Процессы первичной переработки нефти 2 (стр. 2 из 5)

В последнее время нефть перерабатывается на комбинированных установках, сочетающих процессы первичной перегонки нефти с термическими и каталитическими процессами. Комбинированные установки требуют меньших капиталовложений, чем раздельные установки эквивалентной мощности. Они экономичнее и по эксплуатационным затратам, так как более рационально используют тепло потоков и вследствие этого расходуют меньше первичного тепла, воды и электроэнергии. В отечественных установках ЛК-6У комбинируется перегонка нефти с гидроочисткой, каталитическим риформингом и газофракционированием. Мощность этих установок по переработке нефти составляет 6 млн т/год.

4.1. Первичная прямая перегонка нефти

Первичная прямая перегонка осуществляется на трубчатых установках: атмосферная трубчатая печь (АТ – атмосферная трубчатка), вакуумная трубчатка (ВТ), и АВТ (иногда с водяным паром).

В основу метода прямой перегонки нефти и мазута на трубчатых установках непрерывного действия положен принцип однократного испарения нефти (или мазута), нагретый до температуры 350–00 ºС с последующей дробной ректификацией смеси паров, их конденсации и охлаждения. Теоретические основы метода однократного испарения рассмотрены нами в разделе 4.2.1. В результате первичной перегонки нефти на АТ и АВТ получают следующие продукты:

• Сжиженный углеводородный газ (в основном пропан-бутановая смесь);
• Бензиновая фракция (н.к. –180 ºС). Используется после очистки как компонент товарного автобензина и как сырьё для каталитического риформинга;
• Керосиновая фракция (120–315 ºС). После очистки используется как топливо реактивных авиационных двигателей, для освещения, для технических целей.
• Дизельная фракция (атмосферный газойль) — 180–350 ºС. После очистки используется как топливо для дизельных двигателей;
• Мазут – остаток (330–350 ºС). Используется в качестве котельного топлива или сырьё для термического крекинга. Для получения масел.

Рассмотрим обобщенные сведения по теоретическим основам процесса ректификации.

В ректификационных колоннах контактирование потоков пара и жидкости может производится непрерывно (в насадочных колоннах) или ступенчато (в тарельчатых ректификационных колоннах) [20].

В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар обогащается низкокипящим, а жидкость – высококипящим компонентом. При длительном контакте и высокой эффективности контактного устройства пар и жидкость, уходящие из тарелки или слоя насадки, могут достичь состояния равновесия, т. е. температуры потоков станут одинаковыми. В этом случае составы компонентов будут связаны уравнениями равновесия (при этом достигается фазовое равновесие) такой контакт в состоянии 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 требуемую четкость разделения 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 – разделение исходной смеси (сырья) на два продукта. Ректификат (дистиллят) – выводится с верха колонны в парообразном состоянии, и остаток – нижний жидкий продукт ректификации.

Сложные колонны разделяют исходную смесь больше чем на два продукта: 1-ая – ректификационная колонна с отбором дополнительной фракции непосредственно из колонны в виде боковых погонов; 2-ая – ректификационная колонна, у которой дополнительные продукты отбираются из специальных отпарных колонн (стриппингов).

Для разделения многокомпонентных смесей на более чем два компонента (фракции) может использоваться одна сложная колонна либо система простых и сложных колонн, соединенных между собой в определенной последовательности прямыми или обратными паровыми или жидкими потоками. Если не предъявляются сверхвысокие требования к чистоте продукта, используют одну простую колонну для этих целей. Выбор конкретной схемы и рабочих параметров процесса перегонки определяется технико-экономическими и технологическими расчетами с учетом требований по ассортименту и четкости разделения.

Четкость погоноразделения. В нефтепереработке, например, в качестве достаточно высокой разделительной способности колонны перегонки нефти на топливные фракции считается налегание температур кипения соседних фракций в пределах 10–30 ºС (косвенный показатель четкости (чистоты) разделения). На разделительную способность ректификационных колонн влияют число тарелок (или высота насадки), флегмовое и паровое число.

Флегмовое число (R) – соотношение жидкого и парового потоков в концентрационной части колонны (R = L/ D; L и D – количество флегмы и ректификата).

Паровое число (П) – отношение контактируемых потоков пара и жидкости в отгонной секции колонны (П = G/W; G и W – количество соответственно паров и кубового остатка).

Число тарелок (N) колонны (или высота насадки) определяется числом Т.Т. (N^Т), обеспечивающим заданную четкость разделения при принятом флегмовом (или паровом) числе, а также эффективностью контактных устройств (обычно КПД реальных тарелок или удельная высота насадки, соответствующая одной Т.Т.). Зависимость числа Т.Т. от флегмового числа колонны можно выразить в виде графика на рис. 4.1.

