсинтез”) энергосберегающая технология отбензиневания нефти, которая отличается от выше описанной схемы тем что, часть поступающей в К-1 исходной обессоленной нефти нагревается в конвекционной камере печи (атмосферной или вакуумной) до 180⁰ С (вместо 205⁰ С) и подается вторым потоком в секцию питания, а в низ К-1 в качестве испаряющего агента подается водяной пар.

1.2.2 Блок вакуумной перегонки мазута установки ЭЛОУ - АВТ - 6

Основное назначение установки (блока) вакуумной перегонки мазута топливного профиля - получение вакуумного газойля широкого фракционного состава (350-500єС), используемого как сырьё установок каталитического крекинга, гидрокрекинга или пиролиза и в некоторых случаях - термического крекинга с получением дистиллятного крекинг - остатка, направляемого далее на коксование с целью получения высококачественных нефтяных коксов.

О четкости разделения мазута обычно судят по фракционному составу и цвету вакуумного газойля. Последний показатель косвенно характеризует содержание смолисто - асфальтеновых веществ, то есть коксуемость и содержание металлов.

Металлы, особенно никель и ванадий, оказывают отрицательное влияние на активность, селективность и срок службы катализаторов процессов гидрооблагораживания и каталитической переработки газойлей. Поэтому при эксплуатации промышленных установок ВТ исключительно важно уменьшить унос жидкости (гудрона) в концентрационную секцию вакуумной колонны в виде брызг, пены, тумана и т. д. В этой связи вакуумные колонны по топливному варианту имеют при небольшом числе тарелок (или невысоком слое насадки) развитую питательную секцию: отбойники из сеток и промывные тарелки, где организуется рециркуляция затемненного продукта. Для предотвращения попадания металлоорганических соединений в вакуумный газойль иногда вводят в сырье в небольших количествах антипенную присадку типа силоксан.

В процессах вакуумной перегонки, помимо проблемы уноса жидкости, усиленное внимание уделяется обеспечению благоприятных условий для максимального отбора целевого продукта без заметного его разложения. Многолетним опытом эксплуатации промышленных установок ВТ установлено, что нагрев мазута в печи выше 420 - 425єС вызывает интенсивное образование газов разложения, закоксовывание и прогар труб печи, осмоление вакуумного газойля. При этом чем тяжелее нефть, тем более интенсивно идет газообразование и термодеструкция высокомолекулярных соединений сырья. Вследствие этого при нагреве мазута до максимально допустимой температуры уменьшают время его пребывания в печи, устраивая многопоточные змеевики (до четырех), применяют печи двустороннего облучения, в змеевик печи подают водяной пар и уменьшают длину трансферного трубопровода (между печью и вакуумной колонной). Для снижения температуры низа колонны организуют рецикл (квенчинг) частично охлажденного гудрона. С целью снижения давления на участке испарения печи концевые змеевики выполняют из труб большого диаметра и уменьшают перепад высоты между вводом мазута в колонну и выходом его из печи. В вакуумной колонне применяют ограниченное число тарелок с низким гидравлическим сопротивлением или насадку; используют вакуумсоздающие системы, обеспечивающие достаточно глубокий вакуум.

Количество тарелок в отгонной секции также должно быть ограничено, чтобы обеспечить малое время пребывания нагретого гудрона. С этой целью одновременно уменьшают диаметр куба колонн.

В процессах вакуумной перегонку мазута по топливному варианту преимущественно используют схему однократного испарения, применяя одну сложную ректификационную колонну с выводом дистиллятных фракций через отпарные колонны или без них. При использовании отпарных колонн по высоте основной вакуумной колонны организуют несколько циркуляционных орошений.

Принципиальная схема блока вакуумной перегонки мазута установки ЭЛОУ - АВТ - 6

Рис 1.2

1 - вакуумная колонна; 2 - вакуумная печь; 3 - пароэжекторный вакуумный насос; I - мазут из AT; II - легкий вакуумный газойль; Ш - вакуумный газойль; IV - затемненная фракция; V - гудрон; VI - водяной пар; VII - газы разложения; VIII -конденсат (вода и нефтепродукт).

