Установки атмосферной перегонки нефти. Различные виды горючих ископаемых уголь, нефть, природный газ известны человечеству с доисторических времен. До настоящего времени их используют как энергетическое топливо, т е. как первичные энергоресурсы. В хх в
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
Введение Различные виды горючих ископаемых - уголь, нефть, природный газ известны человечеству с доисторических времен. До настоящего времени их используют как энергетическое топливо, т.е. как первичные энергоресурсы. В ХХ в. к источникам энергоресурсов добавились еще гидроресурсы и ядерное топливо. Совокупность отраслей промышленности, занятых добычей, транспортировкой и переработкой различных видов горючих ископаемых, а также выработкой, преобразованием и распределением различных видов энергии (тепловой, электрической и др.) называют топливно-энергитическим комплексом (ТЭК). ТЭК включает топливную (нефтяную, газовую, угольную, торфяную, сланцевую), нефтепереработывающую, нефтехимическую и энергетическую (тепло-, гидро- и атомную) промышленности. ТЭК является основой современной мировой экономики. Уровень развития ТЭК отражает социальный и научно - технический прогресс в стране. Около 70% масс. Извлекаемых запасов органических горючих ископаемых мира составляют твердые горючие ископаемые ( каменные и бурые угли, антрацит, сланцы, битумы, торф и др.) роль и значение их по сравнению с жидкими и газообразными горючими были преобладающими твердых горючих ископаемых продолжает использоваться как энергетическое топливо. Особенно велико современное экономическое значение нефти и газа. Нефть и газ - уникальные и исключительно полезные ископаемые. Продукты их переработки применяют практически во всех отраслях промышленности, на всех видах транспорта, в военном и гражданском строительстве, сельском хозяйстве, энергетике, в быту и т.д. За последние несколько десятилетий из нефти и газа стали вырабатывать в больших количествах разнообразные химические материалы, такие, как пластмассы, синтетические волокна, каучуки, лаки, краски, моющие средства, минеральные удобрения и многое другое. Не зря называют нефть «черным золотом», а ХХ век - веком нефти и газа. Нефть и газ определяют не только экономику и технический потенциал, но часто и политику государства. Однако необходимо отметить, что топливно-энергетический комплекс оказывает и негативное воздействие на природу: - механическое загрязнение воздуха, воды и земли твердыми частицами (пыль, зола); - химическое, радиоактивное, ионизационное, тепловое, электромагнитное, шумовое и другие виды загрязнений; расход больших количеств воды, земли и кислорода воздуха; глобальный парниковый эффект, постепенное повышение средней температуры биосферы среды и опасность катастрофы на планете. В наступившем ХХI в. актуальнейшей проблемой мировой экономики будет исчерпание запасов нефти. Извлекаемых ее запасов в мире (140 млрд. тонн) при сохранении нынешнего уровня добычи (3,2 млрд. тонн) хватит примерно на 40 лет. Проблема дефицита дешевой нефти для России становится исключительно актуальной. Но тем не менее Россия, как и годы «нефтяного бума», продолжает экспортировать нефти в больших объемах (около половины добычи). Не исключено, что если своевременно не покончить с ошибочным представлениями о «неиссякаемости, неисчерпаемости и дешевизне нашей нефти», то через несколько десятилетий придется внести ее в «Красную книгу» природных ископаемых ресурсов. Последующее поколение россиян будет вынуждено синтезировать ее из твердых горючих ископаемых. Нефтепереработка России по данным 1999г. существенно отстает не только по объему и глубине переработки нефти, но и по превращению ее в моторные виды топлива. Нефть должна полностью и без остатка перерабатываться с получением только высококачественных и экологически чистых продуктов, прежде всего моторных топлив, высоко индексных смазочных масел и сырья для нефтехимического синтеза. Стратегическим направлением развития нефтепереработки следует считать (узаконить) глубокую и безостаточную переработку нефти и значительное сокращение объемов экспорта. При этом тепло- и электроэнергетику России обладающей большими запасами газа (более трети мировых) целесообразно перевести на более экологически чистые и ресурсообеспеченные «голубое» и ядерное топлива до середины нынешнего столетия и остаются весьма значительными в современной мировой экономике. 