Технологический расчет атмосферной колонны установок перегонки нефти

Содержание

1. Ректификация

При однократном испарении взаимно  растворимых жидкостей и последующей конденсации паров получают две фракции: легкую, в которой содержится больше низкокипящих фракций, и тяжелую, в которой содержится меньше низкокипящих фракций, чем в исходном сырье. Следовательно, при перегонке происходит обогащение одной фазы низкокипящими, а другой — высококипящими компонентами. Однако достичь требуемого разделения компонентов нефти и получить конечные продукты, кипящие в заданных температурных интервалах, с помощью перегонки нельзя. Поэтому после однократного испарения нефтяные пары подвергаются ректификации.

Ректификацией называется диффузионный процесс разделения жидкостей, различающихся по температурам кипения, за счет противоточного, многократного контактирования паров и жидкости. Контактирование паров и жидкости осуществляется в вертикальных цилиндрических аппаратах — ректификационных колоннах, снабженных специальными устройствами — ректификационными  тарелками или насадкой, — позволяющими создать тесный контакт между паром, поднимающимся вверх по колонне, и жидкостью, стекающей вниз (рис. 1.1).

В среднюю часть в виде пара, жидкости или парожидкостной смеси  подается сырье, которое необходимо разделить на две части — высококипящую  и низкокипящую. В простейшем случае исходное сырье состоит из двух компонентов (например, бензола и толуола, бутана и изобутана и др.). Однако чаще сырье представляет собой многокомпонентную смесь, которую с помощью ректификации надо разделить на два продукта, один из которых содержит в основном низкокипящие компоненты, а другой — высококипящие. Зона, в которую подается сырье, носит название эвапорационной, так как в ней происходит эвапорация — однократное испарение нагретой в печи или теплообменнике смеси на паровую и жидкую фазы. В некоторых случаях эвапорационная зона отделена от колонны, и эвапорация производится в самостоятельном аппарате. Однако у большинства колонн, в частности на установках первичной перегонки, однократное испарение и ректификация совмещаются.

Принцип работы промышленной ректификационной колонны аналогичен лабораторной. В работающей ректификационной колонне через каждую тарелку проходят четыре потока:

• жидкость — флегма, стекающая с вышележащей тарелки;
• пары, поступающие с нижележащей тарелки;
• жидкость - флегма, уходящая на нижележащую тарелку;
• пары, поднимающиеся на вышележащую тарелку.

Пары и жидкость, поступающие  на тарелку, не находятся в состоянии  равновесия, однако, вступая в соприкосновение, стремятся к этому состоянию. Жидкий поток с вышележащей тарелки поступает в зону более высокой температуры, и поэтому из него испаряется некоторое количество низкокипящего компонента, в результате чего концентрация последнего в жидкости уменьшается. С другой стороны, паровой поток, поступающий с нижележащей тарелки, попадает в зону более низкой температуры и часть высококипящего продукта из этого потока конденсируется, переходя в жидкость. Концентрация высококипящего компонента в парах, таким образом, понижается, а низкокипящего — повышается. Фракционный состав паров и жидкости по высоте колонны непрерывно изменяется. Часть ректификационной колонны, которая расположена выше ввода сырья, называется концентрационной, а расположенная ниже ввода — отгонной. В обеих частях колонны происходит один и тот же процесс ректификации.

С верха концентрационной части  в паровой фазе выводится целевой  продукт необходимой чистоты  — ректификат, а с низа — жидкость, все еще в достаточной степени обогащенная низкокипящим компонентом. В отгонной части из этой жидкости окончательно отпаривается низкокипящий компонент. В виде жидкости с низа этой части колонны выводится второй целевой компонент — остаток.

Для нормальной работы ректификационной колонны необходимо, чтобы с верха  колонны на нижележащие тарелки  непрерывно стекала жидкость - флегма. Поэтому часть готового продукта (ректификата) после конденсации возвращается на верхнюю тарелку колонны в виде так называемого орошения. С другой стороны, для нормальной работы колонны необходимо, чтобы с низа колонны вверх непрерывно поднимались пары. Чтобы создать в колонне паровой поток, часть уходящего из колонны остатка подогревается, испаряется и возвращается обратно в колонну.

На рис. 1.1 изображена наиболее типичная конструкция ректификационной колонны. Существуют такие колонны, в которых имеется только концентрационная часть, когда сырье вводится под нижнюю тарелку колонны, или только отгонная, когда сырье подается на верхнюю тарелку.

