Теоретические процессы перегонки и ректификации нефти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Нефть представляет собой сложную жидкую смесь близкокипящих углеводородов и высокомолекулярных соединений с гетероатомами кислорода, серы, азота и некоторых металлов. В нефти содержатся также в небольших концентрациях неуглеводородные соединения, органические кислоты и некоторые другие вещества.

При разделении нефти перегонкой и ректификацией получают фракции или дистилляты, выкипающие в определенном интервале температур и представляющие собой также достаточно сложные смеси. В то же время отдельные фракции нефти могут состоять из сравнительно небольшого числа компонентов, заметно различающихся температурами кипения. В связи с этим нефтяные смеси классифицируют на непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные.

Непрерывная смесь - это непрерывнокипящая смесь, состоящая практически из бесконечно большого числа близкокипящих компонентов, физико-химические свойства которой трудно определить на основе её состав и свойств чистых компонентов.

Дискретная смесь - это смесь, состоящая из сравнительно небольшого числа компонентов.

Дискретно-непрерывные смеси - представляют собой сочетание дискретной легкокипящей части смеси с непрерывной высококипящей частью.

Перегонка и ректификация нефтяных смесей предназначена для разделения нефти на широкие или узкие фракции, для разделения широких нефтяных фракций на узкие или для выделения из нефтяных фракций практически чистых индивидуальных компонентов.

Получение нескольких узких фракций из исходной смеси производиться с помощью последовательно работающих простых колонн, соединенных между собой прямыми или прямыми и обратными паровыми и жидкостными потоками.

Технологические схемы установок должны обеспечивать переработку исходной смеси с получением заданных продуктов при возможных колебаниях или изменениях в составе и расходе сырья, а также ассортименте продуктов. Для условной нефтепереработки последнее обстоятельство очень важно, так как на переработку поступает обычно смесь различных нефтей, расход и состав которой в течение года может сильно меняться.

При выборе оптимальной технологической схемы разделения рассматривают также возможность и целесообразность комбинирования нескольких технологических процессов в одной установке или в одном блоке.

Таким образом, современные разделительные установки должны быть не только высокопроизводительными и экономическими, но и обладать большой технологической гибкостью, т. е. возможностью перерабатывать сырье с получением разных продуктов.

При выборе основных параметров разделения (P и t) исходят в первую очередь из экономичных условий разделения: давление и температура колонн вверху должны быть такими, чтобы верхний продукт можно было сконденсировать водой, воздухом или имеющимся на установке недорогим хладоагентом (обычно пропаном). В то же время температура должна быть достаточно низкой с тем, чтобы нижний продукт можно было испарять с помощью имеющихся средств подогрева. При перегонке нефти и мазута необходимо также следить за тем, чтобы максимальная температура нагрева была не выше температуры термического разложения продуктов и чтобы она была не выше критической температуры нижнего продукта. При разделении нефти и широких нефтяных фракций лучше поддерживать как можно меньшее давление, близкое к атмосферному, с тем, чтобы обеспечить наиболее высокую эффективность разделения смеси. При разделении легких углеводородных газов, обладающих высокой летучестью, часто используют пониженное давление, охлаждая верх колонны специальными хладагентами.

На нефтеперерабатывающих заводах в настоящее время вырабатывают широкий ассортимент топлив, масел, полупродуктов и продуктов для нефтехимии. В производстве топлив заводы ориентируются на выпуск главным образом высокооктановых бензинов АИ-93, дизельного топлива с содержанием серы не выше 0,2 %, реактивного топлива с ограниченным содержанием ароматических углеводородов (не более 12 % для некоторых сортов керосина) и малосернистого котельного топлива. Масла будут выпускаться с высоким индексом вязкости, высоковязкие и маловязкие, стойкие против нагарообразования и обладающие целым рядом других ценных эксплуатационных свойств, которые им придают специальные композиции в виде различных присадок.

В связи с этим в современной технологии переработки нефти первичная перегонка нефти используется в основном для получения сырья для последующих процессов, и поэтому широко применяются процессы вторичной обработки дистиллятов для последующего облагораживания этих фракций: газоразделение, вторичная перегонка бензинов, стабилизация топливных фракций, разделение продуктов реакций и т.д.

1. Перегонка

Перегонка - это процесс разделения жидких и газообразных смесей на фракции, обогащенные высоко- и низколетучими компонентами. Различают простую и сложную перегонки.

