СПОСОБ ПЕРЕГОНКИ НЕФТИ
PROCEDURE FOR OIL REFINING

Изобретение относится к способам перегонки нефти и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности.
Известны способы перегонки нефти и других смесей в сложных колоннах, состоящих из основной колонны и нескольких отпарных колонн [1, 2]. Для создания парового потока в основной колонне нагретую в печах нефть подают в секцию питания колонны, где происходит ее частичное испарение. Для создания потока жидкости используют острое и промежуточные циркуляционные орошения. Для снижения парциального давления, снижения температуры в кубе колонны, создания парового потока ниже секции питания и соответственно увеличения выхода светлых нефтепродуктов в низ основной колонны подают перегретый водяной нар или другой инертный теплоноситель. Для создания парового потока в отпарных колоннах можно использовать различные способы. Теоретически возможно использовать нагрев кубового продукта отпарной колонны в печи или в теплообменниках-испарителях или использовать ввод перегретого инертного теплоносителя непосредственно в отпарную колонну.
Использование сложных колонн позволяет получить несколько фракций продуктов в одной ректификационной системе. Отпарные колонны предназначены для отделения низкокипящих компонентов из фракций нефтепродуктов, и для их нормальной работы необходимо создать паровое орошение. Нагревание кубового продукта отпарных колонн в печи приводит к ряду проблем. Происходит частичное термическое разложение продуктов и ухудшается качество продукции. Требуется усложнение конструкции основной печи или установка дополнительной печи. При использовании теплообменников-испарителей также требуется печь и высокотемпературный промежуточный теплоноситель, что существенно усложняет систему и увеличивает энергозатраты. Возможно использование в испарителях в качестве теплоносителя горячих потоков, например кубового продукта основной колонны (мазута). Однако коэффициент теплопередачи при передаче тепла от органической жидкости к кипящей органической жидкости сравнительно невелик и требуется теплообменник с большой поверхностью теплообмена. Кубовый остаток основной колонны используют для нагрева сырья или других потоков, и экономия тепла в отпарной колонне приводит к увеличению энергозатрат в других частях установки. Тепловой поток в печах или теплообменниках достаточно сложно регулировать. В куб основной колонны подают перегретый водяной пар, который обычно перегревают в основной печи. Использование этого пара в отпарных колоннах не требует дополнительного теплообменного оборудования, расход водяного пара сравнительно просто регулируется, водяной пар конденсируется в конденсаторах основной колонны и вода достаточно просто отделяется от нефтепродуктов, водяной пар взрывопожаробезопасен. Поэтому в большинстве случаев для создания парового орошения в отпарных колоннах используют подачу перегретого водяного пара.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ перегонки нефти в сложной ректификационной колоне, включающий подачу нагретой в печи нефти в секцию питания основной колонны, подачу перегретого водяного пара в низ основной колонны и в низ отпарных колонн, отбор кубового остатка, отбор паров дистиллята из верха колонны, совместную конденсацию паров нефтепродуктов и паров воды с последующим отдалением сточных вод, острое и промежуточные циркуляционные орошения, отбор жидкости в отпарные колонны, возврат паров из верхней части отпарных колонн в основную колонну [1, 2].
Процесс перегонки нефти имеет ряд особенностей. Отметим, что существует большая разность температур между верхом и низом основной колонны, расход паров и жидкости существенно изменяется по высоте колонны от тарелки к тарелке. Снизу вверх по колонне расход пара и жидкости увеличивается. Часть жидкости отбирают в отпарные колонны, а из отпарных колонн в основную колонну поступают дополнительные потоки пара. Меняется соотношение между расходом пара и жидкости, что влияет на эффективность процесса ректификации. Для уменьшения расхода пара и увеличения расхода жидкости используют промежуточное циркуляционное орошение. Для повышения эффективности разделения целесообразно использовать множество циркуляционных орошений, но на практике обычно используют циркуляционные орошения только в местах отбора жидкости в отпарные колонны. Использование водяного пара для создания парового потока в отпарных колоннах имеет ряд недостатков. Повышаются энергозатраты на перегонку и конденсацию, увеличивается нагрузка по пару в колоннах, снижается производительность колонн, образуется большое количество загрязненных сточных вод. В условиях колонны водяной пар не конденсируется и практически не растворяется в нефтепродуктах, то есть он является инертным агентом. Наличие инертного агента существенно влияет на тепломассообмен и снижает качество фракционирования. Количество подаваемого пара в колоннах атмосферной перегонки нефти может достигать 3,5% на исходное сырье, а объемная доля водяного пара в верху основной колонны часто превышает 50%. В основной колонне конденсация происходит при наличии водяного пара, а жидкость, подаваемая в отпарные колонны, практически не содержит воду. Чтобы достичь температуры кипения и обеспечить достаточно высокую долю отгона, отношение расхода водяного пара к расходу жидкости в отпарной колонне должно быть не ниже, чем в основной колонне. Долю отгона можно увеличить также за счет перегрева водяного пара, но теплоемкость водяного пара невелика, а перегрев водяного пара требует дополнительных затрат. Поэтому для достижения высокой доли отгона и обеспечения требуемого качества фракционирования расход водяного пара должен быть достаточно большим. Существует оптимальный расход водяного пара, превышение которого перестает давать ощутимый результат. То есть доля отгона, достигаемая при подаче водяного пара, ограничена, и это ограничивает возможность повышения качества фракционирования в отпарных колоннах.
