Исследование режимов работы ректификационных колонн установки первичной переработки нефти. Часть 2. Моделирование атмосферной колонны

УДК 665.63

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН УСТАНОВКИ

ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ.

ЧАСТЬ 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНОЙ КОЛОННЫ

Н.Д. Губанов1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлены принципиальная технологическая схема и результаты компьютерного моделирования атмосферной колонны установки первичной переработки нефти. Показано, что температурный режим определяется температурами флегмы и циркуляционных орошений, расположенных по высоте колонны. На основании выполненных расчётов выявлено влияние температуры флегмы, расходов и температур циркуляционных орошений на количество и состав получаемых фракций: бензиновой, дизельного топлива, тяжёлого дизельного топлива и мазута.

Ил. 7. Табл. 2. Библигр. 5 назв.

Ключевые слова: атмосферная колонна; циркуляционные орошения; фракция; бензин; дизельное топливо; мазут.

STUDY OF OPERATING MODES OF RECTIFYING COLUMNS AT A CRUDE OIL DISTILLATION PLANT PART 2. ATMOSPHERIC TOWER MODELING N.D. Gubanov

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article presents a fundamental flow diagram and the results of computer simulations of the atmospheric tower of a primary crude oil distillation plant. It is shown that the temperature regime is determined by the temperatures of reflux and circulation irrigations located throughout the height of the column. On the basis of performed calculations the authors showed the influence of the reflux temperature, flows and temperatures of circulation irrigations on the amount and composition of obtained fractions: benzine, diesel fuel, heavy oil fuel and masout. 7 figures. 2 tables. 5 sources.

Key words: atmospheric tower; circulation irrigation; fraction; enzine; diesel fuel; masout.

Выбор варианта технологической схемы установки первичной переработки нефти зависит от её состава и может быть топливным или топливно-масляным. При неглубокой переработке нефти по топливному варианту перегонка её осуществляется на установках АТ (атмосферных трубчатках), а при глубокой переработке - на установках АВТ (атмосферно-вакуумных трубчатках) топливного варианта и при переработке по масляному варианту - на установках АВТ масляного варианта. Установки АТ имеют только атмосферный блок перегонки нефти, а установки АВТ - блоки атмосферной перегонки нефти и вакуумной перегонки мазута [1].

Большинство мини-НПЗ работают по топливному варианту при неглубокой переработке нефти на установках АТ без колонн стабилизации бензиновых фракций. Основными аппаратами таких установок являются отбензинивающая и атмосферная ректификационные колонны. Использование такого варианта переработки нефти позволяет получать компоненты моторных топлив и в остатке мазут.

Принципиальная технологическая схема работы моделируемой атмосферной колонны приведена на рис. 1.

Частично отбензиненная в ректификационной ко-

лонне К-1 нефть [2], нагретая в печи до температуры 340-360 0С, подаётся в парожидкостном состоянии под нижнюю тарелку атмосферной колонны К-2. Эта колонна предназначена для разделения частично от-бензиненной нефти на несколько топливных фракций: бензиновая фракция (бензин К-2), выкипающая до 160-180 0С, фракция дизельного топлива, выкипающая до 340 0С, и фракция тяжелого дизельного топлива (340-360 0С). Из конденсатора К-2 отбираются оставшиеся в нефти легкие углеводороды в газовой фазе, используемые как топливо в печах. Из нижней части колонны отводится мазут.

Стабильная работа атмосферной ректификационной колонны, требуемое количество и качество продуктов перегонки обеспечиваются путём регулирования температурного режима - отводом теплоты в концентрационной и подводом теплоты в отгонной секциях колонны. На установках первичной перегонки нефти применяют следующие способы регулирования температурного режима по высоте атмосферной колонны [1, 3].

Отвод теплоты в концентрационной секции может осуществляться следующими способами:

- применением парциального конденсатора;

- использованием холодного орошения в виде

1Губанов Николай Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии, тел.: (3952) 405513. Gubanov Nikolay, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Chemical Technology, tel. (3952) 405513.