Простая перегонка жидких смесей осуществляется путем постепенного или однократного их испарения, а простая перегонка паровых смесей - путем постепенной или однократной их конденсации. При постепенной перегонке жидких смесей они постепенно нагреваются от начальной температуры до конечной с непрерывным отводом из системы образующихся паров. При однократной перегонке жидкость нагревается до заданной температуры, при которой паровая фаза однократно отделяется от жидкости.

При многократной перегонке жидких смесей остаток однократного испарения предыдущего процесса нагревается до более высокой температуры, после чего паровая фаза однократно отделяется от жидкости, то есть многократная перегонка состоит из повторения процесса однократной перегонки по отношению к остатку предыдущего процесса. Аналогичным образом организуется процесс многократной перегонки паровых смесей.

На практике постепенная перегонка реализуется обычно как периодический процесс, а однократная и многократная перегонки - в виде непрерывных процессов разделения.

Сложная перегонка - это перегонка с дефлегмацией, когда образующиеся при перегонке пары конденсируют и в виде флегмы подают навстречу потока пара. В результате тепло-массообмена между паром и флегмой пары дополнительно обогащаются низкокипящими компонентами.

Постепенную перегонку с дефлегмацией называют периодической ректификацией, а однократную и многократную перегонки с дефлегмацией - непрерывной ректификацией.

В настоящее время в технологии нефтегазопереработки для процессов однократной перегонки и ректификации нефтяных смесей используется обобщенное их наименование: первичная перегонка нефти, перегонка мазута, вторичная перегонка бензинов и т.д.

В начальный период развития нефтяной промышленности разделение нефти на фракции осуществлялось простой перегонкой и главным образом в кубах периодического действия. В последующем для повышения четкости разделения нефти стали применять дефлегмацию паров, в связи с переработкой больших объемов нефти перешли на использование непрерывных процессов разделения. В настоящее время разделение нефти на фракции осуществляется только однократной перегонкой и ректификацией. Перегонку с постепенным испарением, осложненную дефлегмацией, и периодическую ректификацию применяют лишь в лабораторной практике.

1.1 Постепенная перегонка

Схема процесса постепенной перегонки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема процесса постепенной перегонки: 1 - куб; 2 - конденсатор; 3 - емкость

На рисунке 1 показана схема процесса постепенной перегонки, осуществляемого путем постепенного испарения. Жидкость нагревается в кубе 1 до температуры кипения. Образующиеся пары непрерывно отводятся из куба 1 и в паровой или жидкой фазе после конденсации в аппарате 2 в виде дистиллятных фракций, различающихся температурами кипения, периодически выводятся из емкости 3. По мере отгона низкокипящих компонентов остаток обогащается высококипящими компонентами.

Постепенную перегонку можно проводить при постоянной температуре или давлении. В последнем случае температура жидкости в кубе будет непрерывно повышаться по мере утяжеления остатка. Постепенная перегонка - малоэффективный процесс разделения смесей, поэтому он применяется только для концентрирования компонентов из ширококипящих смесей в дистилляте либо в кубовом остатке. В настоящее время постепенная перегонка широко распространяется при определении фракционного состава нефтяных смесей, например при стандартной разгонке. Отметим также, что закономерностям постепенной перегонки соответствует испарение нефтепродуктов в резервуарах при их хранении.

1.2 Однократная перегонка

Однократная перегонка осуществляется испарением или дросселированием жидкой смеси.

Схемы процесса однократной перегонки жидких смесей испарением и дросселированием представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схемы процесса однократной перегонки жидких смесей испарением (а) и дросселированием: (б)1 - нагреватель; 2 - сепаратор; 3 - конденсатор; 4 - емкость; 5 - дроссель. Потоки: I - сырье; II - дистиллят; III - остаток

На рисунке 2 показаны варианты схемы процесса однократной перегонки. При однократном испарении исходную жидкую смесь непрерывно подают в подогреватель 1, где она нагревается до заданной температуры, соответствующей определенной доле отгона смеси при фиксированных значениях давления и температуры, затем парожидкостная смесь поступает в адиабатический сепаратор 2, где паровая фаза отделяется от жидкой. Пары конденсируются и охлаждаются в конденсаторе 3 и в виде дистиллята поступают в емкость 4. Дистиллят из емкости и остаток из сепаратора после охлаждения непрерывно отводятся с установки.

