Что такое орошение в нефтепереработке
Способы регулирования температурного режима ректификационных колонн
Нормальная работа ректификационных колонн и требуемое качество продуктов перегонки обеспечиваются путем регулирования теплового режима – отводом тепла в концентрационной и подводом тепла в отгонной секциях колонн, а также нагревом сырья до оптимальной температуры. В промышленных процессах перегонки нефти применяют следующие способы регулирования температурного режима по высоте колонны (рис. 3.8).
Отвод тепла в концентрационной секции путем:
Подвод тепла в отгонной секции путем:
Парциальный конденсатор представляет собой кожухотрубный теплообменный аппарат (рис. 3.8а), установленный горизонтально или вертикально наверху колонны. Охлаждающим агентом служит вода, иногда исходное сырье. Поступающие в межтрубное пространство пары частично конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары ректификата отводятся из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания и значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограниченное применение (в малотоннажных установках и при необходимости получать ректификат в виде паров).
Холодное (острое) орошение (рис. 3.8б). Этот способ отвода тепла наверху колонны получил наибольшее распространение в практике нефтепереработки. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе – холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, откуда часть ректификата насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводится как целевой продукт.
Циркуляционное неиспаряющееся орошение (рис. 3.8в). Этот вариант отвода тепла в концентрационной секции колонны в технологии нефтепереработки применяется исключительно широко для регулирования температуры не только наверху, но и в средних сечениях 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 вышележащую тарелку.
На современных установках перегонки нефти чаще применяют комбинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосферной 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 циркуляционного 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 ректификационных колоннах неэкономично, так как низкопотенциальное тепло верхнего погона малопригодно для регенерации теплообменом. Кроме того, в этом случае не обеспечивается оптимальное распределение флегмового числа по высоте колонны: как правило, оно значительное на верхних и низкое на нижних тарелках колонны. Соответственно по высоте колонны сверху вниз уменьшаются значения КПД тарелок, а также коэффициента относительной летучести и, следовательно, ухудшается разделительная способность нижних тарелок концентрационной секции колонны, в результате не достигается желаемая четкость разделения. При использовании циркуляционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти, выравниваются нагрузки по высоте колонны и тем самым увеличивается производительность колонны и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной секции.
При подводе тепла в низ колонны кипятильником (рис. 3.8г) осуществляют дополнительный подогрев кубового продукта в выносном кипятильнике с паровым пространством (рибойлере), где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращают под нижнюю тарелку колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие в кипятильнике постоянного уровня жидкости и парового пространства над этой жидкостью. По своему разделительному действию кипятильник эквивалентен одной теоретической тарелке. Этот способ подвода тепла в низ колонны наиболее широко применяется на установках фракционирования попутных нефтяных и нефтезаводских газов, при стабилизации и отбензинивании нефтей, стабилизации бензинов прямой перегонки и вторичных процессов нефтепереработки.
При подводе тепла в низ колонны трубчатой печью (рис. 3.8д) часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь, и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает в низ колонны. Этот способ применяют при необходимости обеспечения сравнительно высокой температуры низа колонны, когда применение обычных теплоносителей (водяной пар и др.) невозможно или нецелесообразно (например, в колоннах отбензинивания нефти).
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА, С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов, 2006
ВИДЫ ОРОШЕНИЙ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН
Нормальная работа ректификационных колонн и требуемое качество продуктов перегонки обеспечиваются путем регулирования теплового режима – отводом тепла в концентрационной и подводом тепла в отгонной секциях колонн, а также нагревом сырья до оптимальной температуры.
В промышленных процессах перегонки нефти применяют следующие способы регулирования температурного режима по высоте колонны (рисунок 2.1):
Рис. 2.1. Способы создания орошений в ректификационной колонне:
а – отвод тепла парциальным конденсатором; б – отвод тепла холодным (острым) орошением; в, г – отвод тепла неиспаряющимся циркуляционным орошением; 1 – ректификационная колонна; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – емкость; 4 – отпарная колонна.
Парциальный конденсатор (горячее орошение) представляет собой кожухотрубчатый теплообменный аппарат (рис. 2.1а), установленный сверху колонны. Охлаждающим агентом служит вода. Поступающие в межтрубное пространство пары частично конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары отводятся из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания, а также и значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограниченное применение (в малотоннажных установках).
Холодное (острое) орошение (рис. 2.1б). Этот способ отвода тепла вверху колонны получил наибольшее распространение в практике нефтепереработки. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе-холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, откуда часть ректификата насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводиться как целевой продукт.
