Процессы и агрегаты нефтегазовых технологий Лекция 6 Введение

Процессы и агрегаты нефтегазовых технологий Лекция 6: Введение 1. Конструкция промышленных испарительных аппаратов 1. 1. Процессы испарения и их реализация 1. 2. Промышленные испарители 2. Конструкция промышленных конденсаторов-холодильников 2. 1. Процессы конденсации и их реализация 3. ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ 3. 1. Устройство трубчатой печи 3. 2. Конструкции трубчатых печей 3. 3. Тепловые характеристики трубчатых печей 4. ЭКСТРАКЦИЯ: деасфальтизация гудрона пропаном 4. 1. Сырье, конечные продукты и технологический режим 4. 2. Технологическая схема установки деасфальтизации 5. ЭКСТРАКЦИЯ: селективная очистка масел 5. 1. Сырье, конечные продукты и технологический режим 6. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ: депарафинизация масел

ВВЕДЕНИЕ 3 «кита» фундаментального знания, на которых стоят конструирование, фунционирование и моделирование процессов и агрегатов нефтепереработки МАССООБМЕН при физических и химических процессах в реакторе ТЕПЛООБМЕН при физических и химических процессах в реакторе КИНЕТИКА И МАКРОКИНЕТИКА химических процессов в реакторе

1. Конструкция промышленных испарительных аппаратов Испарители (англ. evaporators) - аппараты для испарения жидких веществ. В нефтеперерабатывающей промышленности испарители применяют для разделения жидких смесей путем частичного однократного испарения и, в частности, сырой нефти при ее перегонке; подвода тепла в низ ректификационных колонн вторичной перегонки бензина, газофракционирования, разделения продуктов реакций, отгонки растворителей, охлаждения жидких сред, служащих хладагентами. Испарители для предварительного разделения сырой нефти представляют собой пустотелые цилиндрические вертикальные аппараты, в которых происходит процесс однократного частичного испарения нефти за счет тепла, поступающего с ее потоком. Эти испарители работают при температуре 180 -250°С и давлении 0, 3 -0, 5 МПа. Испарители для подвода тепла в низ ректификационных колонн - это кожухотрубчатые аппараты. Получили распространение два типа таких аппаратов: горизонтальные с паровым пространством и вертикальные. Первый из них состоит из горизонтального цилиндрического корпуса (Рис. 1) и размещенных в нем одного трех горизонтальных пучков из труб. Пучок может быть выполнен с плавающей головкой или из U-образных труб. Теплоносителем служит водяной пар или горячая нефтяная фракция. Испаряющаяся жидкость поступает снизу, ее уровень в аппарате поддерживается вертикальной перегородкой с таким расчетом, чтобы паровое пространство составило не менее 1/3 диаметра корпуса аппарата и жидкость имела достаточное зеркало для выделения образующихся паров. Неиспарившаяся жидкость переливается через перегородку и откачивается насосом по уровню. Испаритель установлен на двух опорах и снабжен люком и необходимыми штуцерами. Диаметр стандартных аппаратов достигает 2800 мм, длина труб - 6000 мм.

Рис. 1. Испаритель горизонтальный с паровым пространством 1 - кожух; 2 - люк; 3 - штуцер предохранительного клапана; 4 - трубчатый пучок; 5 горловина; 6 - распределительная камера; 7 - опора; 8 - штуцер дренажа; 9 перегородка; 10 - люк для троса лебедки. Потоки: I - испаряемая жидкость; II - остаток; III - пары; IV – теплоноситель.

