Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Процесс первичной переработки нефти (прямой перегонки), с целью получения нефтяных фракций, различающихся по температуре кипения без термического распада, осуществляют в кубовых или трубчатых установках при атмосферном и повышенном давлениях или в вакууме. Трубчатые установки отличаются более низкой достаточной температурой перегоняемого сырья, меньшим крекингом сырья, и большим КПД. Поэтому на современном этапе нефтепереработки трубчатые установки входят в состав всех нефтеперерабатывающих заводов и служат поставщиками, как товарных нефтепродуктов, так и сырья для вторичных процессов (термического и каталитического крекинга, риформинга).

В настоящее время перегонку нефти в промышленности производят на непрерывно действующих трубчатых установках. У них устраивается трубчатая печь, для конденсации и разделения паров сооружаются огромные ректификационные колонны, а для приёма продуктов перегонки выстраиваются целые городки резервуаров.

Трубчатая печь представляет собой помещение, выложенное внутри огнеупорным кирпичом. Внутри печи расположен многократно изогнутый стальной трубопровод. Длина труб в печах достигает километра. Когда завод работает, по этим трубам непрерывно, с помощью насоса, подаётся нефть с большой скоростью - до двух метров в секунду. Печь обогревается горящим мазутом, подаваемым в неё при помощи форсунок. В трубопроводе нефть быстро нагревается до 350-370 ?С. При такой температуре более летучие вещества нефти превращаются в пар.

Так как нефть - это смесь углеводородов различного молекулярного веса, имеющих разные температуры кипения, то перегонкой её разделяют на отдельные нефтепродукты. При перегонке нефти получают светлые нефтепродукты: бензин (tкип 90-200 ?C), лигроин (tкип 150-230 ?C), керосин (tкип, 180-300 ?С), легкий газойль - соляровое масло (tкип 230-350 ?C), тяжелый газойль (tкип 350-430 ?С), а в остатке - вязкую черную жидкость - мазут (tкип выше 430 ?С). Мазут подвергают дальнейшей переработке. Его перегоняют под уменьшенным давлением (чтобы предупредить разложение) и выделяют смазочные масла.

При перегонке с однократным испарением нефть нагревают в змеевике какого-либо подогревателя до заранее заданной температуры. По мере повышения температуры образуется все больше паров, которые находятся в равновесии с жидкой фазой, и при заданной температуре парожидкостная смесь покидает подогреватель и поступает в адиабатический испаритель. Последний представляет собой пустотелый цилиндр, в котором паровая фаза отделяется от жидкой. Температура паровой и жидкой фаз в этом случае одна и та же.

Перегонка с многократным испарением состоит из двух или более однократных процессов перегонки с повышением рабочей температуры на каждом этапе.

Четкость разделения нефти на фракции при перегонке с однократным испарением хуже по сравнению с перегонкой с многократным и постепенным испарением. Но если высокой четкости разделения фракций не требуется, то метод однократного испарения экономичнее: при максимально допустимой температуре нагрева нефти 350-370 ?С (при более высокой температуре начинается разложение углеводородов) больше продуктов переходит в паровую фазу по сравнению с многократным или постепенным испарением. Для отбора из нефти фракций, выкипающих выше 350-370 ?С, применяют вакуум или водяной пар. Использование в промышленности принципа перегонки с однократным испарением в сочетании с ректификацией паровой и жидкой фаз позволяет достигать высокой четкости разделения нефти на фракции, непрерывности процесса и экономичного расходования топлива на нагрев сырья.

1. Выбор места строительства

Выбор места строительства нефперерабатывающего завода зависит от ряда факторов, главный из которых - потребность близлежащих районов в нефтепродуктах. Разумеется, желательно, чтобы вблизи завода имелись источники сырья - нефти (раньше этот фактор и определял местонахождение перерабатывающего завода). Качество нефти определяло и схему ее переработки.

С течением времени требование о наличии сырьевых ресурсов в непосредственной близости от нефтеперерабатывающего завода перестало быть обязательным. Широкое развитие транспорта, в особенности трубопроводного, сделало экономически целесообразной передачу нефти на большие расстояния. Как показал технико-экономический анализ, транспорт нефти более рентабелен, чем перевозка готовых нефтепродуктов с заводов, расположенных вблизи нефтепромыслов, к месту их потребления. Нефтеперерабатывающие заводы начали строить в районах, где совершенно отсутствуют нефтяные месторождения, но очень велика потребность в нефтепродуктах. Исходя из этого принципа, были построены, например, нефтеперерабатывающие заводы в Ярославле, Москве, Ангарске, Киришах.