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1 Развитие нефтеперерабатывающей промышленности Первый в мире нефтеперегонный завод для превращения «черной» нефти в «белую» путем перегонки в кубах периодического типа был построен крепостными крестьянами - братьями Дубиниными в 1823 г. вблизи г. Моздока. Получаемый при этом дистиллят (фотоген) был впоследствии назван керосином. Легко испаряющийся головной продукт перегонки - бензин и тяжелый остаток - мазут сжигали в «мазутных» ямах, так как не находили применения. В 1869 г. в Баку Было уже 23 нефтеперегонных завода, а в 1873 г. - 80 заводов, способных вырабатывать 16350 т. керосина в год. Полученный керосин по Каспийскому морю и Волге вывозили в северные районы России и в страны Ближнего Востока. В 1876 г. по методу, разработанному Д.И. Менделеевым, в Балахане впервые в мире было организовано промышленное производство смазочных масел из мазута перегонкой в вакууме или в токе водяного пара. Нефтяные масла стали вытеснять животные жиры и растительные масла из всех отраслей техники. Русские минеральные масла широко экспортировались за границу и расценивались как самые высококачественные. После изобретения в 1876 г. В.Г. Шуховым форсунки ранее сжигавшийся мазут стали применять как ценное топливо для паровых котлов, применявшихся в различных отраслях промышленности и судоходстве. Нефтеперегонные заводы появились и в других странах в 40-х гг. ХIХ в.: Д.Юнг начал перегонку нефти в 1848 г. в Англии, в 1849 г. С. Кир - в Пенсильвании (США). Во Франции первый завод построен в 1854 г. А.Г. Горном. В 1866 г. Д.Юнг взял патент на способ получения керосина из тяжелых нефтей перегонкой под давлением, названной крекингом. Непрерывная перегонка нефти в кубовых батареях, разработанная А.А. Тавризовым, была осуществлена в 1883 г. на заводе братьев Нобель в Баку. На этих кубах были установлены дефлегматоры, устроенные в виде двух цилиндров, вложенных один в другой. В 1891 г. В.Г.Шухов и С.П.Гаврилов разработали аппарат для крекинг-процесса (проводимого при повышенных температурах и давлениях). Они впервые предложили нагрев нефти осуществлять не кубах, а в трубах печи при вынужденном ее движении - прообраз современных трубчатых установок непрерывного действия. Их научные и инженерные решения были повторены У.М.Бартоном при сооружении крекинг-утановки в США в 1915 - 1918 гг. Изобретение в последней четверти XIX в. двигателя внутреннего сгорания (бензинового и дизельного) и применение его во многих отраслях промышленности и на транспорте способствовали новому качественному скачку в развитии нефтепереработки. Бензин, ранее не находивший применения, стал одним из важнейших продуктов, увеличение производства которого требовало роста добычи нефти и совершенствования технологии ее переработки. С развитием дизельного двигателя появилась необходимость в дизельном топливе, являющемся промежуточной фракцией между керосином и мазутом. К 1917 г. нефтеперерабатывающие предприятия России были сосредоточены в основном на Кавказе: в Баку их было 53, в Грозном - 6. Больше половины добывающих и перерабатывающих нефть предприятий принадлежала иностранному капиталу. В 1918 г. нефтяная и нефтеперерабатывающая промышленности бывшего СССР завершили восстановительный период, вызванный последствиями гражданской войны. Началось интенсивное строительство новых нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ). Большое народнохозяйственное значение имело открытие месторождений нефти и газа в Волго-Уральской нефтегазовой области. С целью приближения НПЗ к центрам потребления нефтепродуктов были построены заводы в Ишимбае, Уфе, Саратове, Краснодаре, Орске, Одессе, Херсоне и Хабаровске. Взамен устаревших кубовых батарей на НПЗ внедрялись высокопроизводительные трубчатые установки прямой перегонки нефти (производительностью 500 - 600 тыс. т в год), термического крекинга мазутов, производства авиационных и автотракторных масел. В годы Великой Отечественной войны 1941 - 1945 гг. нефтеперерабатывающая промышленность обеспечивала фронт и тыл горючими и смазочными материалами. В послевоенной период нефтеперерабатывающая промышленность страны развивалась быстрыми темпами (пропорционально темпам нефтедобычи), непрерывно повышались технический уровень и объемы производства. В 1951 г. были превзойдены довоенные показатели. Были построены и освоены НПЗ и нефтехимические комбинаты. Если до 1966 г. единичные мощности установок по первичной переработке нефти достигали 1 -2 млн. т в год, то в последующие годы вводились преимущественно высокопроизводительные, в т.