2. Отчёт. 1 История создания ректификационной колонны 3 2 Промышленное применение ректификационной колонны 5
 Скачать 1.05 Mb.
|
|
Содержание Введение 2 1 История создания ректификационной колонны 3 2 Промышленное применение ректификационной колонны 5 3 Принцип работы ректификационной колонны 6 4 Устройство ректификационных колонн 10 5 Типы контактных устройств ректификационных колонн 14 6 Классификация ректификационных колонн 18 7 Характеристики ректификационных колонн различных установок НПЗ 22 Заключение 23 Список использованных источников 24 ВведениеРектификационная колонна — вертикальный цилиндр, внутри которого расположены специальные перегородки (тарелки или насадки). Пары нагретой нефти подаются в колонну и поднимаются вверх. Чем более легкие фракции испаряются, тем выше они поднимутся в колонне. Каждую тарелку, расположенную на определенной высоте, можно рассматривать как своего рода фильтр — в прошедших ее парах остается все меньшее количество тяжелых углеводородов. Часть паров, конденсировавшихся на определенной тарелке или не достигнув ее, стекает вниз. Эта жидкость, носящая название флегмы, встречается с поднимающимся паром, происходит теплообмен, в результате которого низкокипящие составляющие флегмы снова превращаются в пар и поднимаются вверх, а высококипящие составляющие пара конденсируются и стекают вниз с оставшейся флегмой. Таким образом удается достичь более точного разделения фракций. Чем выше ректификационная колонна и чем больше в ней тарелок, тем более узкие фракции можно получить. На современных НПЗ высота колонн превышает 50 м [7]. Целью практики является получение теоретических знаний по направлению подготовки. Задачи: Изучить историю создания ректификационной колонны. Изучить промышленное применение ректификационной колонны. Выяснить принцип работы ректификационной колонны. Изучить устройство ректификационной колонны. Выяснить типы контактных устройств ректификационных колонн. Изучить классификацию ректификационных колонн. Изучить характеристики ректификационных колонн различных установок НПЗ. 1История создания ректификационной колонны Дистилляция, или перегонка, — процесс разделения жидкостей путем их испарения и последующей конденсации. Считается, что впервые этот процесс освоили в Древнем Египте, где он применялся при получении из кедровой смолы масла для бальзамирования тел умерших. Позднее смолокурением для получения кедрового масла занимались и римляне. Для этого горшок со смолой ставили на огонь и накрывали шерстяной материей, на которой собиралось масло [7]. Рисунок 1 - Аламбики были первыми аппаратами для дистиляции Аристотель описал процесс дистилляции в своей работе «Метеорология», а также упоминал вино, пары которого могу вспыхнуть — косвенно подтверждение того, что его предварительно могли подвергнуть перегонке, чтобы повысить крепость. Из других источников известно, что вино перегоняли в III веке до н. э. в Древнем Риме, правда, не для получения бренди, а для изготовления краски [7]. Следующие упоминания дистилляции относятся к I веку н. э. и связаны с работами александрийских алхимиков. Позднее этот метод у греков переняли арабы, которые активно использовали его в своих опытах. Также достоверно известно, что дистилляцией алкоголя в XII веке занимались в Салернской врачебной школе. В те времена, впрочем, дистилляты спирта употреблялись не как напиток, а в качестве лекарства. В XIII веке флорентийский медик Тадео Альдеротти впервые осуществил фракционирование (разделение) смеси жидкостей. Первая книга, целиком и полностью посвященная вопросам дистилляции, была опубликована в 1500 году немецким врачом Иеронимом Бруншвигом [7]. Долгое время для перегонки применялись достаточно простые устройства - аламбик (медный сосуд с трубкой для отвода пара) и реторта (стеклянная колба с узким и длинным наклонным носиком). Техника стала совершенствоваться в XV веке. Однако предшественники современных ректификационных колонн для перегонки нефти, в которых происходит теплообмен между противонаправленными потоками жидкости и пара, появились лишь в середине XIX века. Они позволили получать спирт крепостью 96% с высокой степенью очистки [7]. Результатом всех исследований и разработок стало изобретение первой ректификационной колонны непрерывного действия французскими инженерами Адамом, Бераром и Перье, получившие на нее патент в 1813 году. Она до сих пор соответствует современным ректификационным колоннам [2]. 2Промышленное применение ректификационной колонныРектификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию во всем мире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты). Ректификация — это процесс многократного испарения и конденсации, в ходе которого исходная смесь разделяется на 2 или более компонентов, и паровая фаза насыщается легколетучим (низкокипящим) компонентом (-тами), а жидкая часть смеси насыщается тяжелолетучим (высококипящим) компонентом (-тами) [8]. Ректификацию широко применяют в промышленности, например, для получения этанола с отделением сивушных масел и альдегидных фракций, для выделения бензинов, керосинов и других фракций из нефти, а также получения компонентов воздуха (кислорода, азота, инертных газов) [9].  