Мазут, отбираемый с низа атмосферной колонны блока АТ, прокачивается параллельными потоками через печь 2 в вакуумную колонну 1. Смесь нефтяных и водяных паров, газы разложения (и воздух, засасываемый через неплотности) с верха вакуумной колонны поступают в вакуумсоздающую систему. После конденсации и охлаждения в конденсаторе - холодильнике она разделяется в газосепараторе на газовую и жидкую фазы. Газы отсасываются трехступенчатым пароэжекторным вакуумным насосом, а конденсаты поступают в отстойник для отделения нефтепродукта от водного конденсата. Верхним боковым погоном вакуумной колонны отбирают фракцию легкого вакуумного газойля (соляр). Часть его после охлаждения в теплообменниках возвращается на верх колонны в качестве верхнего циркуляционного орошения.

Вторым боковым погоном отбирают широкую газойлевую (масляную) фракцию. Часть ее после охлаждения используется как среднее циркуляционное орошение вакуумной колонны. Балансовое количество целевого продукта вакуумного газойля после теплообменников и холодильников выводится с установки и направляется на дальнейшую переработку.

С нижней тарелки концентрационной части колонны выводится затемненная фракция, часть которой используется как нижнее циркуляционное орошение, часть может выводиться с установки или использоваться как рецикл вместе с загрузкой вакуумной печи.

С низа вакуумной колонны отбирается гудрон и после охлаждения направляется на дальнейшую переработку. Часть гудрона после охлаждения в теплообменнике возвращается в низ колонны в качестве квенчинга. В низ вакуумной колонны и змеевик печи подается водяной пар.

1.2.3 Блок стабилизации и вторичной перегонки бензина установки ЭЛОУ-АВТ 6

Во фракциях легкого и тяжелого бензинов, отбираемых с верха соответственно отбензиневающей и атмосферной колонн, содержатся растворенные углеводородные газы (С - С₄). Поэтому прямогонные бензины должны подвергаться вначале стабилизации с выделением сухого (С₁ - С₂) и сжиженного (С₂ - С₄) газов и последующим их рациональным использованием.

Прямогонные бензины после предварительной стабилизации не могут быть использованы непосредственно как автомобильные бензины ввиду их низкой детонационной стойкости. Для регулирования пусковых свойств и упругости паров товарных автобензинов обычно используется только головная фракция бензина н. к. - 62 (85єС), которая обладает к тому же достаточно высокой детонационной стойкостью.

Для последующей переработки стабилизированные бензины подвергаются вторичной перегонки на фракции, направляемые как сырье процессов каталитического риформинга с целью получения высокооктанового компонента автобензинов или индивидуальных ароматических углеводородов - бензола, толуола и ксилолов. При производстве ароматических углеводородов исходный бензин разделяют на следующие фракции с температурными пределами выкипания: 62 - 85єС (бензольную), 85 - 105єС(120єС) (толуольную) и 105 (120) - 140єС (ксилольную). При топливном направлении переработки прямогонные бензины достаточно разделить на 2 фракции: н. к. - 85єС и 85 - 180єС.

Для стабилизации и вторичной перегонки прямогонных бензинов с получением сырья каталитического риформинга топливного направления применяют в основном двухколонные схемы, включающие колонну стабилизации и колонну вторичной перегонки бензина на фракции н. к. - 85 и 85 - 180єС. Как наиболее экономически выгодной схемой разделения стабилизированного бензина на узкие ароматикообразующие фракции признана последовательно - параллельная схема соединения колонн вторичной перегонки, как это принято в блоке стабилизации и вторичной перегонки установки ЭЛОУ - АВТ - 6. В соответствии с этой схемой прямогонный бензин после стабилизации разделяются сначала на 2 промежуточные фракции (н. к. - 105єС и 105 - 180єС), каждая из которых затем направляется на последующее разделение на узкие целевые фракции.

Нестабильный бензин из блока АТ после нагрева в теплообменнике поступает в колонну стабилизации (дебутанизатор) 1. С верха этой колонны отбирают сжиженные газы С₂ - С₄, которые проходят конденсатор - холодильник и поступают в газосепаратор. Часть конденсата возвращается в колонну 1 в качестве острого орошения, а балансовое количество выводится с установки. Подвод тепла в низ дебутанизатора осуществляется горячей струей подогретого в печи стабильного бензина. Из стабильного (дебутанизированного) бензина в колонне 2 отбирают фракцию С₅ - 105єС. Пары этой фракции конденсируют в аппарате воздушного охлаждения. Часть конденсата возвращают в колонну 2 в качестве острого орошения, а балансовую часть направляют в колонну 3. Кроме того, часть паров верха колонны 2 подают без конденсации в колонну 3. С верха колонны 3 отбирают фракцию С₅ - 62єС, с куба - 62 - 105єС, которая может выводиться с установки как целевая либо направляется в колонну 4 для разделения на фракции 62 -85єС (бензольную) и 85 - 105є (толуольную).

