Мазуты

Прежде чем переходить к анализу  усовершенствованных схем перегонки  мазута, необходимо отметить рекомендуемые флегмовые числа по секциям колонны, обеспечивающие достаточно высокое качество разделения фракций.

 

 

 

 

 

Таблица 3

Рекомендуемые флегмовые числа по секциям колонны

 

Секция колонны (верхний  продукт – нижний продукт)	Верхнее орошение	ПЦО, расположенное выше вывода дистиллята
Вакуумный газойль – дистиллят  низкой вязкости	15	8,5
Дистиллят низкой – дистиллят  средней вязкости	4	3,5
Дистиллят средней – дистиллят  повышенной или высокой вязкости	2	1,5

 

В вакуумных колоннах по масляному  варианту циркуляционные орошения по высоте колонны следует применять с ограничениями, т. е. не настолько развитыми, как в атмосферных колоннах, так как более важной задачей здесь является обеспечение необходимой четкости разделения фракций. Рекомендуется расход тепла циркуляционных орошений вычислять из расчета 50—70% тепла максимальных значений, найденных тепловым балансом. Остальное тепло в промежуточных секциях колонны будет сниматься горячей флегмой за счет верхнего орошения. Нижнее промежуточное циркуляционное орошение между отбором нижнего дистиллята и вводом сырья предохраняет масляные дистилляты от попадания в них смолисто-асфальтеновых веществ и высококипящих углеводородов.

Применение отпарных секций в вакуумных колоннах по масляному варианту не всегда считалось целесообразным. Отпарные секции применяли для обеспечения заданной температуры вспышки вязких масляных фракций асфальтеновых нефтей или для четкого выделения тяжелых масляных фракций нефтей парафинового основания с целью наиболее полного отделения кристаллических парафинов от фракций, содержащих церезины. В настоящее время при предъявлении особо жестких требований к фракционному составу получаемых дистиллятов вакуумную перегонку мазута осуществляют в колоннах с отпарными секциями.

Применение технологических схем с подводом тепла в отпарные секции является одним из эффективных способов повышения четкости разделения фракций.

Для получения узких фракций  предлагается наряду с подводом водяного пара в низ отпарных секций использовать промежуточный подогрев жидкости и возврат ее на лежащую ниже тарелку (рисунок 4). В отпарных секциях с 6 – 7 реальными тарелками эффективностью не выше 0,65, при кратности парового орошения, равной единице (что примерно в три раза больше обычной), температуре нагрева флегмы не выше 375 °С можно получать фракции 311 – 371, 350 – 414, 386 – 453 и 422 – 500 °С с чистотой соответственно равной 72, 78,3, 58,3 и 77,5%. Ожидаемый интервал выкипания (по Богданову) составит 45, 50, 52 и 62 °С. Промежуточный подогрев жидкости в отпариых секциях наиболее эффективен для выделения маловязких фракций, так как для вязких фракций нагрев жидкости незначительно увеличивает их летучесть.

 

 

1 – сложная колонна; 2 – отпарная секция;

I – мазут; II – головной погон; III – боковой погои; IV – остаток; V – водяной пар

Рисунок 4 – Перегонка  мазута в сложной колонне с  промежуточным подогревом жидкости в отпарной секции

 

Для вакуумных колонн масляного  производства применение внутренних отпарных секций существенно улучшает качество масляных дистиллятов, сужает фракционный состав и повышает температуры вспышки благодаря более глубокому вакууму в них и меньшей потери тепла в окружающую среду.

Обследование работы вакуумных  колонн с внутренними отпарными секциями показало, что температура выкипания 5% (по Богданову) масляных фракций повышается на 15 – 33 °С и температура выкипания 95% - на 2 – 10 °С. Сужение фракционного состава масляных фракций повышает их коксуемость, показатель преломления, вязкость и температуру вспышки. При расходе водяного пара в отпарные секции в пределах 1,5 – 4,4% (масс.) на остаток температура вспышки повысилась от 6 до 34 °С, вязкость при 50 °С – на 1,4 – 4,3 мм²/с, коксуемость в 1.5 – 2 раза.

Некоторым недостатком внутренних отпарных секций является усложнение конструкции колонн, не позволяющее изменять качество отпариваемых продуктов в достаточно широких пределах как в колоннах с выносными отпарными секциями за счет изменения места отбора бокового погона.

Сложная колонна с внутренними  отпарными секциями может быть выполнена одного диаметра или из нескольких концентрически расположенных одна в другой колонн разного диаметра (рисунок 5). Верхние части таких колонн образуют укрепляющие секции, а нижние — в виде кольцевых зазоров между двумя обечайками образуют отпарные секции.

