Розрахунок теплообмінного апарату типу "труба в трубі" для нагрівання нафти дистилятом вакумного газойлю на установці АВТ

  Вступ

 

Нафта та газ  – це основні джерела енергії  в сучасному світі. На паливі, отриманих  з них, працюють двигуни сухопутного, повітряного та водного транспорту, теплові електростанції. Нафту та газ переробляють в хімічну сировину для виробництва пластичних мас, синтетичних каучуків, штучних волокон. В наш час нараховується біля 100 різних процесів первинної і вторинної переробки нафти, реалізованих в промисловості.

Установки первинної  переробки нафти складають основу всіх нафтопереробних заводів, від  роботи цих установок залежить якість і результати отриманих компонентів палив, а також сировини для вторинних та інших процесів переробки нафти.

В промисловій  практиці, нафту розділяють на фракції, що розподіляються температурними межами кипіння. Цей розподіл проводять на установках первинної перегонки нафти із застосуванням процесів підігріву, дистиляції і ректифікації, конденсації та охолодження. Перегонки бувають з однократним або багатократним випаровуванням. При перегонці з однократним випаровуванням нафту нагрівають до певної температури і відбирають усі фракції, які перейшли при цьому у парову фазу. Перегонка нафти з багатократним випаровуванням полягає в тому, що спочатку нафту нагрівають до температури, яка дозволяє відібрати легкі бензинові фракції. Відбензинену нафту нагрівають до вищої температури і відбирають більш важкі фракції, які википають приблизно при температурі 350 °С (фракції важкого бензину, реактивне та дизельне паливо). Залишок від атмосферної перегонки – мазут – нагрівають і відбирають, під вакуумом, оливні фракції; в залишку одержують гудрон. При такій перегонці нафту послідовно нагрівають три рази, кожен раз відділяючи парову фазу від рідкої. Утворені парову та рідку фази піддають ректифікації. Атмосферні та вакуумні трубчасті установки (АТ і ВТ) будують окремо одну від одної чи комбінують в складі одної установки (АВТ).

Процес первинної  переробки нафти найбільш часто  комбінують з процесами зневоднення  і знесолення, вторинної перегонки  і стабілізації бензинових фракцій.

До вторинних  методів переробки нафти відносяться деструктивні та очищення нафтових продуктів.  Деструктивні процеси основані на хімічній зміні складу нафтопродуктів під дією температури, тиску і каталізатора. За допомогою цих методів одержують задану якість продуктів і в більшій кількості ніж в первинній переробці нафти. Процеси очищення служать для вилучення з нафтопродуктів небажаних компонентів: асфальтосмолистих речовин, полі циклічних ароматичних вуглеводнів, сірчаних та азотних сполук, твердих парафінових вуглеводнів.

Існує велика кількість  різноманітних процесів, що використовуються для переробки нафти та газу. Для  систематизації типових технологічних  процесів їх об’єднують в декілька класів. Найдоцільніше класифікувати  їх за способом створення рушійної сили процесу. В зв’язку з цим основні процеси і апарати нафтогазопереробки можна поділити на такі класи: гідравлічні, теплові, масообмінні, гідромеханічні, хімічні та механічні.

Отже, промислові процеси перегонки нафти базуються  на поєднанні перегонки з одно- і багатократним випаровуванням та подальшої ректифікації парової та рідкої фаз[1 ст.3].

 

1 Призначення установки  АВТ, суть процесу ректифікації

У промисловості, розділення нафти на фракції проводять на трубчастих установках. Вони, в залежності від тиску в ректифікаційних колонах, поділяються на атмосферні (АТ) та вакуумно-трубчасті установки (ВТ), які будують окремо один від одного або комбінують в складі одної установки (АВТ).

АТ поділяється  на три групи, в залежності від  технологічної схеми:

- установки  з однократним випаровування нафти;

- установки  з двократним випаровуванням  нафти;

- установки  з попереднім випаровування в  евапораторі легких фракцій і   подальшій ректифікації.

Третя група  установок є практичним варіантом  другої, так як в обох випадках нафта  піддається двократному випаровуванні.