Задачей изобретения является повышение производительности колонн, снижение энергозатрат, повышение качества фракционирования, уменьшение количества загрязненных сточных вод, а также увеличение отбора светлых нефтепродуктов.
Технический результат достигается тем, что в известном способе перегонки нефти в сложной ректификационной колонне, включающем подачу нагретой в печи нефти в секцию питания основной колонны, подачу перегретого пара в низ основной колонны, отбор кубового остатка, отбор паров дистиллята из верха колонны, совместную конденсацию паров нефтепродуктов и паров воды с последующим отдалением сточных вод, острое и промежуточные циркуляционные орошения, отбор жидкости в отпарные колонны, возврат паров из верхней части отпарных колонн в основную колонну, согласно изобретения для создания парового потока в отпарных колоннах используют пленочные испарители, в межтрубное пространство которых в качестве теплоносителя подают пары с нижележащих тарелок основной колонны, конденсат возвращают на тарелку отбора паров, не сконденсировавшуюся часть паров подают на вышележащую тарелку, а, в случае необходимости, в пленочный испаритель подают водяной пар в количестве, обеспечивающем требуемую производительность пленочного испарителя.
Технический результат достигается также тем, что для регулирования производительности пленочного испарителя используют изменение расхода конденсата из межтрубного пространства испарителя.
Технический результат достигается также тем, что регулирование расхода водяного пара в пленочный испаритель производят в зависимости от уровня конденсата в межтрубном пространстве пленочного испарителя.
Технический результат достигается также тем, что для создания парового потока в нижней или нескольких нижних отпарных колоннах в качестве теплоносителя в пленочных испарителях используют пары нефтепродуктов, получаемые в газосепараторе, в который подают часть нагретой в печи нефти, конденсат из пленочных испарителей возвращают в основную колонну, или в газосепаратор, или на вход печи, нефтепродукт из газосепаратора подают в секцию питания основной колонны или возвращают на вход печи.
Пары на тарелках, лежащих ниже тарелки отбора жидкости в отпарную колонну, имеют более высокую температуру и их можно использовать в качестве теплоносителя, подавая их в межтрубное пространство пленочного испарителя. Полная конденсация паров невозможна, так как в них содержатся пары воды и низкокипящие компоненты, и не сконденсировавшуюся часть паров возвращают в основную колонну на вышележащую тарелку. Гидравлическое сопротивление тарелки и гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве испарителя сопоставимы и движение паров в испаритель обеспечивается. Жидкость, подаваемая в отпарную колонну, при отсутствии водяного пара имеет сравнительно высокую температуру кипения, а в процессе ректификации в отпарной колонне температура кипения жидкости в кубе также повышается. В случае необходимости для снижения температуры кипения жидкости в трубах испарителя и обеспечения высокой производительности в испаритель подают водяной пар. Только в пленочных испарителях возможно обеспечить поступление водяного пара в теплообменные трубы, поэтому использование именно пленочных испарителей необходимо. Кроме того, в пленочных испарителях обеспечивается высокий коэффициент теплопередачи, и они обеспечивают высокую производительность при малом температурном напоре. Создание парового потока в отпарных колоннах за счет подвода тепла с помощью пленочных испарителей позволяет исключить или существенно уменьшить расход водяного пара в отпарных колоннах и соответственно в основной колонне. Уменьшение расхода водяного пара обеспечивает повышение производительности колонн, снижение энергозатрат, повышение качества фракционирования, уменьшение количества загрязненных сточных вод, а также позволяет снизить перепад давления в колонне. Снижение давления в кубе колонны позволяет увеличить отбор светлых нефтепродуктов. Снижение расхода водяного пара в отпарных колоннах позволяет несколько увеличить расход водяного пара в низ основной колонны и увеличить отбор светлых нефтепродуктов. Отбор паров из основной колонны, их частичная конденсация и возврат в колонну