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема атмосферной колонны К-2

флегмы;

- организацией циркуляционного орошения.

Подвод теплоты в отгонной секции колонны производится путём:

- нагрева части остатка в кипятильнике или в трубчатой печи;

- подачи перегретого водяного пара;

- нагрева сырья колонны до предельно возможной температуры.

При принятых значениях флегмового числа и числа тарелок на параметры процесса перегонки наибольшее влияние будут оказывать давление и температурный режим. Так как атмосферная колонна работает при давлениях, близких к атмосферному (0,1-0,2 МПА), то температурный режим является наиболее значимым параметром. Изменением его регулируется как количество, так и качество продуктов ректификации нефти. Отсюда следует, что основными точками регулирования являются температуры поступающего сырья, флегмы и отводимых из колонны

продуктов. В свою очередь, температуры отбираемых продуктов зависят от расположения точек их отбора по высоте колонны, расхода и расположения циркуляционных орошений, расхода и температуры флегмы.

Эксплуатация промышленных установок АТ и АВТ показывает, что перегонка частично отбензиненной нефти при атмосферном давлении осуществляется при температурах, в зоне питания колонны не превышающих 360-365 0С. Это необходимо для исключения термического разложения отдельных компонентов.

В моделируемой атмосферной колонне для создания потока жидкости в секциях избыточное тепло отводится острым орошением наверху колонны (флегмой) и двумя промежуточными циркуляционными орошениями (ЦО-1 и ЦО-2). Теплота, необходимая для осуществления разделения нефти на фракции, подводится в колонну только потоком нагретого до 360-365 0С сырья ввиду того, что на мини-НПЗ, как правило, отсутствуют возможности получения перегретого до 400 0С водяного пара (см. рис. 1).

Целью данного моделирования является исследование влияния температурного режима на основные показатели получаемых бензиновой и дизельной фракций. Отбор тяжелой дизельной фракции в данной схеме предназначен для наиболее полного извлечения светлых фракций и используется в дальнейшем для компаундирования дизельной фракции.

Современные бензины должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих экономичную и надежную работу двигателя, а именно:

- иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых температурах;

- иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий бездетонационный процесс горения на всех режимах работы двигателя.

Основными показателями, определяющими испаряемость бензинов, являются давление насыщенных паров и фракционный состав. Давление насыщенных паров зависит от температуры. Поэтому ГОСТы на автобензины предусматривают ограничение не только верхнего, но и нижнего уровня давления насыщенных паров. Так, в соответствии с ГОСТ Р 51866-2002, действующим в настоящее время, давление насыщенных паров должно быть в летний период 45-80 кПа, а в зимний - 50-100 кПа. Фракционный состав бензинов в соответствии с указанным ГОСТом не определяется, а анализируется содержание ароматических углеводородов, которое не должно превышать 42% об. для третьего класса бензина. Детонационная стойкость бензинов, определяемая групповым углеводородным составом (парафины, нафтены, ароматические), характеризуется октановым числом. Бензиновые фракции прямой перегонки, состоящие, в основном, из парафиновых углеводородов нормального строения, имеют низкую детонационную стойкость. Так, октановые числа, определённые по моторному методу пря-могонных фракций, выкипающих до 180 0С, не превышают 40-50 ед. [4]. Поэтому бензиновые фракции первичной перегонки для достижения необходимого давления насыщенного пара, октанового числа и фракционного состава подвергаются вторичной переработке (процессы изомеризации, алкилирования, риформинга).

Основными эксплуатационными характеристиками дизельного топлива являются цетановое число, фракционный состав, низкотемпературные свойства, температура вспышки.

Цетановое число - основной показатель воспламеняемости дизельного топлива, определяющий запуск двигателя, зависит от фракционного состава. Чем выше цетановое число, тем быстрее воспламенится смесь и запустится двигатель.

Низкотемпературные свойства характеризуются такими показателями, как температура помутнения, предельная температура фильтруемости и температура застывания.

Температура вспышки определяет пожароопас-ность топлива и зависит от содержания низкокипящих фракций.