Рисунок 2 - Ректификационные колонны 3Принцип работы ректификационной колонныКонструкция ректификационной колонны представляет собой вертикальную емкость цилиндрической формы различного или постоянного сечения, которая используется для физического разделения смеси углеводородов и получения требуемых нефтепродуктов заданного качества в результате ректификации [12]. В колонне пары перемещаются вверх от тарелки к тарелке за счет разности давлений в эвапорационном пространстве и вверху колонны. Жидкость стекает вниз по тарелкам и сливным устройствам под действием силы тяжести [12]. Ректификационную колонну можно разделить на 3 функциональные части: - Концентрационная секция. - Секция питания. - Отгонная секция. Для возможности протекания процесса ректификации температура нефти должна быть ниже температуры подаваемого пара. Данное следствие исходит из свойств равновесной системы. Если температура нефти была бы равна или ниже температуры пара процесс ректификации был бы невозможен [12]. Процесс ректификации может проводиться только для смесей с различными температурами кипения для возможности осуществления диффузионного процесса разделения. Для этого жидкость двигается сверху вниз, а пар – снизу вверх, чтобы обеспечить наилучший контакт и взаимодействие фаз [12]. Питательная секция  Место ввода в ректификационную колонну нагретого перегоняемого сырья называют питательной секцией, где осуществляется однократное испарение [13]. Рисунок 3 - Питательная секция Концентрационная и отгонная секции Часть колонны, находящаяся выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода — отгонной. В обеих частях колонны протекает один и тот же процесс ректификации. Поскольку для ректификации необходимо два потока, состоящих из одних и тех же компонентов, но разного состава, из верхней части отводят тепло, а в нижней части подводят тепло. В результате при конденсации паров наверху колонны образуется поток жидкости, а в отгонной части колонны образуется восходящий поток паров [13].   Рисунок 4 - Концентрационная секцияРисунок 5 - Отгонная секция 4Устройство ректификационных колоннРектификация простых и сложных смесей осуществляется в колоннах периодического или непрерывного действия. Колонны периодического действия  Колонны периодического действия применяют на установках малой производительности при необходимости отбора большого числа фракций и высокой четкости разделения. Сырье поступает в перегонный куб 1 на высоту около 2/3 его диаметра, где происходит подогрев глухим паром. В первый период работы ректификационной установки отбирают наиболее летучий компонент смеси, например бензольную головку, затем, повышая температуру перегонки, компоненты с более высокой температурой кипения (бензол, толуол и т.д.). Наиболее высококипящие компоненты смеси остаются в кубе, образовывая кубовый остаток. По окончанию процесса ректификации этот остаток охлаждают и откачивают. Куб вновь заполняется сырьем и ректификацию возобновляют. Периодичностью процесса обусловлены больший расход тепла и меньшая производительность установки [4].Рисунок 6 - Схемы прерывной и периодической ректификационной установки Колонны непрерывного действия Установка непрерывного действия лишена многих указанных недостатков. Принципиальная схема такой установки показана на рисунке выше. Сырье через теплообменник 1 поступает в подогреватель 2 и далее на разные уровни ректификационной колонны 3. Нижние фракции разогревают в кипятильнике 4 и сбрасывают обратно в ректификационную колонну. При этом самая тяжелая часть выводится из кипятильника в низ колонны и вместе с жидким осадком на дальнейшую переработку тяжелых фракций. А легкие фракции сверху в конденсатор-холодильник 5, и далее из аккумулятора 6 частично назад в колонну для орошения, а частично — в дальнейшую переработку легких фракций [4]. Простые и сложные ректификационные колонны Простые ректификационные колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят), выводимый с верха колонны в парообразном состоянии, и остаток — нижний жидкий продукт ректификации. Сложные ректификационные колонны разделяют исходную смесь более чем на два продукта. Различают сложные колонны с отбором дополнительных фракций непосредственно из колонны в виде боковых погонов и колонны, у которых дополнительные продукты отбирают из специальных отпарных колонн, именуемых стриппингами. Последний тип колонн нашел широкое применение на установках первичной перегонки нефти [5].  