Технологический расчет атмосферной колонны установок перегонки нефти

Из колонны К-2 выводятся также три боковых погона — фракции 180—240 °С, 240—300°С и 300—350°С. Эти погоны поступают первоначально в самостоятельные секции отпарной колонны К-3, где из боковых погонов в присутствии водяного пара удаляются легкие фракции. Освобожденные от легких фракций целевые продукты в жидком виде выводятся с установки, а пары легких фракций возвращаются в К.-2. Расход водяного пара составляет 1,5—2,0% в расчете на целевой продукт.

Фракция 180—240°С выводится  с установки через теплообменник Т-1 и холодильник Х-2. Фракции 240—300 и 300—350 °С также отдают в соответствующих теплообменниках избыточное тепло поступающей на установку нефти, охлаждаются в концевых холодильниках и выводятся с установки.

Для улучшения условий  работы колонны К-2 и съема избыточного тепла в колонне предусмотрен вывод циркулирующего орошения. Это орошение забирается с 20-й тарелки, проходит через теплообменник Т-5 и возвращается в К.-2 на 24-ю тарелку.

Остаток из атмосферной  колонны К-2 — мазут прогоняется  через теплообменник Т-6 и выводится  с установки.

На АТ мощностью 0,6 млн. т в год имеются также колонна вторичной перегонки К-6, предназначенная для разделения бензина на узкие фракции, и стабилизатор К-4. Назначение стабилизатора — удалить из бензина легкие углеводороды (пропан и бутан). Колонна вторичной перегонки предназначена для разделения бензина на фракции н. к. —85°С и 85—180°С.

3. Основная аппаратура установок первичной перегонки нефти

На установках первичной перегонки  широко используются теплообменные  аппараты, ректификационные колонны, трубчатые  печи, емкостные аппараты.

3.1. Теплообменная  аппаратура

Теплообменные аппараты, применяемые  на нефтеперерабатывающих заводах, и в частности на установках прямой перегонки, делятся на следующие группы:

• погружные холодильники;
• теплообменнки типа «труба в трубе»;
• кожухотрубчатые теплообменники;
• аппараты воздушного охлаждения;
• теплообменники непосредственного смешения.

Погружные  теплообменники представляют собой заполненные  водой металлические ящики, в которых расположен один или несколько змеевиков. По змеевикам движутся охлаждаемые пары или жидкость. Эти аппараты занимают много места, имеют низкий коэффициент теплопередачи. Погружные теплообменники применялись в качестве конденсаторов паров ректификационных колонн и концевых холодильников. Эти аппараты полностью уступили место более совершенным конструкциям.

Теплообменники типа «труба в трубе» (рис.1.7) легко разбираются для чистки и могут быть использованы при любой разности температур теплообменивающихся сред. Они применяются на установках прямой перегонки для подогрева нефти остаточными продуктами - мазутом или гудроном.

Кожухотрубчатые теплообменники получили большое распространение на современных НПЗ, существуют кожухотрубчатые теплообменники жесткотрубного типа и с плавающей головкой.

Теплообменники с плавающей головкой (рис. 1.6.)—основной вид теплообменного аппарата современного НПЗ. На установках первичной перегонки нефти они используются для подогрева нефти за счет тепла отходящих продуктов, в качестве водяных конденсаторов-холодильников, подогревателей сырья стабилизации и т. д.

Наличие подвижной решетки позволяет  трубному пучку свободно перемещаться внутри корпуса, пучок легко удаляется для чистки и замены. На современных установках первичной перегонки применяются теплообменники с плавающей головкой, имеющие поверхность теплообмена 300—900 м² и длину трубок 6 и 9 м. Коэффициент теплопередачи в этих аппаратах равен 100— 150 ккал/ (м² • ч • град}.

Для конденсации и охлаждения продуктов  в поверхностных теплообменниках  применяется вода. Качество воды на заводах, как правило, невысокое, в  ней содержатся посторонние примеси, она сильно минерализована. Поэтому в трубках холодильников отлагается накипь и органические осадки, трубки подвержены коррозии со стороны воды. Эти недостатки полностью устраняются при использовании взамен водяного охлаждения воздушного. Строящиеся и проектируемые в настоящее время установки первичной перегонки оснащаются в основном конденсаторами и холодильнками воздушного охлаждения.

Аппараты воздушного охлаждения состоят  из пучка труб с коллекторами (сборными трубами), вентилятора с электродвигателем, регулирующих устройств и опорной части. Теплопередача в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) происходит по принципу противотока. Вентилятором воздух прогоняется через межтрубное пространство. Пучок труб охлаждается снаружи. За счет теплоотвода через поверхность охлаждается продукт, протекающий внутри трубок. Чтобы воздух равномерно распределялся по всей охлаждающей поверхности труб, вентилятор соединяется с трубными пучками посредством диффузоров.

Трубы, коллекторы и рамы образуют секции. Коллекторы снабжаются съемными крышками или пробками, что создает возможность очистки внутренней поверхности труб.