Вертикальные кожухотрубчатые аппараты - это другой тип испарителя с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на корпусе (Рис. 2). Испаряющаяся среда поступает снизу в трубное пространство и выходит сверху в парожидкостном состоянии. Ее подача осуществляется насосом или за счет термосифонного эффекта. Теплоноситель в жидком, газообразном или парообразном состоянии поступает сверху в межтрубное пространство и выводится снизу. Диаметр стандартных аппаратов достигает 2200 мм, длина труб - 6000 мм. Испарители для охлаждения жидких сред - кожухотрубчатые горизонтальные аппараты. По существу – аппарат на Рис. 1, но по направлению теплопередачи и вектору теплообмена его противоположность, или «зеркальное отражение» . В межтрубном пространстве испаряется поступающий снизу хладагент, пары которого собираются в паросборнике и отводятся сверху. Охлаждаемая среда проходит в трубах пучка. Наибольший диаметр стандартных испарителей для охлаждения жидких сред 2000 мм, длина труб 6000 мм.

Рис. 2. Вертикальный испаритель с температурным компенсатором на корпусе 1 - распределительная камера; 2, 8 - трубные решетки; 3 - компенсатор; 4 - кожух; 5 - опора; 6 - теплообменная труба; 7 - поперечная «сплошная» перегородка; 9 - крышка. Потоки: I - испаряющаяся среда; II - конденсат; III - парожидкостная смесь; IV - водяной пар.

2. Конструкция промышленных конденсаторов-холодильников 2. 1. Процессы конденсации и их реализация Конденсация (англ. condensation, позднелат. condensatio - сгущение, от лат. condenso - уплотняю, сгущаю) - процесс перехода вещества из парообразного состояния в жидкое. Конденсация осуществляется путем охлаждения или сжатия и охлаждения пара при температуре ниже критической для данного вещества и сопровождается выделением теплоты конденсации. Конденсация применяется для получения в жидком виде продуктов, выводимых из аппаратов в парообразном состоянии; сжижения природных, попутных газов и паров хладагентов в холодильных установках, подогревателях, где в качестве теплоносителя используется водяной пар (теплота, выделяемая при конденсации 1 кг водяного пара составляет 2260 к. Дж при давлении 9, 8 -104 Па). При конденсации резко уменьшается объем среды и образуется вакуум. Это обстоятельство обусловило применение конденсаторов для создания вакуума. Конденсацию широко используют для разделения бинарных и многокомпонентных смесей в процессах ректификации и перегонки. При охлаждении таких смесей в первую очередь конденсируются наименее летучие компоненты и в результате происходит их разделение.

Различают однократную, многократную и постепенную конденсацию. Однократную конденсацию осуществляют в одну ступень. Многократную ведут последовательными ступенями, в каждой из которых пары частично конденсируют, отводят образовавшуюся жидкую фазу, а оставшиеся пары подвергают частичной конденсации в последующей ступени. При этом паровая фаза обогащается легколетучими компонентами, однако выход их уменьшается по мере увеличения числа ступеней. Постепенная конденсация осуществляется так, что образовавшаяся жидкость отводится из системы непрерывно по мере ее образования. Для конденсации используют аппараты двух видов - конденсаторы смешения и поверхностные конденсаторы. В первых конденсирующиеся пары непосредственно соприкасаются с охлаждающей водой. В поверхностных конденсаторах тепло отбирается через стенку и конденсация паров становится возможной при температуре стенки ниже точки росы. Различают два вида конденсации - капельную (на поверхности образуются капли) и пленочную (образуется пленка). При капельной конденсации коэффициент теплоотдачи больше. Пленка создает термическое сопротивление, поэтому значительное внимание уделяется конструктивным мерам, обеспечивающим быстрое удаление пленки. В промышленности обычно конденсация осуществляется в пленочном режиме.

3. ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ Трубчатые печи (англ. pipe, tube furnace) - огневые нагреватели для нагрева, испарения, химического превращения нефтяного сырья, движущегося по трубчатому змеевику. Трубчатые печи широко распространены на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях и являются составной частью технологических установок первичной переработки нефти, пиролиза, каталитического крекинга, риформинга, гидроочистки и др. 3. 1. Устройство трубчатой печи Трубчатая печь состоит из камеры радиации и конвекции. В первой (топочной камере) сжигается топливо и размещен радиантный экран, трубы которого поглощают тепло в основном от радиации факела, трехатомных газов сгорания и вторичного излучения кладки. В камере конвекции расположены трубы, получающие тепло от потока дымовых газов главным образом конвекцией. Газы сгорания из радиантной поступают в камеру конвекции, откуда направляются в воздухоподогреватель и через дымоход в атмосферу. В камере конвекции также размещаются трубы котлаутилизатора для получения перегретого водяного пара. Нагреваемая среда сначала поступает в конвекционные трубы, а затем в радиантные. Для змеевиков применяют бесшовные трубы диаметром от 60 до 325 мм из углеродистых и легированных сталей и сплавов, обладающих жаропрочными свойствами. Соединяют трубы крутоизогнутыми фитингами сваркой или при помощи двойников, допускающих механическую чистку внутренней поверхности трубы от кокса.

3. 2. Конструкции трубчатых печей (Рис. 3, 4, 5) исключительно разнообразны и зависят от следующих различных факторов: 1) Назначение печи; 2) вид используемого топлива (жидкое, газообразное, комбинированное); 3) форма корпуса - коробчатые (ширококамерные, узкокамерные) и цилиндрические; 4) способ сжигания топлива - беспламенные, со свободным или настильным факелом, с дифференциальным подводом воздуха по высоте факела; 5) расположение труб в камерах радиации и конвекции (вертикальное, горизонтальное, винтовое и др. ); 6) общее число секций или камер радиации; 7) относительное расположение труб и осей факела (параллельное и перпендикулярное); 8) число потоков в трубчатом змеевике; 9) конструкция стен печи (подвесной, легковесный кирпич, торкрет-бетон, волокнистые материалы, специальные блоки-панели); 10) расположение камеры конвекции относительно радиантной (верхнее, нижнее, боковое).

Рис. 3. Коробчатая узкокамерная трубчатая печь беспламенного горения с резервным жидким топливом 1 - беспламенные панельные горелки; 2 - змеевик радиантных труб; 3 - змеевик конвекционных труб; 4 - футеровка; 5 - дымовая труба; 6 - каркас; 7 - выхлопное окно; 8 - смотровое окно; 9 - люк-лаз; 10 - резервные горелки.

Рис. 4. Цилиндрическая трубчатая печь со свободным факелом 1 - горелка; 2 - змеевик радиантных труб; 3 - каркас; 4 - футеровка; 5 - змеевик конвекционных труб; 6 - шибер; 7 - дымовая труба. Потоки: I - продукт на входе; II - продукт на выходе.

На действующих установках термического крекинга применяют радиантноконвекционные двухскатные трубчатые печи шатрового типа (Рис. 5(2. 6). Они имеют две камеры радиации (топочных камеры), в которых по периметру потолка и пода находится однорядный экран, и одну камеру конвекции, в которой помещен змеевик. В камере радиации сжигается топливо, и расположенные там трубы (экран) воспринимают теплоту преимущественно через излучение. Из отходящих дымовых газов теплота передается главным образом путем конвекции - при непосредственном контакте дымовых газов с трубами конвекционной камеры.