Ангарский нефтехимический комбинат был построен для удовлетворения потребностей народного хозяйства Восточной Сибири.

Выбор места строительства установки обусловлен наличием дешевой энергии, большого количества водных ресурсов.

2. Выбор и обоснование метода производства

В атмосферном блоке АВТ применяют три схемы разделения нефти:

1) схема с одной сложной колонной в атмосферном блоке;

2) схема с предварительным испарителем и ректификационной колонной;

3) схема с предварительной отбензинивающей колонной и основной ректификационной колонной.

Схему (1) применяют для стабилизованных нефтей, в которых содержание бензиновых фракций не превышает 2-10 % .

Применение схемы (2) уменьшает перепад давления в печных трубах. Пары из испарителя направляются в атмосферную колонну, поэтому не нужно устанавливать самостоятельные конденсационные устройства и насосы для подачи орошения. Однако все коррозионно-агрессивные вещества попадают вместе с парами из испарителя в колонну, т.е. испаритель не защищает атмосферную колонну от коррозии 1.

Схема (3) является самой распространенной. Она наиболее гибка и работоспособна при значительном изменении содержания бензиновых фракций и растворенных газов. Коррозионно-агрессивные вещества удаляются через верх первой колонны, таким образом основная колонна защищена от коррозии. Благодаря предварительному испарению бензиновых фракций, в змеевиках печи и теплообменниках не создается высокого давления, что позволяет устанавливать более дешевое оборудование без усиления его прочности. Но при работе по этой схеме следует нагревать нефть до более высокой температуры, чем при ОИ, вследствие раздельного испарения легких и тяжелых фракций. Кроме того, установка оборудована дополнительной аппаратурой - колонной, насосами: печными и для подачи орошения, конденсаторами, холодильниками и т.д.

Предварительная колонна в большинстве случаев простая, хотя и в ней фракционируются наиболее сложные по числу компонентов смеси. Имеются схемы, в которых легкий бензин отводится в виде паров через верх колонны, а тяжелый бензин - в виде бокового погона.

Основная атмосферная колонна (К-2) - сложная и состоит из трех - пяти простых колонн (их число определяется числом выводимых дистиллятов). Верхний дистиллят - обычно бензиновый - выводится в виде паров, остальные дистилляты - жидкие боковые погоны - отводятся через отпарные секции.

В колонне К-2 все тепло необходимое для ректификации, вносится потоком сырья, которое нагревается в печи до парожидкостного состояния. Поэтому для улучшения четкости разделения в этой колонне необходимо увеличивать долю отгона сырья, что достигается повышением температуры и снижением давления в зоне питания. Предпочтительно, чтобы доля отгона на 5 - 10 % превышала сумму светлых дистиллятов, отбираемых в колонне.

Жидкостное орошение вверху колонны создается подачей холодного или циркуляционного орошения. Обычно при выделении легких фракций применяют холодное орошение, при выделении тяжелых - циркуляционное (ЦО). Кроме верхнего орошения в сложной колонне применяют промежуточные циркуляционные орошения. Анализ фактических показателей работы атмосферных колонн АВТ показывает, что промежуточных ЦО должно быть одно или два, третье организовывать, как правило, нецелесообразно, так как при этом дополнительно регенерируется небольшое количество тепла, но в выше расположенных секциях снижаются флегмовое число и четкость разделения, а схема установки усложняется.

Количество тепла, отводимое верхним и нижним промежуточным орошением, должно определяться требованиями к качеству получаемых дистиллятов и регулироваться по температуре паров под тарелками, с которых выводятся дистилляты.

Промежуточное ЦО организуется в сечении колонны над тарелками вывода дистиллятов. Эти тарелки должны быть оснащены сливными устройствами, обеспечивающими нормальный переток жидкости на лежащую ниже тарелку [1, 2].

3. Физико-химические основы процесса

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

Простая перегонка осуществляется постепенным, однократным или многократным испарением.

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

При однократной перегонке жидкость (нефть) нагревается до заданной температуры, образовавшиеся и достигшие равновесия пары однократно отделяются от жидкой фазы -- остатка. Этот способ, по сравнению с перегонкой с постепенным испарением, обеспечивает при одинаковых температуре и давлении большую долю отгона. Это важное его достоинство используют в практике 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 конденсируют и часть конденсата в виде флегмы подают навстречу потоку пара. В результате однократного контактирования парового и жидкого потоков уходящие из системы пары дополнительно обогащаются низкокипящими компонентами, тем самым несколько повышается четкость разделения смесей.

