Математическое моделирование и модернизация установки получения моторных и котельных топлив Сургутского ЗСК. Сообщение 4. Расчет дополнительной колонны К-5 для перегонки кубового остатка к-1

УДК 66.063.2

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ ПОЛУЧЕНИЯ МОТОРНЫХ И КОТЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ СУРГУТСКОГО ЗСК. СООБЩЕНИЕ 4. РАСЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ КОЛОННЫ К-5 ДЛЯ ПЕРЕГОНКИ КУБОВОГО ОСТАТКА К-1

Х.Н. ЯСАВЕЕВ, А.Г. ЛАПТЕВ, Н.Г. МИНЕЕВ, Е.Е. КОСТЫЛЕВА

Выполнены расчеты процесса разделения углеводородной смеси в дополнительной колонне К-5. Выбраны режимные и конструктивные характеристики колонны К-5 с основным оборудованием. Рассмотрены два варианта колонны К-5 -тарельчатый и насадочно-тарельчатый.

Данная статья является продолжением ряда сообщений, посвященных математическому моделированию процесса получения моторных и котельных топлив (сообщение 1) и модернизации аппаратурного оформления промышленной установки (сообщения 2, 3).

Анализ работы промышленной установки и проведенные расчеты показали необходимость выделения светлых нефтепродуктов из куба колонны К-1 УМТ. Это позволит решить экологическую проблему утилизации тяжелого остатка, а также обеспечит получение дополнительных фракций светлых нефтепродуктов.

Разгонку кубового остатка колонны К-1 предлагается выполнять в дополнительной вакуумной колонне К-5.

Номинальная производительность установки по сырью - 500000 т/год. Диапазон устойчивой работы принят в пределах 70-150% от номинальной производительности, что соответствует 43-94 т/ч по сырью.

Проектирование вакуумной колонны характеризуется рядом ограничений -перепадом давления и термической нестабильностью кубового продукта, а также низкой плотностью орошения в верхней части и высоким значением фактора пара. Все эти ограничения накладывают определенные требования к выбору типов контактных устройств и их конструктивных характеристик. Выбор типа контактных элементов невозможен без применения достоверного математического описания процесса вакуумной ректификации.

Математическое описание построено на основе известных законов сохранения импульса, массы и тепла с условиями термодинамического равновесия. Определение эффективности массообменных тарелок и насадок осуществляется по оригинальным математическим моделям, разработанным авторами. Отличительной особенностью данных моделей является возможность определения эффективности разделения смеси с привлечением только данных гидравлического исследования контактных устройств (перепада давления, задержки жидкости, уноса жидкости) [1-4].

Состав (ИТК - истинные температуры кипения) и характеристики были приняты по данным отчета ВНИИНП за 1997г. по исследованию образца кубового остатка колонны К-1 УМТ ЗСК.

Плотность кубового продукта К-1 - 870,9 кг/м3.

Кинематическая вязкость - 5,6 мм2/с.

© Х.Н. Ясавеев, А.Г. Лаптев, Н.Г. Минеев, Е.Е. Костылева Проблемы энергетики, 2003, № 5-6

Фракционный состав, % об.: НК - 110 оС,

до 200 - 11, до 3000С - 27.

ВНИИНП проведена атмосферная разгонка образца в аппарате АРН-2 по ГОСТ 110011-85 до температуры 400°С.

Приведены характеристики разной глубины отбора. Остатки

характеризуются низкими значениями вязкости и содержанием серы и относительно высокими температурами застывания. Содержание фракций с температурой кипения выше 5000С равно 12,4% масс. Также даны характеристики и результаты стандартной разгонки по Энглеру фракции с температурой кипения от 350-5000С.

Остаток с температурой кипения выше 4000С составляет 47,8% масс. В отчете ВНИИНП отсутствовали результаты разбиения на фракции ИТК остатка с температурой кипения выше 4000С. По аналитической интерпретации графической зависимости Эдмистера осуществлен перевод стандартной разгонки по ГОСТ 2177-82 в кривую ИТК по ГОСТ 110011-85.

Построена графическая зависимость ИТК от состава и проведено разбиение смеси на узкие фракции в интервале температур кипения 400-560°С. Представлен состав исходной смеси (ИТК) в интервале температур от НК до 560°С, который был принят в качестве сырья установки вакуумной ректификации кубового продукта К-1 УМТ ЗСК.