Теплопроизводительность трубчатых печей находится в пределах 0, 12 -240 МВт, поверхность нагрева радиантных труб составляет 15 -2000 м 2, производительность по нагреваемой среде достигает 8105 кг/ч. Температура среды на выходе из печи зависит от технологического процесса и достигает 900 С, а давление в змеевике - от 0, 1 до 30 МПа. В реакционных трубах печей конверсии углеводородных газов, парового риформинга, каталитического пиролиза размещают гранулированный катализатор. В трубчатых печах с факельным способом сжигания топлива применяют комбинированные горелки, рассчитанные на жидкое и газообразное топливо (теплопроизводительность от 2, 0 до 5, 8 МВт), в трубчатых печах со стенами из панельных горелок применяют беспламенные панельные горелки (от 0, 052 до 0, 32 МВт) и щелевые беспламенные горелки (0, 349 МВт). Важный показатель, характеризующий работу трубчатых печей и эффективность использования трубчатого змеевика – это теплонапряженность поверхности нагрева. Величина тепловой напряженности зависит от назначения трубчатой печи, способа сжигания топлива, равномерности теплового потока по длине и окружности трубы змеевика, опасности термического разложения нагреваемой среды, теплоустойчивости и жаростойкости материала трубы. Средняя теплонапряженность радиантных труб (к. Вт/м) печей такова: установки атмосферной перегонки нефти - 30 -60, вакуумная перегонка мазута - 20 -40, вторичная переработка - 30 -60, замедленное коксование - 20 -40, пиролиз бензина 12 -24. Коэффициент полезного действия трубчатых печей лежит в пределах 0, 65 -0, 85.

4. ЭКСТРАКЦИЯ: деасфальтизация гудрона пропаном 4. 1. Сырье, конечные продукты и технологический режим Деасфальтизация пропаном (англ. deasphalting) - экстракционный процесс выделения масляной части из остаточного сырья (гудрона). Избирательный растворитель - пропан 95 -96%-ной чистоты. В результате контакта с гудроном образуется экстрактный раствор - целевое масло, растворенное в пропане, и рафинатный раствор, содержащий асфальтосмолистые вещества и полициклические ароматические углеводороды. После разделения экстрактного и рафинатного растворов выделяется (регенерация) пропан. При этом из экстрактного раствора получают целевой продукт (деасфальтизат), а из рафинатного раствора - рафинат (асфальт). Температура процесса лежит в интервале 50 -85°С. При одноступенчатой деасфальтизации кратность «пропан : сырье» составляет «(5+8) : 1» . 4. 2. Технологическая схема установки деасфальтизации Схема установки одноступенчатой деасфальтизации представлена на Рис. 6. Сырье гудрон после нагрева паром в подогревателе - поступает в верхнюю часть экстракционной колонны 5. Сжиженный пропан из емкости 3 после подогревателя 2 вводится в низ экстракционной колонны (см. экстракторы) и движется вверх противоточно сырью. Раствор деасфальтизированного масла с верха экстракционной колонны проходит последовательно испарители 6 и 7, в которых благодаря ступенчатому понижению давления и повышению температуры происходит испарение пропана. После испарителей раствор поступает в отпарную колонну 8, где остаток пропана отпаривается водяным паром. С низа колонны 8 деасфальтизированное масло откачивается с установки.

Рис. 6. Схема установки одноступенчатой деасфальтизации гудрона пропаном 1 и 2 - паровые подогреватели; 3 - емкость сжиженного пропана; 4 - холодильникиконденсаторы; 5 - экстракционная колонна; 6, 7 - испарители; 8, 11 - отпарные колонны; 9 - трубчатая печь; 10 - испарительная колонна; 12 - компрессор; 13 - конденсатор смешения. Потоки: I - сырье (гудрон); II - водяной пар; III - вода; IV - асфальт; V - деасфальтизированное масло

4. 2. Технологическая схема установки деасфальтизации Схема установки одноступенчатой деасфальтизации представлена на Рис. 6. Сырье гудрон после нагрева паром в подогревателе - поступает в верхнюю часть экстракционной колонны 5. Сжиженный пропан из емкости 3 после подогревателя 2 вводится в низ экстракционной колонны (см. экстракторы) и движется вверх противоточно сырью. Раствор деасфальтизированного масла с верха экстракционной колонны проходит последовательно испарители 6 и 7, в которых благодаря ступенчатому понижению давления и повышению температуры происходит испарение пропана. После испарителей раствор поступает в отпарную колонну 8, где остаток пропана отпаривается водяным паром. С низа колонны 8 деасфальтизированное масло откачивается с установки. Асфальтовый раствор выводится с низа экстракционной колонны, нагревается в трубчатой печи 9 и поступает под давлением в испарительную колонну 10, где от него испаряется основная часть пропана. Остатки пропана отпариваются водяным паром в колонне 11, с низа которой выводится асфальт. Пары пропана высокого давления из испарителей 6 и 7 и испарительной колонны 10 поступают в холодильникиконденсаторы 4, откуда конденсат направляется в емкость для сжиженного пропана 3. Пропан низкого давления из отпарных колонн 8 та 11 после отделения водяного пара в конденсаторе 13 сжимается компрессором 12 и также поступает через холодильникиконденсаторы 4 в емкость 3.