Циркуляционное неиспаряющееся орошение (рис. 2.1в). Этот вариант отвода тепла используется широко не только для регулирования температуры наверху, но и в средних сечениях 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 вышележащую тарелку [10].
Циркуляционное орошение часто сочетают с острым орошением. Так, сложная колонна атмосферной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и по высоте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Последние располагаются обычно под отбором бокового погона (отбирают на 3 – 4 тарелки ниже, чем вывод фракции в отпарную секцию) или используют отбор бокового погона для создания циркуляционного орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции (рис. 1.1г). В концентрационной секции сложных колонн вакуумной перегонки мазута отвод тепла осуществляется посредством циркуляционного орошения.
Использование только одного острого орошения в колоннах неэкономично, так как тепло верхнего погона малопригодно для регенерации тепла. Кроме того, не обеспечивается оптимальное распределение флегмового числа по высоте колонны (флегмовое число (R) характеризует соотношение жидкого и парового потоков в концентрационной части колонны:
Для создания восходящего потока паров, а также максимального извлечения из жидкого остатка более легких фракций в нижнюю часть колонны подают тепло. Делается это путем ввода, в основном, острого пара или при помощи трубчатой печи [4]. Суть последнего заключалась в том, что часть кубового продукта прокачивалась через печь, и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступала в низ колонны. Этот способ использовался в колоннах отбензинивания нефти (К-1) [10]. Сейчас же от нее отказались по следующим причинам:
— чтобы увеличить температуру низа колонны К-1 на 30–40 о С требуется большое количество циркуляционного орошения нефти;
— усложняется схема установки, так как под такой поток желательно иметь отдельные змеевики в печах, иначе создается повышенное давление в змеевиках печей, увеличивается расход энергозатрат;
— перегружаются тарелки отгонной части колонны по жидкос-ти, что уменьшает эффективность их работы;
— разложение сераорганики [13];
— в «горячей струе» отбензиненной нефти меньше легких фракций, которые являются отпаривающим агентом [14].
СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ОРОШЕНИЯ В КОЛОННЕ
Парциальный конденсатор.Представляет собой кожухотрубчатый теплообменный аппарат, установленный горизонтально или вертикально на верху колонны. Охлаждающим агентом служит вода, иногда исходное сырье, Поступающие в межтрубное пространство пары частично конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары ректификата отводятся из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания и значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограниченное применение (в малотоннажных установках и при необходимости получать ректификат в виде паров).
При парциальной конденсации принимают, что пары ректификата D и флегмы 
находятся в равновесии, т.е. парциальный конденсатор эквивалентен одной теоретической тарелке.
 |
Парциальный конденсатор для отвода тепла на верху ректификационных колонн обычно используют при небольшой их производительности, наличии паров с небольшим корродирующим действием и при сравнительно невысоких температурах верха колонны.
Такое ограничение обусловлено трудностями размещения теплообменного аппарата большой поверхности на верху колонны. Применение парциального конденсатора при ректификации коррозионного сырья, а также при повышенной температуре верха колонны, когда возможно интенсивное отложение накипи на поверхности конденсатора, нецелесообразно из-за необходимости частого ремонта конденсатора и чистки труб от накипи. Осуществление этих работ на большой высоте также затруднено.
Холодное испаряющееся орошение.Этот способ отвода тепла получил наибольшее распространение на нефте- и газоперерабатывающих заводах. Схема варианта с отводом тепла в верху колонны дана на рис. 11, б. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе – холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, откуда часть ректификата насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводится как целевой продукт.
Отвод тепла при помощи холодного испаряющегося орошения позволяет размещать конденсатор — холодильник на любой удобной для эксплуатации высоте колонны. При этом размеры и конструкция конденсатора не имеют ограничений, легче осуществляются его монтаж и ремонт.
Однако в отличие от парциального конденсатора для эксплуатации такой схемы отвода тепла требуется установка насосов и затрачивается дополнительно энергия для подачи орошения на верх колонны.
Кроме того, требуется на одну теоретическую тарелку больше (парциальный конденсатор эквивалентен одной теоретической тарелке).
