Создание гибкой технологической схемы переработки газового конденсата

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 665.63

А. И. Насибуллина, А. C. Шувалов, Х. Э. Харлампиди

СОЗДАНИЕ ГИБКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА

Ключевые слова: газовый конденсат, энергетические затраты, фракционный состав, разделение

углеводородных смесей.

В работе рассмотрены варианты технологических схем переработки газового конденсата. Выполнен сравнительный анализ энергетических затрат на разделение при работе каждой схемы на сырье различного фракционного состава. На основании выполненных расчетов сделан вывод о создании наиболее энергетически выгодной технологической схемы. В соответствие с предложенной схемой проведена реконструкция существующей установки переработки газового конденсата.

Keywords: gas-condensate, expenditure of energy, fractional composition, separation of' hydrocarbonic mix.

In work is presented the variants are refining technological scheme of gas-condensate. The comparative analysis is made of power consumption for division at work of each scheme on raw materials of various fractional structure. On the basis of the executed calculations the conclusion is drawn on creation of the most energetically favourable technological scheme. Reconstruction of existing installation of gas-condensate refining is executed with the offered scheme.

За последнее время изменился основной тренд при разработке процессов перегонки и ректификации. Если ранее основное внимание обращалось на изучение гидродинамики и массопередачи в ректификационных аппаратах с целью повышения их производительности, то на сегодня превалирующими целями исследований стали принципиальные вопросы технологии - проблемы синтеза технологических схем с определением оптимальных рабочих параметров процессов, обеспечивающих снижение энергетических затрат на разделение, повышением глубины отбора целевых компонентов и улучшением качества продуктов [1].

Правильный выбор технологической схемы в целом ряде случаев позволяет получить улучшение качества продуктов, увеличение производительности оборудования и снижение энергетических затрат по сравнению с тем эффектом, который дает применение новых конструкций внутренних устройств на менее эффективных схемах.

Технологические схемы установок должны обеспечивать переработку исходной смеси с получением заданных продуктов при возможных колебаниях или изменениях в составе и расходе сырья, а также ассортименте выпускаемых продуктов. Для условий нефтепереработки последнее обстоятельство очень важно, так как на переработку поступает обычно смесь различных нефтей или газовых конденсатов. Поэтому современные разделительные комплексы должны быть не только высокопроизводительными и экономичными, но и обладать большой технологической гибкостью.

Технологическая схема процесса разделения многокомпонентной и непрерывной смеси зависит от её состава, требований к качеству получаемых продуктов, от степени использования тепла обратных потоков, конденсации орошения и испарения остатка, используемых аппаратов и их места в технологической схеме, а также от многих других факторов, учесть которые для выдачи однозначной рекомендации по выбору технологической схемы процесса можно, только на основе анализа приведенных затрат на разделение.

Ситуация при выборе технологической схемы усложняется, когда сырьем является смесь углеводородов непостоянного фракционного состава. Частным случаем такой ситуации стала установка переработки газового конденсата ОАО «ТАИФ-НК» проектной мощностью 1

млн. тн в год по сырью, работающая на привозном сырье. В ходе эксплуатации данной установки с 2006 по 2007 г. г. возникла проблема при переработке сырья, состав которого существенно отличается от проектного, и как следствие невозможность получения кондиционной продукции [2]. Качество перерабатываемого сырья приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры газового конденсата, поступающего на переработку

Свойства газового конденсата ООО "РН-Пурнефтегаз" Тюменская область г. Губкинский

1. Фракционный состав % об, % об, % об,

НК-88 47,1 48,7 58,1

88-118 19,2 16,3 13,3

118-148 14 16,5 12,3

148-178 8,2 10 10,9

178-238 12,3 14 15,9

238-358 4,68 7,45 15,32

>358 21,23 23,75 24,18

2. Внешний вид Темно-коричневый цвет Светло-желтый цвет Темно-коричневый цвет

3. Плотность при 20°С, кг/м3 750 774 792,2

4. Массовая доля серы, % 0,02 0,02 0,321

Принципиальная схема переработки газового конденсата до реконструкции представлена на рисунке 1 (схема а). В колонне К-1 происходит частичное отбензинивание газового конденсата и получение: с верха колонны - пропан-бутановая фракция и углеводородный газ, боковой отбор со стриппинга К-2 - бензиновая фракция НК-140, куб колонны - частично-отбензиненный газовый конденсат. С куба колонны К-1 поток, после подогрева в печи П-1, направляется в колонну К-3. С верха колонны отбирается бензиновая фракция НК-180, боковым отбором со стриппинга К-4 -дизельная фракция, и с куба колонны -мазут.

