Атмосферно - вакуумная перегонка нефти

     Существуют  печи, отличающиеся по способу передачи тепла (радиантные, конвекционные, радиантно - конвекционные), по количеству топочных камер (однокамерные и многокамерные), по способу сжигания топлива (печи с пламенным и беспламенным горением), по типу облучения труб (с односторонним и двусторонним облучением), по числу потоков нагреваемого сырья (одно-, двух-, многопоточные), по форме камеры сгорания (цилиндрические, коробчатые и т. д.), по расположению труб змеевика (печи с горизонтальным и вертикальным расположением труб). Схемы основных типов трубчатых печей приводятся на рисунке 8. 

       
 
 
 
 
 
 
 
 

     а  - конвекционная печь; б - однокамерная печь с боковым расположением конвекционной камеры; в  - однокамерная печь с нижним расположением конвекционной камеры; г - однокамерная печь с верхним расположением конвекционной камеры; д -  вертикальная цилиндрическая печь; е  - однокамерная печь беспламенного горения с панельными горелками;   ж - двухкамерная  двухпоточная  печь с горизонтальным сводом; a - двухпоточная двухкамерная печь с наклонным сводом; 1 - горелки (форсунки);    2 - радиантный змеевик;   3 - конвекционный змеевик; 4 - дымоход; 5 - перевальная стенка; 6 - панельные горелки 

     Рисунок 8 - Схемы основных типов трубчатых печей 

     Основными теплотехническими показателями, характеризующими печь с точки зрения эффективности ее работы, являются теплонапряженность поверхности нагрева и коэффициент полезного действия печи.

     Теплонапряженностью поверхности нагрева называется количество теплоты, переданное через 1 м² поверхности нагрева в час. Допустимая теплонапряженность поверхности нагрева зависит от температуры стенки трубы, от температуры и скорости движения продукта, от свойств нагреваемого продукта. Теплонапряженность поверхности нагрева, как правило, должна быть тем меньше, чем более смолист и склонен к образованию кокса продукт, нагреваемый в печи, чем ниже его скорость при движении по трубам, чем выше конечная температура нагрева продукта.

     На  НПЗ широко распространены одно- и  двухскатные трубчатые печи шатрового типа. Схематический разрез двухскатной печи приведен на рисунке 9. Печь состоит из двух радиантных камер и одной конвекционной. Конвекционная камера отделена от радиантных стенками из огнеупорного кирпича. Эти стенки называются перевальными. Дымовые газы удаляются из печи через дымоход, который начинается в нижней части конвекционной камеры, и дымовую трубу.

     Трубы змеевика крепятся к стенкам радиантной камеры печи при помощи подвесок и  кронштейнов из жаропрочной стали, а в конвекционной камере укладываются на специальные решетки. Между собой они соединяются сварными калачами или разъемными переходами-двойниками. В радиантной камере имеются две группы труб - нижняя (подовый экран) и верхняя (потолочный экран).

     Шатровые  печи, несмотря на их универсальность, простоту в эксплуатации, в настоящее время не сооружаются. Их основной недостаток - низкие технико-экономические показатели. Коэффициент полезного действия этих печей не превышает 50 - 60%, так как почти нигде не используется тепло дымовых газов. 

     

 

     I - выходящий продукт; II - входящий продукт; III -  газы в дымовую трубу 

     Рисунок 9 - Двухскатная трубчатая печь шатрового  типа 

     Эти печи работают с большим коэффициентом  избытка воздуха, что также сказывается  на КПД печи. Шатровые печи требуют  много места, для их сооружения расходуется большое количество легированной стали.

     Недостатки  печей шатрового типа устраняются  в конструкциях новых печей. К  печам нового типа относятся трубчатые  печи с излучающими стенками из панельных  горелок, печи объемно-настильного пламени, вертикально - факельные печи, разработанные институтом ВНИИнефтемаш, а также вертикальные трубчатые печи, сконструированные в институте Ленгипронефтехим.

     Особенностью  вертикальных печей является вертикальное расположение труб в радиантных змеевиках этих печей. Вертикальные трубчатые печи подразделяются на вертикальные цилиндрические и вертикальные секционные. Вертикальные цилиндрические печи имеют тепловую производительность от 2 до 15 МВт, а вертикальные секционные от 12 до 150 МВт. Печи этого типа состоят из ряда секций одинаковой теплопроизводительности и размеров, причем число секций зависит от теплопроизводительности печи.