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

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

Различают простые и сложные колонны.

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

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

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

Четкость погоноразделения - основной показатель эффективности работы ректификационных колонн, характеризует их разделительную способность. Она может быть выражена в случае бинарных смесей концентрацией целевого компонента в продукте. Применительно к ректификации нефтяных смесей она обычно характеризуется групповой чистотой отбираемых фракций, то есть долей компонентов, выкипающих по кривой ИТК до заданной температурной границы деления смеси в отобранных фракциях (дистиллятах или в остатке), а также отбором фракций от потенциала. Как косвенный показатель четкости (чистоты) разделения на практике часто используют такую характеристику, как налегание температур кипения соседних фракций в продукте. В промышленной практике обычно не предъявляют сверхвысоких требований по отношению к четкости погоноразделения, поскольку для получения сверхчистых компонентов или сверхузких фракций потребуются соответственно сверхбольшие капитальные и эксплуатационные затраты. В нефтепереработке, например, в качестве критерия достаточно высокой разделительной способности колонн перегонки нефти на топливные фракции считается налегание температур кипения соседних фракций в пределах 10-30°С.

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

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

Паровое число (П) характеризует соотношение контактирующихся потоков пара и жидкости в отгонной секции колонны, рассчитываемое как

П = G/W,

где G и W - количества соответственно паров и кубового продукта.

Число тарелок (N) колонны (или высота насадки) определяется числом теоретических тарелок (Nт), обеспечивающим заданную четкость разделения при принятом флегмовом (и паровом) числе, а также эффективностью контактных устройств (обычно КПД реальных тарелок или удельной высотой насадки, соответствующей 1 теоретической тарелке). Зависимость числа теоретических тарелок от флегмового числа колонны можно выразить в виде графика, как это представлено на рис. 5.6. Из анализа рис. 5.6 вытекает следующая закономерность, обусловливающая граничные пределы нормального функционирования ректификационных колонн: заданная четкость разделения смесей может быть обеспечена (достигнута) лишь при одновременном выполнении ограничений по флегмовому числу и числу теоретических тарелок:

Rмин<R<?, ?>Nт>Nтмин

где Rмин и Nтмин - минимальные значения соответственно флегмового числа и числа теоретических тарелок.

Рис. 3.1. Зависимость числа теоретических тарелок Nт в колонне от флегмового числа К при заданной четкости разделения смеси

Любая точка на кривой рис. 3.1 может быть выбрана в качестве рабочей. Это означает, что заданная четкость разделения смеси может быть достигнута бесконечным множеством пар чисел Nт и R. Как следует из рисунка, флегмовое число, следовательно, и количество орошения в колонне изменяется от минимального значения до бесконечно большой величины; при этом необходимое для обеспечения заданной четкости разделения число тарелок будет изменяться соответственно от бесконечно большой величины до некоторой минимальной. Очевидно, при увеличении количества орошения будут расти эксплуатационные затраты (связанные с расходом энергии на перекачку, тепла в кипятильнике и холода в конденсаторах), а капитальные затраты вначале будут существенно уменьшаться в результате снижения высоты, затем будут расти из-за увеличения диаметра колонны. Из опыта эксплуатации колонн установлено, что оптимальное значение флегмового числа, соответствующее минимуму общих затрат на ректификацию (рис. 3.1), не намного превышает минимально необходимое Rмин:

Rопт = в? Rмин

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

Фактическое число тарелок Nф определяется либо аналитическим расчетом (на ЭВМ с использованием уравнений равновесия фаз, материального и теплового балансов потоков), либо исходя из опытных данных с учетом эффективного КПД тарелки зт:

Nф = Nт/зт

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

Принципиальное устройство ректификационной колонны

В среднюю часть колонны поступает сырье, нагретое до определенной температуры. В колонне происходит процесс однократного испарения сырья, в результате которого образуются пары и жидкость, находящиеся в равновесии. На любой тарелке происходит контакт между парами, поднимающимися на эту тарелку, и жидкостью, стекающей на эту же тарелку. При контакте паров происходит изменение состава фаз и обогащение НКК, а жидкости ВКК. Затем пары поступают на вышележащую тарелку, где они контактируют с соответствующими потоками жидкости и паров.