В ходе разработки новой технологической схемы выполнен анализ существующей схемы рекуперации тепла и оценка эффективности теплового источника (печь П-1). На рисунке 2 представлена схема тепловых потоков до проведения реконструкции.

Блок подогрева сырья состоит из 5 теплообменников: Т-1/1,2 обогреваются парами бензина с верха колонны К-3, Т-2 - циркуляционным орошением колонны К-3, Т-3 -дизельным топливом отпарной колонны К-4 и Т-4 - мазутом с куба колонны К-3. Основные колонны К-1 и К-3 обогреваются за счет тепла горячей струи и основного потока, нагреваемых в печи П-1. Подогрев отпарных секций обеспечивается за счет тепла водяного пара (К-2) и мазута (К-4).

По результатам проведенного анализа были выявлены следующие ограничения:

- неудовлетворительная работа теплообменников блока нагрева сырья, обусловленная низкими скоростями среды как в трубном, так и межтрубном пространстве;

.-А1 Г+Щ] сы '—А

2

Тв

игл

4

а

А1

Я

П^А 17

^Г1 2

I

4

То

«Г^В

А с

1о АВСРЕР

СРЕИ Е> б

А1

'2

-Р

" 4

I

АВСРЕР

УТЦ 2

£

4

£

7

2

1 Т

РЕРй

4

Тр

А1

А

I > А1 1-*-А

АВСРЕРС

Сг

2

Тс

6

тг

4

Тр

вевер

Рис. 1 - Принципиальные технологические схемы установки переработки газового конденсата: до (а) и после (е) реконструкции, (б-д) рассматриваемые варианты реконструкции; А-пропан-бутановая фракция, А1-углеводородный газ; Б,С,С-бензиновые фракции; Е-керосин; Б-дизельное топливо; Е-мазут; 1,3,5 -

ректификационные колонны, 2,4,6 - отпарные колонны (стриппинги), Е-1 -рефлюксная ёмкость, С-сепаратор

- ввиду конструктивной особенности печи П-1, имеющей две радиантные камеры (для нагрева горячей струи 4-е горелки и основного потока 9-ть горелок) и одну общую конвекционную (нагрев основного потока), теряется возможность повышения температуры горячей струи, а также зависимость температурных режимов различных зон нагрева;

- плохая работы блока подогрева сырья, а также отсутствие запаса по нагреву горячей струи в печи П-1 приводит к нехватке тепла для нормальной работы колонны К-1, и как следствие содержание фракций выкипающих до 140°С в кубовом продукте достигает 22-28% об;

- использование в качестве нагрева отпарной колонный К-2 водяного пара при наличии рекуперационного тепла собственного производства приводит к увеличению эксплутационных затрат;

- попадание в колонну К-3 значительного количества фракций, выкипающих до 140°С, приводит к увеличению нагрузки колонны по паровой фазе и захлебыванию тарелок,

расположенных в нижней части колонны, что не дает возможности повысить температуру основного потока на выходе из печи П-1, тем самым внести больше тепла на блок подогрева сырья и улучшить качество разделения.

Для решения проблемы переработки сырья в представленном диапазоне (от легкого до тяжелого) фракционного состава, с возможностью получения продукции соответствующего качества, было принято решение о проведении реконструкции установки. Основной задачей стало создание «гибкой», эгнергетическивыгодной технологической схемы, устойчиво работающей во всем диапазоне состава сырья, поступающего на переработку. Исходя из ограничений, накладываемых существующей схемой, а именно её структуры, технических характеристик оборудования, были проработаны варианты реконструкции установки, представленные на рисунке 1.

Схема (б) предусматривает увеличение числа тарелок в верхней части колонны 3 (наращивание верхней части) с выводом керосиновой фракции и использованием для этих целей стриппинга 2 колонны К-1, а вывод дизельной фракции организован с использованием стриппинга 4. В предложенной схеме имеет место потеря пропан-бутановой фракции, что в свою очередь приводит к потере бензиновых фракций, которые улетучиваются вместе с газами, идущими из рефлюксной емкости Е-1. Кроме того, происходит снижение начала кипения фракции НК-140. Это является оправданным при переработке сырья с незначительным содержанием газов. Однако, при увеличении содержания газов в сырье до 19 % мас., как это предполагалось в базовом проекте, потеря бензиновых компонентов (фракции С5+) составит около 5 000 кг/час (40 000 т/год).

