Обоснование выбора варианта и технологической схемы перегонки нефти

     Рис. 1 Схемы простой перегонки

     а - постепенная, б - однократная, в - двукратная,

     1 - куб, 2 - кипятильник, 3 - конденсатор, 4 - приемник, 5 - сепаратор,

     I - сырье, II - отгон, III - остаток, IV - отгон  второй ступени, V - остаток второй  ступени.

     Перегонка однократным испарением (рис. 1 б). Исходную жидкую смесь непрерывно подают в  кипятильник 2, где она нагревается  до определенной конечной температуры  при фиксированном давлении; образовавшиеся и достигшие состояния равновесия паровая и жидкая фазы однократно разделяются в адиабатическом сепараторе 5. Паровая фаза, пройдя конденсатор 3. поступает в приемник 4, откуда непрерывно отводится в качестве дистиллята (отгона). С низа сепаратора 5 непрерывно отводится жидкая фаза - остаток.

     Отношение количества образовавшихся паров при  однократном испарении к количеству исходной смеси называют долей отгона.

     Перегонка с однократным испарением обеспечивает большую долю отгона, чем с постепенным  при одинаковых температуре и давлении. Это важное преимущество используют в практике перегонки нефти для достижения максимального испарения при ограниченной температуре нагрева вследствие разложения (крекинга) отдельных компонентов нефти.

     Многократное  испарение заключается в последовательном повторении процесса однократного испарения  при более высоких температурах (или низких давлениях) по отношению к остатку полученному от предыдущего однократного испарения жидкой смеси. На рис. 1 в показана схема двукратной перегонки. Остаток однократного испарения первой ступени после нагрева до более высокой температуры поступает в сепаратор второй ступени, с верхней части которого отбирают отгон второй ступени, а с нижней - остаток второй ступени.

     Способы перегонки с однократным и  многократным испарением имеют наибольшее значение в осуществлении промышленной переработки нефти на установках непрерывного действия. Так, примером процесса однократного испарения является изменение фазового состояния (доли отгона) нефти при нагреве в  регенеративных теплообменниках и  в змеевике трубчатой печи с последующим отделением паровой от жидкой фазы в секции питания ректификационной колонны.

     Простая перегонка, особенно вариант с однократным  испарением, не дает четкого разделения смеси на составляющие компоненты. Для повышения четкости разделения перегонку ведут с дефлегмацией или с ректификацией.

     Перегонка с дефлегмацией основана на частичной  конденсации образующихся при перегонке  паров и возврате конденсата (флегмы) навстречу потоку пара. Благодаря  этому однократному и одностороннему массообмену между встречными потоками пара и жидкости уходящие из системы пары дополнительно обогащаются низкокипящими компонентами, так как при частичной конденсации из них преимущественно выделяются высококипящие составные части.

     Дефлегмацию осуществляют в специальных по конструкции  поверхностных конденсаторах воздушного или водяного охлаждения, размещаемых  над перегонным кубом.

     Перегонка с ректификацией дает более высокую  четкость разделения смесей по сравнению  с перегонкой с дефлегмацией. Основой  процесса ректификации является многократный двусторонний массообмен между движущимися противотоком парами и жидкостью перегоняемой смеси. Этот процесс осуществляют в ректификационных колоннах. Для обеспечения более тесного соприкосновения между встречными потоками пара и жидкости ректификационные колонны оборудованы контактными устройствами - тарелками или насадкой. От числа таких контактов и от количества флегмы (орошения), стекающей навстречу парам, в основном зависит четкость разделения компонентов смеси.

     Современная промышленная технология первичной  перегонки нефти основана на процессах  одно- и многократной перегонки с  последующей ректификацией образовавшихся паровой и жидкой фаз. Перегонку с дефлегмацией и периодическую ректификацию, так же как перегонку с постепенным испарением, применяют в лабораторной практике.

     1.3 Основные факторы,  определяющие выход  и качество конечных  дистиллятов. Аппаратурное  оформление

     Современные АВТ имеют максимальную мощность по нефти 3-8 млн. т/г, число получаемых дистиллятов от 6 до 10, являются одним из энергоемких процессов: удельный расход топлива 20-22 кг/т нефти (AT) или 30-35 кг/т нефти (АВТ). Общие энергозатраты на АВТ (считая электроэнергию, воду, воздух и др.) составляют 45-50 кг/т нефти, т.е. 4,5-5,0% от всей перерабатываемой нефти.

