Нефть и основные способы ее переработки

Температурный режим, наряду с давлением, является одним  из наиболее значимых параметров процесса, изменением которого peгулируется качество продуктов ректификации. Важнейшими точками регулирования является температура поступающего сырья и выводимых из колонны продуктов ректификации. Как показала практика эксплуатации промышленных установок, перегонка нефти при атмосферном давлении осуществляется при температуре в зоне питания ректификационной колонны 320… 360 °С, а вторичная перегонка мазута — при температуре на выходе из печи не выше 430 °С.

При перегонке с  водяным паром температура кубового остатка обычно ниже температуры  нагрева сырья на 20…30 °С, а фракций, уходящих из отпарных колонн, на 10…15 °С по сравнению с температурой, поступающей на отпаривание жидкости. При подводе тепла в низ ректификационной колонны через кипятильник температура кубовой жидкости должна быть на соответствующее число градусов выше температуры поступающей жидкости.

Особенности перегонки  с водяным паром. Для подвода дополнительного тепла в низ атмосферной и вакуумной колонн промышленных установок перегонки нефти такие способы, как кипятильник с паровых пространством или «горячая струя», неприемлемы по причине низкой термостабильности кубовых остатков — мазута и гудрона. В этой связи с целью создания требуемого парового орошения в отгонной секции этих колонн, а также испарения (отпаривания) низкокипящих фракций нефти (попадающих в остаток в условиях однократного испарения в секции питания) на практике широко применяют перегонку с подачей водяного пара.

При вводе водяного пара в отгонную секцию ректификационной колонны парциальное давление паров  снижается и создаются условия, при которых жидкость оказывается  как бы перегретой, что вызывает ее испарение (т. е. действие водяного пара аналогично вакууму). При этом теплота, необходимая для отпаривания паров, отнимается от самой жидкости, в связи с чем она охлаждается.

Наибольший эффект испаряющего влияния перегретого  водяного пара проявляется при его  расходе, равном 1,5…2,0 % мас. на исходное сырье. Общий расход водяного пара в атмосферные ректификационные колонны установок перегонки нефти составляет 1,2…3,5, а в вакуумных колоннах для перегонки мазута — 5…8 % мас. на перегоняемое сырье.

Необходимо указать  на следующие недостатки применения водяного пара в качестве испаряющего  агента:

— увеличение затрат энергии (тепла и холода) на перегонку  и конденсацию;

— повышение нагрузки колонн по парам, что приводит к увеличению диаметра аппаратов и уносу жидкости между тарелками;

— ухудшение условий  регенерации тепла в теплообменниках;

— увеличение сопротивления  и повышение давления в колонне  и др. аппаратах;

— обводнение нефтепродуктов и необходимость их последующей  сушки;

— усиление коррозии нефтеаппаратуры и образование  больших количеств загрязненных сточных вод.

В этой связи в  последние годы в мировой нефтепереработке проявляется тенденция к существенному  ограничению применения водяного пара и к переводу установок на технологию сухой перегонки.

Основное  оборудование ректификационной колонны

Классификация ректификационных колонн и их контактных устройств. Применяемые  в нефте и газопереработке ректификационные колонны подразделяются:

1) по назначению:

— для атмосферной  и вакуумной перегонки нефти  и мазута;

— вторичной перегонки  бензина;

— стабилизации нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов;

— фракционирования нефтезаводских, нефтей и природных газов;

— отгонки растворителей  в процессах очистки масел;

— разделения продуктов  трубчатой печи и каталитических процессов переработки нефтяного  сырья и газов и т. д.;

2) по способу  межступенчатой передачи жидкости:

— с переточными устройствами (с одним, двумя или более);

— без переточных устройств (провального типа);

3) по способу  организации контакта парогазовой  и жидкой фаз:

— тарельчатые;

— насадочные;

— роторные.

По типу применяемых  контактных устройств наибольшее распространение  получили тарельчатые, а также насадочные ректификационные колонны.

В ректификационных колоннах применяются сотни различных  конструкций контактных устройств, существенно различающихся по своим  характеристикам и технико-экономическим  показателям. При этом в эксплуатации находятся, наряду с самыми современными конструкциями, контактные устройства таких типов (например, желобчатые тарелки  и др.), которые, хотя и обеспечивают получение целевых продуктов, но не могут быть рекомендованы для  современных и перспективных  производств. При выборе типа контактного  устройства обычно руководствуются  следующими показателями: производительностью; гидравлическим сопротивлением; коэффициентом  полезного действия; диапазоном рабочих  нагрузок; возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых  или др. отложений; материалоемкостью; простотой конструкции, удобством  изготовления, монтажа и ремонта.

Технология  атмосферной перегонки нефти

Типы промышленных установок.