     Каждая  секция состоит из радиантной и конвекционной  камер, причем радиантные части всех секций печи объединяются в общий металлический сварной футерованный изнутри корпус.

     Радиантная  часть печи имеет в плане форму прямоугольника. В днище радиантных камер расположены форсунки. Чтобы улучшить обслуживание форсунок, печь приподнимается над землей на металлических стойках каркаса. Трубы змеевика располагаются внутри камеры, причем если печь состоит из одной секции, то все трубы змеевиков расположены у стен печи. Если в печи имеется несколько секций, то наряду с однорядными экранами появляются двухрядные, расположенные между топочными пространствами секций.

     Сверху  каждой радиантной камеры помещается конвекционная камера, которая имеет прямоугольную форму, футерована легкой жаростойкой трубой.  

     Преимущества  вертикальных трубчатых печей перед  печами других типов заключаются в следующем:

     1) уменьшение расхода легированного  металла на подвески и опоры  труб змеевика, поскольку число  креплений уменьшено и они  вынесены за пределы обогреваемой  зоны;

     2) значительное уменьшение габаритов  и площади, занимаемой печами;

     3) повышение КПД  до 80 - 85% за счет утилизации теплоты и некоторого уменьшения потерь ее через наружные стены;

     4) значительное снижение расхода  футеровочного материала, благодаря  применению легкого жаростойкого  бетона. 
 

     4.4 Ректификационные  колонны 

     Классифицируются по технологическому назначению, давлению, способу осуществления контакта между паром и жидкостью, числу получаемых при разделении смесей продуктов. В зависимости от назначения ректификационные аппараты делятся на колонны атмосферной перегонки нефти, от-бензинивающие, вакуумной перегонки мазута, стабилизации и т. д. В зависимости от давления - на атмосферные, вакуумные, работающие под давлением.

     В качестве контактных устройств используются ректификационные тарелки и насадки. На большинстве технологических установок по переработке нефти применяются только тарельчатые колонны.

     Существуют  ректификационные тарелки различных  типов - колпачковые, бесколпачковые, струйно - направленные и др.

     Колпачковая тарелка представляет собой металлический  диск, в котором имеется множество отверстий для прохода паров. По периметру отверстий закреплены бортики определенной высоты, называемые стаканами, благодаря которым на тарелке поддерживается определенный слой жидкости. Сверху стаканы накрываются колпачками. Между верхним срезом стакана и колпачком имеется зазор для прохода паров, поступающих с нижележащей тарелки. При работе колпачки погружены в слой жидкости, и вследствие этого образуется гидравлический затвор, через который барботируют пары.

     Уровень жидкости на тарелках поддерживается сливными перегородками (сливными карманами), нижняя часть которых доходит до следующей тарелки. Избыток жидкости по сливным карманам спускается на нижележащую тарелку. Положение колпачков можно регулировать, изменяя размер зазора между колпачком и верхним срезом стакана. Очень важно, чтобы тарелки размещались в колонне строго горизонтально и чтобы все колпачки были одинаково погружены в жидкость на тарелке. Если эти требования не выполнены, то в какой-либо части тарелки толщина слоя жидкости будет меньше. Через эту часть тарелки начнет проходить большее количество жидкости, и многие колпачки на остальной части тарелки перестанут работать.

     Наиболее  распространены колпачковые тарелки  желобчатого типа, тарелки с S - образными элементами, с круглыми колпачками и тарелки клапанного типа.

     

 

     1 - патрубок; 2 - колпачок; 3 - диск тарелки; 4 - сливная труба; 5 - сливная перегородка;  Н - высота уровня жидкости, в  сливном стакане, h_ст - высота стакана, h_сл - высота подпора при сливе жидкости, l_сл - высота выступающей над тарелкой части сливной перегородки или трубы. 