Остаток колонны 2 - фракцию 105 - 180єС - направляется на разделение в колонну 5 на фракции 105 - 140єС и 140 - 180єС.

Тепло в низ колонны 4 подводится через кипятильник, остальных колонн вторичной перегонки (2,3 и 5) - с горячей струей подогретого в печи кубового остатка этих колонн.

Расходные показатели установки ЭЛОУ - АВТ - 6 на 1 т перерабатываемой нефти: топливо жидкое - 33,4 кг; электроэнергия 10,4 кВт·ч; водяной пар (1,0Мпа) со стороны - 1,1 кг, собственной выработки - 48 кг

Принципиальная схема блока стабилизации и вторичной перегонки бензина установки ЭЛОУ-АВТ-6

Рис.1.3

1 - колонна стабилизации; 2-5 - колонны вторичной перегонки;

1- нестабильный бензин; II - фракция Cs-62°C; 111 - фракция б5-105°С;

V - фракция 62-85°С; V - фракция 85-105°С; Vl-фракция 105-140°С,

VII - фракция 140-180°С; VIII - сжиженная фракция С₂-С₄; IX - сухой газ (Ci-C₂); X - водяной пар

Особенности технологии вакуумной перегонки мазута по масляному варианту

Основное назначение процесса вакуумной перегонки мазута масляного профиля (ВТМ) - получение узких масляных фракций заданной вязкости, являющихся базовой основой для получения товарных масел путем последующей многоступенчатой очистки от нежелательных компонентов (смолистых, асфальтеновых соединений, полициклических ароматических углеводородов, твердых парафинов).

Многие показатели качества (вязкость, индекс вязкости, нагарообразующая способность, температура вспышки и др.) товарных масел, а также технико-экономические показатели процессов очистки масляного производства во многом предопределяются качеством исходных нефтей и их масляных фракций. Потому в процессах ВТМ, по сравнению с вакуумной перегонкой топливного профиля, предъявляются более строгие требования к четкости погоноразделения и выбору сырья. Наиболее массовым сырьем для производства масел в нашей стране являются смеси западно - сибирских (самотлорская, усть - балыкская, соснинская) нефтей. Для получения масел высокого качества из таких нефтей рекомендуется получать узкие 50 - градусные масляные фракции (350 - 400; 400 -450; и 450 - 500єС) с минимальным налеганием температур кипения смежных дистиллятов (не более 30 - 60єС). Для обеспечения требуемой четкости погоноразделения на ректификационных колоннах ВТМ устанавливают большее число тарелок (до 8 на каждый дистиллят), применяют отпарные секции; наряду с одноколонными широко применяют двухколонные схемы (двухкратного испарения по дистилляту) перегонки.

Следует отметить, что одноколонные ВТМ превосходят двухколонные по капитальным и эксплуатационным затратам, но уступают по четкости погоноразделения: обычно налегание температур кипения между смежными дистиллятами достигает 70 - 130єС. В то же время желаемое повышение четкости ректификации путем увеличения числа тарелок не достигается из - за снижения при этом глубины вакуума в секции питания колонны. При работе установки ВТМ по схеме рис. 5.17,а давление в секции питания колонны поддерживается порядка 13 -33 кПа при давлении вверху 6 - 10 кПа и температуре нагрева мазута не выше 420єС. В низ колонны подается 5 -10% водяного пара (на гудрон). При работе ВТМ по схеме рис.5.17,б необязательно иметь во второй колонне глубокий вакуум, больший эффект разделения в ней достигается увеличением общего числа тарелок. Температура нагрева мазута на входе в первую колонну 400 - 420єС и широкой масляной фракции во второй ступени вакуумной перегонки - 350 - 360єС.

