Материал: Технология глубокой переработки нефти и газа.

сверхвысоких требований по отношению к четкости погоноразделения, поскольку для получения сверхчистых компонентов или сверхуз­ ких фракций потребуются соответственно сверхбольшие капиталь­ ные и эксплуатационные затраты. В нефтепереработке, например, в качестве критерия достаточно высокой разделительной способности колонн перегонки нефти на топливные фракции считается налегание температур кипения соседних фракций в пределах 10-30°С.

Установлено, что на разделительную способность ректификаци­ онных колонн значительное влияние оказывают число контактных ступеней и соотношение потоков жидкой и паровой фаз. Для полу­ чения продуктов, отвечающих заданным требованиям, необходимо, наряду с другими параметрами ректификационной колонны (давле­ ние, температура, место ввода сырья и т.д.), иметь достаточное чис­ ло тарелок (или высоту насадки) и соответствующее флегмовое и паровое числа.

Флегмовое число (R) характеризует соотношение жидкого и па­ рового потоков в концентрационной части колонны и рассчитывает­ ся как R=L/D, где L и D —количества соответственно флегмы и рек­ тификата.

Паровое число ПТ) характеризует соотношение контактирующихся потоков пара и жидкости в отгонной секции колонны, рассчи­ тываемое как П = G/W, где G и W - количества соответственно паров и кубового продукта.

Число тарелок fNl колонны (или высота насадки) определяется числом теоретических тарелок (NT), обеспечивающим заданную чет­ кость разделения при принятом флегмовом (и паровом) числе, а так­ же эффективностью контактных устройств (обычно КПД реальных тарелок или удельной высотой насадки, соответствующей 1 теоре­ тической тарелке). Зависимость числа теоретических тарелок от флегмового числа колонны можно выразить в виде графика, как это представлено на рис. 5. 6. Из анализа рис. 5. 6 вытекает следующая закономерность, обусловливающая граничные пределы нормально­ го функционирования ректификационных колонн: заданная четкость разделения смесей может быть обеспечена (достигнута) лишь при одновременном выполнении ограничений по флегмовому числу и числу теоретических тарелок:

RM„H<R<00, °°>N T>N tmhh,

где RM„„и NTми„ - минимальные значения соответственно флегмо­ вого числа и числа теоретических тарелок.

197

Любая точка на кривой рис. 5.6 может быть выбрана в качестве рабочей. Это означа­ ет, что заданная четкость раз­ деления смеси может быть до­ стигнута бесконечным множе­ ством пар чисел NT и R. Как следует из рисунка, флегмовое число, следовательно, и коли­ чество орошения в колонне из­ меняется от минимального зна­ чения до бесконечно большой величины; при этом необходи­ мое для обеспечения заданной четкости разделения число та­ релок будет изменяться соот­ ветственно от бесконечно боль­ шой величины до некоторой

минимальной. Очевидно, при увеличении количества орошения бу­ дут расти эксплуатационные затраты (связанные с расходом энергии на перекачку, тепла в кипятильнике и холода в конденсаторах), а ка­ питальные затраты вначале будут существенно уменьшаться в резуль­ тате снижения высоты, затем будут расти из-за увеличения диаметра колонны. Из опыта эксплуатации колонн установлено, что оптималь­ ное значение флегмового числа, соответствующее минимуму общих

затрат на ректифика­ цию (рис. 5.7), не на­ много превышает ми­ нимально необходимое

198

ем уравнений равновесия фаз, материального и теплового балансов потоков), либо исходя из опытных данных с учетом эффективного КПД тарелки тр:

N„ = N • / 1 ^ .

Взависимости от конструкции и места расположения в колонне т)т изменяется в пределах 0,3-0,9.

На технико-экономические показатели и четкость погоноразделения ректификационной колонны, кроме ее разделительной способ­ ности, в значительной степени влияют физические свойства (моле­ кулярная масса, плотность, температура кипения, летучесть и др.), компонентный состав, число (биили многокомпонентный) и харак­ тер распределения (непрерывный, дискретный) компонентов пере­ гоняемого сырья. В наиболее обобщенной форме разделительные свойства перегоняемого сырья принято выражать коэффициентом относительной летучести (аналогом коэффициенту разделения (се­ лективности) в процессах экстракции).

