Разработка методов интенсификации процессов ПЕРВИЧНОЙ перегонки углеводородного сырья

Такой подход дает возможность оценить относительное содержание узких фракций в сырье, а также определить температурные пределы наиболее энергетически выгодного разделения смеси ректификацией (области локальных минимумов осциллятора ИК).

С помощью осцилляторов ИК изучали  закономерности изменения фракционного состава при смешении нескольких видов сырья, либо при добавлении к основному сырью узких фракций. Для исследования влияния углеводородных добавок на потенциальное содержание узких фракций были приготовлены и разогнаны несколько углеводородных смесей, построены их экспериментальные и рассчитанные по правилу аддитивности кривые ИТК, построены осцилляторы ИК сырья, рассчитанные по правилу аддитивности.

Рисунок 2 – Осциллятор ИК тихорецкой нефти

Для оценки отклонения фактического потенциального содержания узких фракций сырья от рассчитанного по правилу аддитивности использовалось понятие изменения скорости выхода (ИСВ), определяемого по формуле:

,

где  dG_экс – фактическое бесконечно малое изменение выхода узкой фракции;

dG_расч – рассчитанное по правилу аддитивности бесконечно малое изменение выхода узкой фракции за соответствующий бесконечно малый интервал температур кипения dt.

В качестве иллюстрации на рисунках 3 и 4 приведены результаты перегонки смеси 70% масс. ставропольской, 20% масс. тихорецкой и 10% масс. оренбургской нефтей. Сплошная линия на рисунке 3 – фактическая кривая ИТК, пунктирная – кривая ИТК смеси, рассчитанная по правилу аддитивности. На рисунке 4 черная кривая – рассчитанный по правилу аддитивности осциллятор ИК смеси, серая – кривая ИСВ. Как видно из рисунка 4, кривая ИСВ по характеру противоположна расчетному осциллятору ИК.

Предлагаемый способ представления фракционного состава позволяет точнее оценить потенциальное содержание узких фракций в смесевом сырье. Если добавка к основному компоненту сырья увеличивает относительное содержание узкой фракции, в процессе перегонки часть «избытка» этой фракции перераспределяется в соседние фракции. Соответственно, при уменьшении удельного содержания компонента в смеси фактический его выход увеличится за счет соседних фракций.

Рисунок 3 – Сопоставление расчетной  и экспериментальной кривых ИТК смесевого сырья

Рисунок 4 – Сопоставление кривых ИК и ИСВ смесевого сырья

При увеличении доли углеводородов  в узкой фракции увеличивается парциальное давление этих углеводородов в смеси. Так как технологический режим перегонки не изменяется (р и Т остаются постоянными), согласно закону Дальтона, парциальные давления смежных углеводородных компонентов в смеси снижаются для поддержания состояния равновесия. Система саморегулируется, в результате выход узкой фракции уменьшается, а соседних с ней фракций увеличивается. Таким образом, увеличение или снижение выхода узких фракций смесевого сырья происходит в тех местах, в которых создается соответственно пониженное или повышенное удельное содержание углеводородов.

При рациональном подборе  соотношения компонентов можно добиться увеличения выхода целевых фракций за счет интенсификации процессов испарения при перегонке смесевого сырья. Можно также уменьшить затраты на разделение граничных целевых фракций.

В третьей главе представлен разработанный алгоритм расчета оптимальных параметров фракционирования – флегмовых чисел и чисел теоретических тарелок в секциях колонны, учитывающий экономические критерии. Так как для заданной четкости разделения сырья область оптимальных решений представляет собой множество (кривая опт на рисунке 5), то задача оптимизации определяющих параметров фракционирования сводится к выбору точки на этой кривой.

Рисунок 5 – Область оптимальных значений параметров ректификации

Критерий оптимальности, или минимум  приведенных затрат, предлагается выразить зависимостью затрат S от основных параметров фракционирования:

.