Вариант (в) предусматривает разделение исходного потока сырья в сепараторе С-1, осуществляемого путем однократного испарения: в паровой фазе присутствуют керосиновая и дизельная фракция, а в жидкой фазе - легкие компоненты. Всё это приводит к тому, что верхний погон К-3 требует дополнительной стабилизации, а кубовый остаток колонны К-1 дополнительно следует направлять на переработку. Доведение данных потоков до соответствующего качества потребует дополнительных энергетических затрат, что невозможно реализовать в объеме существующего оборудования.

Для уменьшения в мазуте фракций выкипающих до 360°С рассмотрена схема с установкой вакуумной колонны (схема г). В данной схеме режим работы колонны 1 (и соответственно 2) остается существующим, а режим колонны 3 меняется, поскольку предполагается отбор керосиновую фракцию с колонны 4. Дизельная фракция и мазут подаются в печь и далее направляются во вновь устанавливаемую вакуумную колонну 5, оснащенную регулярной насадкой. Реализация данной схема предполагает высокие капитальные затраты.

Вариант схемы (д) является достаточно эффективен при переработке тяжелого сырья, однако при переработке легкого сырья возрастающая паровая нагрузка колонны К-1 приведет к её захлёбыванию.

В результате проведенного анализа была выбрана схема, способная перерабатывать сырье в широком диапазоне фракционного состава (схема е). Схема тепловых потоков после реконструкции приведена на рисунке 3.

Основным решением, реализованным в новой технологической схеме, стала установка дополнительной ректификационной колонны К-5, предназначенной для стабилизации исходного газового конденсата. Обогрев куба вновь устанавливаемой колонны обеспечивается термосифонным испарителем Т-101 за счет тепла мазута колонны К-3.

С целью стабилизации качества продуктовых потоков колонны К-3 (бензина, дизельного топлива и мазута) реализован отбор керосиновой фракции через отпарную колонну К-6, куб которой обогревается мазутом колонны К-3.

Для обеспечения требуемой температуры исходного сырья, блок теплообмена дополнен теплообменником Т-100, который обогревается теплом потока бензина колонны К-2. Также выполнена переобвязка теплообменников Т-1/1,2: для интенсификации теплообменных

процессов параллельная схема работы теплообменников была изменена на последовательную, что позволило увеличить скорости потоков по трубному пространству Т-1/1 и Т-1/2

Для снижения эксплуатационных затрат на энергоносители, водяной пар, обогревавший колонну К-2, заменен циркуляционным орошением колонны К-3.

Т-1/ Т-1/

Газовый /Лч і /г\_2_

Рис. 2 - Схема тепловых потоков до реконструкции:

----- поток газового конденсата

---- поток бензиновой фракции

---- поток дизельного топлива

поток мазута

Фракция 80-180 0С от К-2

Пары бензина К-1

мары бензина

-------К-3--------

Т-4 •

I” Газовый !

Т-3

Дизельно

конденсат на питание К-5|

Мазут

е топлив!

Т-1/

2

-ас к-3

Циркуляцио

-101

К-1

"о-Ь5

ЦС К-Фрак3ия *80-180

С на обогрев Т>

100

.ЦС.

К-3

Горячая

Частично-отбензиненный

газовый конденсат

К-6

кероси—[

Т-6 4 Мазут I

J

ЧЄГі

Диз.

Мазут марки М-100----------------

^ таоу і иі .

Мазут от

' Т-102

К-2

иу*

К-5

Рис. 3 - Схема тепловых потоков после реконструкции

------ поток газового конденсата

------ поток бензиновой фракции

------ поток дизельного топлива

поток мазута

Расчетные параметры работы основного оборудования и качество получаемых продуктов, полученные в ходе моделирования технологической схемы установки, приведены в таблицах 2,3.

