Теория процесса ректификация, материальный баланс, характеристика сырья и продуктов

Введение

Химическая промышленность обеспечивает народное хозяйство огромным количеством всевозможных продуктов, без которых была бы невозможна жизнь  современного общества.

В результате химической переработки  ископаемых народное хозяйство получает важнейшие продукты.

Так в зависимости от происхождения  нефтяные газы делятся на природные, которые добываются из самостоятельных  месторождений, попутные - совместно  с нефтью и искусственные, которые  образуются при переработке нефти  каталитическими и термическими методами.

На многих современных  технологических установках имеются  блоки первичной обработки газа. На этих блоках проводится очистка  газа от сероводорода, а также выделение  из газа углеводородов С₃ и С₄ в виде жидкой углеводородной фракции – «головки стабилизации».

При переработке предельных углеводородов получаются следующие  продукты, которые используются для  различных целей:

1. Пропан-пропиленовая фракция – сырье пиролиза, хладагент для многих технологических установок, бытовой сжиженный газ;
2. Бутан-бутиленовая фракция – сырье для получения бутадиена в производстве синтетического каучука, сырье пиролиза и компонент сжиженного бытового газа, добавка к автомобильному бензину для придания ему требуемого давления паров;
3. Пентан-амиленовая фракция – сырье для процессов изомеризации и пиролиза.

 

 

 

 

 

 

1. Технологическая часть

 

1. Назначение и краткая характеристика процесса

Газофракционирующая установка (ГФУ) входит  в  состав  цеха 17/19

нефтеперерабатывающего  завода, с производительностью по переработке: предельной головки стабилизации – 292117 тонн в год; непредельной головки  стабилизации – 136169 тонн в год. Год  ввода установки в действие - 1964.

Газофракционирующая установка  предназначена для разделения методом  ректификации головок стабилизации бензинов, с получением пропановой, пропан-пропиленовой, бутановой, бутан-бутиленовой, пентан-амиленовой и пентановой фракций с последующей их доочисткой от сероводорода и сероорганических соединений  раствором щелочи, а также для поддержания давления в топливной сети завода и компании испарением пропан-бутановой фракции.

Газофракционирующая установка  состоит из 3-х самостоятельных  секций, предназначенных для раздельной переработки предельных и непредельных головок стабилизации бензинов.

В состав установки входят также:

- испарительная станция,  предназначена для поддержания  давления в топливной сети  завода и компании;

- насосная, предназначена для закачки свежей щелочи из емкостей 

Е-15/1,2 насосами Н-12,Н-13 в щелочные отстойники Е-4,5,6,7 I,II,III секций, а также  откачки отработанной щелочи из Е-1,Е-1А  насосами Н-12,Н-13 в емкости-усреднители Е-15,Е-16,Е-17,Е-18.

      Разделение  предельной "головки" стабилизации  бензинов на про-пановую  (ПФ),  бутановую  (БФ)  и пентановую фракции (ПФ) происходит путем ректификации.

     Сырье - предельная "головка» стабилизации бензинов  из  ёмкостей парка 11, под давлением системы  поступает  на  прием к сырьевым насосам. Сырьевыми насосами "головка"  стабилизации подается в контактор через диафрагмовый смеситель,  где за счет разности плотностей происходит отделение подтоварной  воды, щелочи.   С верха контактора  обезвоженная "головка" стабилизации поступает в колонну-деэтанизатор, где происходит удаление этана. Далее «головка» стабилизации поступает в межтрубное пространство теплообменника, где за счет тепла пентановой фракции нагревается до температуры 60-90 °С, поступает на тарелки  пропановой  колонны.

    За счет процессов  массо- и теплообмена пары  пропановой фракции поднимаются вверх по  колонне  и,  пройдя  через конденсаторы холодильники  поступают в  рефлюксную  емкость .

     Часть пропановой фракции насосами  подается на орошение пропановой  колонны. Избыточное давление из рефлюксной емкости через клапан регулятор сбрасывается в линию 130 или в линию "газ на факел".

    Избыток пропановой  фракции из  рефлюксной емкости насоса-ми  откачивается через инжектор   в емкость-отстойник.