Полученную функцию можно представить в виде суммы двух выражений, а именно приведенных затрат на организацию орошения и приведенных затрат на создание теоретических тарелок:

,

,

где  S – приведённые затраты на заданное разделение углеводородного сырья;

M_R – удельные приведённые затраты на организацию единицы орошения;

R – рабочее флегмовое число;

M_N – удельные приведённые затраты на создание теоретической тарелки;

N – число теоретических тарелок.

Для заданной четкости разделения исходной смеси числа теоретических тарелок и флегмовые числа определены на интервалах:

.

Значения удельных приведенных  затрат для каждого конкретного  производства есть величина постоянная, поэтому функция для заданной четкости разделения определена и непрерывна на всем интервале существования R и N. Полученную зависимость можно продифференцировать по какому-либо из аргументов, например, по флегмовому числу:

.

Величины M_R и M_N являются постоянными, поэтому

.

Отношение соответствует тангенсу угла наклона кривой оптимальности и связывает между собой определяющие параметры ректификации. Отношение отражает взаимосвязь экономических критериев с технологическими. Минимум приведенных затрат S(N, R) = min определяется из условия , т.е.

.

Полученное выражение связывает  определяющие параметры ректификации с экономическими критериями. Для разработки алгоритма расчета оптимальных параметров ректификации использовалось известное корреляционное уравнение Молоканова. Получены зависимости, позволяющие определять оптимальные флегмовые числа и числа теоретических тарелок:

– на стадии проектирования

где  ,

,

,

,

,

K – коэффициент, отражающий  отношение удельных приведенных затрат на создание одной единицы флегмового числа к удельным приведенным затратам на создание одной теоретической тарелки (определяется анализом результатов работы технологической установки);

– при оптимизации параметров ректификации действующей колонны:

,

где N_ф – фактическое число тарелок в секции колонны.

Предлагаемый метод моделирования технико-экономических связей при ректификации позволяет подобрать оптимальную технологию разделения сырья (в случае нового проектирования), либо привести режим фракционирования действующей колонны к оптимальному сведением двух зависимых рабочих параметров процесса фракционирования R и N к расчетным значениям R_опт и N_опт.

В четвертой главе представлен способ регулирования материального баланса атмосферного блока за счет изменения кратности орошения отбензинивающей колонны, разработанный на основе данных, полученных при обследовании работы установки ЭЛОУ–АВТ–6.

Предварительное отбензинивание позволяет  снизить давление в атмосферной  колонне и, соответственно, увеличить глубину отбора целевых фракций. Количество и фракционный состав ректификата отбензинивающей колонны можно варьировать в широких пределах за счет изменения кратности орошения. Изменение состава ректификата первой колонны изменяет состав отбензиненного сырья, поступающего в атмосферную колонну. Колебание фракционного состава при неизменном температурном режиме перераспределяет материальные и тепловые потоки атмосферной колонны и изменяет товарный материальный баланс всего блока. В таблице 1 приведены показатели работы ректификационных колонн атмосферного блока. Режим I соответствует минимальной кратности орошения отбензинивающей колонны (флегмовое число 0,5), режим II – максимальной кратности орошения (флегмовое число 7,6).

При изменении кратности орошения отбензинивающей колонны К–1 изменяются интенсивности кипения узких фракций полуотбензиненной смеси, поступающей на переработку в атмосферную колонну. Наблюдаются закономерности изменения фракционного состава и интенсивностей кипения фракций сырья, рассмотренные во второй главе диссертации, но не за счет смешения компонентов, а за счет выведения легкой фракции из смеси.