Таблица 2 - Параметры работы технологической установки до и после реконструкции

Параметр Ед. изм. До реконструкции После реконструкции

Проба 1 Проба 2 Проба 3 Проба 1 Проба 2 Проба 3

Стабилизационная колонна К-5

температура верха колонны 0С 54,9 52,4 47,6

температура в кубе колонны 0С 176,5 180,5 187,4

давление паров ПБФ в колонне кг/см2 6,0 6,0 4,8

Флегмовое число 3,9 3,4 6,5

Отбензинивающая колонна К-1

температура верха колонны 0С 54,4 53,8 99,7 115,0 118,0 110,0

температура на тарелке №10 0С 186,7 115,4 191,7 140,2 155 146,6

температура в кубе колонны 0С 211,8 215,3 2667,0 190,0 182,0 198,0

давление верха колонны кг/см2 7,0 7,0 7,0 2,1 2,2 2,1

Флегмовое число 7,4 8,6 13,9 2,7 2,5 4,9

Атмосферная колонна К-3

температура верха колонны 0С 145,7 145,7 165,0 147 143,7 146,0

температура на тарелке № 8 0С 185,1 184,8 190,4

температура на тарелке № 15 0С 207,1 207,8 232,7 238,9 234,1 260,8

температура в кубе 0С 337,0 338,6 366,2 360,2 355,1 355,8

давление в колонне (верх-куб) кг/см2 0,8 0,8 0,8 0,6-0,98 0,6-0,98 0,6-0,98

Флегмовое число 1,5 1,6 2,5 2,5 1,9 3,7

Таблица 3- Качество получаемых продуктов до и после реконструкции

Показатели Норма До реконструкции После реконструкции

Проба 1 Проба 2 Проба 3 Проба 1 Проба 2 Проба 3

Бензиновая фракция

Фракционный состав, °С:

н.к. не ниже 35 34,6 33,8 57,7 35,6 35,3 34,9

50% не выше 105 102,6 107,1 124,1 100,8 103,8 105

90% не выше 148 144,3 145,4 159,1 137,7 144,2 142,8

к.к не выше 180 179,8 176,7 195,5 179,8 177,2 172,3

Плотность, кг/м3 не выше 715 708,4 716,1 725,9 708,4 715 715

Дизельное топливо

Фракционный состав, °С:

50% не выше 280 240,5 242,5 245,2 260,2 262,0 280

96% не выше 360 345,2 344,2 356,6 358,2 345,5 357,0

Температура вспышки, °С не ниже 62 61,8 61,9 62,1 63,0 62,0 69,7

Плотность, кг/м3 не выше 860 793,2 800,3 799,6 801,1 806,6 813,2

Мазут

Температура вспышки, °С не ниже 90/110 109,5 107,9 114,6 110,0 110 110,2

Плотность при 20°С, кг/м3 910,8 913,8 934,9 912,1 912,4 929,1

Ке росин

Фракционный состав, °С:

10% 130-180 - - - 165,0 169,4 166,7

50% не ниже 190 - - - 182,6 189,6 190

90% не выше 270 - - - 212,8 218,9 232,7

98% не выше 280 - - - 252,3 257,5 274,8

Температура вспышки, °С не ниже 38 39,0 38,0 39,0

Плотность, кг/м3 не выше 820 758,5 766,9 767,0

В работах [3,4] определено, что суммарные капитальные затраты для разных вариантов схем при разделении одной и той же смеси близки, при этом для предварительных оценок при выборе оптимальной схемы разделения часто используют критерий минимума энергозатрат на разделение (минимум суммы тепловых нагрузок кубов колонн):

N

О =У О-

^сумм. / ;

¡=1

где N - число колонн в технологической схеме; О- — энергозатраты в кубе колонны, Гкал.

Выбранный критерий не учитывает дополнительных экономических затрат, связанных с использованием хладагентов для охлаждения дефлегматора колонны, затрат на перекачку жидкостей и т.д. Это накладывает определенные ограничения, тем не менее, выбранный критерий адекватно оценивает эффективность технологических решений.

Тогда для оценки энергетических затрат схемы до реконструкции можно использовать следующую формулу:

Осумм. = ОК-1 + ОК-2 + ОК-Э + ОК-4 .

Однако следует отметить, что данный критерий не учитывает возможность обогрева кубов колонн теплом обратных потоков. Это позволяет исключить количество тепла, идущего на обогрев данных колонн из общей формулы определения суммарных энергетических затрат.

На основании вышесказанного, с учетом того, что работа колонн К-1 (горячая струя) и К-3 (основной поток) обеспечивается теплом печи П-1, стриппинг К-2 обогревается водяным паром. Формула определения энергетических затрат до реконструкции можно представить в следующем виде:

Осумм. = ОК-1 + ОК-2 + ОК-Э .

В ходе реконструкции водяной пар колонны К-2 заменен на циркуляционное орошение колонны К-3 (тепло обратного потока), что позволяет исключить данную колонну из потребителей энергии после реконструкции.