Однократное испарение широко применяется в настоящее время в промышленности. Например, разделение нефти осуществляется методом однократного испарения её с последующей ректификацией паровой и жидкой фаз. При этом нагрев нефти проводится в трубчатых печах, а разделение на фазы - в секции питания ректификационной колонны. Процесс однократного испарения широко распространен и в лабораторной практике при определении кривых однократного испарения нефтей.

Однократное испарение дает большую долю отгона по сравнению с постепенным испарением при нагреве до одинаковой температуры. В связи с этим для получения заданной доли отгона сырья однократное испарение позволяет вести процесс разделения с меньшей вероятностью термического разложения компонентов смеси. Доля отгона при однократном испарении существенно зависит также и от состава сырья. Более легкое сырье, естественно, имеет большую долю отгона при одной и той же температуре и наоборот. Поэтому часто для увеличения доли отгона сырья в него добавляют легкие фракции.

Дросселирование исходной жидкости приводит к частичному её испарению из-за резкого понижения давления в дросселе. Тепло для испарения отнимается от самого потока, поэтому температура паров дистиллята и жидкого остатка понижается по сравнению с исходной температурой сырья.

Дросселирование встречается практически во всех многоступенчатых схемах разделения нефтяных смесей с понижением давления в последующей ступени разделения. Заметное дросселирование потока будет иметь место также в том случае, когда перепад давления потока в трубопроводе соизмерим с давлением в системе. Такая картина, в частности, отмечается при движении мазута в транспортном трубопроводе от печи до вакуумной колонны.

В том случае, когда летучести компонентов разделяемой смеси различаются значительно и остаток представляет собой смесь тяжелых углеводородов со смолисто-асфальтеновыми соединениями, разделение методом дросселирования может вызвать достаточно резкое понижение температуры и увеличение вязкости остатка.

1.3 Простая перегонка в вакууме и с водяным паром

Для разделения термически нестойких нефтяных смесей, температура кипения которых при атмосферном давлении выше температуры из термического разложения, широко используют перегонку в вакууме и с водяным паром или с каким-либо другим инертным агентом. Вакуум и водяной пар понижают парциальное давление компонентов смеси и вызывают тем самым кипение жидкости при меньшей температуре. При перегонке в вакууме тепло для испарения жидкости отбирается от самого продукта, благодаря чему температура потока понижается.

Постепенное испарение с водяным паром применяют для отгонки небольшой массы растворителя от практически нелетучих масляных фракций. Однократное испарение с водяным паром применяют в процессе первичной перегонки нефти, а простую перегонку в вакууме - при разделении мазута. Для разделения тяжелых остатков широко используют также однократную перегонку в вакууме с водяным паром. Сочетание глубокого вакуума с водяным паром значительно понижает температуру перегонки и позволяет тем самым вести процесс при почти полном отсутствии разложения углеводородов с получением при этом большого отгона масляных фракций.

В качестве испаряющего агента, кроме водяного пара, применяют различные газы - водород, азот, природный газ и наиболее легкие углеводороды. При перегонке тяжелых остатков испаряющим агентом могут быть также легкие топливные фракции - пары бензинов, легкие фракции дизельного топлива.

При выборе испаряющего агента учитывают в основном его плотность и температуру конденсации. Очевидно, чем легче газ и выше температура конденсации, тем меньше его требуется для осуществления процесса перегонки и легче условия его конденсации, т. е. отпариваемые фракции будут полнее извлекаться из газового потока. В связи с этим в качестве испаряющего агента наиболее предпочтителен водяной пар.

Для предотвращения конденсации водяного пара в нефтепродуктах используется перегретый водяной пар с температурой, равной температуре сырья или несколько выше. Например, для перегонки нефти и мазута это соответственно температуры 350 - 450 єС при 0,2 - 0,3 МПа. Перегретый водяной пар после контакта с нефтяной смесью быстро принимает состояние насыщения. Кроме снижения парциального давления паров нефтепродуктов водяной пар перемешивает жидкость, предотвращая возможность местных её перегревов и закоксовывания поверхности нагрева (обычно труб печи), увеличивает поверхность испарения жидкости за счет образования струй и пузырей. В то же время водяной пар значительно обводняет нефтепродукты и при предъявлении особо жестких требований к их качеству в отношении содержания влаги он не применяется при перегонке. Например, водяной пар, растворяясь в керосиновой и дизельной фракциях при однократном их испарении, во время охлаждения выделяется и конденсируется в виде мелкой дисперсной эмульсии, приводящей к помутнению топлива и отрицательно сказывающейся на работе реакторов гидроочистки. Удаляются такие эмульсии обычно при длительном отстое топлив в резервуарах.