ч. комбинированные установки мощностью 2 -3 и 6 млн. т в год. Увеличение объема переработки нефти (до 475 млн. т в 1987 г.) сопровождалось существенным повышением качества нефтепродуктов: преимущественным становится выпуск малосернистого дизельного топлива, высокооктанового бензина, смазочных масел с эффективными присадками. В предвоенной период нефтяная промышленность развивалась вместе со всей экономикой страны ускоренными темпами. Наряду с ростом добычи нефти в старейших нефтяных регионах - Баку и Грозном - быстро росла ее добыча и в других регионах. В предвоенные годы были построены 14 новых НПЗ (в Батуми, Ухте, Саратове, Туапсе и Орске в 1931 - 35гг., Ишимбае, Уфе, Краснодаре, Хабаровске, Одессе, Херсоне, Бердянске и Москве в 1936 - 40 гг.). В годы Великой Отечественной войны многие южные НПЗ были эвакуированы в восточные районы страны ( в Сызрань, Красноводск, Гурьев, Комсомольск-на-Амуре, Пермь). Интенсивному развитию нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленностей в военные и послевоенные годы способствовали открытие и освоение крупных месторождений нефти в Урало-Поволжье. Так, Ишимбайский НПЗ был пущен в 1936г., всего через год после начала промышленной добычи нефти на востоке страны. На этом НПЗ впервые в промышленных масштабах была освоена технология переработки сернистых нефтей. В 1938г. вступил в эксплуатацию Уфимский крекинг-завод - крупнейший в то время и оснащенный передовой в мире технологией химической переработки сернистых, а затем и высокосернистых нефтей Урало-Поволжья. Велика роль бакинских, грозненских и восточных НПЗ в военные годы по обеспечению фронта и тыла страны топливом для самолетов, танков и других боевых и гражданских транспортных машин. Нефтепереработка страны в послевоенные годы (1945 - 1970 гг.) получила дальнейшее значительное развитие строительством еще ряда новых мощных НПЗ в следующих городах: Салавате , Уфе(два), Самаре (два), Волгограде, Рязани, Омске, Ачинске, Ангарске, Киришах, Новополоцке и Мозыре (Белоруссии), Кременчуге (Украине). С открытием новых крупнейших месторождений нефти в Западной Сибири были расширены мощности старых заводов и построены новые НПЗ в Лисичанске (Украина), Мажейкяйе (Литве), Павлодаре и Чимкенте (Казахстане), Чарджоу (Туркмении) и др. Велика роль в изучении химии углеродного сырья и разработке методов его переработки отечественной науки. Традиционно высокий уровень научных исследований русских ученых в области химии нефти позволил создать теоретические основы и разработать эффективные технологические процессы переработки нефти. 1.2 Общие сведения о перегонке и ректификации нефти и газов Перегонка (дистилляция) - это процесс физического разделения нефти и газов на фракции (компоненты), различающиеся друг от друга и от исходной смеси по температурным пределам (или температуре) кипения. По способу проведения процесса различают простую и сложную перегонку. Простая перегонка осуществляется постепенным, однократным или многократным испарением. Перегонка с постепенным испарением состоит в постепенном нагревании нефти от начальной до конечной температуре с непрерывным отводом и конденсацией образующихся паров. Этот способ перегонки нефти и нефтепродуктов в основном применяют в лабораторной практике при определении их фракционного состава. При однократной перегонке жидкость (нефть) нагревается до заданной температуры, образовавшиеся и достигшие равновесия пары однократно отделяются от жидкой фазы - остатка. Этот способ, по сравнению с перегонкой с постепенным испарением, обеспечивает при одинаковых температуре и давлении большую долю отгона. Это важное его достоинство используют в практике нефтеперегонки для достижения максимального отбора паров при ограниченной температуре нагрева во избежании крекинга нефти. Перегонка с многократным испарением заключается в последовательном повторении процесса однократной перегонки при более высоких температурах или низких давлениях по отношению к остатку предыдущего