Согласно ГОСТ 52386-2005, действующему в настоящее время, цетановое число должно быть не менее 45 (топливо класса 2) и не более 51 (топлива классов 3-5); фракционный состав контролируется по температуре выкипания 95% об., которая не должна быть выше 360 0С.

Важное значение при транспортировке и применении дизельного топлива в зимних условиях имеет его подвижность, характеризуемая температурой застывания. Предельная температура фильтруемости дизельного топлива, которая ориентировочно на 10 0С выше температуры застывания, для холодного и арктического климата должна быть не выше минус 20 0С и минус 38 0С соответственно. Температура вспышки для дизельного топлива общего назначения не должна быть ниже 40 0С, а для арктического - не ниже 30 0С [5].

Как указано выше, выход фракций при перегонке отбензиненной нефти зависит от температурного режима сложной ректификационной колонны К-2, который регулируется расходами и температурами флегмы и циркуляционных орошений. На рис. 2 представлены зависимости отборов фракций от расхода циркуляционного орошения ЦО-2, служащего для отвода теплоты в верхней части колонны (расход ЦО-1 - 11 т/ч, отбор УВГ-2 - 50 кг/ч, флегмовое число Р = 2, температура флегмы 50 0С).

Приведённые зависимости показывают, что с увеличением расхода ЦО-2 с 8,0 до 11,0 т/ч при постоянных отборах дизтоплива и тяжёлого дизтоплива отбор бензиновой фракции остаётся примерно постоянным, а при больших расходах уменьшается, так как с повышением расхода ЦО-2 его температура возврата снижается и, как следствие, уменьшается температура пара К-2 и температура выкипания 90% бензиновой фракции (рис. 3). Выход мазута при этом возрастает. Отсюда следует, что для практического применения на моделируемой колонне следует поддерживать расход ЦО-2 не более 11,0 т/ч для наиболее полного извлечения светлых фракций и уменьшения отбора мазута. При расходах ЦО-2 менее 8,0 т/ч температура выкипания 90% бензиновой фракции превышает 180 0С (рис. 3).

Из представленных выше данных также следует, что температурный режим определяет расходы и температуры получаемых фракций. Очевидно, температура отводимых фракций также будет оказывать влияние на их компонентный состав. В качестве примера в табл. 1 приведены данные компонентного состава бензиновой фракции К-2 от температуры верха колонны, которая равна температуре пара, поступающего в конденсатор.

Результаты, приведённые в табл. 1, показывают, что с уменьшением температуры пара, выходящего из колонны К-2, содержание низкокипящих углеводородов С5-С6 остаётся практически постоянным. Концентрация псевдокомпонентов с температурами кипения 80-155 0С возрастает, а содержание псевдокомпонентов, кипящих в интервале 174-190 0С, значительно снижается, что приводит к уменьшению температуры вспышки.

24,0 22,0 20,0 18,0 I 16,0

§14,0

8,10,0 с

СР

о ю н О

8,0 6,0 4,0 2,0 0,0

Л- -Л-

-Л Л Л -Л- -Л-

9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 Расход ЦО-2, т/ч

15,0 16,0

♦ Бензин К-2; ЧИНДизтопливо;

-Тяж. дизтопливо; )( Мазут.

Рис. 2. Зависимость отбора продуктов от расхода ЦО-2

О

а СР

¡а

СР и

с

и Н

180. 170. 160. 150. 140. 130 120. 110. 100. 90 80 70 60

,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0

Расход ЦО-2, т/ч

Температура пара К-2, °С;

Температура выкипания 90% по ИТК безиновой фракции, °С; Температура возврата ЦО-2, °С.

Рис. 3. Влияние расхода ЦО-2 на температурный режим верха колонны К-2

С точки зрения моделирования режимов работы колонны К-2, представляет определённый интерес выявление влияния температуры острого орошения (флегмы) на расходы отбираемых фракций, так как конечная температура флегмы определяет расход

холодного теплоносителя в конденсаторе колонны и его размеры. На рис. 4 представлены зависимости расходов фракций от температуры флегмы. Расходы ЦО-1 и ЦО-2 постоянны и равны 11 т/ч, флегмовое число Р = 2, отбор УВГ-2 равен 50 кг/ч.