Циркуляционное (неиспаряющееся) орошение.Этот вариант отвода тепла в концентрационной секции колонны в технологии нефтепереработки применяется исключительно широко для регулирования температуры не только наверху, но и в средних сечениях сложных колонн.Циркуляционное орошение используется для:
— обеспечения более равномерного распределения потоков паров и флегмы по высоте сложной колонны,
— разгрузки вышележащих сечений
регенерации тепла съемом части тепла с целью образования дополнительного потока флегмы
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 вышележащую тарелку. На современных установках перегонки нефти чаще применяют комбинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосферной 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 циркуляционного 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 ректификацонных колоннах неэкономично, так как низкопотенциальное тепло верхнего погона малопригодно для регенерации теплообменом. Кроме того, в этом случае не обеспечивается оптимальное распределение флегмового числа по высоте колонны: как правило, оно значительное на верхних и низкое на нижних тарелках колонны. Соответственно по высоте колонны сверху вниз уменьшаются значения КПД тарелок, а также коэффициента относительной летучести и, следовательно, ухудшается разделительная способность нижних тарелок концентрационной секции колонны, в результате не достигается желаемая четкость разделения. При использовании циркуляционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти, выравниваются нагрузки по высоте колонны и тем самым увеличивается производительность колонны и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной секции.
Масса циркуляционного неиспаряющего орошения равна:
( 55 )
Из уравнения следует, что количество циркуляционного неиспаряющего орошения требуется тем меньше, чем ниже его температура.
Циркуляционное неиспаряющееся орошение чаще всего применяется при переработке агрессивного сырья, особенно в присутствии водяного пара, так как в этих условиях наиболее интенсивной коррозии подвергаются конденсаторы и в меньшей степени холодильники.
Выбор того или иного способа отвода тепла в верху колонны определяется особенностями эксплуатации, свойствами перерабатываемого сырья и экономическими соображениями.
Также используются другие схемы отвода тепла: парциальная конденсация с переохлаждением флегмы, отбор второго потока дистиллята из контура циркуляционного орошения и др.
Виды орошений ректификационных колонн.
Лекция 4. Первичная перегонка нефти
Перегонка нефти в присутствии испаряющего агента
Одним из методов повышения концентрации высококипящих компонентов в остатке от перегонки нефти является ввод в нижнюю часть ректификационной колонны испаряющего агента. В качестве него обычно используют водяной пар, но можно применять пары бензина, керосина, дизельной фракции. При вводе водяного пара создаются условия, при которых жидкость оказывается как бы перегретой, что вызывает ее испарение. Теплота, необходимая для отпаривания легких углеводородов, отнимается от самой жидкости, в связи с чем она охлаждается. Получается, что в присутствии испаряющего агента в ректификационной колонне снижается парциальное давление углеводородов, а, следовательно, их температура кипения. В результате наиболее низкокипящие углеводороды переходят в парообразное состояние и вместе с водяным паром поднимаются вверх по колонне. Водяной пар проходит всю ректификационную колонну и уходит с верхним продуктом, понижая температуру в ней на 10–20 °С. Кроме того, ректификация происходит под влиянием изменения,
точнее возрастания снизу вверх давления углеводородных паров. Такое возрастание давления обусловливается вводом водяного пара, парциальное давление которого падает на пути движения снизу вверх, и этим он дает избыток давления внизу, который позволяет перемещать общую массу паров снизу вверх через встречающиеся на пути сопротивления. Расход водяного пара зависит от количества отпариваемых компонентов, их природы и условий в низу колонны. Для хорошей ректификации жидкой фазы внизу колонны необходимо, чтобы примерно 25 % ее переходило в парообразное состояние. Наибольший эффект испаряющего влияния проявляется при его расходе при атмосферном давлении 1,2–3,5, а в вакуумной колонне – 5–8 % масс. на перегоняемое сырье.
Итак, водяной пар уменьшает парциальное давление паров углеводородов, облегчает их испарение и понижает в колонне температуру, но, кроме того, он создает необходимые для ректификации условия (градиент давлений углеводородных паров) и выполняет роль двигателя. Необходимо указать на следующие недостатки применения водяного пара в качестве испаряющего агента:
• увеличение затрат энергии (тепла и холода) на перегонку и конденсацию;
• повышение нагрузки колонн по парам, что приводит к увеличению диаметра колонны;
• увеличение сопротивления и повышение давления в колонне и других аппаратах;
• обводнение нефтепродуктов и необходимость их последующей сушки;
• усиление коррозии аппаратуры в присутствии сероводорода и хлористого водорода и образование больших количеств сточных вод;
• тепло его конденсации не используется.