по существу играет роль промежуточного орошения, что снижает количество паров в колонне, повышает ее производительность, а также улучшает качество фракционирования. В качестве теплоносителя используются пары из самой основной колонны, причем тепло возвращается в колонну вместе с паровым потоком из отпарной колонны. То есть для работы отпарных колонн не требуется «внешних» источников тепла, что снижает энергозатраты в отпарных колоннах. Это также позволяет без увеличения энергозатрат увеличить количество отпарных колонн с получением большего числа узких фракций нефтепродуктов. Использование пленочных испарителей позволяет увеличить паровой поток и соответственно паровое число в отпарной колонне, что позволяет существенно повысить качество фракционирования. Для обеспечения качества фракционирования требуется регулировать производительность испарителя. Основное количество тепла в испарителе выделяется при конденсации паров, то есть расход конденсата характеризует его производительность. Меняя отбор конденсата из межтрубного пространства, можно регулировать производительность испарителя. При изменении отбора конденсата изменяется уровень жидкости в межтрубном пространстве испарителя и, соответственно поверхность теплообмена и производительность испарителя. В случае подачи водяного пара для обеспечения высокого технического результата целесообразно поддерживать минимальный расход водяного пара в пленочный испаритель. Высокий уровень жидкости в межтрубном пространстве пленочного испарителя свидетельствует о том, что разность температур теплоносителей велика и расход водяного пара в испаритель может быть уменьшен. То есть можно производить регулирование расхода водяного пара в пленочный испаритель в зависимости от уровня конденсата в межтрубном пространстве пленочного испарителя. Для снижения расхода водяного пара в отпарные колонны целесообразно использовать в качестве теплоносителя пары с максимальной температурой и малым содержанием не конденсирующихся компонентов. Наибольшую температуру в основной колонне имеют пары в секции питания, но вследствие подачи водяного пара их температура снижена и они содержат водяной пар, который в условиях межтрубного пространства пленочных испарителей не конденсируется. Поэтому использование этих паров в качестве теплоносителя для нижней или нескольких нижних отпарных колонн может оказаться мало эффективным. В качестве теплоносителя для пленочных испарителей отпарных колонн можно использовать пары, получаемые в газосепараторе, в который подают часть нагретой в печи нефти. Эти пары имеют значительно более высокую температуру и практически не содержат пары воды, то есть являются значительно более эффективным теплоносителем. Их использование позволит существенно снизить или даже полностью отказаться от подачи водяного пара в пленочные испарители, что способствует достижению заявленного технического результата. Конденсат из пленочных испарителей нижних отпарных колонн возвращают в основную колонну, или в газосепаратор, или на вход печи. При возврате в основную колонну создается дополнительное жидкостное орошение в колонне и повышается качество фракционирования. При возврате в газосепаратор более холодный конденсат контактирует с горячей нефтью и происходит его частичное испарение. Соответственно, увеличится количество паров, получаемых в газосепараторе, и пары будут содержать больше конденсируемых компонентов, что повысит эффективность пленочных испарителей. Отбор и конденсация части паров из нагретой нефти означают, что снижается общий теплоподвод в секцию питания основной колонны, что снижает отбор светлых нефтепродуктов. При возврате конденсата на вход печи он подвергается повторному нагреву, и подвод тепла увеличивается. Нефтепродукт из газосепаратора можно подать в секцию питания основной колонны. Доля отгона в газосепараторе сравнительно невелика, и такие параметры нефти, как плотность и вязкость, меняются незначительно, особенно в случае возврата конденсата в газосепаратор. Поэтому нефтепродукт из газосепаратора можно вернуть на вход печи и соответственно увеличить теплоподвод и отбор светлых нефтепродуктов.
На чертеже приведена схема установки, позволяющая осуществить способ перегонки нефти.