     В емкости  отстойнике  происходит  очистка   пропановой фрак-ции от сераорганических  соединений  циркулирующим раствором щелочи.  С верхней части емкости отстойника очищенная пропа-новая фракция по  трубопроводу поступает на узел готовой про-дукции.  Контроль качества пропановой фракции осуществляется при помощи  поточного хроматографа, установленного на шлемовом трубопроводе пропановой колонне (фракционный состав), а так же по средствам лабораторного контроля.

     Смесь бутановой  и пентановой фракций, перетекая по тарелкам, поступает в кубовую часть пропановой  колонны и далее по переливной линии в межтрубное пространство  рибойлера .

      В трубное пространство рибойлера  подается  теплоноситель (водяной пар).     Пары из рибойлера  возвращаются в пропановую колонну, а смесь бутановой и пентановой фракцией из-за переливной перегородки поступает в бутановую колонну. 

      Пары бутановой фракции поднимаются вверх по колонне и, пройдя через конденсаторы-холодильники,  поступают в рефлюксную емкость .

      Часть бутановой фракции из рефлюксной емкости насосами  подается на орошение бутановой колонны.

      Избыток бутановой фракции из рефлюксной емкости насосами  откачивается через инжектор  в емкость отстойник.

   В емкости отстойнике происходит очистка  бутановой фракции от сераорганических соединений циркулирующим  раствором щело-чи.  Контроль  качества бутановой фракции осуществляется при помощи поточного хроматографа, установленного на шлемовом трубопроводе бутановой колонны (фракционный состав), а так же  посредством лабораторного контроля.

      Пентановая фракция, перетекая по тарелкам,  поступает в кубовую часть бутановой колонны  и далее по  переливной линии в межтрубное пространство рибойлера.

      В трубное пространство рибойлера подается  теплоноситель (водяной пар). 

      Пары из рибойлера  возвращаются в бутановую колонну, а пен-тановая  фракция из-за  переливной  перегородки поступает в межтрубное пространство  теплообменника,  отдает свое тепло сырью и, пройдя холодильник через инжектор, поступает в ем-кость-отстойник.

     В емкости отстойнике  происходит  очистка пентановой фракции от серо-органических  соединений  циркулирующим  раствором щелочи.  С верхней части емкости отстойника очищенная пентановая фракция по трубопроводу поступает на узел  готовой  продукции.

      С нижних частей емкостей-отстойников, а также контактора  подтоварная вода,  щелочь  под  давлением  системы поступает в емкость Е-1А (Е-1).

      В случае  невозможности выдачи  бутановой   фракции,  на ГФУ-I имеется схема вовлечения бутановой фракции в пентановую фракцию. Из рибойлера   бутановая фракция по перемычке поступает совместно с  пентановой фракцией на защелачивание в емкость-отстойник.

      На ГФУ-I имеется схема выдачи бутановой фракции насосами  на установку ЭП-300 АЗП.

     В период  ремонта установки 75 очистка предельных "головок" стабилизации бензинов  от серо-органических соединений  осуществляется непосредственно на секции.  Регенерированный  раствор моноэтаноламина с установки 1571 цеха 17/19 НПЗ по трубопроводу № 9337 поступает в диафрагмовый смеситель.  В смесителе  происходит смешение моноэтаноламина с неочищенным сырьем.  Смесь раствора моноэтаноламина и сырья поступает в контактор.  В контакторе  за счет разности плотностей происходит  разделение сырья и раствора моноэтаноламина.  С верха контактора  очищенное сырье поступает в  колонну-деэтанизатор и далее в теплообменник, а с низа контактора   насыщенный раствор моноэтаноламина давлением системы выдается  по трубопроводу № 9336 на регенерацию, на установку 1571  цеха  17/19 НПЗ.

 

2. Теоретические основы процесса

Ректификация – процесс  разделения жидких смесей на фракции, отличающиеся температурой кипения. Физическая сущность процесса ректификации состоит  во встречном массо- и теплообменне между неравновесными потоками пара и жидкости, двигающимися противотоком. В результате обменных процессов пар обогащается низкокипящими, а жидкость – высококипящими компонентами.

Ректификация – завершающая  стадия разделения газовых смесей. Она применяется для получения  индивидуальных углеводородов высокой  чистоты. Особенность ректификации сжиженных газов по сравнению  с ректификацией нефтяных фракций – необходимость разделения очень близких по температуре кипения продуктов и получения товарных продуктов высокой степени чистоты. Ректификация сжиженных газов отличается также повышенным давлением в колоннах, поскольку для создания орошения необходимо сконденсировать верхние продукты ректификационных колонн в обычных воздушных и водяных холодильниках, не прибегая к искусственному холоду.

