Нефть и основные способы ее переработки

Различают простые  и сложные колонны.

Простые ректификационные колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят), выводимый с верха  колонны в парообразном состоянии, и остаток — нижний жидкий продукт  ректификации.

Сложные ректификационные колонны разделяют исходную смесь  более чем на два продукта. Различают  сложные колонны с отбором  дополнительных фракций непосредственно из колонны в виде боковых погонов и колонны, у которых дополнительные продукты отбирают из специальных отпарных колонн, именуемых стриппингами. Последний тип колонн нашел широкое применение на установках первичной перегонки нефти.

Четкость погоноразделения — основной показатель эффективности  работы ректификационной колоны —  характеризует их разделительную способность. Она может быть выражена в случае бинарных смесей концентрацией целевого компонента в продукте.

Применительно к  ректификации нефтяных смесей она обычно характеризуется групповой чистотой отбираемых фракций, т. е. долей компонентов, выкипающих по кривой истинной температуры  кипения до заданной температурной  границы деления смеси в отобранных фракциях (дистиллятах или остатке), а также отбором фракций от потенциала. Как косвенный показатель четкости (чистоты) разделения на практике часто используют такую характеристику, как налегание температур кипения  соседних фракций в продукте. В  промышленной практике обычно не предъявляют  сверхвысоких требований по отношению  к четкости погоноразделения, поскольку  для получения сверхчистых компонентов  или сверхузких фракций потребуются  соответствующие сверхбольшие капитальные  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 ректификационной колонны значительно влияние  оказывают число контактных ступеней и соотношение потоков жидкой и паровой фаз. Для получения  продуктов, отвечающих заданным требованиям, необходимо, наряду с другими параметрами  ректификационной колоны (давление, температура, место ввода сырья и т. д.), иметь  достаточное число тарелок (или  высоту насадки) и соотвествующее флегмовое  и паровое числа.

Флегмовое число (R) характеризует соотношение жидкого  и парового потоков в концентрационной части колонны и рассчитывается как R = L/D, где L и D — количества соответствующей  флегмы и ректификата.

Паровое число (П) характеризует  соотношение контактирующихся потоков  пара и жидкости в отгонной секции колонны, рассчитываемое как П = G/W, где G и W — количества соответствующих  паров и кубового продукта.

Число тарелок (N) колонны (или высота насадки) определяется числом теоретических тарелок (NТ), обеспечивающим заданную четкость разделения при принятом флегмовом (и паровом) числе, а также  эффективностью контактного устройства (обычно коэффициент полезного действия реальных тарелок или удельной высотой  насадки, соответствующей 1 теоретической  тарелке).

Очевидно, при увеличении количества орошения будут расти  эксплуатационные затраты (связанные  с расходом энергии на перекачку, тепла в кипятильнике и холода в конденсаторах), а капитальные  затраты вначале будут существенно  уменьшаться в результате снижения высоты, а затем расти из-за увеличения диаметра колонны.

Особенности нефти как сырья процессов  перегонки

Нефть и нефтяные смеси как сырье для ректификации характеризуются рядом специфических  свойств, обусловливающих некоторые  особенности в технологии их переработке.

1. Нефть и особенно  ее высококипящие фракции и  остатки характеризуются невысокой  термической стабильностью. Для  большинства нефтей температура  термической стабильности соответствует  температурной границе деления  примерно между дизельным топливом  и мазутом по кривой истиной  температуры кипения, т. е. ? 350…360 °С. Нагрев нефти до более высоких  температур будет сопровождаться  ее деструкцией и, следовательно,  ухудшением качества отбираемых  продуктов перегонки. В этой  связи перегонку нефти и ее  тяжелых фракций 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 давлении в  зоне питания ВК ? 100 и ? 20 мм  рт. ст. (? 133 и 30 гПа) позволяет отобрать  газойлевые (масляные) фракции с  температурой соответственно до 500 и 600 °С. Обычно для повышения  четкости разделения при вакуумной  (а также и атмосферной) перегонке применяют подачу водяного пара для отпаривания более легких фракций. Следовательно, с позиций термической нестабильности нефти технология ее глубокой перегонки (т. е. с отбором фракций до гудрона) должна включать как минимум 2 стадии: атмосферная перегонка до мазута с отбором топливных фракций и перегонку под вакуумом мазута с отбором газойлевых (масляных) фракций и в остатке гудрона.

2. Нефть — многокомпонентное  сырье с непрерывным характером  распределения фракционного состава  и соответственной летучести  компонентов. Расчеты показывают, что значение коэффициента относительной  летучести непрерывно (экспоненциально)  убывает по мере утяжеления  фракций нефти, а также по  мере сужения температурного  интервала кипения фракций. Этим  обусловлены определенные ограничения  как на четкость погоноразделения (особенно относительно высококипящих  фракций), так и по отношению  к «узости» фракций. С экономической  точки зрения, нецелесообразно требовать  от процессов перегонки выделить, например, индивидуально чистый  углевод или сверхузкие фракции  нефти. Поэтому в нефтепереработке  довольствуются получением следующих  топливных и газойлевых фракций,  выкипающих в достаточно широком  интервале температуры:

— бензиновые начало кипения 140 °С (180 °С);

— керосиновые 140 (180)…240 °С;

— дизельные 240…350 °С;

— вакуумный дистиллят (ВГ) 350…400 °С, 400…450 °С и 450…500 °С;

— тяжелый остаток  — гудрон >490 °С (>500 °С).