5. ЭКСТРАКЦИЯ: селективная очистка масел 5. 1. Сырье, конечные продукты и технологический режим Селективная очистка масел (англ. selective lubrication oil treatment) - процесс улучшения химического состава масляных дистиллятов и деасфальтизатов путем экстракции полициклических ароматических углеводородов и смолистых соединений. В результате такой очистки повышается индекс вязкости, снижается коксуемость, улучшается цвет масел. В качестве селективных растворителей используются фенол, фурфурол, метил-2 пирролидон. Важными свойствами растворителей являются селективность способность четко разделять исходное сырье на целевой и нежелательный продукты и растворяющая способность - показатель, характеризуемый количеством растворителя, необходимым для растворения заданного количества целевых компонентов. Сырьем процесса селективной очистки являются масляные дистилляты и деасфальтизаты; целевыми продуктами - рафинаты, направляемые в последующем на депарафинизацию; побочными - экстракты, используемые как сырье для производства битумов, технического углерода, пластификаторов каучука при производстве резины или как компоненты котельного топлива. Технологический режим зависит от качества сырья. При очистке фенолом вязкого масляного дистиллята из сернистых западно-сибирских нефтей температура в экстракционной колонне (см. экстракторы) лежит в пределах: верх 73 -76°С, низ 6568°С; кратность «растворитель : сырье» (по объему) «(1, 5 -2): 1» ; подача фенольной воды в экстракционную колонну (% на фенол): вверх 1 -3, вниз 2 -4.

5. 2. Технологическая схема установки селективной очистки Схема установки селективной очистки масел фенолом приведена на Рис. 7. Сырье направляется через теплообменники в верхнюю часть абсорбера 1, где оно улавливает фенол из смеси паров фенола и воды. С верха абсорбера водяные пары поступают в конденсатор, и конденсат выводится с установки. С низа абсорбера сырье поступает в экстракционную колонну 2, на верх которой подается безводный подогретый фенол. С целью выделения из экстрактного раствора вторичного рафината в низ колонны предусмотрен ввод фенольной воды. С верха экстракционной колонны выходит раствор рафината в феноле (рафинатный раствор), с низа - раствор экстракта в феноле (экстрактный раствор). После этого из растворов выделяется фенол. Из рафинатного раствора фенол выделяется в два этапа. Раствор последовательно проходит теплообменник, трубчатую печь 5; в испарительной колонне 3 происходит испарение фенола из раствора. С низа испарительной колонны 5 -6%-ный фенольный раствор по перетоку поступает в отпарную колонну 4, где происходит отпарка фенола водяным паром. Рафинат, выходящий с низа колонны 4, охлаждается в теплообменнике и холодильнике и выводится с установки. Из экстрактного раствора фенол выделяется в три этапа. В сушильной колонне 6 из экстрактного раствора удаляется вода: пары воды выводятся с верха колонны в виде азеотропной воднофенольной смеси. Выходящий с низа колонны 6 раствор после нагрева в печи 7 поступает в колонну 8, где из него отгоняется основная часть сухого фенола, которая после охлаждения и конденсации направляется в емкость 11. В низ колонны 8 тепло подводится циркуляцией остатка через печь 9. В колонне 10 из раствора с помощью водяного пара отпариваются остатки фенола, с низа колонны выводится экстракт. Пары фенола и воды с верха колонн 6 и 10 поступают на абсорбцию в абсорбер 1. Колонны 3 и 10 орошаются фенолом, колонна 6 - фенольной водой. ЛИТЕРАТУРА: [55, 65].