На установках з однократним випаровуванням стабілізована  і  знесолена нафта прокачується через теплообмінник та змійовик трубчастої печі в ректифікаційну колону. Зверху цієї колони надлишковий тиск складає біля 0,2 ат, що відповідає гідравлічному опору конденсатора; вниз колони подається перегріта водяна пара. Із колони відбирають фракції, які відрізняються за температурами: бензинову, лігроїнову, гасову, солярову і т.д. Низькокиплячі компоненти (н.к.к.) із лігроїнової фракції відганяються у відпарну колону, яка має кип’ятильник. Установка переробляє 1000 т/добу легкої нафти. В ректифікаційній колоні нижче вводу сировини встановлено 6 тарілок, вище вводу – 32 тарілки; крім цього, в кожній з 5 внутрішніх відпарних секцій вмонтовано по 3 тарілки, тобто загалом є 53 тарілки.

Робота установки  однократного випаровування спрощується  при перегонці нафти до мазуту чи напівгудрону. Особливістю такої  установки є застосування проміжного циркуляційного зрошення і виносних відпарних секцій для кожного із бокових погонів.

Для установки  з двократним випаровуванням нафти  до мазуту характерно попереднє часткове випарування нафти перед поступленням в трубчасту піч. Випаровування  може відбуватися у випаровувачі (пустотіла колона) або в ректифікаційній колоні з тарілками. Випаровувач застосовують в тих випадках, коли в якості сировини служить стабілізована (дегазована), дещо зволожена і яка не містить сірководню, нафта. А нафту, яка містить розчинені гази, воду і солі, направляють у відбензинюючу ректифікаційну колону.

Найбільш поширеною  є установки двократного випаровування, в яких замість випаровувача установлена  окрема ректифікаційна колона.

При перегонці  у вакуумі, з мазуту отримують  оливні дистиляти, які відрізняються  один від одного температурою кипіння, в’язкістю та іншими властивостями; в якості залишку – напівгудрон чи гудрон. АВТ поділяються на оливні та паливні. На паливних установках із мазуту відбирають широку фракцію до 550° С – вакуумний газойль, який використовують в якості сировини для каталітичного крекінгу або гідрокрекінгу.

Вимоги до чіткості погонорозділення при відборі широкої  фракції менш строгі, ніж при відборі  оливних дистилятів: необхідно запобігти  попаданню найменших крапель  гудрону у вакуумний газойль, щоб в ньому не підвищився вміст металоорганічних сполук, що отруюють каталізатор, і щоб при крекінгу не збільшився вихід коксу. Для цього застосовують протипінні присадки типу силікону і встановлюють над місцем вводу сировини відбійні пристрої із пресованої чи гофрованої металічної сітки.

Число тарілок  у вакуумних колонах паливних установок невелике: до 8 в концентраційній  частині і по 4, де відганяється відганяється вакуумний газойль. Гідравлічний опір тарілок повинен бути як можна меншим. Вакуум в колоні складає 93,1 - 98,42 кПа; відповідно цьому низький залишковий тиск в колоні поряд з наявністю водяної пари покращує глибину відбору дистиляту.

 Більш жорсткі  умови до чіткості погонорозділення  при отриманні оливних фракцій:  в колонах встановлюють більше  число тарілок (до 8 на кожний дистилят) і використовують відпарні секції. Межі википання оливних фракцій, що відбираються, залежать від природи нафти, режиму роботи вакуумної колони, її погонорозділюючої здатності, певною в’язкістю дистилятів, конструкції тарілок. Чим менші межі википання оливних дистилятів, тим легше забезпечити необхідний режим очищення, тим вища якість отриманих олив.

Для більш чіткого  розділення оливних фракцій, мазут  переганяють на двоколонних установках. Згідно одного з варіантів, у першій вакуумній колоні відбирають широку оливну фракцію, а у другій, з більшим числом тарілок, цю фракцію розділяють на більш вузькі фракції. За другим варіантом, двоколонної перегонки, мазут переганяють у двох послідовно з’єднаних вакуумних колонах. В першій колоні відбирають більш легкі дистиляти і напівгудрон, який поступає до другої колони для отримання в’язких дистилятів та гудрону.

Комбінування АВТ чи АТ з іншими технологічними установками також покращує техніко-економічні показники і знижує собівартість нафтопродуктів. Зменшення капітальних затрат і експлуатаційних витрат досягається за рахунок зменшення площі забудівлі і протяжності трубопроводів, числа проміжних резервуарів та енергетичних затрат, а також зниження загальних витрат на закупівлю і ремонт обладнання.

В ректифікаційних секціях установок АТ і АВТ широко застосовують проміжне циркуляційне зрошення, яке розміщують на верху секції. У вакуумних колонах верхнє зрошення зазвичай циркулююче, і для зменшення втрат нафтопродукту через верх колони необхідні 3-4 тарілки.