 

Таблица 1 – Показатели работы ректификационных колонн атмосферного блока

Показатели	Режимы работы колонн
	K–1		К–2
	I	II	I	II
Производительность, % от проектной	100	100	–	–
Выход отбензиненной смеси, % масс.	–	–	88,0	95,1
Давление верхней части колонны, МПа	0,43	0,43	0,15	0,15
Температура, °С:   верха колонны   низа колонны	154  240	102  240	150  340	150  340
Тепло, млн. кДж/ч:   вносимое «горячей струей»   снимаемое в конденсаторе   снимаемое острым орошением   ПЦО–1   ПЦО–2	87,36  57,54  –  –  –	123,48  77,28  –  –  –	–  –  28,35  36,87  55,33	–  –  42,17  42,21  65,22
Доля отбора в дистиллят, e	0,120	0,049	0,410	0,437
Отбор, % на исходную нефть:   бензина в K–1 (фр. до 180°С)   бензина в К–2 (фр. до 180°С)   керосина (фр. 180–220°С)   соляра (фр. 220–280°С)   газойля (фр. 280–350°С)	12  –  –  –  –	4,9  –  –  –  –	–  6,1  8,2  8,4  13,4	–  11,6  8,6  8,7  12,6
Потенциальное содержание светлых  нефтепродуктов в сырье, % масс.	–	–	50,6	50,2
Глубина отбора светлых от потенциала, % масс.	–	–	95,06	92,43
Содержание в мазуте фракций,  выкипающих до 360°С, % масс.	–	–	6,5	8,0

Повышенный вывод легких бензиновых фракций при отбензинивании способствует снижению интенсивности их кипения в сырье атмосферной колонны. Система при этом будет стремиться компенсировать утрату легких углеводородов, и часть керосиновых фракций в процессе перегонки перейдет в бензин. Поэтому если основной целевой продукцией нефтеперерабатывающего производства является реактивное топливо, то использование отбензинивающей колонны с минимальной кратностью орошения не рекомендуется. Если же производство ориентировано на выработку бензиновой фракции и дизельного топлива, а перерабатываемое сырье не является тяжелым, рекомендуется эксплуатировать колонну предварительного отбензинивания с минимальным флегмовым числом. На рисунке 6 приведена кривая разности интенсивностей кипения отбензиненной смеси при режимах I и II.

Рисунок 6 – Разница осцилляторов ИК сырья К–2 (заштрихованная область – интервал, в котором при переходе с режима I на режим II увеличивается потенциал фракций от рассчитанного по правилу аддитивности)

Черная кривая показывает разность интенсивностей кипения узких фракций смеси при переходе c режима I на режим II, серая кривая – предполагаемое их перераспределение, обусловленное изменением состояния фазового равновесия. Заштрихованная область преимущественно находится выше нуля, что объясняет уменьшение выхода фракций керосина 140–200°С при уменьшении кратности орошения в колонне К–1, о чем свидетельствуют и данные таблицы 1. При режиме I в верхней секции атмосферной колонны паров значительно меньше, чем при режиме II, поэтому компенсация разности парциальных давлений в основном будет происходить за счет снижения выхода керосиновых фракций. Более низкие давления в атмосферной колонне при режиме I способствуют дополнительной отпарке углеводородов из мазута, так как система будет стремиться компенсировать утрату легких фракций в процессе перегонки, и дополнительная доля светлых из остатка будет переходить в дизельное топливо.

При увеличении кратности орошения в колонне К–1 (режим II) выход бензиновой и дизельной фракций на атмосферном блоке должен уменьшиться, а выход керосина и остатка увеличиться. Результаты промышленного эксперимента подтверждают, что при увеличении флегмового числа в отбензинивающей колонне с 0,5 до 7,6 выход бензина уменьшается с 18,1% до 16,5% масс., фракций легкого и тяжелого дизельного топлива – с 21,8% до 21,3%, выход керосина увеличивается с 8,2% до 8,6%, а глубина отбора светлых от потенциала в сырье снижается с 95,1 до 92,4% (таблица 1).

Таким образом, изменением кратности орошения отбензинивающей колонны можно в небольших пределах (до 3%) регулировать выходы продуктов всего блока. Для увеличения глубины отбора светлых в атмосферной колонне рекомендуется максимальное извлечение "деинтенсифицирующего" агента – легкой бензиновой фракции.