Анализ работы установки УМТ показал на необходимость разделения кубового продукта колонны К-1 и использования полученных фракций для различных целей [5-7].

Для разделения нефти и мазута широко используется схема однократного испарения, которая более выгодна, так как затраты энергии на разделение минимальны. Но данная схема не обеспечивает четкости разделения и наблюдается значительное наложение фракций. Поэтому для максимального извлечения из кубового остатка колонны К-1 предлагается схема полной колонны с двукратным испарением. Исходная смесь должна предварительно нагреваться в печи и поступать при заданной температуре. Для создания парового потока в исчерпывающей секции колонны и отпарки светлых нефтепродуктов низ колонны предлагается обогревать горячей струей. Водяной пар при данной схеме разделения не используется.

Для отгонки из кубового продукта светлых нефтепродуктов предлагается использовать вакуумную ректификацию. В качестве продуктов вакуумной колонны рассмотрено получение бензиновой фракции НК - 180°С, вакуумного газойля фракции - 180-340°С и кубового продукта - 340°С - КК.

Вакуумный газойль (фракция 180-340°С) может использоваться на УМТ в качестве сырья секции 200 ЛКС.

Наибольшие преимущества имеют колонны с комбинацией различных типов контактных устройств.

На основе выполненных расчетов разработанна технологическая схема вакуумной ректификации кубового продукта колонны УМТ (рис.1).

Рис.1. Технологическая схема вакуумной ректификациикубового продукта К-1 ЗСК

Нагретая исходная смесь подается на тарелку питания в парожидкостном состоянии. Доля пара в питании зависит от температуры нагрева смеси. С верха колонны отбирается пар и направляется в воздушные холодильники ХВ-1, где охлаждается до температуры 40°С и поступает самотеком в емкость Е-1. Из емкости Е-1 насосом Н-1 забирается жидкая фаза (бензиновая фракция) и возвращается в качестве острого орошения в колонну. Часть балансового количества бензиновой фракции по уровню в Е-1 забирается в качестве продукта-фракции НК - 180°С. В емкости Е-1 предусмотрена линия для связи с вакуумсоздающим устройством.

Фракция 180-340°С отбирается из колонны в виде бокового отбора выше зоны ввода сырья. Для обеспечения конца кипения фракции 180-340°С предусмотрено циркуляционное орошение (ЦО). Циркуляционное орошение выводится из колонны вместе с боковым отбором насосом Н-2, охлаждается в воздушном холодильнике и возвращается в колонну на тарелку, расположенную выше зоны отбора.

Для отпарки легких компонентов из кубового продукта вакуумной колонны обычно применяют перегретый водяной пар. Однако подача водяного пара в куб приведет к увеличению размеров колонны, при этом повысятся расходы на создание вакуума в колонне. При применении водяного пара будут обводняться продукты разделения колонны.

Для обогрева куба предлагается использовать “горячую струю”, которая создается за счет нагрева рецикла кубового продукта в печи П-5. Отбор фракции 340°С - КК производится по уровню в кубе.

Известно, что термическая стабильность нефти позволяет нагревать сырье до температуры 350-360°С.

Исходная смесь подается в среднюю часть колонны при температуре не выше 290°С. Это позволит снизить паровую нагрузку в зоне выше тарелки питания. Для создания парового потока в исчерпывающей части колонны и

отпарки легких фракций из кубового продукта в низ колонны предусмотрена подача “горячей струи”.

По результатам расчета в диапазоне нагрузок от 43 до 94 т/ч фактор паровой нагрузки исчерпывающей части колонны не ниже 0.85, в то же время, объемный расход жидкости при максимальной нагрузке достигает 240 м3/ч. Поэтому диаметр исчерпывающей части не уменьшается и конструктивно колонна выполнена одного диаметра. В качестве вакуумной колонны рассмотрены тарельчатый и насадочно-тарельчатый варианты аппарата.

Материальный баланс работы тарельчатого варианта вакуумной колонны в диапазоне нагрузок от 43 до 94 т/ч представлен в таблице 1.

Режимы работы колонны:

температура верха колонны - 89.77 0С;

температура куба - 355.38 0С;

давление в кубе - 323.9 + 359 мм рт. ст. (абс).

Таблица 1

Материальный баланс

Расход масс, кг/ч Температура, °С Объемн. расход, факт. м3/ч Объемн. расход, станд. м3/ч Давление (абс), мм рт. ст.