1.2.4 Вакуумная (глубоковакуумная) перегонка мазута в насадочных колоннах

В последние годы в мировой нефтепереработке все более широкое распространение при вакуумной перегонке мазута получают насадочные контактные устройства регулярного типа, обладающие, по сравнению с тарельчатыми, наиболее важным преимуществом - весьма низким гидравлическим сопротивлением на единицу теоретической тарелки. Это достоинство регулярных насадок позволяет конструировать вакуумные ректификационные колонны, способные обеспечить либо более глубокий отбор газойлевых (масляных) фракций с температурой конца кипения вплоть до 600єС, либо при заданной глубине отбора существенно повысить четкость фракционирования масляных дистиллятов.

Применяемые в настоящее время высокопроизводительные вакуумные колонны с регулярными насадками по способу организации относительного движения контактирующихся потоков жидкости и пара можно подразделить на следующие 2 типа: противоточные и перекрестноточные.

Противоточные вакуумные колонны с регулярными насадками конструктивно мало отличаются от традиционных малотоннажных насадочных колонн: только вместо насадок насыпного типа устанавливаются блоки или модули из регулярной насадки и устройства для обеспечения равномерного распределения жидкостного орошения по сечению колонны.

В сложных колоннах число таких блоков (модулей) равно числу отбираемых фракций мазута.

На рис.1.4 представлена принципиальная конструкция вакуумной насадочной колонны противоточного типа фирмы Гримма (ФРГ).

Принципиальная схема вакуумной насадочной колонны противоточного типа

Рис.1.4

Она предназначена для глубоковакуумной перегонки мазута с отбором вакуумного газойля с температурой конца кипения до 550єС. отмечают следующие достоинства этого процесса:

- высокая производительность - до 4 млн. т / год по мазуту;

- возможность получения глубоковакуумного газойля с температурой конца кипения более 550єС с низкими коксуемостью (менее 0,3% масс. по Конрадсону) и содержанием металлов (V+10Ni+Na) менее 2,5 ppm;

- пониженная (на 10 - 15єС) температура нагрева мазута после печи;

- более чем в 2 раза снижение потери давления в колонне;

- существенное снижение расхода водяного пара;

На некоторых отечественных НПЗ внедрена и успешно функционирует принципиально новая высокоэффективная технология вакуумной перегонки мазута в перекрестноточных насадочных колоннах.

1.3 Суть процесса ректификации

Ректификация - это тепломассообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения. Процесс осуществляется при контактирование потоков пара и жидкости, имеющих разные составы и температуры: пар содержит больше высококипящих компонентов и имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость.

Организация потоков пара и жидкости, а также их взаимодействие реализуются в специальных массообменных аппаратах - ректификационных колоннах. Поток пара создается за счет подвода тепла в нижнюю часть колонны и испарения находящейся там жидкой смеси. Поток жидкости (орошения, флегмы) организуется за счет отвода тепла из верхней части колонны и конденсации поступающего туда пара. Взаимодействие потоков осуществляется в специальных контактных устройствах, размещенных по высоте колонны.

Полный процесс ректификации представляет собой многократно повторяющиеся по высоте колонны циклы испарения жидкости и конденсации ее паров (достижение равновесных состояний) в соответствующих «единицах переноса».

Для проведения заданного процесса ректификации исходной смеси можно рассчитать теоретическое значение числа ступеней контакта, в каждой из которых реализуется равновесное состояние фаз. В реальных условиях равновесие исходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться, потоки будут иметь разную температуру, а их составы не будут соответствовать условиям равновесия. При этом проведение заданного процесса ректификации потребуется большее число ступеней контакта, чем теоретическое.

Мерой совершенства контактного устройства с точки зрения организации тепломассообменного процесса является степень отличия состояний пара и жидкости после их взаимодействия с контактными устройствами от их возможного, теоретически достижимого, равновесного состояния при данной температуре. Эта степень отличия от теоретически достижимого состояния характеризуется коэффициентом полезного действия контактного устройства и в значительной степени определяет совершенство самой ректификационной колонны.

Средний коэффициент полезного действия контактного устройства определяется как отношение числа теоретических ступеней к фактическому числу ступеней в колонне.

Коэффициент полезного действия ступеней контакта зависит от большого числа факторов - скоростей потоков контактирующих фаз, физических свойств системы и так далее, однако, при прочих равных условиях, определенную роль играют скорости потоков относительно границы их раздела и площадь границы раздела. Чем ближе эти скорости к турбулентному течению и чем больше поверхность контакта, тем интенсивнее проходит процесс тепломассообмена и быстрее достигается равновесное состояние.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных устройств.