процесса. Из процессов сложной перегонки различают перегонку с дефлегмацией и перегонку с ректификацией. При перегонке с дефлегмацией образующиеся пары конденсируют, и часть конденсата в виде флегмы подают навстречу потоку пара. В результате однократного контактирования парового и жидкого потоков уходящие из системы пары дополнительно обогащаются низкокипящими компонентами, тем самым несколько повышается четкость разделения смесей. Перегонка с ректификацией - наиболее распространенный в химической и нефтегазовой технологии массообменный процесс, осуществляемый в аппаратах - ректификационных колоннах - путем многократного противоточного контактирования паров и жидкости. Контактирование потоков пара и жидкости может производиться либо непрерывно (в насадочных колоннах) или ступенчато (в тарельчатых ректификационных колоннах). При взаимодействии встречных потоков пара и жидкости на каждой ступени контактирования (тарелке или слое насадки) между ними происходит тепло- и массообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящими, а жидкость - высококипящими компонентами. При достаточно длительном контакте и высокой эффективности контактного устройства пар и жидкость, уходящие из тарелки или слоя насадки, могут достичь состояния равновесия, то есть температуры потоков станут одинаковыми, и при этом их составы будут связаны уравнениями равновесия. Такой контакт жидкости и пара, завершающийся достижением фазового равновесия, принято называть равновесной ступенью, или теоретической тарелкой. Подбирая число контактных ступеней и параметры процесса (температурный режим, давление, соотношение потоков, флегмовое число и др.), можно обеспечить любую требуемую четкость фракционирования нефтяных смесей. Место ввода в ректификационную колонну нагретого перегоняемого сырья называют питательной секцией (зоной), где осуществляется однократное испарение. Часть колонны, расположенная выше питательной секции, служит для ректификации парового потока и называется концентрационной (укрепляющей), а другая - нижняя часть, в которой осуществляется ректификация жидкого потока - отгонной, или исчерпывающей секцией. Различают простые и сложные колонны. Простые колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят) - выводимый с верха колонны в парообразном состоянии, и остаток - нижний 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 тз специальных отпарных колонн, именуемых стриппингами. Последний тип колонн нашел широкое применение на установках первичной перегонки нефти. Для разделения бинарных или многокомпонентных смесей на 2 компонента достаточно одной простой колонны (если не предъявляются сверхвысокие требования к чистоте продукта). Для разделения же многокомпонентных непрерывных или дискретных смесей на более чем 2 компонента (фракции) может применяться односложная колонна либо система простых или сложных колонн, соединенных между собой в определенной последовательности прямыми или обратными паровыми или жидкими потоками. Выбор конкретной схемы и рабочих параметров процессов перегонки определяется технико-экономическими и технологическими расчетами с учетом заданных требований по ассортименту и четкости разделения, термостабильности сырья и продуктов, возможности использования доступных и дешевых хладагентов, теплоносителей и т.п. Четкость погоноразделения - основной показатель эффективности работы ректификационных колонн, характеризует их разделительную способность. Она может быть выражена в случае бинарных смесей концентрацией целевого компонента в продукте. Применительно к ректификации нефтяных смесей она обычно характеризуется групповой чистотой отбираемых фракций, то есть долей компонентов, выкипающих по кривой ИТК до заданной температурной границы деления смеси в отборных фракциях (дистиллятах или в остатке), а также отбором фракций от потенциала. Как косвенный показатель четкости (чистоты) разделения на практике часто используют такую характеристику, как налегание температур кипения соседних фракций в продукте. В промышленной практике обычно не предъявляют сверх высоких требований по отношению к четкости погоноразделения, поскольку для получения сверхчистых компонентов или сверхузких фракций потребуются сверхбольшие капитальные и эксплуатационные затраты. В нефтепереработке, например, в качестве критерия достаточно высокой разделительной способности колонн перегонки нефти на топливные фракции считается налегание температур кипения соседних фракций в пределах 10 - 30оС. Установлено, что на разделительную способность ректификационных колонн значительное влияние оказывают число контактных ступеней и соотношение потоков жидкой и паровой фаз. Для получения продуктов, отвечающих заданным требованиям, необходимо, наряду с другими параметрами ректификационной колонны (давление, температура, место ввода сырья и т.