     Рисунок 10 - Схема работы колпачковой тарелки

     Желобчатые  тарелки имеют простую конструкцию  и весьма легко монтируются. Схема  тарелки приводится на рисунке 11. Основной недостаток желобчатых тарелок заключается в малой площади барботажа (до 30% от площади тарелки), что способствует увеличению скорости паров и уносу флегмы.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 -  корпус  колонны;   2 - глухие   сегменты;    3 - карманы; 4, 7 - сливные  перегородки; 5 - колпачок; 6 - желоб 

     Рисунок 11 - Колпачковая тарелка желобчатого типа 

     В отличие от желобчатых тарелок в  тарелках с S - образными элементами (рисунок 12) жидкость, направляясь к сливному устройству, движется поперек колпачков, а сами колпачки представляют одно целое с желобом. Каждый S -образный элемент состоит из колпачковой и желобчатой части. При сборке их располагают таким образом, чтобы колпачковая часть одного элемента перекрывала желобчатую часть другого, образуя гидравлический затвор.

     Тарелки из S - образных элементов предназначены для колонн, работающих при атмосферном или невысоком давлении, для них характерна устойчивая равномерная работа при изменении нагрузок. Производительность тарелок на 20% выше, чем желобчатых. 

     

 

     1 - S - образный элемент; 2 - плоский сегмент; 3 - карман; 4 - сливная перегородка; 5 - опорная  полоса; 6 - струбцина - скоба; 7- первый элемент; 8 -колпачок. 

     Рисунок 12 - Тарелка с S - образными элементами 

     Еще более эффективны для колонн, работающих при переменных нагрузках по пару и жидкости, а также для колонн, в которых требуется добиться повышенной четкости разделения, клапанные прямоточные тарелки. Основной элемент такой тарелки - клапан (рисунок 13), который под действием паров приподнимается над полотном тарелки на различную высоту. В отличие от прочих колпачковых тарелок, работающих в статическом режиме, для клапанных тарелок характерен динамический, переменный режим работы. 

        

          1 - клапан; 2 - удерживающая скоба 

          Рисунок 13 - Клапанные колпачки  

     Подвижные клапаны в зависимости от паровой  нагрузки поднимаются или опускаются, регулируя площадь свободного сечения тарелки. Благодаря такой конструкции, в широком пределе нагрузок, определяемом возможной длиной хода клапана, скорость паров существенно не меняется.

     Из  бесколпачковых тарелок в последние  годы нашли применение решетчатые тарелки провального типа и ситчатые тарелки с отбойными элементами.

     Основным  показателем для тарелок с переливами является скорость паров в свободном сечении колонны. Скорость паров в колоннах установок первичной перегонки зависит от типа тарелки, расстояния между тарелками, нагрузки тарелки по жидкости, физических свойств разделяемых продуктов и других факторов. Она составляет (в м/с): в атмосферной колонне 0,6 - 0,9, в отбензинивающей 0,2 - 0,3, в стабилизаторе 0,15 - 0,2, в вакуумной 2 - 3.

     Поскольку на установках первичной перегонки  нефть требуется разделить на большое число фракций, на них широко применяются сложные колонны. Сложными являются основная атмосферная колонна и колонна вакуумной перегонки мазута. Атмосферная колонна состоит из 3 - 4 секций, и в ней отбирается 2 - 3 боковых погона - керосиновый, легкий и тяжелый дизельные. В вакуумных колоннах отбирается 1 - 3 боковых погона. Отбензинивающая и стабилизационная колонна относятся к простым колоннам.

       

     4.5 Способы создания  орошения 

     Чтобы обеспечить нормальное проведение процесса ректификации, в колонне необходимо создать поток орошения (флегмы). В промышленной практике применяются три основных способа создания орошения: с применением поверхностного парциального конденсатора; холодным, испаряющимся (острым) орошением; циркуляционным, неиспаряющимся орошением.

     Схемы создания орошения приводятся на рисунке 14. Парциальный конденсатор представляет собой трубчатый теплообменный аппарат, устанавливаемый непосредственно на колонне. В трубки аппарата подается вода или холодное сырье. Конденсат, образующийся в межтрубном пространстве, стекает обратно в колонну в виде флегмы.

     При съеме тепла острым орошением  на верх колонны подается насосом  холодная жидкость, соответствующая  по составу ректификату. Эта жидкость, контактируя на верхней тарелке с парами, поднимающимися с нижних тарелок, испаряется. Поднимающиеся снизу пары охлаждаются, частично конденсируются. Образовавшийся конденсат стекает на следующую тарелку в качестве орошения. Пары орошения и испарившегося на верхней тарелке продукта уходят в конденсатор - холодильник 3. После конденсации продукт собирается в емкости 4, откуда ректификат отводится в качестве товарного продукта, а орошение вновь возвращается в колонну.