Мазуты

Узкие масляные фракции по схемам однократного испарения значительно  проще можно получить в вакуумной  насадочной колонне при давлении вверху меньше 20 гПа и в секции питания меньше 13 – 67 гПа, при температуре нагрева мазута 370 – 390 °С и температуре верха колонны 50 – 55 °С. Водяной пар в низ колонны не подается.

Схемы двукратного испарения мазута требуют больших энергетических затрат, однако, качество масляных дистиллятов улучшается и налегание температур кипения снижается до 30 – 60°С.

При двукратном испарении мазута по широкой масляной фракции во второй колонне не обязательно иметь глубокий вакуум, больший эффект разделения здесь достигается увеличением общего числа тарелок. Температура нагрева мазута в первой ступени 400 – 420 °С и широкой масляной фракции во второй ступени 350 – 360 °С.

При варианте двукратного испарения  по остатку применяют независимые  вакуумные системы в каждой ступени  с поддержанием более глубокого вакуума во второй. Эта схема позволяет увеличить флегмовые числа в колоннах за счет уменьшения расхода паров во второй ступени примерно в 1,5 – 3 раза. По такой схеме получаются масляные фракции лучшего качества при меньшей себестоимости процесса очистки масел. Улучшение качества разделения масляных фракций по схеме двукратного испарения по остатку с пониженным давлением во второй ступени иллюстрируется следующими данными:

 

 

Таблица 1

Характеристика масляных фракций

 

Вязкость фракций при 38 °С, мм2/с	Налегание температур, ∆t95 – 5 %, °С
	при однократном испарении	При двукратном испарении
7,5	42	20
43	72	10
86,6	113	20

 

Однако следует отметить, что  применение схем двукратного испарения мазута мало меняет вязкость, температуру вспышки и цвет масляных фракций и для обеспечения четкого разделения тяжелых масляных фракций необходимо дальнейшее понижение давления, т. е. применение глубоковакуумной перегонки.

Сравнение схем двукратного испарения  мазута по широкой масляной фракции  и по остатку показывает, что первая схема является предпочтительной с точки зрения энергетических затрат. Кроме того, последующий нагрев более тяжелого сырья связан с большей опасностью его термической деструкции и требует повышенного расхода водяного пара на создание вакуума. В то же время схема двукратного испарения по остатку позволяет получить более узкие масляные фракции и понижение давления при этом требуется для более вязкого, тяжелого продукта. По приведенным же затратам схемы одно- и двукратного испарения мало различаются между собой.

Таким образом, в схемах двукратного  испарения мазута углубляется переработка, и получаются фракции с заданным качеством благодаря увеличению общего числа тарелок в системе при фиксированном давлении в колоннах или благодаря понижению давления во второй ступени.

Отметим еще результаты теоретических исследований возможности получения узких 30-градусных масляных фракций по схеме двукратного испарения мазута по широкой масляной фракции. Как показали расчеты, для получения 30-градусных масляных фракций с содержанием 15 – 18% легких и 2 – 5% тяжелых примесей необходимы высокие флегмовые числа (»10) и большое число теоретических тарелок в каждой простой колонне (18 – 20). Реализовать такие условия разделения на современных схемах перегонки мазута и при помощи существующих конструкций аппаратов (нагревателей и контактных устройств) невозможно. Реальные отборы узких масляных фракций от потенциала при заданной четкости ректификации, которые могут быть достигнуты на современных установках, составляли бы 30 – 35%.

 

3. Вакуумная перегонка мазута в насадочных колоннах

 

В последние годы в мировой нефтепереработке все  более широкое распространение при вакуумной перегонке мазута получают насадочные контактные устройства. Их преимущества заключаются, прежде всего, в исключительно малом перепаде давления на одну ступень разделения. Среди них более предпочтительны регулярные насадки, поскольку они имеют регулярную заданную структуру и их гидравлические и массообменные характеристики более стабильны по сравнению с насыпными. Это достоинство регулярных насадок позволяет конструировать вакуумные ректификационные колонны, способные обеспечить либо более глубокий отбор масляных фракций с температурой конца кипения вплоть до 600 °С, либо при заданной глубине отбора существенно повысить четкость фракционирования масляных дистиллятов.

Применяемые в  настоящее время высокопроизводительные вакуумные колонны с регулярными насадками по способу организации относительного движения контактирующихся потоков жидкости и пара можно подразделить на следующие 2 типа: противоточные и перекрестноточные.