Для вакуумных колонн масляного  производства целесообразна установка  отбойных устройств над вводом сырья  и под наиболее нагруженными (по парам) тарелками боковых отборов. Отмечается, что в вакуумных колоннах уже в течение ряда лет успешно применяют клапанные тарелки и различные насадки без закоксовывания и вспенивания жидкости.

 

 

1 – вакуумная колонна I ступени; 2 – вакуумная колонна II ступени; 3 – ёмкости;

I – мазут; II – водяной пар; III – лёгкий вакуумный дистиллят; IV – лёгкий вакуумный газойль; тяжёлый вакуумный газойль; VI – гудрон;

Рисунок 5 – Схема глубоковакуумной перегонки мазута двукратным испарением по остатку 

 

      1.6 Влияние глубины вакуума на эффективность работы вакуумных колонн и качество получаемых масляных фракций. Конденсационно – вакуумсоздающие системы

 

Обеспечение определенного фракционного состава базовых масляных фракций, получаемых в вакуумной колонне, является одним из условий производства на их основе высококачественных товарных масел.

Условиям получения узких масляных фракций (интервал выкипания 50 °С) посвящены работы многих исследователей. Доля испарения масляных фракций в сечении питания во многом определяет эффективность работы вакуумной колонны, так как необходимое количество тепла для разделения нефтяного парового потока на фракции в основном вносится в зону питания с сырьем. Вследствие ограничения температуры нагрева мазута (не выше 390 – 410 °С) доля испарения в зоне питания зависит от остаточного давления (глубины вакуума) именно в зоне питания колонны.

Как уже было выше написано, замена ректификационных тарелок насадками является наиболее эффективным способом снижения абсолютного давления в эвапорационном пространстве вакуумной колонны. Опыт показывает, что такая замена позволяет снизить перепад давления между сечением питания и верхом вакуумной колонны с 100 – 150 (13,3 – 20кПа) до 5 – 15ммрт. ст. (0,7 – 2,6 кПа). Это улучшает качество дистиллятов.

Другим необходимым условием получения  качественных базовых масляных фракций  в вакуумной колонне является увеличение их относительной летучести при снижении остаточного давления. Это вытекает из формулы Мельполдера и Хидингтона для определения относительной летучести углеводородов:

 

lgа = (T₂ — Т₁/Т) • [9,7435 — 1,151g Р + 7/179(lg Р-380,3)], (1)

 

где а – относительная летучесть; Т₁, T₂ – температура кипения низко- и высококипящего компонентов соответственно при стандартных условиях, К; Т – температура, при которой рассчитывается относительная летучесть, К; Р – общее давление в системе, Па.

Из этой формулы видно, что при  снижении общего давления увеличивается относительная летучесть и повышается четкость разделения углеводородных компонентов.

Снижение общего остаточного давления в вакуумной колонне отражается не только на четкости разделения, но и на перераспределении углеводородов масляных фракций в процессе однократного испарения мазута, т. е. непосредственно на качестве масляных фракций.

Заданное остаточное давление в  вакуумной колонне обеспечивается конденсацией паров, уходящих с верха колонны, и эжектированием неконденсирующихся газов и низкокипящих фракций.

Конденсационно-вакуумные системы  состоят из двух ступеней конденсации  и системы вакуумных насосов. Двухступенчатую конденсацию паров применяют для снижения потерь углеводородов вследствие интенсивного образования «тумана» и для раздельной конденсации нефтяных и водяных паров. В качестве первой ступени конденсации наиболее часто используют тарелки циркуляционного орошения в верху колонны, реже – конденсатор острого орошения; в качестве второй ступени применяют конденсаторы смешения (барометрического типа) и поверхностные конденсаторы. Вакуумный насос эвакуирует несконденсированные пары и инертные газы после конденсаторов.

На рисунке 6 показаны принципиальные схемы конденсационно-вакуумных систем, применяемые в нефтепереработке при перегонке мазута, а также основные потоки и давление в линиях и аппаратах конденсационно-вакуумной системы.

В основу классификации положен  принцип построения схем ступеней вакуумной  конденсации (системы конденсации – системы эжекторов). Изучение большого числа вакуумных колонн действующих установок АВТ показало, что в промышленности используют в основном пять типов конденсационно-вакуумных систем. Приведенные на рисунке схемы различаются как по числу, так и по оформлению ступеней вакуумной конденсации. По принятой классификации первая ступень конденсации соответствует верхнему циркуляционному орошению (ВЦО) вакуумной колонны; вторая – коденсаторам поверхностного типа, сочетающим теплообменники для регенерации тепла парогазового потока и водяные или воздушные конденсаторы; третья – конденсаторам смешения в конденсаторах барометрического типа водой или одним из продуктов этой же колонны и, наконец, четвертая ступень – конденсации парогазового потока между ступенями эжекторов.

