Интенсификация прямой перегонки нефти направлена, прежде всего, на повышение отбора дистиллятных фракций (суммы светлых в блоке AT и вакуумных дистиллятов – на ВТ), а также на обеспечение четкости ректификации, т.е. уменьшение наложения температур конца кипения предыдущей и начала кипения последующей фракции.
Для реализации этих задач в последние годы в ректификационных колоннах все шире используются новые, более эффективные контактные устройства – регулярные насадки, а также нерегулярные разделительные устройства – каскадные мини-кольца. Эти устройства позволяют повысить эффективность разделения сложных углеводородных смесей, пропускную способность действующих тарельчатых колонн, уменьшить их гидравлическое сопротивление (перепад давления) на одну теоретическую ступень разделения, улучшить качество отбираемых погонов. На обычных тарелках пары барботируют через слой жидкости. Насадка же позволяет интенсифицировать тепло- и массообмен за счет непрерывного поверхностного взаимодействия пленки стекающей жидкости и поднимающихся паров, уменьшить унос капель жидкости парами.
Область применения насадок – от вакуумных колонн до колонн, работающих при избыточном давлении 1,2 МПа при разделении газообразных углеводородных смесей.
Рис. 6.10. Принципиальная технологическая схема ЭЛОУ-АВТ:
1 – резервуар с нефтью; 2 – электродегидраторы; 3, 4, 5 – отбензинивающая, атмосферная и вакуумная колонны; 6, 7 – колонны стабилизации и вторичной перегонки; 8 – печь.
I – нефть; II, III – углеводородный газ низкого и высокого давления; IV – сжиженный газ; V – головка бензина (С3–85 °С); VI – бензиновая фракция (85–180 °С); VII – нестабильный бензин; VIII – отбензиненная нефть; IX – тяжёлый компонент бензина (100–180 °С); X – керосин (140–240 °С); XI – дизельное топливо (200–350 °С); XII – мазут; XIII – смесь неконденсируемых газов; XIV – лёгкая газойлевая фракция
(до 300 °С); XV – лёгкий вакуумный газойль (280–360 °С); XVI – вакуумный газойль (350–500 °С); XVII – гудрон (выше 500 °С);
XVIII, XIX, XX – верхнее и промежуточные циркуляционные орошения; XXI – водяной пар; XXII – вода.
Примеры повышения эффективности разделения нефти в атмосферной колонне при использовании насадки, приведены на рис. 6.11.
  |
Рис. 6.11. Кривые разгонки продуктов, полученных в обычной тарельчатой (а) и насадочной (б) колоннах:
I – легкая дизельная фракция; II – тяжелая дизельная фракция; III – мазут.
В колонне, оборудованной клапанными тарелками, измеренное по методу ASTM наложение температур выкипания 95 об. % легкой дизельной (ЛД) и 5 об. % тяжелой дизельной (ТД) фракции (Δ t д5-95) составило 19 °С (табл. 6.1). Общий выход газойлевой (дизельной) фракции – около 20 % на нефть.
Таблица 6.1
Характеристика газойлевых фракций, полученных при работе колонн, оснащенных насадками mellapak
| Показатели | Вариант (а) | Вариант (б) |
| Температура, °С: выкипания 95 об. % ЛД выкипания 5 об. % ТД к.к. ТД | ||
| Наложение, Δ t д5-95, °С | ||
| Температура застывания, °С: ЛД ТД | –5 +20 | –8 +10 |
Переоснащение колонны насадкой mellapak позволяет при неизменном выходе улучшить качество газойлевых фракций при снижении температурного налегания фракций боковых погонов Δ t д5-95 с 19 до 10 °С. Температура застывания легкой и тяжелой дизельной фракции снижается с минус 5 до минус 8 °С и с 20 до 10 °С соответственно (по сравнению с исходным вариантом без насадки). В то же время использование насадки позволяет при неизменном качестве повысить суммарный выход дизельных фракций на 2 % за счет снижения выхода остатка вследствие меньшего давления в сечении отбора фракции. Такое улучшение показателей процесса обусловлено повышением эффективности ректификации и уменьшением уноса легких фракций с остатком.