Входные потоки

Питание

Мин. 43893,36 290

Ном. 62704,8 290

Макс. 94057,2 290

Выходные потоки

Пар из колонны в холодильник

Мин. 41209.3 89.59 37476.63 228

Ном. 44769.443 89.79 40710.597 228

Макс. 60107.52 89.92 54656.666 228

Отбор дистиллята

Мин. 3296.744 40 4.48 4.38

Ном. 4712.573 40 6.4 6.26

Макс. 7071.473 40 9.6 9.39

Отбор фракции 180-340°С с 11-ой тарелки

Мин. 13148.57 168.56 18.03 15.7

Ном. 18467.19 168.01 25.33 22.07

Макс. 27709.57 168.8 38.04 33.12

Отбор куба

Мин. 27448.04 354.4 39.644 30.32

Ном. 39525.04 354.44 57.11 43.67

Макс. 59276.16 357.29 85.882 65.49

Тарельчатый вариант заключается в использовании двухпоточных ситчатых тарелок из просечно-вытяжного листа по ОН-26-02-30-66 с отбойниками (24 тарелки).

Гидравлическое сопротивление колонны при максимальной нагрузке составляет 132 мм рт. ст., унос с тарелок не превышает 7.5%.

Температура куба колонны, согласно расчетам, не превышает 357.3°С.

Качество питания и продуктов (расчетное) по ГОСТ 2177-82

Плот- ность, кг/м3, при 200С Температура выкипания, оС

2% об. 5% об. 10 % об. 30% об. 50% об. 70% об. 90% об. 95% об. 98% об.

Питание в колонну

870.89 143.63 170.8 200 306.18 376.24 462.41 525.34 534.45

Фракция НК-180

752.74 53 68 85 107 117 129 150 163.8 174.5

Боковой продукт

837.36 178.6 189.5 194 242 268.7 301.68 322 336 352.8

Кубовый продукт

905.34 348.9 363 368 403 454 497 531 538

Для снижения перепада давления рассмотрен комбинированный насадочно-тарельчатый вариант вакуумной колонны.

Комбинированные варианты использования различных типов контактных устройств в колоннах имеют определенные преимущества. Регулярные насадки могут работать при низких плотностях орошения и высоких значениях фактора пара, что характерно для вакуумных колонн. Насадки обладают сепарирующими свойствами и снижают брызгоунос. Современные нерегулярные насадки при малых переносах давления обеспечивают высокую эффективность разделения.

В верхней секции колонны размещен слой упорядоченной насадки высотой 4 м. В качестве насадочных элементов можно использовать как зарубежную, так и отечественную насадку, например типа “В1М”, совместно разработанную “Инжехим” и “Басет” или насадку 1ЯМ [8, 9]. Для перераспределения жидкости и пара, организации бокового отбора и циркуляционного орошения размещены ситчатые тарелки с отбойными элементами и распределитель жидкости в виде желоба. Ниже распределителя жидкости размещен второй слой насадки высотой 3 м. В качестве контактных устройств в этом насадочном слое можно использовать нерегулярную металлическую насадку. В качестве насадочных элементов предлагается отечественная насадка “Инжехим - 2000”[10]. Ниже слоя насадки высотой 3 м устанавливаются 7 двухпоточных ситчатых тарелок диаметром 3.6 м.

При применении комбинированного варианта колонны гидравлическое сопротивление при максимальной нагрузке снизилось на 30% по сравнению с тарельчатым вариантом и составило 91.7 мм рт. ст. Соответственно уменьшилась на 14,60С температура куба колонны, которая при данном варианте составляла 342.80С. Как следствие, повысилась термическая стабильность кубового продукта в вакуумной колонне.

Преимущества второго варианта: снижение температуры в кубе, меньший перепад давления и снижение уноса жидкой фазы.

Дополнительно рассмотрен вариант вакуумной колонны для получения фракции 180-240°С. Проведены технологические и гидравлические расчеты при подаче сырья из куба К-1 без дополнительного подогрева. Расход кубового

остатка составляет 40 м3/ч. Результаты гидравлического расчета показывают устойчивую работу контактных устройств при пониженной нагрузке по пару и жидкости.

В колонне предлагается дополнительно установить третий слой насадки высотой 3 м , две ситчатые тарелки из просечного листа с относительным свободным сечением 20% и распределительное устройство для жидкой фазы. Общая высота цилиндрической части колонны возрастет до 25,8 м.