 

 

а – с верхним циркуляционным орошением (ВЦО) и барометрическим конденсатором; б – с ВЦО, поверхностными конденсаторами-холодильниками и конденсаторами смешения; в – с острым орошением, с поверхностными конденсаторами-холодильниками и конденсаторами смешения; г – с острым орошением и с поверхностными конденсаторами холодильниками; д – с ВЦО и поверхностными конденсаторами-холодильниками; е – с предварительным эжектором;

I – ВЦО; II – поверхностные конденсаторы-холодильники; III – конденсаторы смешения; IV – эжекторы с конденсаторами;

V_v – расход нефтяных паров; V_i –  расход инертного газа; Vp—расход водяного пара; V_п – расход неконденсируемых паров; p_i, р_v – парциальные давления паров V_i и V_п соответственно; ∆Р – перепад давления в поверхностном конденсаторе и в трубопроводе;

Рисунок 6 – Классификация конденсационно-вакуумных систем

Приведенные схемы конденсационно-вакуумных  систем различаются также связью с окружающей средой. Так, схема (а) полностью «открыта»: в ней воду и углеводородный конденсат сбрасывают в открытую систему. Промежуточное положение занимают схемы (б) и (в), а схемы (г) и (д) полностью «закрыты».

Температура парового потока, покидающего первую ступень конденсации, выше 100 °С, что свидетельствует о выносе из колонны большого объема паров во вторую ступень. Очевидно, это и является одной из основных причин повышенного давления на верху колонн, которое в большинстве случаев составляет 107—120 гПа вместо 53—80 гПа по проекту. Конденсационно-вакуумные системы различают также и по расходу охлаждающей воды и пара на эжекцию. В частности, расход воды для каждой из схем меняется в пределах 1—5 м³/т, а расход пара на эжекцию — от 1 до 3% по отношению к сырью колонны и являются соизмеримым расходу острого пара, подводимого в низ колонны.

Принцип работы конденсационно-вакуумной системы на примере схемы (а). Уходящие с верха колонны нефтяные пары конденсируются в колонне с верхним циркуляционным орошением. Водяные пары вместе с инертными газами и с несконденсированными нефтяными парами, насыщающими газовую фазу после тарелок циркуляционного орошения при температуре конденсации, поступают в барометрический конденсатор, где конденсируется основная масса водяных паров. Конденсат поступает в барометрический колодец, а несконденсированные водяные пары вместе с инертными газами отсасываются эжектором, после которого водяной пар конденсируется в конденсаторе поверхностного типа. Газы разложения после второй или третьей ступеней эжектора отводятся в камеру сгорания трубчатой печи. При переработке сернистых и высокосернистых нефтей в выходящих газах последней ступени эжектора концентрируется большое количество сероводорода (до 15—19%) и при отсутствии системы утилизации этих газов они будут сильно загрязнять атмосферу.

Схемы с барометрическим конденсатором (схемы а, б и в) наиболее распространены в промышленности. Они обеспечивают достаточно глубокий вакуум за счет низкого сопротивления и высокой эффективности теплообмена в барометрическом конденсаторе смешения. В то же время при непосредственном смешении нефтепродуктов и охлаждающей воды последняя загрязняется сероводородом и в результате многократного перемешивания создается довольно стойкая эмульсия, затрудняющая очистку воды и загрязняющая водный бассейн. Устройство оборотной системы водоснабжения в барометрическом конденсаторе уменьшает загрязнение водоемов, однако при этом повышается температура охлаждающей воды и затрачивается немало средств на сооружение отдельной системы водоснабжения.

В схеме по рисунку 6 (в) предусматривается минимальное смешение нефтепродуктов с водой, и поэтому она в настоящее время широко внедряется в промышленности. Однако поверхностные конденсаторы имеют большую разность температур охлаждающей воды и водяного конденсата, нежели, конденсаторы смешения. В связи с этим, для достижения одинакового абсолютного давления в системе с конденсаторами поверхностного типа требуется охлаждающая вода с более низкой температурой или больший ее расход.

В вакуумсоздающих системах с поверхностными конденсаторами в качестве хладоагента вместо воды может быть использована сырая нефть; при температуре нефти 6 – 7 °С обеспечиваются достаточно высокие коэффициенты теплопередачи – 47 Вт/(м²*К) – и низкое остаточное давление в верху колонны – 53 – 67 гПа.

В схеме по рисунку 6 (г) с острым орошением в верху колонны наблюдаются большие потери легких фракций дизельного топлива из-за интенсивного образования тонкой эмульсии в виде масляного «тумана», поэтому она применяется редко.