Переоснащение промывной секции колонны максимально увеличивает ее технологическую гибкость и позволяет улучшить качество и повысить выход продукта.
При использовании насадки mellapak в вакуумной колонне, работающей по топливному варианту с получением широкой фракции тяжелого вакуумного газойля – сырья каталитического крекинга, в значительной степени снижается перепад давления в колонне. Вследствие этого давление в зоне испарения уменьшается с 8,7 кПа (65 мм рт. ст.) до 6,7 кПа (50 мм рт. ст.). Выход легкого газойля, оставшегося в мазуте после атмосферной перегонки нефти, увеличивается с 3 до 4 % (по отношению к питанию колонны).
Кроме того, благодаря насадке улучшается разделение на легкий и тяжелый газойли.
Усовершенствованное устройство промывной секции позволяет уменьшить содержание металлов и коксуемость по Конрадсону в газойле при минимальном расходе промывочной жидкости.
Проведенная на ряде отечественных НПЗ реконструкция с заменой тарелок на новые, более эффективные контактные устройства позволила повысить четкость разделения нефти на фракции, качество отбираемых фракций, т.е. степень подготовки сырья для последующих процессов переработки на НПЗ как топливного, так и масляного профиля.
При использовании насадок увеличивается общая искривленная поверхность стекающей жидкости в тонком слое, в результате чего возрастает эффективность испарения этой жидкости и взаимодействие с парами.
Другим способом интенсификации процесса прямой перегонки нефти является использование принципа регулирования коллоидно-дисперсного состояния сырья и фазовых переходов путем соответствующего воздействия на сырье – нефть и мазут, которые представляют собой не молекулярные растворы, а дисперсные системы. К таким воздействиям относятся оптимальное компаундирование нефтей и нефтяных остатков разной химической природы, введение активирующих добавок, ПАВ, применение ультразвука, магнитного поля и др.
Согласно теоретическим представлениям образование новой фазы в фазовом переходе жидкость – пар на плоской и искривленной поверхности происходит по-разному. Уравнение Кельвина-Томсона связывает парциальное давление над плоской и искривленной поверхностью, в частности, с радиусом капли (r), характеризующим степень кривизны (чем меньше r, тем больше кривизна поверхности):
, (6.13)
где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль×К);
Т – абсолютная температура, К;
r – радиус капли, м;
– парциальный молярный объем, м3/моль;
σ – поверхностное натяжение, Н/м;
рr и р 0 – парциальное давление паров над каплей радиусом r и плоской поверхностью соответственно.
Согласно этому уравнению, чем меньше радиус капли, тем выше давление паров над ней (по сравнению с плоской поверхностью), и тем легче происходит испарение.
При нагреве жидкости образование новой фазы в виде пузырьков пара происходит как в объеме жидкости, так и на поверхности нагревателя. На величину диаметра пузырьков пара, отрывающихся от поверхности нагревателя, влияет состав смеси, который, в свою очередь, воздействует на распределение компонентов между сосуществующими фазами и поверхностным слоем.
На базе исследований атмосферно-вакуумной перегонки было установлено, что смешение нефтей разного основания (парафинистой и ароматизованной смолистой) в оптимальном соотношении позволяет повысить степень дисперсности системы (по сравнению с исходными компонентами) и при этом обеспечить повышение отбора светлых фракций, по сравнению с расчетным отбором по правилу аддитивности. Так, для оптимальной смеси ухтинской и западносибирской нефтей в соотношении
30: 70 выход фракций до 350 °С при атмосферной перегонке выше расчетного на 3–3,5 %, а в соотношении 50: 50 – напротив, ниже расчетного на 2–2,5 %. То же относится и к вакуумной перегонке остатков выше 350 °С, полученных из указанных нефтей. Увеличение выхода паровой фазы в активированном сырье (при оптимальном соотношении компонентов) происходит за счет снижения работы образования пузырьков пара вследствие уменьшения межфазного поверхностного натяжения. По тем же причинам должна снизиться энергия активации молекул для преодоления граничного потенциального барьера. Было предложено оценивать энергию межмолекулярного взаимодействия в граничном слоем по энтальпии фазового перехода (Δ H ф.н..), рассчитанной по результатам термогравиметрических исследований.