2. Ректификация

Ректификация - это процесс разделения бинарных или многокомпонентных паровых, а также жидких смесей на практически чистые компоненты или их смеси, обогащенные легколетучими или тяжелолетучими компонентами. Процесс осуществляется в результате контакта неравновесных потоков пара и жидкости.

Характерной особенностью процесса ректификации являются следующие условия образования неравновесных потоков пара и жидкости, вступающих в контакт: при разделении паровых смесей неравновесный поток жидкости (жидкостное орошение) образуется путем полной или частичной конденсации уходящего после контакта потока пара, в то время как при разделении жидких смесей неравновесный паровой поток (паровое орошение) образуется путем частичного испарения уходящей после контакта жидкости. Вследствие указанных особенностей проведения процесса неравномерные потоки пара и жидкости, вступающие в контакт, находятся в состоянии насыщения, при этом пар более нагрет, нежели жидкость, и в нем содержится больше тяжелолетучих компонентов, чем в жидкости. После контакта пар обогащается легколетучими, а жидкость - тяжелолетучими компонентами за счет взаимного перераспределения компонентов между фазами.

Для заданного разделения смесей используют ректификационные установки, основным элементом которой являются ректификационные аппараты, представляющие собой ряд ступеней контакта, соединенных в противоточный разделительный каскад. Наиболее простое конструктивное оформление противоточного каскада в ректификационных аппаратах достигается при движении жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести. В этом случае контактные устройства (тарелки) располагаются одно над другим, и разделительный аппарат выполняется в виде вертикальной тарельчатой колонны.

При ступенчатом осуществлении процесса ректификации в колонных аппаратах контакт пара и жидкости на тарелках может происходить в противотоке, в перекрестном токе, в прям токе или в смешанном токе фаз. Разделительный эффект, аналогичный многоступенчатому противоточному каскаду, достигается также путем непрерывного контакта фаз при движении их противотоком в слое насадки, т. е. в насадочных ректификационных колоннах.

В зависимости от технологической схемы установки используются простые и сложные колонны, а также простые и сложные системы колонн.

Простая ректификационная колонна имеет один сырьевой поток, два продуктовых потока, один теплоподвод и один теплосъем по концам аппарата или только один теплоподвод и один теплосъем.

Для ректификации смеси на две фракции, обогащенные легко- и тяжелолетучими компонентами, в заданном количестве или с заданным содержанием в них целевых компонентов применяется технологическая схема установки с полной ректификационной колонной. В таком аппарате сырье подается в середину колонны, дистиллят, обогащенный легколетучими компонентами или фракциями, отбирается сверху, а остаток, обогащенный тяжелолетучими компонентами или фракциями, - снизу колонны. Секция колонны, расположенная выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей; секция, расположенная ниже ввода сырья, - отгонной или исчерпывающей. При подаче сырья в колонну в паровой или в жидкой фазах нижняя тарелка концентрационной или соответственно верхняя тарелка отгонной секции колонны называется тарелкой питания. При паро-жидкостном состоянии сырья обе указанные тарелки называются тарелками питания. Для создания жидкостного и парового орошения в полной колонне установка имеет конденсатор и кипятильник.

При отсутствии особых требований к качеству одного из продуктов применяют установки с неполными ректификационными колоннами: укрепляющими и отгонными. В укрепляющую колонну сырье подается в паровой фазе под нижнюю тарелку, в отгонную - в жидкой фазе на верхнюю тарелку колонны.