Непредельные углеводородные газы подвергают, как правило, газофракцио-нированию на установках ГФУ.

На этих установках осуществляется очистка сырья от содержащегося  в нем сероводорода, с последующим  проведением глубокой перегонки, продуктом чего являются бензиновые и узкие газовые фракции.

Очистка сырья от сероводорода осуществляется водным раствором моно-этаноламина (МЭА), который взаимодействует с сероводородом по следующей реакции:

 Процесс сероочистки происходит при температуре до 40°С, при более высоких температурах качество сероочистки ухудшается, т.к. возможен процесс обратной реакции. Регенерация насыщенного сероводородом МЭА производится путем его нагрева до температуры 105-120°С, при которой происходит обратная реакция.

Процесс разделения многокомпонентной  смеси на фракции, основанный на разности температуры кипения компонентов, называется ректификацией. На установках ГФУ процесс ректификации осуществляется в ректификационных колоннах - вертикальных аппаратах, оборудованных сложными внутренними устройствами – тарелками или насадками различных видов.

В процессе ректификации на установках ГФУ сжиженные углеводородные газы, подлежащие разделению на фракции, нагреваются, причем часть содержащихся в них компонентов переходит в газовую фазу. Разогретая газожидкостная смесь подается в среднюю (или нижнюю) часть ректификационных колонн. Жидкая фаза стекает по тарелкам вниз, при этом из нее под действием поднимающихся с низа колонны паров продолжают испаряться легкокипящие компоненты, паровая фаза поднимается вверх. Hа каждой тарелке происходит контакт газов со стекающей с вышележащих тарелок жидкой фазой. В результате наиболее тяжелые, имеющие более высокую температуру кипения компоненты конденсируются и, смешиваясь со стекающим с тарелки потоком жидкости, опускаются вниз. Оставшиеся газообразные компоненты поднимаются на вышележащую тарелку, где описанный процесс повторяется.

Поток жидкости, стекающий  по тарелкам в низ колонны, называется флегмой. Начало ему дает часть продукта, выходящего в паровой фазе с верха  колонны, сконденсированного в холодильниках-конденсаторах и возвращаемого на верхнюю тарелку колонны в качестве острого орошения. Стекая по тарелкам вниз, флегма обогащается конденсирующимися в ней наиболее тяжелыми компонентами из потока поднимающихся вверх газов. Конденсируясь, компоненты газового потока отдают потоку флегмы тепло, за счет которого из нее испаряются наиболее легкие, кипящие при более низкой температуре компоненты. Таким образом, на тарелках ректификационной колонны одновременно протекают процессы теплообмена (передачи тепла от потока горячих газов потоку более холодной флегмы) и массопередачи (перехода легкокипящих компонентов из жидкого потока в газовый поток, а тяжелых - из газового потока в жидкостной). В результате этих процессов при установившемся режиме на каждой тарелке колонны устанавливается определенная температура и соответствующий равновесный состав жидкой и газообразной фаз.

 

 

 

 

 

2. Техническая характеристика исходного сырья, материалов, реагентов, полуфабрикатов, изготовляемой продукции

Таблица 2.1.