Согласно Рауля законам и закону Дальтона, в условиях термодинамического равновесия концентрация какого-либо i-го компонента в паре в Кi раз отличается от концентрации его в жидкости, причем коэффициент распределения Кi =N /р (где N - упругость насыщенного пара i-го компонента; р- общее давление). Отношение коэффициента распределения любых двух компонентов К₁ и К₂ называется относительной летучестью и обозначается б. Чем больше отличается от б единицы, те легче выполнить разделение этих компонентов с помощью ректификации. В ряде случаев удается увеличить б в результате введения в разделяемую смесь нового компонента (называемого разделяющим агентом), который образует с некоторыми компонентами системы азеотропную смесь. С этой же целью вводят растворитель, кипящий при значительно более высокой температуры, чем компоненты исходной смеси. Соответствующие процессы ректификации называются азеотропными или экстрактивными. Величина б зависит от давления: как правило, при понижении давления б возрастает. Ректификация при пониженных давлениях - вакуумная - особенно подходит для разделения термически нестойких веществ.

Низкотемпературная ректификация используется для разделения газов, широких по фракционному составу и содержащих легкие компоненты: метан, этан, азот, водород, этилен. Она заключается в конденсации газов и последующей ректификации полученного конденсата.

Для снижения энергозатрат конденсацию стремятся провести при возможно более высокой температуре, чему способствует повышение давления (до 3-4 МПа). Конденсацию проводят в несколько ступеней, разделяя конденсат после каждой ступени ректификацией. Несконденсировавшийся газ представляет собой азот, водород, гелий и метан.

Четкая ректификация предназначена для разделения близкокипящих углеводородов с целью получения индивидуальных компонентов, со степенью чистоты 95% и выше (до 99,99%). В зависимости от температуры и давления изменяется относительная летучесть компонентов смеси: она уменьшается при повышении общего давления и увеличении температуры. Поэтому для лучшего разделения необходимо понижать давление и температуру, но целесообразность этих мер зависит от экономических показателей процесса.

В промышленности для разделения близкокипящих компонентов газов используют аппараты с большим числом контактных устройств и высокой кратностью орошения. Такой метод и называют четкой ректификацией.

При получении компонентов высокой степени чистоты требуется большое число тарелок и увеличение кратности орошения.

Ректификация в присутствии третьего компонента. Разделение углеводородов, имеющих небольшую разность в температурах кипения (5-15^оС), а также компонентов с одинаковыми температурами кипения и азеотропных смесей, у которых коэффициент относительной летучести

близок или равен 1, не всегда экономично, а иногда просто невозможно. Для увеличения разности в давлении насыщенных паров разделяемых компонентов в них можно ввести третий компонент (растворитель или разделяющий агент). Он обладает различной растворяющей способностью по отношению к разделяемым компонентам, за счет чего изменяется их летучесть. В зависимости от летучести третьего компонента различают азеотропную и экстрактивную ректификацию.

При азеотропной ректификации летучесть третьего компонента сравнительно высока и он выводится вместе с верхним потоком колонны. В экстрактивной перегонке используют малолетучий компонент с высокой температурой кипения, который селективно поглощает определенный компонент выводится с ним с низа колонны. Извлечение поглощенного компонента и регенерацию растворителя проводят обычной ректификацией.

1.4 Аппаратура для ректификации

Выбор аппарата обусловлен условиями процесса, расходами жидкости и пара, давлением, температурой и наличием загрязнении. Высоту и диаметр колонных аппаратов определяют на основании технологических, тепловых и гидродинамических расчетов.

Аппараты, служащие для проведения ректификации - ректификационные колонны - состоят из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсации пара, - куба и дефлегматора. В промышленности для проведения процесса ректификации используется два типа колонн:

- тарельчатые, в которых контактные устройства выполнены в виде тарелей, расположенных на определенном расстоянии друг от друга;

- насадочные, в которых контактные устройства заполняют практически весь объем колонн.