Рисунок 7 5Типы контактных устройств ректификационных колоннДля осуществления процесса ректификации в колонных аппаратах обязательно используют контактные устройства: - Насадочные. - Тарельчатые. - Роторные. Роторные колонны не получили большого распространения, к тому время как тарельчатые и насадочные имеют большую популярность [10]. Насадочные ректификационные колонны Насадочные ректификационные колонны менее эффективны, по сравнению с тарельчатыми. При равенстве рабочих объёмов колонн, площадь поверхности контакта фаз в насадочной колонне будет меньше, чем в тарельчатой. Кроме того, неравномерность стекания жидкости по насадке ограничивает диаметр насадочных колонн (диаметр насадочных колонн не превышает 2,8 м, диаметр тарельчатых колонн достигает 4 м). Всё это существенно ограничивает использование насадочных колонн в ректификации. Однако при небольших производительностях насадочные колонны востребованы из-за своей простоты изготовления и низкой стоимости [1]. На рисунке изображена ректификационная установка с насадочной колонной. Принцип работы этой установки аналогичен принципу работы установки с тарельчатой колонной. Отличие заключается в том, что создание поверхности контакта фаз происходит не за счёт барботажа пара через жидкость на тарелках, а за счёт плёночного течения жидкости по насадке [1].  1 – сегменты насадки, 2 – тарелка питания, 3 – перераспределительная тарелка, 4 – люки для загрузки насадки, 5 – люки выгрузки насадки, 6 –кипятильник, 7 – дефлегматор, 8 – флегмоделитель Жидкая фаза, образованная флегмой в верхней части колонны, и совместно исходной смесью и флегмой в нижней части колонны, стекает по насадке, взаимодействуя с движущейся противотоком паровой фазой. Для увеличения равномерности орошения насадки, она разбита на слои, каждый из которых опирается на свою опорную решётку, что также предотвращает разрушение хрупких элементов насадки под её весом. Между слоями насадки установлены перераспределительные тарелки, обеспечивающие равномерность орошения сегментов насадки. Для доступа к насадке каждый её слой снабжён загрузочным и разгрузочным люком [1]. Тарельчатые колонны Тарельчатыми называют колонные аппараты, у которых внутренними устройствами в рабочей зоне являются тарелки [15]. Тарелки – это барботажное устройство, в котором при работе происходит массообменный процесс, т.е. переход компонента из одной фазы в другую в результате непосредственного контакта между рабочими средами [15]. В химической и нефтеперерабатывающей промышленности применяют тарельчатые колонны различных размеров: от небольших диаметром 300 ÷ 400 мм до крупнотоннажных высокопроизводительных установок с колоннами диаметром 5 ÷ 12 м. Высота колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними. Обычно расстояния между тарелками принимают 250 ÷ 300 мм. По соображениям конструктивного порядка и возможности ремонта и очистки тарелок в колоннах большого диаметра расстояние между ними увеличивают до 500 ÷ 600 мм [15].  Общий вид тарельчатой ректификационной колонны представлен на рисунке. Она состоит из корпуса 3, переливных патрубков 1, кольцевой опоры 4, опорных колец 6, тарелок 2 и выносного кипятильника 5 и имеет ряд штуцеров для подачи продуктов и установки приборов [15]. Роторные колонны Роторные ректификационные колонны представляют собой аппараты, в которых разделение представляют собой аппараты, в которых разделение реагирующих между собой потоков пара и жидкости с образованием поверхности межфазового контакта осуществляются при воздействии на эти потоки вращающегося устройства (ротора) [15]. По способу создания поверхности межфазового контакта РРК подразделяются на две группы: РРК распылительного типа и пленочные [15]. В РРК распылительного типа вращающийся ротор распределяет в объеме колонны или ее отдельной ступени жидкость в виде струй и капель, что приводит к образованию развитой поверхности межфазового контакта. Под действием вращательного движения степень турбулизации паровой фазы повышается, что интенсифицирует протекание в ней процесса массообмена [15]. В пленочных РРК жидкая фаза с помощью ротора распределяется по твердой поверхности, образуя пленку. Ротор служит не только для распределения жидкой фазы, но и для активной турбулизации паровой фазы. В некоторых конструкциях пленочных РРК турбулизирующее воздействие ротора передается также и на жидкую фазу. Для колонн обоих типов характерны низкое гидравлическое сопротивление и высокие коэффициенты массопередачи [15]. 6Классификация ректификационных колоннКолонные аппараты можно разделить в зависимости от технологического процесса: - Атмосферная и вакуумная перегонка (нефти и мазута); - Вторичная перегонка бензина; - Стабилизация нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов; - Фракционирование нефтезаводских, нефтяных и природных газов; - Отгонка растворителей при процессах очистки масел; - Разделение продуктов термических и каталитических процессов переработки нефтяного сырья и газов и т. д. [3] Атмосферная и вакуумная перегонка Атмосферная перегонка обеспечивает отбор светлых нефтяных фракций - бензиновой, керосиновой и дизельных, выкипающих при температуре до 360°С, выход которых может составлять 45-60% на нефть [6]. Нагретая в печи нефть разделяются на отдельные фракции в ректификационной колонне - цилиндрическом вертикальном аппарате, внутри которого расположены контактные устройства (тарелки), через которые пары движутся вверх, а жидкость – вниз [6]. Различные по размеру и конфигурации ректификационные колонны используются на всех установках нефтеперерабатывающего производства, количество тарелок в них меняется в интервале 20 – 60 [6]. Тепло подводится в нижнюю часть колонны и отводится с верхней части колонны, поэтому температура в колонне