Чтобы интенсифицировать теплоотдачу  от поверхности труб к воздуху, наружная поверхность труб увеличивается  с помощью сплошного и частичного оребрения. Отношение полной поверхности ребристой трубы к наружной поверхности гладкой трубы у основания ребра называется коэффициентом оребрения. Чем выше коэффициент оребрения, тем больше коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности теплообменных труб к воздуху. Машиностроительной промышленностью выпускаются нормализованные аппараты воздушного охлаждения с коэффициентом оребрения 9 и 14,6.

Существуют аппараты воздушного охлаждения различной конструкции, отличающиеся расположением трубных секций. Наиболее часто применяются горизонтальные (АВГ, рис. 1.8) и зигзагообразные холодильники (АВЗ, рис. 1.9). Конструкция аппаратов зигзагообразного типа отличается простотой монтажа и обслуживания. По сравнению с прочими типами АВО эти аппараты имеют наибольшую поверхность теплообмена и занимают наименьшую площадь. Число ходов в секциях АВЗ может изменяться в широких пределах. На установках первичной перегонки применяются аппараты воздушного охлаждения горизонтального типа поверхностью до 1,8 тыс. м² и зигзагообразные поверхностью 5—7,5 тыс. м². Коэффициент теплопередачи в аппаратах воздушного охлаждения равен 15—30 ккал/(м²•ч•град) (в расчете на оребренную поверхность).

3.2. Трубчатые печи

С помощью трубчатых печей технологическим  потокам установок прямой перегонки и других технологических установок сообщается тепло, необходимое для проведения процесса.

Трубчатые печи классифицируются по характерным для них признакам:

• полезной тепловой мощности;
• пропускной способности;
• технологическому назначению;
• типу теплопоглощающего змеевика;
• конструктивным особенностям.

Полезная тепловая нагрузка — количество тепла, воспринятое  продуктом, — выражается обычно в  тысячах и миллионах килокалорий  в час. Тепловая нагрузка печей на нефтеперерабатывающих заводах колеблется от 500—800 тыс. ккал/ч до 60— 100 млн. ккал/ч. На современных отечественных установках прямой перегонки имеются трубчатые печи с полезной тепловой нагрузкой 16, 32, 100 млн. ккал/ч.

По производительности, т. е. по количеству нагреваемого продукта в единицу времени, наиболее крупными являются печи первичной перегонки. На установке АТ мощностью 0,6 млн. т нефти в год в трубчатой печи в течение часа подогревается свыше 70 т сырья.

По технологическому назначению печи нефтеперерабатывающих заводов  делятся на печи прямой перегонки, термического крекинга, каталитического риформинга и др. На нефтеперерабатывающих заводах эксплуатируются трубчатые печи самых разнообразных конструкций. 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- и 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 рис. 1.10.

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 тепла, 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 требуемая конечная температура нагрева продукта.

Теплонапряженность поверхности нагрева в радиантных трубах выше, чем в конвекционных. Средняя теплонапряженность радиантных труб составляет (в тыс. ккал/м²): при первичной перегонке нефти 25—50, при перегонке мазута 20—30, при термическом крекинге 20—40.

Коэффициентом полезного действия печи называется отношение полезного используемого тепла к общему количеству тепла, выделенного при сгорании топлива. Перед конструкторами печей стоит задача добиться повышения к. п. д. печи. В печах, построенных на установках первичной перегонки мощностью 1, 2 и 3 млн. т в год в 1950—70 гг., этот показатель не превышал 60—65%. Новые конструкции печей, разрабатываемые в нашей стране и за рубежом, имеют более высокий к. п. д. — ~ 80% и выше.

На нефтеперерабатывающих заводах  широко распространены одно- и двускатные трубчатые печи шатрового типа.

Схематический разрез двускатной печи приведен на рис. 1.11. 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 (боров), 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. Эти печи эксплуатируются с большим коэффициентом избытка воздуха, что также сказывается на  кпд печи. Шатровые печи требуют много места, для их сооружения расходуется большое количество легированного металла.

Недостатки печей шатрового типа и других устаревших конструкций 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.

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 1,5 до 12 млн. ккал/ч.

Вертикальные секционные печи наиболее часто применяются для современных установок прямой перегонки. Тепловая производительность этих печей колеблется от 10 до 100—125 млн. ккал/ч.

Устройство вертикальной секционной печи показано на рис. 1.12. Печи этого типа состоят из ряда секций одинаковой теплопроизводительности и размеров.

Количество секций зависит от необходимой  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 секции, то наряду с однорядными экранами появляются двухрядные, расположенные между топочными пространствами секции.

Сверху каждой радиантной камеры помещается конвекционная камера, которая также имеет прямоугольную форму, футерована легким жаростойким бетоном и содержит пакет горизонтальных ошипованных труб. Конвекционная камера заканчивается сборником продуктов сгорания, имеющим форму усеченной пирамиды. Продукты сгорания затем уходят в дымовую трубу. Дымовые трубы могут быть сооружены для каждой секции отдельно или быть общими для нескольких секций.

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

• уменьшение расхода легированного металла на подвески и опоры труб змеевика, поскольку количество креплений уменьшено и они вынесены за пределы
• обогреваемой зоны;
• значительное уменьшение габаритов и площади, занимаемой печами;
• повышение к. п. д. до 80—85% за счет утилизации тепла и некоторого уменьшения потерь тепла через наружные стены;
• значительное снижение расхода футеровочного материала, благодаря применению легкого жаростойкого бетона.