Технологические установки  перегонки нефти предназначены  для разделения нефти на фракции  и последующей переработки или  использования их как компонентов  товарных нефтепродуктов. Они составляют основу всех нефтеперерабатывающих  заводов. На них вырабатываются практически  все компоненты моторное топливо, смазочные  масла, сырье для вторичных процессов  и для нефтехимических производств. От их работы зависят ассортимент  и качество получаемых компонентов, и технико-экономические показатели последующих процессов переработки  нефтяного сырья. Процессы перегонки  нефти осуществляют на так называемые атмосферных трубчатых (AT) и вакуумных  трубчатых (ВТ) или атмосферно-вакуумных  трубчатых (АВТ) установках.

В зависимости от направления использования фракций установки перегонки нефти принято именовать топливными, масляными или топливно-масляными и соответствующие этому — варианты переработки нефти.

На установках атмосферных  трубчатых осуществляют неглубокую перегонку нефти с получением топливных (бензиновых, керосиновых, дизельных) фракций и мазута. Установки вакуумные  трубчатые предназначены для  перегонки мазута. Получаемые на них  газойлевые, масляные фракции и гудрон используют в качестве сырья процессов последующей (вторичной) переработки их с получением топлив, смазочных масел, кокса, битумов и др. нефтепродуктов. Современные процессы перегонки нефти являются комбинированными с процессами обезвоживания и обессоливания, вторичной перегонки и стабилизации бензиновой фракции: электрообессоливающие установки – атмосферной трубчатки, электрообессоливающие установки - атмосферно-вакуумной трубчатки, электрообессоливающие установки - атмосферно-вакуумной трубчатки - вторичная перегонка и т. д.

Диапазон мощности отечественных установок перегонки  нефти — от 0,5 до 8 млн. т/год. До 1950 г. максимальная мощность наиболее распространенных установок атмосферной трубчатки  и атмосферно-вакуумной трубчатки  составляла 500…600 тыс. т/год. В 1950–1960 гг. проектировались и строились  установки мощностью 1; 1,5; 2 и 3 млн. т/год. В 1967 г. ввели в эксплуатацию высокопроизводительную установку атмосферно-вакуумной  трубчатки мощностью 6 млн. т/год. Преимущества установок большой единичной  мощности очевидны: высокая производительность труда и низкие капитальные и  эксплуатационные затраты по сравнению  с установками малой производительности.

Еще более существенные экономические преимущества достигаются  комбинированием атмосферной трубчатки  и атмосферно-вакуумной трубчатки (или электрообессоливающие установки  – атмосферной трубчатки, электрообессоливающие  установки - атмосферно-вакуумной трубчатки) с другими технологическими процессами, такими как газофракционирование, гидроочистка топливных и газойлевых фракций, каталитический риформинг, каталитический крекинг, очистка масляных фракций и т. д. Надо отметить, что старые установки малой мощности подверглись модернизации с увеличением их мощности в 2…2,5 раза и более по сравнению с проектной.

Поскольку в эксплуатации находятся атмосферные трубчатки  и атмосферно-вакуумные трубчатки  довоенного и последующих поколений, отечественные установки перегонки нефти характеризуются большим разнообразием схем перегонки, широким ассортиментом получаемых фракций. Даже при одинаковой производительности ректификационные колонны имеют разные размеры, неодинаковое число и разные типы тарелок; по разному решены схемы теплообмена, холодного, горячего и циркуляционного орошения, а также вакуумсоздающей системы. В этой связи ниже будут представлены лишь принципиальные технологические схемы отдельных блоков (секций), входящих в состав высокопроизводительных современных типовых установок перегонки нефти.

Блок атмосферной  перегонки нефти установки ЭЛОУ-АВТ-6.

При выборе технологической  схемы и режима атмосферной перегонки  нефти руководствуются главным  образом ее фракционным составом, и пержде всего содержанием в ней газов и бензиновых фракций. Перегонку стабилизированных нефтей постоянного состава с небольшим количеством растворенных газов (до 1,2 % по С4 включительно), относительно невысоким содержанием бензина (12…15 %) и выходом фракций до 350 °С не более 45 % энергетически наиболее выгодно осуществлять на установках (блоках) атмосферной трубчатки по схеме с однократным испарением, т. е. с одной сложной ректификационной колонной с боковыми отпарными секциями.

Установки такого типа широко применяются на зарубежных нефтеперерабатывающих  заводах. Они просты и компактны, благодаря осуществлению совместного  испарения легких и тяжелых фракций  требуют минимальная температура  нагрева нефти для обеспечения  заданной доли отгона, характеризуется  низкими энергетическими затратами  и металлоемкостью. Основные их недостаток — меньшая технологическая гибкость и пониженный (на 2,5…3,0 %) отбор светлых  нефтепродуктов, кроме того, по сравнению  с 2-колонной схемой, они требуют  более качественной подготовки нефти.