Наименование  веществ,    материалов	Номер государственного или отраслевого стандарта, технических  условий, стандарта предприятия  и другой нормативной документации	Показатели качеств, обязательные        для  проверки, размерность	Норма по НД	Область применения изготовляемой продукции, назначение используемых веществ
2.1.1. Исходное  сырье
1."Головка"  стабилизации предельная	СТП 010705-401004-99	1. Массовая доля  компонентов, %		Сырье ГФУ НПЗ
		1.1. Этана, не  менее	0,1
		1.2. Пропана в  пределах	5-45
		1.3. Бутана в  пределах	25-60
		1.4. Сумма углеводородов  С5, С6, не более	55,0
		1.5. Содержание  свободной воды	Отс.
2."Головка"  стабилизации непредельная                            (очищенная)	ДК 05-21303-36-99	По анализам поставщика		то же
3.Фракция   пропан-бутановая	ДК 05-21303-26-98	То же		Сырье испарительной  станции ГФУ НПЗ
4. Газовый   конденсат	-	Анализируется совместно  с пентан-амиленовой фракцией. Качество газового конденсата обеспечивается технологией процесса. Примечание: Состав газового конденсата, % мас.: бутан  - 25-30 пентан - 30-45 гексан и выше - 25-30. Данные ЦЛК  ОАО АНХК.		Поступает с установки 1571 НПЗ и используется в качестве компонента  пентан-амиленовой  фракции- компоненты автобензина.
2.1.2. Реагент,  катализаторы, адсорбенты, абсорбенты, материалы для тары, упаковки, смазочные  материалы
1.Щелочь свежая  разбавленная	СТП 010705-401052-96	1. Массовая доля  едкого натра, %	6-12	Для очистки готовой  продукции от  сероводорода и  сероорганических соединений
		2. Содержание  мех.     примесей	отс.
2.Моноэтаноламин  технический	ТУ 6-02-915-84	1. Анализируется  на установке 1571 цеха 17/19  НПЗ		Для очистки непредельной “головки" стабилизации в период остановки установки 75
3. Масло индустриальное  И-20А,  И-30А, И-40А	ГОСТ 20799-88	1. Принимается  по паспорту поставщика		Применяется для   смазки механизмов.
2.1.3. Вспомогательные  материалы (воздух КИП, воздух  технологический, инертный газ,  паровой конденсат, химочищенная вода, промвода)
1. Воздух сжатый	ДК 05-21303-38-99	1. Принимается  по результатам анализа изготовителя.		Для обеспечения  работоспособности приборов КИП
2. Азот газообразный	СТП 010703-401083-96	1. Принимается  по результатам анализа изготовителя.		Для продувки перед  ремонтом и опрессовки после ремонта оборудования.
3. Воздух сжатый  (силовой)	ДК 05-21303-38-99	1. Принимается  по результатам анализа изготовителя		Для продувки технологического оборудования в ремонт
4. Паровой конденсат	¦Приложение N 5 к  договору N 1353 с "Иркутскэнерго"	1. Жесткость, мкмоль/дм3, не более	50	Поступает  в  бойлерную БОВ.
		2. Щелочность  общая мкмоль/дм3, не более	100
		3. Щелочность  гидратная, мкмоль/дм3, не более	20
		4. Нефтепродукт	Отс.
		5. Запах	Отс.
		6. Цвет	Отс.
		7. Железо, мкг/дм3, не более	50
		8. Кремнесодержание, мкг/дм3, не более	120
2.1.4. Топливные  материалы (газообразное и жидкое  топливо,         сжигаемое  в собственных топочных устройствах)		Газообразного и  жидкого топлива на установке  нет.
2.1.5. Промежуточная  продукция, выдаваемая смежникам  под контролем                            ЛТК подразделений (дочерних предприятий)  и используемая                         только в ОАО АНХК (арбитражные  анализы выполняет ЦЛК).
1. Фракция пропановая	ДК 05-21303-30-99	1. Массовая доля  этана, %, не более	3,0	Используется  в процессе деасфальтизации гудрона на установке 36/2М НПЗ.
		2. Массовая доля  пропилена, %, не более	3,0
		3. Массовая доля  пропана, %, не менее	93,0
		4. Массовая доля  суммы углеводородов  С4   ,%  не более	4,0
		5. Массовая концентрация  сероводорода, мг/м3, не более	15
2.Фракция   пропан-пропиленовая - компонент бытовых газов	ДК 05-21303-20-99	1. Массовая доля  компонентов, % :	Не нормируется, определение обязательно.	Используется  в качестве компонента бытового газа и в качестве сырья испарительной  станции
		1.1. Суммы этан-этилена
		1.2. Суммы пропан-пропилена, не менее	50
