Наложение нефтяных фракций при разделении мазута под вакуумом

УДК 665.63, 303.732.4

О. В. Капитонова, Э. В. Осипов НАЛОЖЕНИЕ НЕФТЯНЫХ ФРАКЦИЙ ПРИ РАЗДЕЛЕНИИ МАЗУТА ПОД ВАКУУМОМ

Ключевые слова: мазут, разделение фракций, вакуумная колонна, потенциал, кривая ИТК.

В статье описывается работа установки ЭЛОУ-АВТ-5 и результаты экспериментов, полученных при помощи УМП ChemCad. Результаты приведены в таблицах и сравниваются с базовым вариантом. В статье предлагаются возможные пути решения проблем, возникающих при перегонке мазута.

Keywords: fuel oil, a division of fractions, vacuum column, the potential curve of TBP.

This article describes the work of «ЭЛОУ-АВТ-5» and experimental results, obtained using the USP ChemCad. The results are shown in the tables and are compared to the baseline option. The article offers possible solutions to problems in the refining of fuel oil.

Введение

Мазут представляет собой смесь углеводородов (УВ), нефтяных смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов, а также гетероциклических и комплексных органических соединений.

Преобладающими элементами являются углерод (85-87 %) и водород (10-12 %), остальная доля приходится на серу, кислород, азот и металлы.

Проблемы, возникающие при вакуумной перегонке мазута:

1) нечеткое разделение фракций, происходит значительное наложение соседних дистиллятов по их температурам кипения;

2) унос гудрона в концентрационную секцию, в результате ухудшается качество вакуумного газойля (попадают металлоорганические соединения);

3) использование водяного пара как отпаривающего агента вызывает обводненность продуктов; возрастают энергозатраты на его производство (особенно если используются пароэжекционные вакуумные насосы, где он выступает как сжимающий агент);

4) малая глубина отбора;

5) из-за больших диаметров вакуумной колонны происходит неравномерное распределение жидкости по тарелкам.

Расчетная схема и методика проведения эксперимента

В настоящее время в составе установки ЭЛОУ-АВТ-5 эксплуатируется вакуумная колонна, предназначенная для разделения мазута с получением вакуумной дизельной фракции, вакуумных газойлей и гудрона в качестве остатка. С верха колонны выводятся вакуумная дизельная фракция, водяной пар и газы разложения. В низ колонны К-5 подается перегретый пар.

Для моделирования и оптимизации технологического оформления схемы вакуумной ректификации мазута в УМП ChemCad была синтезирована расчетная модель бока [1]. Данные таблиц 1 и 2 вносились в спецификацию модуля ректификационной колонны, адекватность результатов оценивалась путем сравнения полученных данных с регламентными данными.

Методика проведения численного эксперимента изложена в [2-6] в соответствии с рекомендациями программы [7].

Таблица 1 - Материальный баланс вакуумной колонны К-5

Компонент Расход, кг/ч

Вход

Мазут 192467

Газы разложения 419

Пар в колонну 1092

Выход

Парогазовая смесь 3347.2

Вакуумная дизельная фракция 15000.1

Легкий вакуумный газойль 43000

Тяжелый вакуумный газойль 67999.9

Гудрон 66394.7

Таблица 2 - Основные показатели технологического режима вакуумного блока

Аппараты и показатели Ед. изм. Значение

Температура мазута на выходе из печи П-2 °С 390

Температура верха колонны К-5 °С 80

Температура низа колонны К-5 °С 370

Давление верха колонны К-5 мм рт. ст. 40

Давление водяного пара кгс/см2 10

Температура водяного пара °С 200

Результаты и обсуждения

При идеальной разделяющей способности ВК из исходного нефтяного сырья должны выделяться целевые фракции, компоненты которых выкипают в строго определенном температурном интервале. Таким образом, при идеальном разделении мазута, в качестве продуктов должны получаться следующие

фракции: ВД (н.к. - 360 С); ЛВГ (360 - 420°С); ТВГ(420 - 520 °С); Гудрон (520°С - к.к.).