     Температура. Температурный режим колонны  выбирается так, чтобы обеспечить необходимую  долю отгона, и в то же время, самая  высокая температура в колонне  должна быть ниже температуры разложения углеводородов.

     Давление. Ректификацию проводят как под атмосферным  давлением, так и при давлениях  выше и ниже атмосферного. Давление ниже атмосферного применяется для  разделения высококипящих смесей, ректификацию при повышенном давлении применяют, когда разделяемая смесь при  атмосферном давлении находится  в газообразном состоянии. С повышением давления четкость разделения падает, т.е. для процесса ректификации пониженное давление более благоприятно. Однако при понижении давления возникает  проблема с конденсацией ректификата  и с созданием нисходящего  потока орошения.

     Флегмовое число - отношение количества жидкости, поступающей на ректификационную тарелку, к количеству паров, покидающих ее. Чем выше флегмовое число, тем выше четкость ректификации, то тем больше энергетические затраты на процесс. Отношение отбора дистиллята к сырью - чем меньше отбор, тем больше четкость ректификации.

     Количество  тарелок. Чем оно больше, тем больше число ступеней контакта и выше четкость разделения, но тем выше колонны  и, соответственно, возрастают капитальные  затраты.

     Четкость  разделения любой колонны зависит  от ресурса подведения (и отвода) тепла.

     Максимальный  поток тепла вносится с сырьем, исходя из максимально допустимых температур нагрева. Чтобы тепло подвести качественно, поток нагретого сырья вводится тангенциально. Если температура сырья  выше чем температура низа, то подводят горячую струю. Иногда вводят водяной  пар для снижения парциального давления. Для низкотемпературных колонн тепло  может подводиться двумя способами: через кипятильник - продукт с  низа колонны проходит через кипятильник  и вносится в колонну или рибойлерный подвод тепла - пары идут в колонну, а жидкость отводится.

     Отводится тепло орошениями: верхним острым (испаряющимся), промежуточным циркуляционным орошением, верхним или нижним циркуляционным орошением и выносной системой конденсации (для вакуумных колонн).

     Ректификационные  колонны. На АВТ установках используются ректификационные колонны нескольких типов, которые подразделяются:

     по  числу получаемых в них дистиллятов - на простые и сложные колонны. Простые колонны (без вывода боковых погонов) - это колонны стабилизации, вторичной перегонки бензина или дизельного топлива. Сложные колонны - это основные колонны установки - атмосферная и вакуумная;

     по  типу внутренних контактных устройств - на насадочные и тарельчатые. В первых контакт и массообмен пара и жидкости происходят в пленочном режиме на развитой поверхности специальной насадки (обычно это вакуумные колонны), а во-вторых - путем барботажа пара через слой жидкости на специальных тарелках;

     по  уровню давления в колоннах - на атмосферные, вакуумные и с высоким избыточным давлением. К атмосферным относят колонны, где абсолютное давление не превышает 200-250 кПа (атмосферные колонны перегонки нефти). В вакуумных колоннах абсолютное давление обычно составляет 3-10 кПа, а в колоннах высокого давления (стабилизационные) давление достигает 1,0 МПа (1000 кПа).

     Трубчатые печи на АВТ установках служат для нагрева нефти (отбензиненной нефти), мазута и бензина, они обеспечивают основной поток тепла, вносимого в ректификационные колонны, и соответственно энергетический потенциал их разделительной способности.

     На  ранней стадии становления нефтепереработки (в 1920-40-е годы) применяли трубчатые  печи коробчатого типа (одно- и двухкамерные) с центральным расположением  конвекционной камеры и горизонтальным расположением радиантных и конвекционных труб. Трубы змеевика печи длиной 9-12 м экранировали основную часть стен топочного пространства. Отвод дымовых газов осуществлялся через дымоход под конвекционной камерой.

     Печи  шатрового типа были металлоемкими, имели большие габариты при относительно невысокой тепловой мощности, и поэтому, когда началось внедрение АВТ установок мощностью 3-6 млн. т/г., они уступили место новому поколению трубчатых печей - узкокамерным форсированным печам.