Рисунок 4.1. Зависимость числа теоретических тарелок от флегмового числа

Из графика следует, что граничные пределы нормальной работы ректификационных колонн, т. е. заданная четкость разделения смеси может быть достигнута лишь при одновременном выполнении ограничений по флегмовому числу и числу теоретических тарелок.

Любая точка на кривой может быть выбрана как рабочая. Это означает, что заданная четкость разделения смеси может быть достигнута бесконечным множеством пар чисел N^T и R. Как видно из рисунка 4.1, флегмовое число (R) (а значит и количество орошения в колонне) изменяется от минимального значения до бесконечно большой величины. При этом необходимое для обеспечения заданной четкости разделения теоретическое число тарелок (N^T) будет изменяться соответственно от бесконечно большой величины до некоторой минимальной. Но при увеличении количества орошения будут увеличиваться эксплуатационные затраты (расход энергии на перекачку тепла в кипятильнике и холода в конденсаторах). Из опыта эксплуатации ректификационных колонн установлено – оптимальное значение R, соответствующее минимуму общих затрат на ректификацию не намного превышает min необходимое: R_min : Rо_пт = β R_min (β – коэффициент избытка флегмы ~1,0–1,3). Фактическое число тарелок N_ф определяется аналитическим расчетом (на ЭВМ с использованием уравнения равновесия фаз, материального и теплового балансов потоков), либо из опытных данных с учетом эффективного КПД тарелки :

N_ф = N^T η_T.

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

На технико-экономические показатели и четкость погоноразделения ректификационной колонны, кроме разделительной способности, значительно влияют физико-химические свойства (плотность, молярная масса, температура кипения, летучесть и т. п.), компонентный состав и др.

В наиболее обобщенной форме разделительные свойства перегоняемого сырья принято выражать коэффициентом относительной летучести (аналог коэффициента селективности в процессах экстракции).

Коэффициент относительной летучести α = K₁ / K₂

K₁ и K₂ – константы фазового равновесия соответственно низко- и высококипящего компонентов (фракций), т.к. K₁ > K₂, то α > 1.

α – отношение летучестей компонентов перегоняемого сырья при одинаковых температурах и давлениях. Коэффициент относительной летучести α косвенно характеризует движущую силу процесса перегонки применительно к разделяемому сырью. Сырье, у которого α >> 1 значительно легче разделить на компоненты, чем при его значении близком к 1.

Относительная летучесть зависит от давления и температуры, при которых находятся компоненты, с увеличением давления и температуры величина α снижается. Вблизи критической области значений коэффициента α приближается к единице.

4.1.1. Особенности нефти как сырья процессов перегонки

• Невысокая термическая стабильность нефти, ее высококипящих фракций (≈350–360 ºС), необходимо ограничение температуры нагрева (для повышения относительной летучести - перегонка под вакуумом, перегонка с водяным паром – для отпаривания более легких фракций). Необходимо как минимум две стадии: атмосферная перегонка до мазута (до 350 ºС) и перегонка под вакуумом.
• Нефть – многокомпонентное сырье с непрерывным характером распределения фракционного состава с соответственно летучести компонентов. Коэффициенты относительной летучести непрерывно (экспоненциально) убывают по мере утяжеления фракций и по мере сужения температурного интервала кипения фракций. Поэтому в нефтепереработке отбирают широкие фракции: бензин н.к. – 140 ºС (180 ºС); керосиновые – 140 (180) –240; дизельные – 240–350 ºС; вакуумный газойль – 350–400 ºС, 400–450 ºС и 450–500 ºC; гудрон >490 ºС (>500 ºС). Иногда ограничиваются неглубокой перегонкой нефти с получением в остатке мазута >350 ºС (котельное топливо).
• Высококипящие и остаточные фракции нефти содержат значительное количество гетероорганических смолисто-асфальтеновых соединений и металлов (ухудшают товарные характеристики продуктов и усложняют дальнейшую переработку дистиллятов).

Необходима организация четкой сепарации фаз в секции питания атмосферной и особенно вакуумной колонн. Для увеличения разделительной способности нижних тарелок сепарационной секции колонны необходим избыток орошения (называемый избытком однократного испарения), который достигается путем незначительного перегрева сырья (не выше предельно допустимой величины). Доля отгона при однократном испарении в секции питания колонны должна быть на 2–5 % больше выхода продуктов, отбираемых в виде дистиллята и боковых погонов.