Нагретую в печи 1 нефть подают в секцию питания основной ректификационной колонны 2. В низ колонны 2 подают перегретый водяной пар. Из нижней части колонны 2 отводится кубовый остаток. Пары из верха колонны 2 попадают в конденсатор 3, где происходит совместная конденсация паров нефтепродуктов и паров воды и далее жидкость поступает в сборник дистиллята 4. Из сборника 4 часть продукта подается на острое орошение, часть отбирается в виде дистиллята, не сконденсировавшиеся газы отводятся на газопереработку, а отстоявшаяся загрязненная сточная вода отводится в систему очистки сточных вод. В колонне имеются промежуточные циркуляционные орошения 5. Через боковые погоны основной колонны 2 жидкость подают на верх отпарных колонн 6 и 7. Из нижней части отпарных колонн 6 и 7 жидкость подают в пленочные испарители 8 и 9 соответственно. В межтрубное пространство пленочного испарителя 8 подают пары из основной колонны 2, конденсат возвращают колонну 2 на тарелку отбора паров, а не сконденсировавшуюся часть паров возвращают на вышележащую тарелку. В пленочный испаритель 9 нижней отпарной колонны 7 подают пары из газосепаратора 10, в который подают часть нагретой в печи 1 нефти. Конденсат из испарителя 9 возвращают либо в колонну 2, либо на вход печи 1, либо в газосепаратор 10. Расход конденсата из межтрубного пространства пленочных испарителей 8 и 9 регулируют дозировочными насосами 11 и 12. Нефтепродукт из газосепаратора 10 подают либо в секцию питания колонны 2, либо возвращают в печь 1. В пленочные испарители 8 и 9, в случае необходимости, подают водяной пар в количестве, обеспечивающем требуемую производительность пленочных испарителей. Регуляторы 13 поддерживают минимально возможный расход водяного пара в пленочные испарители 8 и 9 в зависимости от уровня конденсата в межтрубном пространстве испарителей (уровнемеры условно не показаны). Создание парового потока в отпарных колоннах 6 и 7 за счет подвода тепла с помощью пленочных испарителей 8 и 9 позволяет исключить или уменьшить расход водяного пара в отпарных колоннах 6 и 7 и соответственно уменьшить расход водяного пара в основной колонне 2. Уменьшение расхода водяного пара обеспечивает повышение производительности колонн, снижение энергозатрат, повышение качества фракционирования, уменьшение количества загрязненных сточных вод. Пленочные испарители 8 и 9 позволяют увеличить расход паров в отпарных колоннах 6 и 7 и улучшить качество фракционирования в них. Исключение или снижение расхода водяного пара в отпарных колоннах 6 и 7 позволяет несколько увеличить расход водяного пара в низ основной колонны 2 и увеличить отбор светлых нефтепродуктов. Отбор паров из основной колонны 2 в пленочный испаритель 8, их частичная конденсация и возврат в колонну по существу играют роль промежуточного орошения, что позволяет снизить расход паров в основной колонне и повысить ее производительность, а также улучшает качество фракционирования. Для обеспечения качества фракционирования производительность испарителей 8 и 9 регулируют путем изменения отбора конденсата из межтрубного пространства испарителей с помощью дозировочных насосов 11 и 12. Для обеспечения минимального расхода водяного пара в пленочные испарители 8 и 9 используют регуляторы 13 и 14, регулирующие расход пара в зависимости от уровня жидкости в межтрубном пространстве пленочных испарителей. При возврате конденсата из пленочного испарителя 9 и нефтепродукта из газосепаратора 10 на вход печи 1 можно увеличить теплоподвод и соответственно отбор светлых нефтепродуктов. Таким образом, заявленный способ перегонки нефти осуществим и обеспечивает достижение заявленного технического результата, а именно: повышение производительности колонн, снижение энергозатрат, повышение качества фракционирования, уменьшение количества загрязненных сточных вод, а также увеличение отбора светлых нефтепродуктов. Отметим также, что данный способ перегонки нефти позволяет существенно уменьшить диаметр верхней части основной колонны и ее металлоемкость. Отметим также, что данный способ перегонки нефти может быть осуществлен путем сравнительно небольшой реконструкции существующих блоков атмосферной перегонки установок типа AT и АВТ.
Источники информации
1. Гуревич И.Л. Технология переработки нефти и газа. Часть первая. Изд. третье, перераб. и доп. М.: Химия, 1972. 360 с.
2. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа: Учебное пособие для вузов. Уфа: Гилем, 2002. 672 с.