Ректификационная колонна - это противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте реализуется процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой (жидкостью) и поднимающимся вверх паром. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном «обмене» теплом и отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза - более низкокипящим. Движущей «силой» этого обмена на границе двух фаз является стремление жидкой и паровой фазы к их равновесному состоянию. Равновесным состоянием фаз называется такое их сосуществование, при котором не происходит никаких видимых качественных или количественных изменений этих фаз. Равновесие фаз считается достигнутым только в том случае, когда одновременно удовлетворяются два условия: равны температуры фаз и равны парциальные давления каждого компонента в паровой и жидкой фазах. Второе условие означает, что процесс перехода через границу раздела фаз каждого компонента из жидкой фазы в паровую фазу, и наоборот, завершен, то есть составы жидкой и паровой фазы стабилизировались, а концентрации компонентов в отдельно взятой фазе одинаковы в каждой точке ее объема.

Равновесное состояние фаз быстро наступает на самой границе их раздела, а распространение измененной температуры и концентрации компонентов вглубь объема фаз зависит от местных скоростей пара и жидкости вблизи этой границы раздела. Эффективность тепломассообмена резко возрастает при увеличении относительной скорости фаз, то есть при увеличении их турбулентного перемещения. Для интенсификации процесса тепломассообмена используют контактные устройства различных конструкций.

В качестве материалов для изготовления колонн используют углеродную или легированную сталь. Диаметр колонн составляет от 400мм до 8-12 м. Высота колонны зависит от числа контактных устройств и расстояния между ними. Расстояние между тарелками зависит от диаметра. При диаметре до 0,8 м расстояние между тарелками 0,35м., при диаметре до 2 м - 400 мм, при диаметре до 4 м - 500 мм, свыше 4 м - 600 мм и более.

Для подвода тепла в колонну в куб устанавливают кипятильник. Кипятильники выполняют в виде змеевиков, либо в виде выносных теплообменников. Нижняя часть колонны - куб выполняется высотой 1 -1,5 м. Это необходимо для того, чтобы обеспечить запас продукта для испарения.

Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и роторные испарители).

Для разделения бинарных смесей обычно используется одна простая колонна с относительно небольшим числом контактных устройств (обычно не более десяти), для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей (нефть, широкие бензиновые фракции) требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую в нее смесь на соответствующие компоненты (фракции). Число контактных устройств в каждой из таких колонн может достигать нескольких десятков.

В зависимости от конструкции различают несколько типов тарелок: колпачковые, клапанные, из S-образных элементов, сетчатые, решетчатые.

1.5 Назначение тарелок и насадок

Процессы ректификации осуществляются в специальных колонных аппаратах, внутри этих аппаратов для обеспечения хорошего контакта между жидкостью и паром применят различные контактные устройства (тарелки, насадки). Эти устройства заставляют пар многократно барбатировать через жидкость, при этом увеличивается эффективность массоо и теплообмена. В соответствии со способом обеспечения контакта различают барботажные, тарельчатые, насадочные и распылительные колонна. Конструкции тарелок весьма разнообразны, часть из них стандартизирована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т.д.

Схема взаимодействия потоков до достижения «одноразового» равновесного состояния известна как «Теоретическая тарелка» (историческое название, связанное с конструкцией контактного устройства в виде тарелки), однако точнее суть процесса определяется терминами «теоретическая ступень контакта» или «единица переноса».

Назначение тарелок и насадок - развитие межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. Конструкции переливных тарелок бывают различные. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используют кольца, наружный диаметр которых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига и их различные модификации.

В тарельчатых контактных устройствах интенсификация процесса тепломассообмена между взаимодействующими жидкой и паровой фазами обеспечивается, в основном, за счет максимально возможного увеличения относительной скорости движения фаз. Предельная интенсивность процесса достигается при турбулизации двухфазной системы, однако, в традиционных конструкциях тарелок достичь турбулентного течения не удается из-за ограничений по скорости паровой фазы, обусловленных «захлебыванием» колонны и недопустимо высокими потерями давления в контактных устройствах.

Средний уровень КПД тарелок, применяемых в настоящее время, составляет 50-70%

Насадочные колонны приобретают все более широкое распространение в последние годы. Используемые в них насадки весьма разнообразны по конструкции и применяемому материалу. Насадочные контактные устройства имеют высокую эффективность, хорошие массовые характеристики, однако, как правил, с ростом диаметра колонны их эффективность резко падает, а некоторые типы насадков, например, спирально-призматические, теряют работоспособность уже при диаметре колонны 100 мм. Кроме того, они, как правило, дороже тарельчатых.

Поэтому насадочные колонны обычно используются в малотоннажном производстве, (исключение составляют насадки Зульцера, Спрейпак, складчатые сетчатые кубики, сохраняющие конкурентоспособность с тарелками и при больших диаметрах колонн).