1. Перегонка нефти до мазута и гудрона

Первичная перегонка нефти на трубчатых  установках осуществляется при атмосферном давлении и под вакуумом. При перегонке нефти на трубчатых установках, работающих при атмосферном давлении, из нефти выделяют светлые дистилляты — бензиновый, керосиновый, дизельный. Остатком от перегонки при атмосферном давлении является мазут — фракция, перегоняющаяся выше 330—350 °С. Эти установки носят название атмосферная трубчатая установка (АТ).

Для того чтобы выделить более высококипящие  нефтяные фракции, мазут подвергается перегонке на установках, работающих с применением вакуума. Остатком от перегонки мазута является гудрон.

В зависимости от общей схемы  нефтеперерабатывающего завода и свойств  поступающей для переработки  нефти сооружаются либо установки  атмосферной перегонки, либо установки, сочетающие атмосферную и вакуумную перегонку,— атмосферно-вакуумные трубчатые установки (АВТ).

В тех случаях, когда на заводе необходимо получить максимальное количество светлых продуктов, перегонку ведут до гудрона. Выделенные из мазута темные дистиллятные фракции и гудрон затем перерабатывают с применением различных технологических процессов, направленных на получение более легких нефтепродуктов (крекинг, коксование и др.). Перегонку до гудрона проводят и в том случае, если на заводе организуется производство нефтяных масел, кокса, битума. Если же для нужд близлежащих районов требуется получить максимальное количество котельного топлива, то ограничиваются перегонкой до мазута.

В данном дипломном проекте рассматривается  установка АТ.

2. Технологические схемы установок  первичной перегонки нефти

2.1. Типы установок

Атмосферные и вакуумные трубчатые  установки существуют независимо друг от друга или комбинируются в  составе одной установки. Существующие атмосферные трубчатые установки подразделяются в зависимости от их технологической схемы на следующие группы:

• установки с однократным испарением нефти;
• установки с двукратным испарением нефти;
• установки с предварительным испарением легких фракций.

Принципиальная схема установки  с однократным испарением приводится на рис. 1.2. Нефть из промежуточного парка или непосредственно с  установки ЭЛОУ забирается сырьевым насосом и пропускается через теплообменники и трубчатую печь в ректификационную колонну. В эвапорационном пространстве происходит однократное испарение нефти. Пары нефти затем разделяют ректификацией на целевые фракции, а из жидкости также с применением процесса ректификации удаляют легкокипящие фракции.

Схема установки с двукратным испарением приводится на рис. 1.3. Нагретая в теплообменниках нефть подается в так называемую отбензинивающую ректификационную колонну, где происходит испарение нефти. Количество образующихся паров невелико, поскольку нефть нагрета только до 200—220°С. В парах в основном содержатся легкие бензиновые фракции. На ректификационных тарелках отбензинивающей колонны бензин отделяется от более тяжелых фракций и в виде паров уходит из колонны. Вместе с парами бензина удаляются пары воды, поступившей на установку АТ с нефтью, и газы.

Полуотбензиненную нефть забирают насосом и через трубчатую  печь подают в основную, атмосферную колонну, где происходит повторное испарение нефти и ректификация паров с выделением тяжелого бензина (смешиваемого затем с бензином, получаемым в отбензинивающей   колонне), керосиновой  и дизельной фракции. Остатком является мазут.

Промежуточное положение занимает схема с предварительным испарением (рис. 1.4). Нефть на установках этого типа после теплообменников поступает в предварительный испаритель эвапоратора — полый цилиндрический аппарат, где происходит однократное испарение и от нефти отделяются пары легких фракций. Жидкая часть подается через печь в ректификационную колонну. Сюда же поступают пары легких фракций из эвапоратора.

Испарение при этой схеме происходит дважды, а ректификация проводится совместно для всех отгоняемых фракций, как и по схеме с однократным  испарением.

Достоинством схемы с однократным испарением является то, что легкие и тяжелые фракции испаряются совместно. Это способствует более глубокому отделению тяжелых компонентов при относительно низких (300—325°С) температурах подогрева нефти. Установки однократного испарения компактны, имеют малую протяженность трубопроводов, требуют меньше, чем другие установки, топлива. Недостатки схемы с однократным испарением следующие:

• при перегонке нефти с повышенным (выше 15%) содержанием бензиновых фракций значительно увеличивается давление в теплообменниках и трубах печного змеевика, что приводит к необходимости применять более прочную и металлоемкую аппаратуру, увеличивать давление в линии нагнетания сырьевого насоса;
• если на перегонку подается нефть, из которой плохо удалена вода, то это также приводит к повышению давления в печи и может вызвать повреждение фланцевых соединений печных труб;
• если перегоняемая нефть недостаточно хорошо обессолена, то при ее нагреве в трубах печи будут отлагаться минеральные соли, из-за этого происходят местные перегревы в змеевиках печей, что в конечном итоге может приводить к аварии — прогару труб;

• при переработке  сернистых и плохо обессоленных нефтей необходимо защищать от коррозии мощную основную колонну, что приводит к повышению расхода высоколегированной стали и цветных металлов.