Иногда ограничиваются неглубокой атмосферной перегонкой нефти с получением в остатке  мазута >350 °С, используемого в качестве котельного топлива.

3. Высококипящие  и остаточные фракции нефти  содержат значительное количество  гетероорганических смолисто-асфальтеновых  соединений и металлов, попадание  которых при перегонке в дистилляты  резко ухудшает их эксплуатационные  характеристики и значительно  усложняет последующую их переработку. Это обстоятельство обусловливает необходимость организации четкой сепарации фаз в секции питания атмосферной и особенно вакуумной колонн. Эффективная сепарация фаз в секции питания ректификационной колоны достигается установкой специальных сепараторов (отбойных тарелок, насадок и т. д.), улавливающих мельчайшие капли (туман, пена, брызги) кубовой жидкости, а также промывкой потока паров стекающей жидкостью в специальной промывной тарелке. Для этого и с целью повышения разделительной способности нижних тарелок сепарационной секции ректификационной колонны необходимо обеспечить некоторый избыток орошения, называемый избытком однократного испарения, путем незначительного перегрева сырья (но не выше предельно допустимой величины). Доля отгона при однократном испарении в секции питания ректификационной колонны должна быть на 2…5 % больше выхода продуктов, отбираемых в виде дистиллята и боковых погонов.

Способы регулирования  температурного режима ректификационной колонны

Нормальная работа ректификационной колонны 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 ректификационной колонны.

Отвод тепла в  концентрационной секции путем:

а) использования  парциального конденсатора;

б) организации испаряющегося (холодного) орошения;

в) организации неиспаряющегося (циркуляционного) орошения.

Подвод тепла  в отгонной секции путем:

а) нагрева остатка  ректификации в кипятильнике с паровым  пространством;

б) циркуляции части  остатка, нагретого в трубчатой  печи.

На современных  установках перегонки нефти чаще применяют комбинированые схемы  орошения. Так, сложная ректификационная 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 ороршения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции. В концентрационной секции сложных ректификационных колонн вторичной перегонки мазута отвод тепла осуществляется преимущественно посредством циркуляционного орошения.

При подводе тепла  в низ ректификационной колонны  кипятильником осуществляют дополнительный подогрев кубового продукта в выносном кипятильнике с паровым пространством (рибойлере), где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращают под  нижнюю тарелку ректификационной колонны. Характерной особенностью этого  способа является обеспечение 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 нефтей и нефтезаводских газов, при  стабилизации и отбензинивании нефтей, стабилизации бензинов прямой перегонки  и вторичных процессов нефтепереработки.

При подводе тепла  в низ колонны трубчатая печь 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  температуре низа колонны, когда  применение обычных теплоносителей (водяной пар и др.) невозможно или нецелесообразно (например, в  колоннах отбензинивания нефти).

Выбор давления и  температурного режима в ректификационной колонне. При принятых значениях  флегмового числа, числа и типа тарелок  на экономические показатели процессов  перегонки наиболее влияние оказывают  давление и температурный режим  в колонне. Оба эти рабочих  параметра тесно взаимосвязаны: нельзя оптимизировать, например, только давление без учета требуемого температурного режима и наоборот.

При оптимизации  технологических параметров ректификационной колонны целесообразно выбрать  такие значения давления и температуры, которые:

1) обеспечивают  состояние разделяемой системы,  далекое от критического (иначе  нельзя реализовать процесс ректификации), и возможно большее значение  коэффициента относительной летучести;

2) исключают возможность  термодеструктивного разложения  сырья и продуктов перегонки  или кристаллизации их в аппаратах  и коммуникациях;

3) позволяют использовать  дешевые и доступные хладоагенты  для конденсации паров ректификата  (вода, воздух) (например, в стабилизационных  ректификационных колоннах) и теплоносители  для нагрева и испарения кубовой  жидкости (например, водяной пар  высокого давления), а также уменьшить  требуемые поверхности холодильников,  конденсаторов, теплообменников  и кипятильников.

По величине давления ректификационные колонны можно  подразделить на следедующие типы:

а) атмосферные, работающие при давлением несколько выше атмосферного (0,1…0,2 МПа), применяемые  при перегонке стабилизированных  или отбензиненных нефтей на топливные  фракции и мазут;

б) вакуумные (глубоковакуумные), работающие под вакуумом (или глубоким вакуумом) при остаточном давлении в зоне питания (? 100 и 30 гПа соответственно), предназначенные для фракционирования мазута на вакуумный (глубоковакуумный) газойль или узкие масляные фракции  и гудрон;

в) колонны, работающие под повышенным давлением (1…4 МПа), применяемые при стабилизации или  отбензинивании нефтей, стабилизации газовых бензинов, бензинов перегонки  нефти и вторичных процессов  и фракционировании нефтезаводских или попутных нефтяных газов.

Повышение или понижение  давления в ректификационной колонне  сопровождается, как правило, соответствующим  повышением или понижением температурного режима. Так, для получения в качестве ректификата пропана требуемая  температура верха колонны при  давлении 0,1 и 1,8 МПа составит соответственно –42 и +55 °С. Предпочтительность второго  варианта ректификации очевидна, поскольку  повышенное давление позволяет использовать для конденсации паров пропана  воду, а не специальные хладоагенты  и дорогостоящие низкотемпературные системы охлаждения. Перегонка, например, под вакуумом позволяет осуществить отбор без заметного разложения фракций нефти, выкипающих при температурах, превышающих температуру нагрева сырья более чем на 100…150 °С.