Противоточные вакуумные  колонны с регулярными насадками  конструктивно мало отличаются от традиционных малотоннажных насадочных колонн: только вместо насадок насыпного типа устанавливаются блоки или модули из регулярной насадки и устройства для обеспечения равномерного распределения жидкостного орошения по сечению колонны. В сложных колоннах число таких блоков (модулей) равно числу отбираемых фракций мазута.

Гидродинамические условия контакта паровой и жидкой фаз в перекрестноточных насадочных колоннах существенно отличаются от таковых при противотоке.

В пределах каждого модуля организуется перекрестноточное (поперечное) контактирование фаз, то есть движение жидкости по насадке сверху вниз, а пара - в горизонтальном направлении. Следовательно, в перекрестноточных насадочных колоннах жидкость и пары проходят различные независимые сечения, площади которых можно регулировать (что дает проектировщику дополнительную степень свободы), а при противотоке - одно и то же сечение. Поэтому перекрестноточный контакт фаз позволяет регулировать в оптимальных пределах плотность жидкого и парового орошений изменением толщины и площади поперечного сечения насадочного слоя и тем самым обеспечить почти на порядок превышающую при противотоке скорость паров (в расчете на горизонтальное сечение) без повышения гидравлического сопротивления и значительно широкий диапазон устойчивой работы колонны при сохранении в целом по аппарату принципа и достоинств противотока фаз, а также устранить такие дефекты, как захлебывание, образование байпасных потоков, брызгоунос и другие, характерные для противоточных насадочных или тарельчатых колонн.

Другое преимущество перекрестноточных насадочных колонн - возможность организации высокоплотного жидкостного орошения - исключительно важно для эксплуатации высокопроизводительных установок вакуумной или глубоковакуумной перегонки мазута, оборудованных колонной большого диаметра. Для сравнения сопоставим потребное количество жидкостного орошения применительно к вакуумным колоннам противоточного и перекрестноточного типов диаметром 8 м (площадью сечения = 50 м²). При противотоке для обеспечения даже пониженной плотности орошения = 20 м³/м²ч требуется на орошение колонны 50x20 = 1000 м³/ч жидкости, что технически не просто осуществить. При этом весьма сложной проблемой становится организация равномерного распределения такого количества орошения по сечению колонны.

В перекрестноточных насадочных колоннах, в отличие от противоточных колонн, насадочный слой занимает только часть ее горизонтального сечения площадью на порядок и более меньшую. В этом случае для организации жидкостного орошения в вакуумной перекрестноточной насадочной колонне аналогичного сечения потребуется 250 м³/ч жидкости, даже при плотности орошения 50 м³/м²ч, что энергетически выгоднее и технически проще.

 

1.4 Перекрёстноточные насадочные колонны для чёткого фракционирования мазута с получением масляных дистиллятов

 

Перекрестноточные насадочные колонны (ПНК) в зависимости от количества устанавливаемых в них насадочных блоков и, следовательно, от достигаемого в зоне питания глубины вакуума можно использовать в следующих вариантах:

а) вариант глубоковакуумной перегонки с углубленным отбором, но не менее чётким фракционированием вакуумных дистиллятов, если  ПНК оборудованы ограниченным числом теоретических ступеней контакта;

б) вариант обычной вакуумной  перегонки, но с более высокой  чёткостью фракционирования отбираемых дистиллятов, когда ПНК оборудована большим числом теоретических ступеней контакта.

На одном из НПЗ России («Орскнефтеоргсинтез») проведена реконструкция вакуумного блока установки АВТМ, где ранее отбор масляных дистиллятов осуществлялся по типовой двухколонной схеме с двухкратным испарением по дистилляту (рисунок 2) с переводом ее на одноколонный вариант четкого фракционирования мазута в ПНК. Принципиальная конструкция этой колонны представлена на рисунке 3.

 

 

I - мазут; II, III и IV - соответственно маловязкий, средневязкий и высоковязкий дистилляты; V - гудрон; VI - водяной пар; VII - неконденсирован-ные газы и водяной пар; VIII - легкий вакуумный газойль

Рисунок 2 – Схема  двухколонной перегонки мазута по масляному варианту

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Вакуумная  перекрестно-точная насадочная колонна для четкого фракционирования мазута на масляные дистилляты (авторы разработки К.Ф.Богатых и С.К.Чуракова)

При реконструкции  вакуумной колонны было смонтировано 20 перекрестноточных насадочных блоков (из просечно-вытяжного листа конструкции УГНТУ с малым гидравлическим сопротивлением), в т.ч. 17 из которых - в укрепляющей части, что эквивалентно 10,8 теоретическим тарелкам (вместо 5,6 до реконструкции).