Рис. 7. Схема установки селективной очистки масел фенолом 1 - абсорбер; 2 - экстракционная колонна; 3, 8 - испарительные колонны; 4, 10 отпарные колонны; 5, 7, 9 - трубчатые печи; 6 - сушильная колонна; 11 - емкость фенола. Потоки: I - сырье; II - фенол; III - рафинатный раствор; IV - экстрактный раствор; V рафинат; VI - экстракт; VII - пары фенола и воды; VIII - водяной пар; IX - вода.

6. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ: депарафинизация масел Депарафинизация масел (англ. deparafinization) - процесс удаления высокоплавких (в основном парафиновых) углеводородов. Процесс служит для получения масел с низкой температурой застывания, а также парафинов и церезинов. Сырьем являются рафинаты селективной очистки. Различают обычную депарафинизацию - получение масел с температурой застывания от -10 до -15°С и глубокую (низкотемпературную) - с температурой застывания ниже -30°С. Продуктами депарафинизации являются: 1) депарафинированные масла, которые затем подвергают доочистке; 2) неочищенные гачи (депарафинизация дистиллятных масел) - сырье для производства твердых парафинов; 3) петролатумы (депарафинизация остаточных масел) - сырье для получения церезинов. При депарафинизации применяют различные растворители; в частности, находит применение смесь метилэтилкетона с толуолом. Растворитель при температуре процесса должен хорошо растворять жидкие углеводороды сырья и не растворять твердые. При производстве масел с температурой застывания выше -20°С в качестве хладагента используют аммиак или пропан, в случае низко застывающих масел применяют двухступенчатую систему охлаждения (хладагент второй ступени - этан). Процесс депарафинизации включает следующие стадии: 1) растворение исходного сырья; 2) охлаждение и кристаллизацию высокоплавких углеводородов; 3) выделение твердой фазы из раствора масла, гача или петролатума.

Рис. 8. Принципиальная схема установки депарафинизации масел 1 - теплообменник; 2 - регенеративные кристаллизаторы; 3 - кристаллизаторы, использующие хладагент; 4 - вакуумные фильтры; 5, 6 - отделения регенерации растворителя из растворов депарафинированного масла и гача или петролатума соответственно. Потоки: I - сырье; II - растворитель; III - хладагент; IV - раствор депарафинизированного масла; V - раствор гача или петролатума; VI депарафинизированное масло; VII - гач или петролатум.

Сырье (Рис. 8), после смешения с растворителем, проходит теплообменник 1 и поступает в регенеративные кристаллизаторы 2, где сырьевой раствор охлаждается и за счет регенерации холода отходящего раствора депарафинированного масла происходит кристаллизация. Далее сырьевой раствор поступает в кристаллизаторы 3, где хладагентом служит жидкий аммиак, пропан или этан. Из кристаллизаторов 3 образовавшаяся суспензия твердых углеводородов поступает в барабанные вакуумфильтры 4 (см. фильтры). В зависимости от схемы процесса растворитель может вводиться в любом месте по ходу обрабатываемого потока. Из фильтров основной поток фильтрата как хладагент поступает в регенеративные кристаллизаторы. Лепешку твердых парафинов в вакуум-фильтрах промывают холодным растворителем и затем направляют в отделение регенерации из нее растворителя 6. Промывочный растворитель вместе с основным потоком фильтрата поступает в отделение регенерации растворителя из раствора депарафинированного масла 5. Обычно на установках депарафинизации для уменьшения содержания масла в гаче фильтрование осуществляют в две ступени: из первой ступени раствор масла выводят на регенерацию, а раствор гача смешивают с растворителем и подают на фильтрование во вторую ступень.