Выводы

Наибольшее преимущество имеет тарельчато - насадочный вариант вакуумной колонны. Вверху колонны располагается секция с регулярной насадкой высотой 4 метра. Насадка из металлического листа предназначена для работы при низких плотностях орошения в вакуумных колоннах. Ниже секции с насадкой устанавливаются четыре тарелки из просечно-вытяжного листа, где организуется циркуляционный контур. Ниже циркуляционного контура - секция с нерегулярной насадкой высотой 3 метра.

Насадка изготавливается Инженерно- внедренческим центром «Инжехим» (г. Казань) и имеет стоимость ниже зарубежных аналогов.

В нижней части колонны устанавливаются 7 двухпоточных тарелок из просечно-вытяжного листа.

Работа тарельчато-насадочного аппарата колонны К-5 УМТ характеризуется меньшим перепадом давления (на 30%) и температурой куба (на 14,50С).

Дополнительная колонна обеспечит получение новых фракций из кубового продукта К-1 УМТ - НК-180 0С (верхний продукт); фракция 180-340 0С - боковой продукт; фракция >350 0С - кубовый продукт.

Рассматриваются варианты использования фракций НК-180 0С и 180-340 0С в технологической схеме УМТ и утилизация фракция > 350 0С.

Summary

The calculation of hydrocarbon mixture division process in K-5 additional column is made. Operating and constructive parameters of K-5 column with basic equipment are selected. Two versions of K-5 column - plate-type and packing-plate-type are considered.

Литература

1. Ясавеев Х.Н., Дьяконов С.Г., Лаптев А.Г., Данилов В. А. Определение ВЭТТ для насадочных колонн вариационным методом // Сб. научн. тр. «Тепломассообменные процессы и аппараты хим. технол.» Казань, 1998. - С. 10-17.

2. Дьяконов С.Г., Ясавеев Х.Н., Лаптев А.Г. Определение ВЭТТ для насадочных колонн при ректификации газового конденсата // Газовая промышленность. -1998. - № 10. - С. 20-22.

3. Ясавеев Х.Н. Математическое моделирование и расчет массообменных процессов в насадочных колоннах // Сб. трудов Междунар. конф. «Математические методы в химии и технологиях». В. Новгород, 1999. - С. 8385.

4. Дьяконов С.Г., Елизаров В.И., Лаптев А.Г. Теоретические основы и моделирование процессов разделения веществ. Монография. Казань: КГУ 1993.

5. Ясавеев Х.Н., Баглай В.Ф., Солодов П.А., Лаптев А.Г., Минеев Н.Г., Фарахов М.И. Вариант реконструкции установки получения моторных топлив на Сургутском ЗСК// Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии: Темат. сб. науч. тр. Вестника КГТУ, Казань, 1998.- С.4-10.

6. Ясавеев Х.Н., Баглай В.Ф., Солодов П.А., Лаптев А.Г., Минеев Н.Г., Фарахов М.И. Модернизация ректификационных колонн на установке получения моторных топлив// Тез. докл. У-й междунар. конф. По интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-99» Нижнекамск, 1999.- Т.2.- С.184-185.

7. Ясавеев Х.Н., Мальковский П.А., Баглай В.Ф., Ишмурзин А.В.,Солодов П.А., Лаптев А.Г., Минеев Н.Г., Фарахов М.И. Реконструкция колонны К-3 установки моторных топлив для получения сырья секции 100 ЛКС 35-64// «Тепломассообменные процессы и аппараты хим. технологии» Межвуз. темат. сб. научных тр., Казань, 2000.- С.8-13.

8. Дьяконов Г.С., Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Ясавеев М.Х. и др. Разработка новой нерегулярной насадки и ее гидравлические исследования // Межвузовский тематич. сб. научных трудов «Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии». Казань, 2000. -С.239-248.

9. Ясавеев Х.Н. Реконструкция дебутанизатора и изопентановой колонн на ГФУ с целью повышения эффективности процесса ректификации. Дисс....канд.техн.наук.- Казань, 1998.

10. Лаптев А.Г. Данилов В.А., Фарахов М.И. и др. Повышение эффективности узла щелочной очистки пирогаза в производстве этилена//Химическая промышленность.- 2001.- №10.-С.24-33.