Контактирование встречных потоков фаз осуществляется до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые составы продуктов колонны: верхнего, называемого дистиллятом или ректификатом, и нижнего, называемого остатком. Изменение состава фаз будет происходить в том случае, если поток жидкости (или флегмы), стекающей на тарелку, будет более богат НКК, чем жидкость равновесная с паром. Поскольку давление в колонне постоянное, то это условие будет достигаться. Так как температура в колонне убывает снизу вверх, то наименьшая температура будет в верхней части колонны, а самая высокая - в нижней. Поскольку в процессе ректификации должны участвовать два потока паров и жидкость, состоящие из тех же компонентов, но с разными их концентрациями, для обеспечения процесса ректификации в верхней части колонны отводят тепло, а в нижней части подводят тепло. При конденсации части паров в верхней части колонны образуется поток жидкости (орошение флегмы), перетекающей с тарелки на тарелку. Подвод тепла в нижнюю часть колонны обеспечивает испарение части жидкости и образования парового потока. Та часть колонны, куда вводится сырье, называется концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода сырья - отгонной или исчерпывающей. В зависимости от назначения колонны могут быть полными, которые имею концентрационную и отгонную секцию, или неполными: концентрационная колонна не имеет отгонной секции. В такой колонне сырье вводится под нижнюю тарелку, а в отгонной на верхнюю.

Кроме того, различают простые и сложные колонны. В простой колонне сырье разделяется на два продукта, а в сложной число отбираемых продуктов больше двух, они могут выводится в виде дополнительных боковых погонов [2].

Элементы оптимизации технологических систем установок

Для правильного выбора при проектировании размеров основного технологического оборудования установок АВТ необходимо тщательно изучить и определить следующие технологические факторы.

Давление. Давление в основной колонне атмосферной секции должно обеспечивать преодоление гидравлических сопротивлений парогазовых потоков по всей схеме. Обычно избыточное давление в атмосферной колонне находится в пределах 0,7-0,8 кг/см2 и не должно превышать 1,0 кг/см2 , т.е. оно должно принимать минимально возможным. По фактическим данным, на действующих двухколонных установках избыточное давление в большинстве случаев составляет от 1 до 3,5 кг/см2 остаточное давление наверху вакуумных колонн следует принимать равным 40-60 мм рт.ст., однако на практике оно значительно выше, что ухудшает погоноразделительную способность колонны.

Температурный режим колонны. Температурный режим, влияющий на показатели работы колонны, зависит от качества дистиллятов и давления в колонне. Необходимо создать такие условия, чтобы с потоком сырья в колонну вносилось максимальное количество тепла. Было обнаружено, особенно в ранее построенных установках АВТ, что температура поступающего в колонну сырья на 20-30 ?С выше, чем определенная по проекту. Поэтому очень важно правильно рассчитать сечения трубопровода от колонны до печи и температуру выхода сырья из печи.

Средний температурный режим, поддерживаемый в основных колоннах действующих АВТ представлен в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Температурный режим основных ректификационных колонн

Установлено, что перепад температуры между печью и колонной на установках АВТ составляет для атмосферной секции от 5 до 18 ?С, для вакуумной колонны 25-30 ?С. Это приводит к неправильному определению количества тепла, вносимого в колонну. В среднем ошибка составляет 10-15% от общего количества тепла в колонне.

Расход пара. На практике расход пара колеблется в широких пределах. Обследование работы действующих колонн показало, что в атмосферных колоннах в 32-х случаях расход пара составил более 1% вес. на нефть (1-5,4%); в 19-ти случаях - ниже 1% (0,17-0,09). В вакуумных колоннах в 17-ти случаях расход пара на сырье составил 1,2-3,9%. В вакуумных колоннах вследствие низкого давления линейная скорость нефтяных паров за счет водяного пара резко увеличивается. Данные исследования показывают, что количество водяного пара в вакуумных колоннах не должно превышать 1,0-1,5% на мазут.

Орошение колонн. Из анализа тепловых и материальных потоков можно заключить, что энергетические условия при работе сложной ректификационной колонны является крайне невыгодными. В связи со сказанным, в проектных промышленных установках предусматривается новая схема работы основной ректификационной колонны, при которой все избыточное тепло отводится непосредственно каждой промежуточной колонной. Это достигается применением циркулирующих промежуточных орошений в количестве, равном количеству отбираемых боковых погонов.

Показатели работы тарелок. К основным показателям работы ректификационных колонн и контактных устройств промышленных установок АВТ относятся кратность орошения (флегмовое число), весовая скорость паров, линейная скорость паров в свободном сечении колонны, плотность орошения тарелки, градиент уровня жидкости на тарелке, число теоретических тарелок, КПД тарелки. Немаловажную роль играет также конструкция тарелки, способ подачи орошения и отвода тепла [2].

4. Физико-химическая характеристика исходных, вспомогательных, изготовляемых веществ, материалов

4.1 Нефть