Схемы ректификации в простых колоннах представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схемы ректификации смесей в простых колоннах: а - паровые и жидкие смеси в полной колонне; б - паровые смеси в укрепляющей колонне; в - жидкие смеси в отгонной колонне; 1 - полная колонна; 2 - укрепляющая колонна; 3 - отгонная колонна; 4 - конденсаторы-холодильники; 5 - емкости орошения; 6 - кипятильники; I - сырье; II - дистиллят; III -остаток

Ректификация смесей может осуществляться также с водяным паром или инертным газом, которые подаются в нижнюю часть колонны наряду с подогревом или вместо подогрева остатка. Водяной пар может подаваться также и с сырьем, например при ректификации мазута в вакуумных колоннах. В вакуумных и отпарных колоннах водяной пар снижает парциальное давление паров продукта и способствует отпарке легких фракций без значительного повышения температуры низа колонны. В полных колоннах, работающих под давлением, близким к атмосферному, или при повышенном давлении, водяной пар или вода подаются для снижения температуры низа колонны и для увеличения производительности подогревателя за счёт повышения средней разности температур потоков.

Схемы ректификации смесей с водяным паром представлены на рисунке 4. нефтяной ректификация дросселирование

Рисунок 4 - Схемы ректификации смесей с водяным паром: а - смеси под вакуумом с подогревом и испарением части остатка; б - смеси под вакуумом без подогрева остатка; в - жидкие смеси в отпарной колонне; г - смеси в полной колонне при атмосферном или повышенном давлении; 1 - колонна; 2 - конденсатор-холодильник; 3 - подогреватель-кипятильник; 4 - емкость орошения; 5 - эжектор; 6 - отстойник; I - сырье; II - дистиллят; III - остаток; IV -.вода; V - водяной пар; VI - несконденсированный пар и инертный газ

Сложная ректификационная колонна имеет больше одного сырьевого и больше двух продуктовых потоков, а также промежуточные теплопродукты и теплосъем. Из перечисленных условий достаточно лишь одного, чтобы колонна из простой стала сложной. В промышленности уже давно используются сложные ректификационные колонны, однако, в последние годы к ним проявляется повышенный интерес, свидетельством чему - большое число патентных материалов и научных исследований по применению сложных ректификационных колонн в различных технологических процессах.

Применение сложных ректификационных колонн позволяет значительно уменьшить не только эксплуатационные, но и капитальные затраты за счет улучшения термодинамических условий разделения, рациональной организации теплообмена, совмещения в одном аппарате нескольких технологических процессов и т.д.

К сложным ректификационным колоннам можно отнести также системы колонн, связанные материальными и тепловыми потоками. В таких системах предыдущая и последующая колонны связаны противоположно направленными паровыми и жидкостными потоками, соединяющими верх и низ предыдущей колонны с точками ввода питания последующей колонны или верх последующей колонны с боковым отбором предыдущей и, наконец, низ последующей колонны с боковым отбором предыдущей.

Схемы ректификации смесей в колоннах, связанных материальными и тепловыми потоками представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схемы ректификации смесей в колоннах, связанных материальными и тепловыми потоками: а - простая и сложная колонны; б - полная колонна с боковой отпарной секцией; в - полная колонна с боковой укрепляющей секцией; 1 - колонна предварительного разделения; 2 - основная колонна; 3 - конденсатор-холодильник; 4 - емкость орошения; 5 - кипятильник; 6 - тарелки; 7 - отпарная колонна; 8 - укрепляющая колонна; I - сырье; II - дистиллят; III - боковой погон; IV - остаток

Применение системы ректификационных колонн, связанных материальными и тепловыми потоками, позволяет на 20 - 50 % снизить общие затраты тепла и холода по сравнению с простыми или сложными колоннами. Независимо от числа получаемых продуктов технологические схемы установок, где используются колонны, связанные материальными и тепловыми потоками, имеют один дефлегматор и один кипятильник. Однако на практике такие схемы колонн эффективны только при разделении близкокипящих многокомпонентных смесей, так как лишь в этом случае в последней колонне могут быть приняты температуры верха и низа, удовлетворяющие экономичным условиям конденсации и испарения получаемых продуктов.

Заключение

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что перегонка и ректификация относятся к числу ведущих процессов химической технологии и составляют основу многих технологических процессов нефтегазопереработки. При этом нельзя не отметить, что из всех процессов ректификации, применяемых в химической технологии, более 80 % приходиться на нефтегазопереработку.

Список использованных источников

1. Александров, И. А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке / И. А. Александров. - М.: Химия, 1981. - 352 с.

2. Александров, И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчёта и основы конструирования / И. А. Александров. - 3-е изд., перераб. - М.: Химия, 1978. - 280 с.

Размещено на Allbest.ru