постепенно снижается от низа к верху [6]. В результате сверху колонны отводится бензиновая фракция в виде паров, пары керосиновой и дизельных фракций конденсируются в соответствующих частях колонны и выводятся, а жидкий мазут - остаток атмосферной перегонки, откачивается с низа колонны [6]. Вакуумная перегонка обеспечивает отбор масляных дистиллятов или широкой масляной фракции (вакуумного газойля) от мазута [6]. На НПЗ топливно-масляного профиля - отбор масляных дистиллятов, на НПЗ топливного профиля - вакуумного газойля [6]. Термическое разложение углеводородов (крекинг) начинается при температуре более 380 °С, а конец кипения вакуумного газойля - при 520 °С и более [6]. Перегонка при близком к вакууму остаточном давлении 40-60 мм рт. ст. позволяет снизить максимальную температуру в аппарате до 360-380 °С, что позволяет отбирать масляные фракции [6]. Паровые или жидкостные эжекторы - основное оборудование для создания разряжения в колонне [6]. Остаток вакуумной перегонки - гудрон [6]. Стабилизация и вторичная перегонка бензина Стабильный бензин в колоннах подвергается вторичной перегонке с получением узких фракций, используемых в качестве сырья для каталитического риформинга [6]. Тепло к низу стабилизатора и колонн вторичной перегонки подводится циркулирующими флегмами, нагреваемыми в печи [6]. Мазут из основной колонны в атмосферной секции насосом подается в вакуумную печь, откуда с температурой 420 оС направляется в вакуумную колонну [6]. В нижнюю часть этой вакуумной колонны подается перегретый водяной пар [6]. С верха колонны водяной пар вместе с газообразными продуктами разложения поступает в поверхностные конденсаторы, откуда газы разложения отсасываются 3-ступенчатыми пароэжекторными вакуумными насосами [6]. Остаточное давление в колонне 50 мм рт cт [6]. Стабилизация нефти - это технологический процесс удаления (отгонки) из нефти остаточного количества углеродных газов и легких жидких фракций после первичной дегазации в целях снижения потерь ценных углеводородов при транспортировке, хранении и для обеспечения постоянного давления паров нефти при ее подаче на перегонные аппараты [14]. Фракционирование нефтезаводских, нефтяных и природных газов Прямое фракционирование приводит к образованию ряда дистиллятов с обычными пределами кипения, независимо от места ее добычи, хотя относительный выход тех или иных нефтепродуктов зависит от конкретного вида нефти. Эти нефтепродукты можно использовать для различных целей, в том числе для химической конверсии и газификации или подвергнуть дальнейшей обработке. Так, при отделении большинства легко-испаряющихся фракций (точка кипения ниже 35°С) при атмосферном давлении получают сжиженный нефтяной газ следующая, более тяжелая фракция (точка кипения 35—200°С) является основой производства бензина, однако и ее можно разделить на два вида лигроина, используемого в качестве сырья в химической промышленности и газификации. Керосин для авиационных турбин и бытовых фитильных горелок кипит при 150—З 0С температура кипения газойля для быстроходных дизелей и бытовых отопительных систем изменяется в диапазоне 175—З00 0С. Любой продукт с более высокой точкой кипения после перегонки используется в качестве топлива для тихоходных судовых дизелей и горелок с распылением и как основа смазочных масел, а без перегонки — как остаточное топливо для промышленных целей и выработки энергии [17]. Разделение продуктов термических и каталитических процессов переработки нефтяного сырья и газов В химических процессах переработка нефтяного сырья осуществляется путем химических превращений с получением новых продуктов, не содержащихся в исходном сырье. Химические процессы, применяемые на современных НПЗ, по способу активации химических реакций подразделяются на: - термические; - каталитические [16]. Термические процессы по типу протекающих химических реакций можно подразделить на следующие типы: - термодеструктивные (термический крекинг, висбрекинг, коксование, пиролиз, пекование, производство технического углерода и др.); - термоокислительные (производство битума, газификация кокса, углей и др.) [16]. В термодеструктивных процессах протекают преимущественно реакции распада (крекинга) молекул сырья на низкомолекулярные, а также реакции конденсации с образованием высокомолекулярных продуктов, например кокса, пека и др [16]. Каталитические процессы по типу катализа можно классифицировать на следующие типы: - гетеролитические, протекающие по механизму кислотного катализа (каталитический крекинг, алкилирование, полимеризация, производство эфиров и др.); - гемолитические, протекающие по механизму окислительно-восстановительного (электронного) катализа (производства водорода и синтез газов, метанола, элементной серы); - гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа (гидроочистка, гидрообессеривание гидрокрекинг, каталитический риформинг, изомеризация, гидродеароматизация, селективная гидродепарафинизация и др.) [16]. 7Характеристики ректификационных колонн различных установок НПЗВ таблице представлены некоторые характеристики ректификационных колонн различных установок нефтеперерабатывающих заводов.