д.), иметь достаточное число тарелок (или высоту насадки) и соответствующее флегмовое и паровое числа. Паровое число(П) характеризует соотношение контактирующихся потоков пара и жидкости в отгонной секции колонны, рассчитываемое как П = G/W где G и W - количества соответственно паров и кубового продукта. Число тарелок (N) колонны (или высота насадки) определяется числом теоретических тарелок (NТ), обеспечивающим заданную четкость разделения при принятом флегмовом (и паровом) числе, а также эффективностью контактных устройств (обычно КПД реальных тарелок или удельной высотой насадки, соответствующей 1 теоретической тарелке). Зависимость числа теоретических тарелок от флегмового числа колонны можно выразить в виде графика, как это представлено на рис. (5.6). Из анализа рис. (5.6) вытекает следующая закономерность, обуславливающая нраничные пределы нормального функционирования ректификационных колонн: заданная четкость разделения смесей может быть обеспечена (достигнута) лишь при одновременном выполнении ограничений по флегмовому числу и числу теоретических тарелок. Любая точка на кривой может быть выбрана в качестве рабочей. Это означает, что заданная четкость разделения смеси может быть достигнута бесконечным множеством пар чисел NT и R. Как следует из рисунка, флегмовое число, следовательно, и количество орошения в колонне изменяется от минимального значения до бесконечно большой величины; при этом необходимое для обеспечения заданной четкости разделения число тарелок будет изменяться соответственно от бесконечно большой величины до некоторой минимальной. Очевидно, при увеличении количества орошения будут расти эксплуатационные затраты (связанные с расходом энергии на перекачку, тепла в кипятильнике и холода в конденсаторах), а капитальные затраты вначале будут существенно уменьшаться в результате снижения высоты, затем будут расти из-за увеличения диаметра колонны. Из опыта эксплуатации колонн установлено, что оптимальное значение флегмового числа, соответствующее минимуму общих затрат на ректификацию (рис. 1.), не намного превышает минимально необходимое Rмин Rопт = Rмин где - коэффициент избытка флегмы (в пределах 1,0 - 1,3). Фактическое число тарелок Nф , определяется либо аналитическим расчетом (на ЭВМ с использованием уравнений равновесия фаз, материального и теплового балансов потоков), либо исходя из опытных данных с учетом эффективного КПД тарелки . В зависимости от конструкции и места расположения в колонне т, изменяется в пределах 0,3 - 0,9. На технико-экономические показатели и четкость погоноразделения ректификационной колонны, кроме ее разделительной способности, в значительной степени влияют физические свойства (молекулярная масса, плотность, температура кипения, летучесть и др.), компонентный состав, число (би- или многокомпанентный) и характер распределения (непрерывный, дискретный) компонентов перегоняемого сырья. В наиболее обобщенной форме разделительные свойства перегоняемого сырья принято выражать коэффициентом относительной летучести (аналогом коэффициенту разделения (селективности) в процессах экстракции). Коэффициент относительной летучести - отношение летучестей компонентов (фракций) перегоняемого сырья при одинаковых температуре и давлении = К1/К2 где К1 и К2 - константы фазового равновесия соответственно низко- и высококипящего компонентов (фракций). Поскольку К1 > К2 то а > 1. Коэффициент а косвенно характеризует движущую силу процесса перегонки применительно к разделяемому сырью. Сырье, у которого а>>1, значительно легче разделить на компоненты, чем при его значении, близком к единице. Относительная летучесть зависит от давления и температуры, при которых находятся компоненты. С увеличением давления и температуры величина снижается. Вблизи критической области значение коэффициента приближается к единице. 