Таблица 1

Зависимость компонентного состава бензиновой фракции К-2 от температуры пара

Температура пара К-2,°С Содержание компонентов, % мольные Температура вспышки, °С

см X ю о СМ X ю о ± Гексаны ПК80 ПК99 ПК116 ПК134 ПК155 ПК174 ПК190

165,0 0,09 0,20 3,03 0,43 2,01 19,77 24,88 23,46 23,42 2,71 19,7

161,5 0,10 0,22 3,34 0,48 2,22 21,71 27,15 24,94 18,80 1,04 18,0

159,0 0,10 0,24 3,61 0,52 2,39 23,37 29,07 26,03 14,16 0,60 16,7

155,7 0,11 0,26 3,9 0,56 2,59 25,22 31,24 26,89 8,99 0,24 15,3

25,0

V

«

к я

и

я &

•е-

о X и ее о.

20,0

.5,0

10,0

5,0

0,0

х- -х_

X -X- -X

- -- -- -- -- -

-ж- -ж

ж- ——ж——

А — -о

♦- -♦—

30,0 35,0 40,0 45,0 50,0

Температура флегмы, °С

55,0

-Бензин; -Мазут;

-Ш-Дизтопл иво; Пар К-2.

Тяж. дизтопливо;

Рис. 4. Зависимость расходов фракций от температуры флегмы

Зависимости, приведённые на рис. 4, показывают, что расходы дизтоплива и тяжёлого дизтоплива практически не зависят от температуры флегмы. Отбор бензиновой фракции несколько снижается, а выход мазута возрастает. Уменьшение отбора бензиновой фракции является следствием снижения температуры верха колонны и расхода пара, поступающего в конденсатор (рис. 3). При этом рост отбора мазута объясняется перераспределением высококипящих компонентов между фракциями дизтоплива, тяжелого диз-топлива и мазута (табл. 2).

Количество циркуляционного орошения ЦО-1, предназначенного для отвода теплоты в нижней части колонны, также будет оказывать влияние на отбор

фракций. На рис. 5 представлена зависимость отбора фракций от расхода ЦО-1. Видно, что с увеличением расхода ЦО-1 (при постоянных отборах дизтоплива и тяжелого дизтоплива) выход бензиновой фракции уменьшается, а отбор мазута возрастает. Снижение отбора бензиновой фракции является следствием понижения температуры и расхода пара верха колонны (рис. 5 и 6), а увеличение выхода мазута также можно объяснить перераспределением высококипя-щих компонентов между фракциями дизтоплива, тяжелого дизтоплива и мазута, так как температуры отбора дизтоплива и тяжелого дизтоплива с увеличением расхода ЦО-1 снижаются (см. рис. 6).

Зависимость содержания высококипящих компонентов дизельного топлива и тяжелого дизтоплива от расхода ЦО-1

Таблица 2

Содержание высококипящих псевдокомпонентов, % мольные

Расход Дизтопливо Тяжелое дизтопливо

ЦО-1, т/ч ПК304 ПК342 ПК361 ПК399 ПК444 ПК304 ПК342 ПК361 ПК399 ПК444 ПК482

7,0 6,29 2,75 2,16 0,89 0,03 2,93 2,91 4,12 12,7 23,1 8,71

9,0 6,26 2,73 2,15 0,80 0,03 3,12 3,08 4,24 12,1 22,0 8,60

11,0 6,12 2,62 1,31 0,53 0,01 3,30 3,50 5,51 15,4 20,5 6,00

13,5 5,88 2,39 1,56 0,15 0,0 3,72 4,89 8,87 16,5 13,5 1,22

14,5 5,83 2,31 1,42 0,11 0,0 3,86 5,44 10,1 17,4 11,4 0,79

р

н

м о н

£ §

Он

с

о. о ю н

о

25,0

20,0

15,0

10,0

5,0

0,0

ж- -Ж- -Ж- -Ж

Ж- —ж— -Ж- -Ж- —ж- "

д- —д- -А- -А- -Л- -£- -Л- -Л- -Л

-♦- А

-*-— ♦ —♦—

- Я -- -

V 1С V  V —и- V -- V —— V — V

А л

10 11 12,5 13,5 14 14,5 Расход ЦО-1, т/ч

-+—Пар К-2;

Тяж. дизтопливо;

-Ш-Бензин К-2; Ж Мазут.