ЗаключениеСовременное общество не смыслит себя без продуктов нефтехимии, которые в том или ином виде прочно вошли в жизнь каждого человека. С помощью ректификация стало возможным получение таких необходимые в современном мире веществ, как нефтяные газы (отопление, приготовление пищи, производство пластмасс), бензин, керосин, дизельный дистиллят, мазут, смазочные масла, остатки продуктов нефтепереработки (кокс, асфальт, гудрон, парафин) и т.д. Ректификационные колоны прошли сложную эволюцию начиная с XIX в. Простейшие из них используются в домашних условия (самогонные аппараты), в современной промышленности наиболее часто применяются сложные установки ректификационных колонн, комбинирующих разные виды колонн и разные типы их подключения. Это позволяет корректировать технологический процесс для разных условий переработки нефти и получения необходимых дистиллятов. Для успешного функционирования ректификационной колонны необходимо проводить ее диагностику и своевременный ремонт полностью или частично, потому что от их работы зависят ассортимент и качество получаемых компонентов и технико-экономические показатели последующих процессов переработки нефтяного сырья. Список использованных источниковБагатуров С.А. Общие сведения о перегонке и ректификации нефти, 1954, с. 100 В. М. Олевский, В. Р. Ручинский Ректификация термически нестойких продуктов: Химия, 1972, с. 200 Дмитриев Е. А., Р. Б. Комляшев, Моргунова Е. П., А. М. Трушин, А. В. Вешняков, Л. С. Сальникова Аппаратура процессов разделения гомогенных и гетерогенных систем, 2016, с. 13 Дьячкова. С. Г., Григорьева А. А. Теоретические основы химической технологии топлива и углеродных материалов, 2011, с. 19 -20 Жукова Р. М. Методическое пособие по изучению темы: Первичная переработка нефти и газа. Аппаратурное и технологическое оформление процессов первичной переработки нефти и газа, 2016, с. 10 История ректификации - [Электронный ресурс]. – режим доступа: https://www.doctorguber.ru/book/samogonovarenie/tehnologiya-proizvodstva/article-express-kurs-rectificazii/#istoriya-rektifikacii Л. Н. Багдасарова Основные технологические процессы топливного производства, 2017, с. 65 М. О. Писарев, И. М. Долганов Стабилизация нефти, 2018, с. 20 Первичные процессы переработки нефти на НПЗ, ее фракционный состав и устройство ректификационных колонн – [Электронный ресурс]. – режим доступа: https://www.gazprom-neft.ru/press-center/sibneft-online/archive/2016-may-projects/1113436/ Плотникова И. Н., Успенский Б. В., Кемалов. В. Ф. Ректификация и фракционирование нефтяных смесей, 2013, с. 17 - 22 Ректификационная колонна - [Электронный ресурс]. – режим доступа: https://ru.wikipedia.org Ректификация - [Электронный ресурс]. – режим доступа: https://ru.wikipedia.org С. А. Ахметов Физико-химическая технология глубокой переработки нефти и газа: Классификация ректификационных колонн, 1997, с. 174 Словарь - [Электронный ресурс]. – режим доступа: http://www.neftelib.ru/neft-slovar-list/n/266/index.shtml Трегубов А. М. Ректификация нефти в колонне, 1997, с. 10 У. Л. Лом, А. Ф. Уильямс: Заменители природного газа производство и свойства: Фракционирование сырой нефти, 1979, с. 73 Щекотов В.А. Техническое оборудование отрасли 2 часть: тарельчатые ректификационные колонны, 2019, с. 6 |