Для перегонки легких нефтей с высоким содержанием растворимых газов (1,5… 2,2 %) и бензиновых фракций (до 20…30 %) и фракций до 350 °С (50…60 %) целесообразно применять атмосферную перегонку двухкратного испарения, т. е. установки с предварительной отбензинивающей колонной и сложной ректификационной колонной с боковыми отпарными секциями для разделения частично отбензиненной нефти на топливные фракции и мазут. 2-колонные установки атмосферной перенрнки нефти получили в отечественной нефтепереработке наибольшее распространение. Они обладают достаточной технологической гибкостью, универсальностью и способностью перерабатывать нефти различного фракционного состава, т. к. первая колонна, в которой отбирается 50…60 % бензина от потенциала, выполняет функции стабилизатора, сглаживает колебания в фракционном составе нефти и обеспечивает стабильную работу основной ректификационной колонны.

Применение отбензинивающей колонны позволяет также снизить давление на сырьевом насосе, предохранить частично сложную колонну от коррозии, разгрузить печь от легких фракций, тем самым несколько уменьшить ее требуемую тепловую мощность. Недостатками 2-колонной атмосферной трубчатки является более высокая температура нагрева отбензиненной нефти, необходимость поддержания температуры низа первой колонны горячей струей, на что требуются затраты дополнительной энергии.

Кроме того, установка  оборудована дополнительной аппаратурой: колонной, насосами, конденсаторами-холодильниками и т. д. Блок атмосферной перегонки  нефти высокопроизводительной, наиболее распространенной в нашей стране установки ЭЛОУ-АВТ-6 функционирует  по схеме 2-кратного испарения и 2-кратной  ректификации.

Технология  вакуумной перегонки мазута (установки  ЭЛОУ-АВТ-6)

Основное назначение установки (блока) вакуумной перегонки  мазута топливного профиля — получение  вакуумного газойля широкого фракционного состава (350…500 °С), используемого как  сырье установок каталитического  крекинга, гидрокрекинга или пиролиза и в некоторых случаях —  термического крекинга с получением дистиллятного крекинг-остатка, направляемого далее на коксование с целью получения высококачественных нефтяных коксов. О четкости разделения мазута обычно судят по фракционному составу и цвету вакуумного газойля. Последний показатель косвенно характеризует содержание смолисто-асфальтовых веществ, т. е. коксуемость и содержание металлов. Металлы, особенно никель и ванадий, оказывают отрицательное влияние на активность, селективность и срок службы катализаторов процессов гидроочистки и каталитических процессов газойлей. Поэтому при эксплуатации промышленных установок вакуумной трубчатки исключительно важно уменьшить унос жидкости (гудрона) в концентрационную секцию вакуумной колонны в виде брызг, пены, тумана и т. д. В этой связи вакуумные колонны по топливному варианту имеют при небольшом числе тарелок (или невысоком слое насадки) развитую питательную секцию: отбойники из сеток и промывные тарелки, где организуется рециркуляция затемненного продукта. Для предотвращения попадания металлоорганических соединений в вакуумном газойле иногда в сырье в небольших количествах вводят антипенную присадку типа силоксан. В процессах вакуумной перегонки, помимо проблемы уноса жидкости, усиленное внимание уделяется обеспечению благоприятных условий для максимального отбора целевого продукта без заметного его разложения.

Многолетним опытом эксплуатации промышленных установок  вакуумной трубчатки установлено, что нагрев мазута в печи выше 420…425 °С вызывает интенсивное образование газов разложения, закоксовывание и прогар труб печи, осмоление вакуумного газойля. При этом чем тяжелее нефть, тем более интенсивно идет газообразование и термодеструкция высокомолекулярных соединений сырья. Вследствие этого при нагреве мазута до максимально допустимой температуры уменьшают время его пребывания в печи, устраивая многопоточные змеевики (до 4), применяют печи двустороннего облучения, в змеевик печи подают водяной пар и уменьшают длину трансферного трубопровода (между печью и вакуумной колонной). Для снижения температуры низа колонны организуют рецикл (квенчинг) частично охлажденного гудрона. С целью снижения давления на участке испарения печи концевые змеевики выполняют из труб большего диаметра и уменьшают перепад высоты между вводом мазута в колонну и выходом его из печи. В вакуумных колоннах применяют ограниченное количество тарелок с низким гидравлическим сопротивлением или насадку; используют вакуумсоздающие системы, обеспечивающие достаточно глубокий вакуум. Количество тарелок в отгонной секции также должно быть ограничено, чтобы обеспечить малое время пребывания нагретого гудрона. С этой целью одновременно уменьшают диаметр куба колонн. В процессах вакуумной перегонки мазута по топливному варианту преимущественно используют схему однократного испарения, применяя одну сложную ректификационную колонну с выводом дистилляционных фракций через отпарные колонны или без них. При использовании отпарных колонн по высоте основной вакуумной колонны организуют несколько циркулирующих орошений.