1.3 Особенности нефти как сырья процессов перегонки Нефть и нефтяные смеси как сырье для ректификации характеризуется рядом специфических свойств, обусловливающих некоторые особенности в технологии их переработки. . нефть и особенно ее высококипящие фракции и остатки характеризуются невысокой термической стабильностью. Для большинства нефтей температура термической стабильности соответствует температурной границе деления примерно между дизельным топливом и мазутом по кривой ИТК, то есть 350 - 360оС. Нагрев нефти до более высоких температур будет сопровождаться ее деструкцией и, следовательно, ухудшением качества отбираемых продуктов перегонки. В этой связи перегонку нефти и ее тяжелых фракций проводят с ограничением по температуре нагрева. В условиях такого ограничения для выделения дополнительных фракций нефти, выкипающих выше предельно допустимой температуры нагрева сырья, возможно использовать практически единственный способ повышения относительной летучести компонентов - перегонку под вакуумом. Так, перегонка мазута при остаточных давлениях в зоне питания вакуумной колонны 100 и 20 мм.рт.ст. (133 и 30гПа) позволяет отобрать газойлевые (масляные) фракции с температурой конца кипения соответственно до 500 и 600оС. обычно для повышения четкости разделения при вакуумной (а также атмосферной) перегонке применяют подачу водяного пара для отпаривания более легких фракций. Следовательно, с позиций термической нестабильности нефти технология ее глубокой перегонки (то есть с отбором фракций до гудрона) должна включать как минимум 2 стадии: атмосферную перегонку до мазута с отбором топливных фракций и перегонку под вакуумом мазута с отбором газойлевых (масляных) фракций и в остатке гудрона. . Нефть представляет собой многокомпонентное сырье с непрерывным характером распределения фракционного состава и соответственно летучести компонентов. Расчеты показывают, что значение коэффициента относительной летучести непрерывно (экспонциально) убывает по мере утяжеления фракций нефти, а также по мере сужения температурного интервала кипения фракций. Эта особенность нефтяного сырья обуславливает определенные ограничения как на четкость погоноразделения, особенно относительно высококипящих фракций, так и по отношению к «узости» фракций. С экономической точки зрения, нецелесообразно требовать от процессов перегонки выделить, например, индивидуальный чистый углерод или сверхузкие фракции нефти. Поэтому в нефтепереработке довольствуются получением следующих топливных и газойлевых фракций, выкипающих в достаточно широком интервале температур: бензиновые н.к. - 140оС (180 оС); керосиновые 140 (180) - 240 оС; дизельные 240 - 350 оС; вакуумный дистиллят (вакуумный газойль) 350-400 оС, 400-450 оС и 450 - 500 оС; тяжелый остаток - гудрон > 490 оС (>500 оС). Иногда ограничиваются неглубокой атмосферной перегонкой нефти с получением в остатке мазута > 350 оС, используемого в качестве котельного топлива. . Высококипящие и остаточные фракции нефти содержат значительное количество гетероорганических смолисто-асфальтеновых соединений и металлов, попадание которых при перегонке в дистилляты резко ухудшает их эксплуатационные характеристики и значительно усложняет последующую их переработку. Это обстоятельство обуславливает необходимость организации четкой сепарации фаз в секции питания атмосферной и особенно вакуумной колонн. Эффективная сепарация фаз в секции питания колонн достигается установкой специальных сепараторов (отбойных тарелок, насадок и т.д.), улавливающих мельчайшие капли (туман, пена, брызги) кубовой жидкости, а также промывкой потока паров стекающей жидкостью в специальной промывной тарелке. Для этого и с целью повышения разделительной способности нижних тарелок сепарационной секции колонны необходимо обеспечить некоторый избыток орошения, называемый избытком однократного испарения, путем незначительного перегрева сырья (но не выше предельно допустимой величины). Доля отгона при однократном испарении в секции питания колонны должна быть на 2 - 5% больше выхода продуктов, отбираемых в виде дистиллята и боковых погонов. 1.4. Перегонка нефти на установках АТ и АВТ Технологические схемы установок первичной перегонки нефти обычно принимаются для определенного варианта переработки нефти - топливного или топливно-маслянного |