При эксплуатации реконструированной установки АВТМ были получены следующие результаты по работе ПНК и качеству продуктов разделения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

Результаты по работе ПНК  и качеству продуктов разделения

 

Показатели	До	После
	реконструкции	реконструкции
Производительность, т/ч	46-48	55
Остаточное давление, мм рт.ст
на верху колонны	40-70	40-60
в зоне питания	96-126	53-73
Температура, °С
сырья	365-375	350-360
верха	165-175	165-175
низа	340-355	340-350
Расход, т/ч
верхнего циркуляционного
орошения	30-35	30-48
водяного пара	0,5-0,8	0,2-0,42
Число теоретических  тарелок
в укрепляющей  секции	5,6	10,8
Отбор на нефть, % масс.
I иогон	8,6-9,0	10,0-10,4
II погон Температурный интервал выкипания фракций, °С (tK 95% - tK 5%)    I масляный погон    II масляный погон Налегание масляных фракций, °С Температура вспышки, °С    I масляный погон    II масляный погон    Гудрон Вязкость при 50 °С, сСт    I масляный погон    II масляный погон Цвет, ед. ЦНТ    Iмасляный погон    II масляный погон	9,0-9,5     130-140 150-160 70-105   175-178 213-217 247-268   10,5-14 35-59   1,5-2,0 4,5-5,0	13,0-15,6     100-110 105-125 27-60   184-190 214-221 260-290   11,2-12 39-60   1,5-2,0 3,5-4,5

 

Как видно из приведенных выше данных, применением  ПНК достигается значительная интенсификация процесса вакуумной перегонки на установках АВТМ. По сравнению с типовым двухколонным энергоемким вариантом вакуумной перегонки энергосберегающая технология четкого фракционирования мазута в одной перекрестноточной насадочной колонне имеет следующие достоинства:

• исключается из схемы вакуумной перегонки вторая трубчатая печь и вторая вакуумная колонна со всем сопутствующим оборудованием и вакуумсоздающей системой;
• температура нагрева мазута на входе в ПНК ниже на 10-15 °С;
• расход водяного пара меньше в 2 раза;
• масляные дистилляты имеют более узкий фракционный состав: 100-110 вместо 130-140 °С;

    - отбор масляных дистиллятов увеличивается с 18,5 до 25% на нефть; 
    - производительность вакуумного блока увеличивается примерно на 10%.

 

1.5 Улучшение качества масляных дистиллятов

 

Анализ работы вакуумных колонн установок АВТ по масляному варианту показывает, что качество получаемых дистиллятных фракций и гудрона не удовлетворяет повышенным требованиям на сырье масляного производства: масляные фракции обычно получают маловязкими и с низким показателем цвета. Дистилляты имеют довольно широкий фракционный состав, доходящий до 200 °С, со значительным налеганием температур кипения соседних фракций, а в гудроне содержится много легких фракций (до 500 °С порядка 30—40%). Фактические данные по четкости разделения мазута на масляные фракции таковы: при работе по схеме а (рисунок 1) налегание температур кипения смежных дистиллятов составляет 80—90 °С и по схемам б и в 40—50 °С. На многих заводах вместо отбора узких фракций получают одну широкую фракцию и вакуумный газойль.

Низкое качество масляных фракций  и плохая четкость ректификации мазута объясняются следующими причинами: плохой работой атмосферной колонны; недостаточным подводом тепла в печи и, следовательно, низкими флегмовыми числами в колонне; недостаточным числом тарелок и низкой их эффективностью; высоким гидравлическим сопротивлением системы (тарелок колонны, трансферного трубопровода и змеевика печи); завышенными диаметрами колонн или низкими скоростями паров.

Повышение фракционирующей способности  вакуумных колонн достигается следующими мероприятиями: понижением давления в  секции питания колонны до 26—40 гПа; повышением температуры в зоне питания с соответствующим увеличением флегмового числа; увеличением числа тарелок или применением контактных устройств специальных конструкций, например, насадок; применением усовершенствованных технологических схем перегонки. Целесообразность применения той или иной технологической схемы следует рассматривать в последнюю очередь, если остальные мероприятия не приводят к ожидаемому эффекту, так как усовершенствование технологической схемы требует наибольших затрат.