При двукратном испарении  газ, вода и значительная часть  бензина  удаляются из нефти до ее поступления  в печь. Это обстоятельство облегчает  условия работы, как печи, так  и основной ректификационной колонны  и является основным преимуществом схемы с двукратным испарением. Схема с двукратным испарением особенно удобна в тех случаях, когда часто происходит изменение типа перерабатываемой нефти. На установках двукратного испарения устранены недостатки, характерные для установок однократного испарения.

Однако, чтобы достичь такой  же глубины отбора дистиллятов, как  при однократном испарении, нефть на установках двукратного испарения приходится нагревать до более высокой температуры (360—370 °С). На установке с двукратным испарением удваивается количество ректификационных колонн, загрузочных насосов, растут размеры конденсационной аппаратуры.

Преимуществом схемы с предварительным  испарением является возможность снизить  давление в печи, благодаря тому, что в эвапораторе отгоняются легкие фракции. Недостаток схемы — увеличение размеров основной колонны, поскольку все пары, отделенные в эвапораторе направляются в ту же колонну, что и пары, полученные в печи.

2.2. Схема установки

На нефтеперерабатывающих заводах  применяются все описанные выше схемы перегонки нефти, строятся отдельно стоящие установки атмосферной и вакуумной перегонки, комбинированные атмосферно-вакуумные трубчатые установки.

На рис. 1.5 приводится технологическая  схема атмосферной установки производительностью 0,6 млн. т нефти в год, рассчитанной на переработку Западносибирской нефти.

Нефть из резервуаров промежуточного парка забирают насосом Н-1 и пропускают двумя потоками через сырьевые теплообменники. Для предотвращения коррозии оборудования к нефти добавляют раствор щелочи. Первый поток нефти подогревается в Т-1—фракцией 180—240°С, в Т-2—85-180°С, в Т-3 — фракцией 240—300 °С, в Т-4 — фракцией 300— 350 °С.

Второй поток нефти проходит через теплообменники циркуляционного  орошения атмосферной колонны Т-5, в T-6 - мазутом. После теплообменников нефть объединяется в один поток и поступает с температурой 220°С в первую, отбензинивающую колонну К-1.Верхний продукт колонны К-1 — пары бензиновой фракции с концом кипения 120—150°С конденсируются в конденсаторе-холодильнике погружного типа ХК-1 и поступают в рефлюксную емкость Е-1, откуда часть верхнего продукта насосом Н-3 возвращается в К-1 в качестве орошения (флегмы), а балансовое количество насосом Н-5 подают на стабилизацию в стабилизатор бензина К-4 или выводят с установки.

В рефлюксной емкости Е-1 происходит также выделение газа, который поступает на установки атмосферной перегонки вместе с нефтью. Вследствие наличия газа давление в рефлюксной емкости и отбензинивающей колонне повышенное, оно составляет 3—4 ат.

Отбензиненную нефть —  нижний продукт К.-1 — забирают насосом Н-2 и направляют в трубчатую печь П-1, полезная тепловая нагрузка которой составляет 9,3 млн. ккал/ч. Часть выходящего из печи потока возвращается в К.-1, внося дополнительное количество тепла, необходимое для ректификации.

Остальная часть нагретой полуотбензиненной нефти поступает  в основную атмосферную колонну К-2, где разделяется на несколько фракций. Температура нефти на входе в К-2 по проекту составляет 350°С, а на практике поддерживается более высокой— до 370°С.Для снижения температуры низа колонны и более полного извлечения из мазута светлых нефтепродуктов ректификацию в К.-2 проводят в присутствии водяного пара. Пар подается в нижнюю часть колонны в количестве 1,5—2% в расчете на остаток.

С верха колонны К-2 уходят пары бензиновой фракции с концом кипения 180°С, а также водяной пар. Пары поступают в конденсатор-холодильник ХК-2, после конденсации продукт попадает в емкость-водоотделитель Е-2. Отстоявшийся от воды тяжелый бензин забирают насосом Н-6 и подают совместно с верхним погоном К-1 в К-4. Часть бензина из Е-2 возвращается в К-2 в качестве острого орошения.