Введение
Нефтеперерабатывающая промышленность - отрасль тяжёлой промышленности, охватывающая переработку нефти и газовых конденсатов и производство высококачественных товарных нефтепродуктов: моторных и энергетических топлив, смазочных масел, битумов, нефтяного кокса, парафинов, растворителей, элементной серы, термогазойля, нефтехимического сырья и товаров народного потребления.
Промышленная переработка нефти и газовых конденсатов на современных нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) осуществляется путём сложной многоступенчатой физической и химической переработки на отдельных или комбинированных крупнотоннажных технологических процессов (установках, цехах) предназначенных для получения различных компонентов или ассортиментов товарных нефтепродуктов.
Для получения этих нефтепродуктов, нефть сначала подвергают подготовке, то есть очистке от нежелательных примесей, а затем направляют на первичную переработку. Первичная перегонка нефти является первой стадией изучения ее химического состава. В технологии нефтепереработки к первичной перегонке относят процессы атмосферной перегонки нефти и вакуумной перегонки мазута. Их назначение состоит в разделении нефти на фракции: бензиновые, керосиновые, дизельные, газойлевые, масляные фракции и гудрон.
Простая перегонка осуществляется постепенным, однократным или многократным испарением.
Из процессов сложной перегонки различают перегонку с дефлегмацией и перегонку с ректификацией.
Перегонка с ректификацией - наиболее распространенный в химической и нефтегазовой технологии массообменный процесс, осуществляемый в аппаратах - ректификационных колоннах - путем многократного противоточного контактирования паров и жидкости.
После первичной перегонки широкие фракции направляют на вторичную переработку для получения более узких фракций.
Вторичная перегонка широких фракций осуществляется на установке «Ректификация». Данная установка разделена на два блока: блок «Ректификации катализата» и блок «Ректификации продуктов мягкого гидрокрекинга (МГК)» с возможностью переработки продуктов установки «Юникрекинг» на этом блоке.
Максимальная проектная производительность по сырью блока ректификации катализата составляет 120 тонн сырья в час. Возможен вариант по производительности на 80 тонн сырья в час.
Блок ректификации катализата предназначен для выделения из катализатабензолсодержащей фракции 70-100 0С, получения целевой фракции
100-200 0С, и фракции НК-70 0С, которая идет на установку АВТ-6 для выделения из неё изопентана.
Максимальная проектная производительность по сырью на блоке ректификации продуктов МГК составляет до 70 тонн в час, достигнутая производительность - до 95 тонн в час.
Теоретические основы процесса
В некоторых случаях фракции, полученные при первичной перегонке, требуется разделить на более узкие погоны, каждый из которых затем используется по своему назначению. Блоки или самостоятельные установки вторичной перегонки бензина построены почти на всех НПЗ.
Вторичная перегонка бензинового дистиллята, представляет собой либо самостоятельный процесс, либо является частью комбинированной установки, входящей в состав нефтеперерабатывающего завода. На современных заводах установки вторичной перегонки бензинового дистиллята предназначены для получения из него узких фракций.
Во фракциях легкого и тяжелого бензинов, отбираемых с верха соответственно отбензинивающей и атмосферных колонн, содержатся растворенные углеводородные газы (С1-С4). Поэтому прямогонные бензины должны подвергаться вначале стабилизации с выделением сухого (С1-С2) и сжиженного (С2-С4) газов и последующим их рациональным использованием.
Прямогонные бензины после предварительной стабилизации не могут быть использованы непосредственно как автомобильные бензины ввиду их низкой детонационной стойкости. Для регулирования пусковых свойств и упругости паров товарных автобензинов обычно используется только головная фракция бензина, которая обладает к тому же достаточно высокой детонационной стойкостью.
Для последующей переработки стабилизированные бензины подвергаются вторичной перегонке на фракции, направляемые как сырье процессов каталитического риформинга с целью получения высокооктанового компонента автобензинов или индивидуальных ароматических углеводородов - бензола, толуола и ксилолов.
Основным процессом вторичной перегонки является ректификация.
Процесс ректификации предназначен для разделения жидких неоднородных смесей на практически чистые компоненты или фракции, которые различаются по температуре кипения. Физическая сущность ректификации, протекающей в процессе перегонки нефти, заключается в двухстороннем массо- и теплообмене между потоками пара и жидкости при высокой тербулизации контактирующих фаз. В результате массообмена отделяющиеся от горячей жидкости пары обогащаются низкокипящими, а жидкость - высококипящими компонентами. При определенном числе контактов между парами и жидкостью можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, и жидкость - из высококипящих компонентов. Ректификация, как и всякий диффузионный процесс, осуществляется в противотоке пара и жидкости. При ректификации паров жидкое орошение создается путем конденсации парового потока вверху колонны, а паровое орошение при ректификации жидкости - путем испарения части ее внизу колонны.