Известно, что в последние годы в совместную переработку с нефтью вовлекают газоконденсаты. Создание устойчивых к расслоению нефтяных и нефтегазоконденсатных смесей благоприятно влияет не только на их перекачку и хранение, но и на перегонку.
Таким образом, смешением компонентов, различающихся химическим и фракционным составом, а также физико-химическими свойствами, можно изменить баланс сил межмолекулярного взаимодействия, диспергировать систему, что является необходимым условием облегчения процесса образования новой паровой фазы.
Интенсифицировать прямую перегонку нефти можно и путем введения в сырье активирующих добавок – концентратов ароматических углеводородов, отходов химической и нефтехимической промышленности, присадок, деэмульгаторов. Все эти добавки обладают поверхностно-активными свойствами. Наибольшей активностью, в качестве добавок к сырью перегонки (нефти, мазуту), обладают деэмульгаторы, используемые в процессе обезвоживания и обессоливания нефти. Эти добавки уже при малых концентрациях, сопоставимых с их концентрацией на ЭЛОУ, повышают кинетическую устойчивость (фактор устойчивости Фа повышается) нефтяной системы и отбор дистиллятных фракций, а также изменяют соотношение их выходов в зависимости от концентрации добавки (табл. 6.2).
Таблица 6.2
Фактор устойчивости сырья Фа и выход продуктов перегонки западносибирской нефти в присутствии деэмульгатора «прогалит»
| Концентрация деэмульгатора «прогалит», мас. % | Фа | Выход фракций мас. % | |||||
| до 180 °С | 180–240 °С | 240–350 °С | сумма до 350 °С | 350–500 °С | свыше 500 °C | ||
| 0,85 | 17,1 | 11,9 | 13,5 | 42,5 | 25,1 | 32,4 | |
| 5·10–4 | 0,88 | 17,2 | 11,0 | 16,6 | 44,8 | 22,3 | 32,9 |
| 5·10–3 | 0,96 | 17,1 | 11,7 | 17,4 | 46,2 | 21,4 | 32,4 |
| 5·10–2 | 0,93 | 17,3 | 11,6 | 14,8 | 43,7 | 24,2 | 32,1 |
При всех исследованных концентрациях деэмульгатора «прогалит» выход светлых фракций повышается. Максимальный прирост суммы светлых (на 3,7 мас. %) обеспечивает концентрация деэмульгатора 5×10–3 мас. %, которая создает максимальную устойчивость к расслоению системы, т.е. высокую степень дисперсности.
Механизм действия добавок заключается в снижении межфазного натяжения на границе раздела жидкость – пар. Это вызывает диффузионные процессы перераспределения молекул между ядром сложных структурных единиц, сольватным слоем и дисперсионной средой. По-видимому, при этом происходит перераспределение углеводородов между сосуществующими фазами и изменение выхода и качества дистиллятных фракций в процессе перегонки сырья, активированного добавкой.
Действие базовой добавки может быть усилено введением другого ПАВ (подобные явления называют синергизмом), а также использованием таких факторов, как воздействие ультразвуком, магнитными и электрическими полями либо их сочетанием.
Таким образом, углубление вакуума, совершенствование конструкции контактных устройств, введение в сырье поверхностно-активных веществ, создание оптимального соотношения компонентов в сырьевой смеси и другие способы регулирования фазовых переходов являются перспективными направлениями интенсификации процесса прямой перегонки нефти.