В этой связи в последние годы в мировой нефтепереработке проявляется тенденция к существенному ограничению применения водяного пара и к переводу установок на технологию сухой перегонки или в качестве испаряющего агента использовать легкие нефтяные фракции. Однако чем ниже температура кипения испаряющего агента и больше его относительное количество, тем ниже температура перегонки; но чем он легче, тем больше он теряется в процессе перегонки, поэтому в качестве испаряющего агента рекомендуют применять керосиногазойлевую фракцию.
Виды орошений ректификационных колонн.
Нормальная работа ректификационных колонн и требуемое качество продуктов перегонки обеспечиваются путем регулирования теплового режима, то есть отводом тепла в концентрационной и подводом тепла в отгонной секциях колонн, а также нагревом сырья до оптимальной температуры. В промышленных процессах перегонки нефти применяют следующие способы регулирования температурного режима по высоте колонны (см. рис. 1):
а) использование парциального конденсатора;
б) организация испаряющегося (холодного) орошения;
Рис. 1. Способы создания орошений в ректификационной колонне:
а – отвод тепла парциальным конденсатором;
б – отвод тепла холодным (острым) орошением;
в, г – отвод тепла неиспаряющимся циркуляционным орошением;
1 – ректификационная колонна; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – емкость; 4 – отпарная колонна.
Парциальный конденсатор (горячее орошение)представляет собой кожухотрубчатый теплообменный аппарат (рис. 1, а), установленный сверху колонны. Охлаждающим агентом служит вода. Поступающие в межтрубное пространство пары частично конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары отводятся из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания, а также и
значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограниченное применение (в малотоннажных установках).
Холодное (острое) орошение (рис. 1, б). Этот способ отвода тепла вверху колонны получил наибольшее распространение в практике нефтепереработки. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе-холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, откуда часть ректификата насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводится как целевой продукт.
Циркуляционное неиспаряющееся орошение (рис. 1, в). Этот вариант отвода тепла используется широко не только для регулирования температуры наверху, но и в средних сечениях 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 вышележащую тарелку.
Циркуляционное орошение часто сочетают с острым орошением. Так, сложная колонна атмосферной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и по высоте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Последние располагаются обычно под отбором бокового погона (отбирают на 3 – 4 тарелки ниже, чем вывод фракции в отпарную секцию) или используют отбор бокового погона для создания циркуляционного орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции (рис. 1, г). В концентрационной секции сложных колонн вакуумной перегонки мазута отвод тепла осуществляется посредством циркуляционного орошения.
Использование только одного острого орошения в колоннах неэкономично, так как тепло верхнего погона малопригодно для регенерации тепла. Кроме того, не обеспечивается оптимальное распределение флегмового числа по высоте колонны. Флегмовое число (R) характеризует соотношение жидкого и парового потоков в концентрационной части колонны: R=L/D, где L и D – количества флегмы и ректификата. Как правило, флегмовое число значительное на верхних и низкое на нижних тарелках колонны. Соответственно сверху вниз уменьшаются значения КПД тарелок, а также коэффициент относительной летучести (коэффициент относительной летучести (ά) – отношение летучестей компонентов при одинаковых температуре и давлении; ά = К1/К2, где К1 и К2 – константы фазового равновесия соответственно низко- и высококипящего компонентов) и, следовательно, ухудшается
разделительная способность нижних тарелок концентрационной секции колонны. При использовании циркуляционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти, выравнивается нагрузка по высоте колонны и тем самым увеличивается производительность колонны и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной
секции. Количество тепла, отводимого каждым циркуляционным орошением, определяется требованиями к качеству получаемых дистиллятов и регулируется по температуре паров под тарелкой отбора этих дистиллятов.
Для создания восходящего потока паров, а также максимального извлечения из жидкого остатка более легких фракций в нижнюю часть колонны подают тепло. Делается это путем ввода, в основном, острого пара или при помощи трубчатой печи. Суть последнего заключалась в том, что часть кубового продукта прокачивалась через печь, и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступала в низ колонны. Этот способ использовался в колоннах отбензинивания нефти (К-1). Сейчас же от нее отказались по следующим причинам:
1. чтобы увеличить температуру низа колонны К-1 на 30–40 °С требуется большое количество циркуляционного орошения нефти;
2. усложняется схема установки, так как под такой поток желательно иметь отдельные змеевики в печах, иначе создается повышенное давление в змеевиках печей, увеличивается расход энергозатрат;
3. перегружаются тарелки отгонной части колонны по жидкости, что уменьшает эффективность их работы;
4. разложение сераорганики;
5. в «горячей струе» отбензиненной нефти меньше легких фракций, которые являются отпаривающим агентом.