     Теплообменные аппараты. Процесс дистилляции нефти, как и любой тепловой процесс, реализуется путем подвода теплового  потока в ректификационную колонну  и отвода из нее соответствующего количества низкопотенциального тепла.

     Общий поток высокопотенциального тепла, подводимый нефтью в колонну, слагается  из тепла сырой нефти из резервуаров  Q_н, тепла, регенерированного нефтью от горячих дистиллятов колонны Q_р, и полезного тепла, подведенного на нагрев сырья в печи Q_пол. Как отмечалось выше, доля Q_пол от всего тепла сгорания топлива в печи Q_т составляет 75-85% (к. п. д. печи), а остальная часть в виде тепловых потерь печи Q_пп теряется. Из колонны тепло отводится в несколько потоков. Основной поток - это та часть тепла, которая регенерируется на нагрев сырой нефти в теплообменниках. Другой поток - это та часть тепла, которая отводится в конденсаторах и холодильниках Q_охл при конденсации паров сверху колонны, охлаждения циркуляционных орошений и охлаждения товарных дистиллятов до температур, при которых они откачиваются в парк. Наконец, третий поток тепла -это тепло всех охлажденных до 40-80°С дистиллятов, откачивающихся в приемный парк Q_нп. Небольшая часть тепла (1-3%) теряется в окружающую среду Q_пос. Из этой схемы видно, что чем большая доля тепла будет регенерирована на нагрев нефти, тем меньше придется затратить тепла на нагрев ее в печи и меньше израсходовать топлива. А это существенно улучшает экономические показатели процесса перегонки нефти. Соотношение это характеризуют коэффициентом регенерации тепла К_р = Q_p/Q_пол , который для действующих АВТ составляет от 0,5 до 0,8.

     Функции регенерации тепла горячих потоков  дистиллятов, а также их конденсации, охлаждения, дополнительного нагрева  и испарения выполняет на установках АВТ разветвленная система теплообменных аппаратов различного устройства.

     1.4 Первичная стабилизация  и очистка дистиллятов  и применяемые  реагенты

     Дистилляты, вырабатываемые из нефти на установках АВТ (кроме топлива ТС-1 или осветительного керосина), подвергают обычно дальнейшей переработке. Она может заключаться в их повторной (вторичной) перегонке с целью разделения на более узкие фракции, очистке от вредных примесей или нежелательных групп углеводородов либо в облагораживании химического состава с целью придания дистиллятам определенных свойств или получения новых, отличных по химическому составу нефтепродуктов.

     Стабилизацию  бензина осуществляют непосредственно  на АВТ. Ректификационная колонна стабилизации бензина имеет небольшой диаметр (1,2-1,6 м), причем та часть колонны, которая  расположена над вводом сырья, имеет  иногда диаметр меньше, чем отгонная ее часть, так как количество паровой  фазы значительно меньше, чем жидкой. Число тарелок в такой колонне - 35-40. Нестабильный бензин до поступления  в колонну нагревают в теплообменниках  до 80-85°С. При давлении в колонне 0,6-0,7 МПа температура паров наверху - около 60°С, а внизу - 130-140°С. Тепло  внизу колонны подводится через  ребойлер, где в качестве теплоносителя используют водяной пар или один из горячих потоков АВТ (например, циркуляционное орошение атмосферной колонны).

     Верхним продуктом является в этой колонне  газовая головка бензина - углеводороды С₁-С₄ в количестве 3,5-4% (мас.) от исходного нестабильного бензина, причем небольшую часть этой головки отбирают в виде несконденсированного сухого газа С₁-С₂, а остальную - в виде сжиженного газа С₃-С₄ с небольшой примесью пентанов.

     Остаточным  продуктом колонны стабилизации является стабильный бензин, в котором  отсутствуют углеводороды С₁-С₃ и сведено к минимуму содержание бутанов.

     Очистка прямогонных нефтяных дистиллятов  раствором щелочи (щелочная очистка) позволяет удалить из них кислые органические соединения (нафтеновые кислоты, фенолы), легкие сернистые  соединения (сероводород, низшие меркаптаны), а также остатки серной кислоты, если перед этим дистиллят подвергался  кислотной очистке. Очистка осуществляется смешением нефтепродукта с 15-20 %-м  водным раствором гидроксида натрия (едкого натра), за счет химического  взаимодействия которого с указанными выше нежелательными примесями последние  нейтрализуются.