-Дизтопливо;

Рис. 5. Зависимость отбора продуктов от расхода ЦО-1

Таким образом, для промышленной эксплуатации атмосферной колонны можно рекомендовать расходы ЦО-1 поддерживать в интервале значений 7,0-9,0 т/ч, снижая этим отбор мазута и увеличивая отбор бензиновой фракции, выкипающей до 150 °С.

Из результатов, приведённых в табл. 2, видно, что с увеличением расхода ЦО-1 мольная концентрация псевдокомпонентов дизтоплива, кипящих в интервале температур 304-444 °С, уменьшается. В фракции тяжелого дизтоплива содержание компонентов, кипящих

в интервале температур 304-399 °С, возрастает, а содержание более высококипящих уменьшается. Это свидетельствует о переходе части компонентов из дизтоплива в тяжелое дизтопливо, а из тяжелого дизтоплива в мазут, увеличивая его расход. Результаты, представленные на рис. 7, показывают, что перераспределение высококипящих компонентов, обусловленное увеличением расхода ЦО-1, приводит к снижению температур начала кипения, выкипания 50 и 90% об. фракций по ИТК.

400,0

350,0

О

° ° 300,0

и §

§ 250,0 с

& 200,0

& ,

л

Е 150,0

и Н

100,0

—•— —•— —•— —•— —•— —•

— —— —— 1—|

-— —— —— —— —

4— —ф— -А— ж

щ - -♦- —♦— —Ф— —♦

-1- -1- -1- -1- -1- -1- -1- -1- -1-

8 9 10 11 12,5 13,5 14 14,5 Расход ЦО-1, т/ч

-Пар К-2;  Дизтопливо; Ш Тяж. дизтопливо.

Рис. 6. Влияние расхода ЦО-1 на температуры отбора фракций

500,0

450,0

400,0

^ 350,0

£ 300,0

ЕР 250,0

& 200,0

2 150,0 и Н

100,0

ж-

X-

7,0

-Ж-

-ж-

-ж-

-ж-

-д-

-д-

-д-

-А-

-А-

-О

-О

*

==

*

-К-

-К-

-X-

-X-

,0

9,0

13,5

14,0

10,0 11,0 12,5 Расход ЦО-1, т/ч

—О—НК дизтоплива; —— 50% дизтоплива;

X НК тяж. дизтоплива; —Ж— 50% тяж. дизтоплива;

Рис. 7. Зависимость температур выкипания фракций по ИТК от расхода ЦО-1

-Ж

-Д

-X

14,5

90% дизтоплива; 90% тяж. дизтоплива.

Таким образом, полученные результаты показывают, что компьютерное моделирование позволяет исследовать за незначительное время множество ре-

жимов работы сложной ректификационной колонны К-2 и выбрать оптимальные, которые можно рекомендовать для промышленного применения.

Библиографический список

1. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа. Уфа: Гилем, 2002. 672 с.

2. Губанов Н.Д. Исследование режимов работы ректификационных колонн установки первичной переработки нефти. Ч. 1. Моделирование атмосферной колонны // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5.

3. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. Изд. 2-е, испр. М.: Химия, 2001. 566 с.

4. Анисимов И.Г. [и др.] Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: справочник / под ред. В.М. Школьникова. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Издательский центр «Техинформ»,1999. 596 с.

5. Технология переработки нефти. В 2-х ч. Ч. 1. Первичная переработка нефти. / Под ред. О.Ф. Глаголевой и В.М. Капустина. М.: Химия, КолосС, 2007. 400 с.

7