Процесс ректификации может осуществляться в периодическом или непрерывном режиме при различном давлении: в вакууме (для разделения смесей высококипящих веществ), при атмосферном давлении или давлении выше атмосферного.
Конструкция аппаратов, предназначенных для ректификации, зависит от способа организации процесса в целом и способа контакта фаз. Наиболее простая конструкция ректификационных аппаратов при движении жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести.
На установке первичной перегонки нефти основным аппаратом процесса ректификации является ректификационная колонна - вертикальный аппарат цилиндрической формы. Внутри колонны расположены тарелки - одна над другой. На поверхности тарелок происходит контакт жидкой и паровой фаз. При этом наиболее легкие компоненты жидкого орошения испаряются и вместе с парами устремляются вверх, а наиболее тяжелые компоненты паровой фазы, конденсируясь, остаются в жидкости. В результате в ректификационной колонне непрерывно идут процессы конденсации и испарения.
При ступенчатом осуществлении процесса ректификации контакт пара и жидкости может происходить в противотоке, в перекрестном токе и прямотоке. Если ректификация идет непрерывно во всем объеме колонны, то контакт пара и жидкости при движении обеих фаз может происходить только в противотоке.
По способу контакта между паром (газом) и жидкостью все ректификационные аппараты на установках первичной перегонки нефти характеризуются непрерывной подачей обеих фаз.
На большей части действующих установок ректификация протекает нечетко. Получаемые компоненты светлых и масляных дистиллятов не соответствует требуемому фракционному составу, наблюдается налегание фракций, часть наиболее тяжелых фракций светлых нефтепродуктов - дизельного топлива - проваливается вниз колонны, в мазут.
Современные ректификационные аппараты подразделяются:
по числу получаемых в них дистиллятов - на простые и сложные колонны. Простые колонны (без вывода боковых погонов) - это колонны стабилизации, вторичной перегонки бензина или дизельного топлива. Сложные колонны - это основные колонны, установки - атмосферная и вакуумная;
по типу внутренних контактных устройств - на насадочные и тарельчатые. В первых контакт и массообмен пара и жидкости происходят в пленочном режиме на развитой поверхности специальной насадки (обычно это вакуумные колонны), а во вторых - путем барботажа пара через слой жидкости на специальных тарелках;
по уровню давления в колоннах - на атмосферные, вакуумные и с высоким избыточным давлением. К атмосферным относятся колонны, где абсолютное давление не превышает 200-250 кПа (атмосферные колонны перегонки нефти).
На конструкцию ректификационной колонны оказывают влияние технологические особенности: система подачи сырья, отвод боковых жидких погонов, подача орошений, пара и др.
Контактными называются внутренние устройства колонны, на которых происходит контакт паровой и жидкой фаз, в результате которого реализуется процесс тепло- и массообмена и в итоге процесс ректификационного разделения сложной смеси.
В зависимости от способа организации этого контакта устройства делятся на две большие группы - насадки и тарелки.
Насадки представляют собой ячейки (элементы), заполняющие объем колонны на определенном высоте и имеющие развитую внешнюю поверхность в единице объема колонны (100-800 м2/м3). За счет такой развитой поверхности создается соответствующая поверхность пленки, стекающей по насадке жидкости, и интенсифицируются в единице объема колонны тепло- и массообмен.
Тарелки представляют собой такой тип контактного устройства, на котором контакт (и соответственно тепло- и массообмен) пара и жидкости осуществляется в барботажном струйном или вихревом режиме. Эти режимы контакта определяются конструктивным устройством тарелки. В отличие от насадок, где контакт пара и пленки жидкости непрерывен вдоль всей высоты слоя насадки (противотоком), в тарельчатой колоне этот контакт дискретно осуществляется на каждой тарелке, после его обе фазы разделяются и вступают в новый контакт на смежных тарелках - пар на вышележащей, а жидкость - на нижележащей.
Для всех рассмотренных типов тарелок факторами, определяющими область их применения и эффективность работы, являются:
гидравлическое сопротивление;
равномерность и интенсивность барботажа по площади тарелки;
диапазон нагрузок по пару и жидкости, в котором тарелка работает нормально (без провала жидкости и интенсивного уноса капель);
средний к.п.д. тарелки.
В процессе перегонки нефтепродуктов, в особенности бензиновой и керосиновой фракций, по сравнению с другими тарелками наиболее выгодно применять колонны с колпачковыми тарелками.
Для стабилизации и вторичной перегонки прямогонных бензинов с получением сырья каталитического риформинга топливного направления применяют в основном двухколонные схемы, включающие колонну стабилизации и колонну вторичной перегонки бензина.