Коэффициент относительной летучестиотношение летучестей компонентов (фракций) перегоняемого сырья при одинаковых тем­ пературе и давлении:

а= К,/К2,

где К, и К2 - константы фазового равновесия соответственно низко- и высококипящего компонентов (фракций). Поскольку К ,Ж 2 т о а > 1.

Коэффициент а косвенно характеризует движущую силу про­ цесса перегонки применительно к разделяемому сырью. Сырье, у ко­ торого а » 1, значительно легче разделить на компоненты, чем при его значении, близком к единице.

Относительная летучесть зависит от давления и температуры, при которых находятся компоненты. С увеличением давления и тем­ пературы величина а снижается. Вблизи критической области зна­ чение коэффициента а приближается к единице.

5.2.2. Особенности нефти как сырья процессов перегонки

Нефть и нефтяные смеси как сырье для ректификации характе­ ризуются рядом специфических свойств, обусловливающих некото­ рые особенности в технологии их переработки.

199

1. Нефть и особенно ее высококипящие фракции и остатки ха­ рактеризуются невысокой термической стабильностью. Для боль­ шинства нефтей температура термической стабильности соответ­ ствует температурной границе деления примерно между дизельным топливом и мазутом по кривой НТК, то есть «350 - 360 °С. Нагрев нефти до более высоких температур будет сопровождаться ее дест­ рукцией и, следовательно, ухудшением качества отбираемых про­ дуктов перегонки. В этой связи перегонку нефти и ее тяжелых фрак­ ций проводят с ограничением по температуре нагрева. В условиях такого ограничения для выделения дополнительных фракций нефти, выкипающих выше предельно допустимой температуры нагрева сырья, возможно использовать практически единственный способ повышения относительной летучести компонентов - перегонку под вакуумом. Так, перегонка мазута при остаточных давлениях в зоне питания вакуумной колонны =100 и =20 мм рт. ст. (=133 и 30 гПа) позволяет отобрать газойлевые (масляные) фракции с температурой конца кипения соответственно до 500 и 600 °С. Обычно для повыше­ ния четкости разделения при вакуумной (а также и атмосферной) перегонке применяют подачу водяного пара для отпаривания более легких фракций. Следовательно, с позиций термической нестабиль­ ности нефти технология ее глубокой перегонки (то есть с отбором фракций до гудрона) должна включать как минимум 2 стадии: ат­ мосферную перегонку до мазута с отбором топливных фракций и перегонку под вакуумом мазута с отбором газойлевых (масляных) фракций и в остатке гудрона.

2. Нефть представляет собой многокомпонентное сырье с непре­ рывным характером распределения фракционного состава и соот­ ветственно летучести компонентов. Расчеты показывают, что зна­ чение коэффициента относительной летучести непрерывно (экспо­ ненциально) убывает по мере утяжеления фракций нефти, а также по мере сужения температурного интервала кипения фракций. Эта особенность нефтяного сырья обусловливает определенные ограни­ чения как на четкость погоноразделения, особенно относительно высококипящих фракций, так и по отношению к «узости» фракций. С экономической точки зрения, нецелесообразно требовать от про­ цессов перегонки выделить, например, индивидуальный чистый уг­ леводород или сверхузкие фракции нефти. Поэтому в нефтеперера­ ботке довольствуются получением следующих топливных и газой­ левых фракций, выкипающих в достаточно широком интервале тем­ ператур: бензиновые н.к. - 140°С (180°С); керосиновые 140 (180)—

2 0 0

240°С; дизельные 240 - 350°С; вакуумный дистиллят (вакуумный газойль) 350-400°С, 400-450°С и 450-500°С; тяжелый остаток - гуд­ рон >490°С (>500°С). Иногда ограничиваются неглубокой атмосфер­ ной перегонкой нефти с получением в остатке мазута >350 °С, ис­ пользуемого в качестве котельного топлива.