Однако, вследствие недостижимости идеальной разделяющей способности ректификационной колонны, в реальных условиях работы ВК компоненты, которые должны содержаться только в одной нефтяной фракции, перераспределяются между соседними целевыми фракциями. Это явление вызывает так называемое «наложение» фракций.

й-

fclljfyUHUH ДЛИИИИН1

Рис. 1 -Расчетные кривые ИТК при базовом варианте

На синтезированной расчетной модели проведен численный эксперимент по оценке «наложения» кривых ИТК целевых фракций по сравнению с кривой ИТК мазута. Согласно кривой ИТК исходного сырья (рис. 1), содержание в мазуте компонентов, выкипающих в определенном температурном диапазоне. Однако компоненты нефтяной смеси имеют свойство «наложения» по причине неидеальности разделяющей способности ВК. Это «наложение» продемонстрировано на рис. 1, из которого видно, что целевые фракции н.к.-360°С и 360-420°С распределены в вД, ЛВГ, ТВГ и гудроне. Таким образом, в ЛВГ содержатся высококипящие компоненты (360-420°С), а в ТВГ (420-520 °С). Этим и объясняется эффект «наложения» нефтяных фракций.

«Наложение» нефтяных фракций,

представленное на рис. 1, может быть получено только расчетным способом. На рис. 1 наблюдается отсутствие небольшого участка зависимости с обоих концов кривой ИТК для всех анализируемых продуктов. Это объясняется тем, что при разгонке нефтепродукта доля отгона фракции в области начала кипения получается завышенной, в области конца кипения - заниженной. Данное явление связано с особенностями аппаратурного и технического оформления.

В рамках совершенствования технологического оформления действующей схемы переработки мазута, изучено влияние режима работы вакуумного блока на распределение компонентов целевых фракций в продуктах. В качестве изменяемых режимных параметров выбраны:

• количество отбираемого ВД;

• количество отбираемого ЛВГ;

• количество отбираемого ТВГ.

Был проведен численный эксперимент при одном режиме работы ВК, при котором отбор целевых фракций был максимально приближен к

максимально возможному. Расчетные кривые ИТК мазута и целевых фракций приведены на рис. 2. При увеличении отбора концы кипения фракций приближаются к точке, которая соответствует потенциально возможному содержанию целевых фракций, однако концы кипения значительно отклоняются от точки конца кипения фракции.

J /

/

690 640 590 £ 540 I 490 | 440 Н 390 340 290

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.3 0.3 1 Доля отгона

—»—Мазут —- Вакуумный дистиллят А ЛЕ!Г

ТЕГ —w— Гудрон

Рис. 2 - Расчетные кривые ИТК при увеличении отбора продуктов

На рис. 3 содержание целевых фракций при базовом варианте переработке. Согласно расчетным данным, отбор ВД от потенциала составляет 34%, при этом содержание фракции <3600С составляет 90%, остальные 10% составляет фракция 360-4200С. Остальная часть фракции <360 распределена по ТВГ и ЛВГ (57% и 9% соответственно), при этом максимальный отбор достигается в ЛВГ.

к с. о ч к га m о о о га

100% 80% 460% -40% -20% 0%

т

ВД ЛВГ ТВГ Гудрон  НК-360 G 360-420  420-520  520-КК

Рис. 3 - Содержание целевых фракций при базовом варианте

На рис. 4 представлено содержание целевых фракций при увеличении отбора целевых фракций.

CL -fr 90% -

3 80% -

I ГС 70% -

& 60% -

X 50% -

40% -

ГО

* 30% -

CI 20% -

О 10%

0%

1 1 1 1 1 1 I

Г

-1 Г

ВД

Гудрон

Рис. 4 - Содержание целевых фракций при увеличении отбора

НК-360

520-КК

При увеличении отбора ВД фракция <3600С на 60% от потенциала отбирается в ВД, однако её содержание падает до 69%, при этом содержание 360-420 0С увеличивается до 26%, что приводит к снижению качества ВД. Аналогичную картину модно наблюдать и у других фракций.

Таким образом, при повышении отбора целых фракций до потенциально возможного, снижается содержание в них базовых компонентов, что приводит к ухудшению качества.