Для створення  вакууму застосовують барометричний  конденсатор і двох- чи трьохступінчасті ежектори. Між ступенями монтують конденсатори для конденсації робочої  пари попереднього ступеня, а також  для охолодження відсмоктуючих газів. В останні роки широкого використання замість барометричного конденсатора набули поверхневі конденсатори. Застосування їх не лише створює більший вакуум у колоні, але і звільнює завод від великої кількості забруднених стічних потоків.

В якості холодильників  і конденсаторів-холодильників широко застосовують апарати повітряного охолодження (АПО). Використання АПО призводить до зменшення використання води, першопочаткових витрат на будівництво об’єктів  водопостачання, каналізації і зменшення експлуата-ційних затрат.

В процесі первинної переробки нафти велику роль відіграє ректифікація. Цей процес призначений для розділення рідких неоднорідних сумішей на майже чисті компоненти чи фракції, які розрізняються за температурами кипіння. Фізична суть ректифікації, яка протікає в процесі перегонки нафти, полягає в двосторонньому масо- і теплообміні між потоками пари та рідини при високій турбулізації контактуючих фаз. В результаті масообміну пари, що відділяються від гарячої рідини, збагачуються низькокиплячими,  а рідина – висококиплячими компонент-тами. При певному числі контактів між парами і рідиною можна отримати пари, які складаються в основному із низькокиплячих і рідини – із висококиплячих компонентів. Ректифікація, як і будь-який дифузійний процес, здійснюється в протитечії пари та рідини. При ректифікації парів, рідкі зрошення створюються шляхом конденсації частини парового потоку зверху колони, а парові зрошення при ректифікації рідини – шляхом випаровування її частини внизу колони.

Конструкція апаратів, призначених для ректифікації, залежить від способу організації процесу в цілому і способу контакту фаз. Найбільш проста конструкція ректифікаційних апаратів - при русі рідини від одного ступеня контакту до другої, під дією сили тяжіння.

На установках первинної перегонки нафти основним апаратом процесу ректифікації є ректифікаційна колона – вертикальний апарат циліндричної форми. Всередині колони розташовані тарілки – одна на іншій. На поверхні тарілок відбувається контакт рідкої і парової фази. При цьому найбільш легкі компоненти рідкого зрошення випаровуються і разом з парою спрямовуються вверх, а найбільш важкі компоненти парової фази, конденсуючись, залишаються в рідині. В результаті в ректифікаційній колоні безперервно ідуть процеси конденсації та випаровування.

При ступінчастому  виконанні процесу ректифікації контакт пари та рідини може відбуватися в протитечії, в перехресній течії або при прямій течії. Якщо ректифікація іде безперервно по всьому об’єму колони, то контакт пари та рідини при русі обох фаз може відбуватися тільки в протитечії.   

На більшій  частині діючих установок ректифікація протікає нечітко. Отримані компоненти світлих і оливних дистилятів не відповідають потрібному фракційному складу, спостерігається накладання фракцій, частина найбільш важких фракцій світлих нафтопродуктів – дизельного палива – провалюється в низ колони, в мазут. По цьому досліду і аналізують роботу ректифікаційних колон, розробку та нових типів барботажних тарілок, удосконалення методів їх розрахунку[2 ст.96].

 

2 Характеристика сировини і одержуваних продуктів

 

Сировиною АТ і  АВТ є знесолена і зневоднена нафта. Ця нафта готується до процесу ректифікації на установках і блоках ЕЛЗУ. Основними хімічними елементами, які входять у склад нафти є вуглець (82-87 % мас.), водень (11-15 % мас.), сірка (0,1-7,0 % мас.), азот (до 2,2 % мас.) та кисень (до 1,5 % мас.) Її характеристика наведена в таблиці 2.1.      

Таблиця 2.1 - Основні фізико хімічні показники сировинної нафти

Найменування  показника	Значення показника
Густина, кг/м3	843,3 - 854,3
Температура спалаху, °С	5-17
Пружність парів, кПа	21,7-32,58
Температура застигання, °С	6-10
Температура початку кипіння, °С	67-85
Вміст води, %	0,1-0,5
Вміст солей, мг/л	15-900
Вміст мех. домішок, мг/л	0,05

                                                                                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Асортимент  товарів нафтопродуктів, отриманих  в результаті нафтопе-реробки, визначається багатьма технічними та економічними факторами. Серед них головну  роль відіграє структура споживання нафтопродуктів і вимоги, які пред’являються до їхньої якості, а також склад і властивості, що позначаються на переробці нафти. Суттєву допомогу при виборі оптима-льного варіанта нафтопереробки надає класифікація нафти.