3. Высококипящие и остаточные фракции нефти содержат зна­ чительное количество гетероорганическихсмолисто-асфальтеновых соединений и металлов, попадание которых при перегонке в дистил­ ляты резко ухудшает их эксплуатационные характеристики и зна­ чительно усложняет последующую их переработку. Это обстоятель­ ство обусловливает необходимость организации четкой сепарации фаз в секции питания атмосферной и особенно вакуумной колонн. Эффективная сепарация фаз в секции питания колонн достигается установкой специальных сепараторов (отбойных тарелок, насадок и т.д.), улавливающих мельчайшие капли (туман, пена, брызги) кубо­ вой жидкости, а также промывкой потока паров стекающей жидко­ стью в специальной промывной тарелке. Для этого и с целью повы­ шения разделительной способности нижних тарелок сепарационной секции колонны необходимо обеспечить некоторый избыток ороше­ ния, называемый избытком однократного испарения, путем незна­ чительного перегрева сырья (но не выше предельно допустимой ве­ личины). Доля отгона при однократном испарении в секции питания колонны должна быть на 2 -5 % больше выхода продуктов, отбирае­ мых в виде дистиллята и боковых погонов.

5.2.3. Способы регулирования температурного режима ректиф икационных колонн

Нормальная работа ректификационных колонн и требуемое ка­ чество продуктов перегонки обеспечиваются путем регулирования теплового режима - отводом тепла в концентрационной и подводом тепла в отгонной секциях колонн, а также нагревом сырья до опти­ мальной температуры. В промышленных процессах перегонки не­ фти применяют следующие способы регулирования температурно­ го режима по высоте колонны (рис. 5.8).

Отвод тепла в концентрационной секции путем: а) использования парциального конденсатора;

б) организации испаряющегося (холодного) орошения; в) организации неиспаряющегося (циркуляционного) орошения.

201

ЛООбменныЙ аппа- рым) орошением (б); неиспаряющимся циркуляционным рат (см. рис. 5.8,а), орошением (в) и подводом тепла - подогревателем-кипятиль- установленный го- ником горячей струей (д)

ризонтально или вертикально на верху колонны. Охлаждающим агентом служит вода, иногда исходное сырье. Поступающие в меж­ трубное пространство пары частично конденсируются и возвраща­ ются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары ректификата от­ водятся из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания и значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограни­ ченное применение (в малотоннажных установках и при необходи­ мости получать ректификат в виде паров).

Холодное (острое') орошение (см. рис. 5.8,6). Этот способ отвода тепла на верху колонны получил наибольшее распространение в практике нефтепереработки. Паровой поток, уходящий с верха ко­ лонны, полностью конденсируется в конденсаторе - холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, от­ куда часть ректификата насосом подается обратно в ректификаци­ онную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводится как целевой продукт.

Циркуляционное неиспапяюшееся орошение Гем, рис. 5.8,в). Этот вариант отвода тепла в концентрационной секции колонны в техно­ логии нефтепереработки применяется исключительно широко не

202

только для регулирования температуры наверху, но и в средних се­ чениях сложных колонн. Для создания циркуляционного орошения с некоторой тарелки колонны выводят часть флегмы (или бокового дистиллята), охлаждают в теплообменнике, в котором она отдает тепло исходному сырью, после чего насосом возвращают на выше­ лежащую тарелку.

На современных установках перегонки нефти чаще применяют комбинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосфер­ ной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и затем по высоте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Из промежуточных орошений чаще применяют циркуляционные орошения, располагаемые обычно под отбором бокового погона или использующие отбор бокового погона для создания циркуляционно­ го орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции. В концентрационной секции сложных колонн вакуумной перегонки мазута отвод тепла осуществляется преимущественно посредством циркуляционного орошения.

Использование только одного острого орошения в ректифика­ ционных колоннах неэкономично, так как низкопотенциальное теп­ ло верхнего погона малопригодно для регенерации теплообменом. Кроме того, в этом случае не обеспечивается оптимальное распреде­ ление флегмового числа по высоте колонны: как правило, оно зна­ чительное на верхних и низкое на нижних тарелках колонны. Соот­ ветственно по высоте колонны сверху вниз уменьшаются значения КПД тарелок, а также коэффициента относительной летучести и, следовательно, ухудшается разделительная способность нижних та­ релок концентрационной секции колонны, в результате не достига­ ется желаемая четкость разделения. При использовании циркуля­ ционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти, выравниваются нагрузки по вы­ соте колонны и тем самым увеличивается производительность ко­ лонны и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной секции.

П ри подводе тепла в низ колонны кипятильником (см. рис. 5.8, г) осуществляют дополнительный подогрев кубового продукта в вы­ носном кипятильнике с паровым пространством (рибойлере), где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращают под ниж­ нюю тарелку колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие в кипятильнике постоянного уровня жидкости и

2 0 3