Заключение

На сегодняшний день нефть является одним из основных источников первичной энергии в мире. При этом ее потребление с каждым годом увеличивается. В то же время отмечается тенденция к использованию нефти в химической индустрии в качестве сырья. Это считается экономически более целесообразным и эффективным по сравнению с применением чистых углеводородов.

Ориентирование российской нефтепереработки на производство мазута и дизельного топлива при сравнительно небольшом выходе бензиновых фракций, во многом объясняется советским наследием: дешевая собственная нефть позволяла плодить самые примитивные

нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ), без процессов вторичной и третичной переработки, которых особо и не требовалось, ведь основным потребителем моторных топлив в СССР был грузовой транспорт.

Бурная автомобилизация страны в сочетании с постоянно растущим числом иномарок, вызвала быстрый рост спроса на более качественные бензины, дизельное топливо и моторные масла. Для успешного конкурирования с европейскими и американскими нефтяными компаниями и замещения импортных высокотехнологичных моторных масел, а также для удовлетворения возрастающего спроса на высококачественные моторные топлива, требуется модернизация большинства НПЗ России и увеличение глубины переработки нефти.

Предлагаемые пути решения указанных проблем:

1) снижение остаточного давления в верхней части вакуумной колонны (чем оно ниже, тем меньше нагрев сырья в вакуумной печи);

2) увеличение выхода вакуумных дистиллятов и четкости разделения;

3) замена водяного пара как испаряющего агента;

4) применение эффективных контактных устройств с малым гидравлическим сопротивлением;

5) обустраивать питательную секцию, чтобы не было уноса гудрона в укрепляющую секцию колонны.

В результате изменения выхода и увеличения объема переработки произойдет двукратное снижение выпуска мазута, увеличение выпуска бензина на 50%, а дизельного топлива — на 57%.

Литература

1. Осипов Э.В., Теляков Э.Ш., Капитонова О.В., Тукманов Д.Г. Проектирование установок АТ и АВТ с использованием универсальных моделирующих программ (УМП) // Вестник Казанского технологического университета. №16; 2014. - С. 100-105.

2. Э.В. Осипов, Л.Э. Осипова. Расчет эжекционной системы аспирации воздуха с помощью универсальной моделирующей программы Chem Cad // Вестник Казанского технологического университета. №9; Казан. гос. технол. ун-т. - Казань: КГТУ, 2014. - С. 221-223

3. Э.В. Осипов, Х.С. Шоипов, Э. Ш. Теляков. Реконструкция вакуумсоздающей системы (ВСС) колонны разделения мазута К-3 ТПП «Когалымнефтегаз» (ОАО «Лукойл - Западная Сибирь) // Вестник Казанского технологического университета. №3; 2014. - C. 209-212.

4. Э.В. Осипов, Х.С. Шоипов, Э. Ш. Теляков. Технологическое обследование вакуумной ректификационной колонны разделения мазута К-3 ТПП «Когалымнефтегаз» (ОАО «Лукойл - Западная Сибирь) // Вестник Казанского технологического университета. №21. 2013. - C. 283-286.

5. Э. В. Осипов, Е.А. Ефремов, Д.И. Кашифразов, Л.Э. Осипова. Влияние режимных параметров работы колонны разделения мазута на характеристику вакуумсоздающей системы // Вестник Казанского технологического университета. №20; 2014. - С. 259-261

6. Ефремов Р.А. Оптимизация технологического оформления схемы вакуумной ректификации мазута / Р.А. Ефремов, Э.В. Осипов, Э.Ш. Теляков // Материалы международной конференции Математические методы в технике и технологиях ММТТ-27 - Тамбов - 2014;

7. CHEMCAD Version 6 User Guide - Chemstations Inc., 2010.

© О. В. Капитонова - маг. каф. «Машины и аппараты химических производств» КНИТУ, kapitonova.1992@mail.ru; Э. В. Осипов - доц. той же кафедры, lipogi@mail.ru.

© O. V. Kapitonova - M.Sc. student of the department "Mechanical Engineering For Chemical Industry" KNRTU, kapitonova.1992@mail.ru; E. V. Osipov- ass. professor in the same department, lipogi@mail.ru.