		1.3. Суммы бутан-бутилена, не более	40
		2. Массовая концентрация  сероводорода, мг/м3, не более	15
		3. Объемная доля  жидкого остатка при 20 0С, %, не более      зимой      летом	0,7 1,6
3.Фракция пропан-бутановая  (смесь пропана и пропан-пропиленовой фракции ГФУ)	ДК 05-21303-26-98	1. Массовая доля  компонентов, %:		Используется  в качестве коммунально-бытового газа.
		1.1. Суммы этан-этилена, не более:   летом     зимой	5,5 5,5
		1.2. Суммы пропан-пропилена, не менее летом зимой	50 75
		1.3. Суммы бутан-бутилена, не более      летом      зимой	50 25
		2. Объемная доля  жидкого остатка при 20 0С, %, не более    летом    зимой	1,6 0,7
		3. Массовая доля  сероводорода и меркаптановой серы, %, не более	0,013
		в том числе  сероводорода, не более	0,003
		Примечание: показатели приведены для справки, продукт  анализируется в парке 1548/49 цеха 17/19 НПЗ
4.Фракция бутановая	ДК 05-21303-29-99	1. Массовая доля  компонентов, %		Используется  в качестве: сырья на установке  ЭП-300 завода полимеров;   Компонента  сжиженных углеводородных газов  для коммунально-бытового потребления. Компонента отопительного  газа.
		1.1. Сумма углеводородов  С3 , не	5,0
		1.2. Сумма углеводородов  С5 , не более	10
		2. Массовая доля  сероводорода, %, не более	0,003
		3. Объемная доля  жидкого остатка при 20 0С, %, не более	1,8
5.Фракция бутан-бутиленовая	ДК 05-21303-23-99	1. Массовая доля  компонентов, %:		Поступает в парк 1548/49 цеха НПЗ
		1.1. Сумма углеводородов  С3 , не более	5,0
		1.2. Сумма углеводородов  С4 , не менее	85,0
		1.3. Сумма углеводородов  С5 и выше, не более	10,0
		1.4. Сумма непредельных  углеводородов, не более	45
		2. Массовая доля  сероводорода, %, не более	0,003
		3. Объемная доля  жидкого остатка при 20 0С, %, не более	1,8
		4. Содержание  свободной воды и щелочи	Отс.
6.Фракция пентан- амиленовая	ДК 05-21303-37-99	1. Наличие сероводород	Должна выдерживать  испытание по методу 789-96	Используется  в качестве компонента автобензина
		2. Упругость паров,  мм. рт.ст., не более          зимой          летом	1200 900
		3. Содержание  механических примесей и воды	Отс.
Фракция пентановая	ДК-05-21303-61-99	1. Наличие сероводорода	Должна выдерживать  испытание по методу 789-96	Используется  в качестве сырья пиролиза на установке  ЭП-300 АЗП.
		2. Упругость паров,  мм. рт.ст., не более	700
		3. Содержание  механических примесей и воды	Отс.
8. Газ топливный  (отдувочный).	СТП 010705-401012-96	Не контролируется. Качество гарантируется технологией.		Поступает на установку 1571 ц.17/19 НПЗ
		Состав отдувочного газа, % масс.: С2 –3,0 С3 -50-96 С4 –4-40
9. Газ топливный  (пропан-бутановая фракция).	СТП 010705-401012-96	Не контролируется. Примечание: сырье  испарительной станции пропан-бутановая фракция анализируется на ГФУ и в парке 1548/49 НПЗ по ДК 05-21303-26-98		В топливную сеть
10. Вода фенольно-сульфидная (щёлочь отработанная)	ДК 05-21303-14-99	1. Массовая концентрация  летучих фенолов:		Поступает на установку 75 для утилизации
		1. Массовая концентрация  летучих фенолов, мг/дм3 , не более	-
		2. Содержание  нефтепродуктов	Отс. плёнки
		3. Массовая концентрация  нефтепродуктов, мг/дм3 , не более	-
		4. Массовая концентрация  свободной щелочи, в пересчете  на гидроокись натрия, мг/дм3, не  более	-
		5. Массовая концентрация  сернистых соединений в пересчете  на сероводород, мг/дм3, не более	-
		6. Содержание  взвешенных веществ	Отс.
		7. Массовая концентрация  солевого аммония мг/дм3, не более	-
		8. Массовая концентрация меркаптанов, мг/дм3 Примечание: 1.  Показатели по отработанной щелочи на ГФУ не нормируются, определение  обязательное для набора данных	-
		2.1.6. Готовая продукция,  выдаваемая под контролем ОТК  или ЛТК подразделений, дочерних  предприятий и являющаяся товарной  продукцией ОАО АНХК.		Готовая продукция, выдаваемая под контролем ОТК  или ЛТК подразделений, дочерних предприятий и являющаяся товарной продукцией ОАО АНХК -  нет.