Несмотря на то, что в ходе реконструкции устанавливается новая ректификационная колонна К-5, она не включается в перечень потребителей энергии, поскольку её работа обеспечивается теплом потока мазута собственного производства и не требуется внешнего подвода тепла.

В результате, в рассматриваемой технологической схеме после реконструкции единственным энергетическим источником остается тепло печи, идущее на обогрев колонн К-1 и К-3, и как следствие наиболее адекватным критерием оценки энергетической эффективности новой схемы можно считать тепловую нагрузку печи:

Осумм. _ ОК-1 ^ ОК-Э _ Опечь

Результаты расчётных исследований энергетических затрат на разделение технологической схемы до и после реконструкции представлены в Таблице 4.

Таблица 4 - Энергетические затраты на разделение технологической схемы до и после реконструкции

Потребитель Энергетические затраты на разделение, Гкал

До реконструкции После реконструкции

Проба 1 Проба 2 Проба 3 Проба 1 Проба 2 Проба 3

Колонна К-1 3,8539 3,4622 6,1143 2,5168 0,6585 1,54

Колонна К-2 0,9783 0,9112 0,0097 - - -

Колонна К-3 7,4698 7,9861 6,6466 8,3476 10,4556 10,6254

Итого суммарные энергозатраты: 12,302 12,3595 12,7706 10,8644 11,1141 12,1654

Удельные энергозатраты 0,1435 0,1442 0,149 0,1270 0,1299 0,1422

Как видно из таблицы 4, до реконструкции наибольшими энергетическими затратами облает вариант переработки тяжелого сырья. Энергетические затраты при переработке газового конденсата легкого и среднего состава очень близки.

Важно отметить, что данные, приведенные в таблице 4, соответствуют наиболее оптимально возможным результатам, как по технологическому режиму, так и по качеству

88

получаемой продукции, с учетом ограничений данной технологической схемы.

Согласно расчётным данным после реконструкции, так же как и до реконструкции, сохраняется зависимость увеличения энергетических затрат при переработке от лёгкого к тяжелому сырью.

Реализация новой технологической схемы позволила снизить энергетические затраты на 4,7-11,7 % в зависимости от состава перерабатываемого сырья. Это объясняется несколькими факторами:

1. Снижение флегмового числа колонны К-1, которая до реконструкции работала с высокими флегмовыми числами, обусловленных необходимостью отгонки незначительного количества пропан-бутановой фракции из исходного газового конденсата. Установка стабилизационной колонны К-5 позволила снизить флегмовое число колонны К-1. При этом на колонне К-5, аналогично колонне К-1 (до реконструкции) происходит отгонка пропан -бутановой фракции из исходного сырья, однако обогрев вновь установленной колонны К-5 обеспечивается не непосредственно теплом печи, а рекуперированным теплом мазута собственного производства, что позволяет не включать её в общий список потребителей энергии.

2. Исключение из перечня потребителей тепла колонна К-2, поскольку раннее используемый для подогрева куба колонны водяной пар заменяется на циркуляционное орошение колонны К-3.

На основании проведенных расчетных исследований и по результатам выбора окончательного варианта технологической схемы, в 2008 году была проведена реконструкция установки с реализацией всех принятых технических решений. По результатам эксплуатации установки после проведения реконструкции, можно говорить о создании «гибкой» технологической схемы переработки газового конденсата, отличающейся не только способностью перерабатывать сырье в широком диапазоне изменения фракционного состава, но и более низкими энергетическими затратами.

Литература

1. Александров, И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчёта и основы конструирования/ И.А.Александров. - 3-е изд., перераб. М.: «Химия», 1978. - 280 с., ил.

2. Бабынин, А.А. Реконструкция установки переработки газового конденсата/ А.А.Бабынин, А.И.Насибуллина, А.С.Шувалов, Х.Э.Харлампиди // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2010. - №5. -С.44-50.

3. Тимошенко, А.В. Создание энергосберегающих технологий разделения многокомпонентных смесей органических продуктов на базе тополого-графического анализа концентрационных областей оптимальности: дис.... докт. техн. наук: 05.17.04/ Тимошенко Андрей Всеволодович. - М., 2001. -298 с.

4. Оразова, Г.А. Схема переработки нефтей Кукмоль и Кенкияк по топливно-масляному варианту. // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2008. - № 2. - С.64-69.

© А. И. Насибуллина - сотр. КГТУ; А. С. Шувалов - сотр. КГТУ; Х. Э. Харлампиди - д-р хим. наук, проф., зав. каф. общей химической технологии КГТУ, kharlampidi@kstu.ru.