В насадочных контактных устройствах, в отличие от тарельчатых контактных устройств, процесс тепломассообмена осуществляется не за счет организации интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз, а за счет увеличения поверхности границы раздела фаз. Для этого используются пористые, сетчатые и тому подобные материалы с большой удельной поверхностью. Например, у насадки Зульцер в 1 м³ объема площадь контакта (общая площадь насадки) достигает порядка 400…500 м2.

Как в насадочных, так и в тарельчатых колонных кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создается при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имею меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

1.6 Принципиальное устройство тарельчатой колонны. Основные элементы аппарата

Колонна для осуществления массообменных процессов (ректификация, абсорбция) - это вертикальный аппарат, высота которого значительно больше его диаметра (рис.1.5).

Общий вид тарельчатой колонны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.5

1 - опорная обечайка; 2,4 - днища; 3 - корпус; 5 - отбойное устройство; 6 - тарелки; 7 - устройство ввода сырья; 8 - люки для обслуживания; Ж - орошение; П - пары; КО - кубовый остаток.

Корпус колонны выполняют цельносварным, или в царговом исполнении (для колонн малого диаметра, работающих под давлением до 1,6 МПа). Корпус колонны закрыт эллиптическими или полусферическими (при диаметре колонны более 4м) днищами и жестко соединен с опорной обечайкой цилиндрической или конической (для колонн малого диаметра и большой высоты) формы. Опора снабжена фундаментным кольцом, которое необходимо для фиксации или крепления колонны к фундаменту.

Колонна снабжена штуцерами:

- для ввода сырья, для вывода получаемых продуктов (с верха колонны отводят паровой или газовый поток, из нижней части - жидкий продукт),

- для подачи орошения (при ректификации) или абсорбента (при абсорбции),

- для подачи потоков, необходимых для поддержания температуры куба колонны,

- вспомогательными штуцерами для установки предохранительных клапанов, приборов контроля за температурой, давлением, уровнем и т.п.,

- люками для монтажа внутренних устройств и их обслуживания.

Внутри колонного массообменного аппарата смонтированы устройства для ввода сырья, орошения (абсорбента), устройства для сепарции паро-(газо)-жидкостных потоков , контактные массообменные устройства (тарелки) различных конструкций; расстояние между тарелками зависит от типа тарелки и изменяется от 200 до 900 мм, а в месте установки люка для обслуживания это расстояние должно быть н/м 600 мм.

1.7 Классификация и конструкции тарелок

Тарелки классифицируют по различным признакам:

- по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку выделяют тарелки, работающие с переливными устройствами и тарелки без переточных устройств (провального типа); в первую группу можно отнести колпачковые, клананные, ситчатые тарелки и их разновидности, а во вторую - решетчатые, ситчатые волнистые, решетчатые с отогнутыми кромками щелей и др.;

-по характеру взаимодействия потоков П (Г) и Ж различают тарелки барботажного и струйного типов. В тарелках барботажного тапа сплошной фазой на тарелке является жидкость, а пар или газ барботирует через слой жидкости, двигаясь в вертикальном направлении перпендикулярно направлению движения жидкости; барботажный режим имеет место при относительно небольших скоростях движения П или Г. В тарелках струйного типа сплошной фазой на терелке становится П или Г, а дисперсной фазой является Ж; струйный режим реализуется при больших скоростя П (Г), когда направление парового (газового) потока совпадает с направлением движения жидкости на тарелке;

-в зависимости от конструкции устройства ввода П (Г) различают тарелки колпачковые, клапанные, ситчатые, язычковые, решетчатые и др. С использованием 1-го и 2-го классификационных признаков можно отметь, что первые 4 типа относятся к тарелкам, работающим с переливными устройствами, а 5 тип - к тарелкам провального типа; причем, колпачковые тарелки работают только в барботажном режиме, язычковые - только в струйном, а клапанные могут работать и в том и в другом режиме.

Рассмотрим конструкции тарелок, используя 3-й классификационный признак.

1.7.1 Колпачковые тарелки

В эту группу можно отнести тарелки с капсульными колпачками, с туннельными колпачками и тарелки, выполненные из S-образных элементов. Колпачковые тарелки используют в колоннах, работающих при любом давлении при небольших нагрузках по жидкости (до 40 м³ / м^{2 .} ч).

...