БЛОК И АППАРАТ ИСПАРЕНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ И ДРУГИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СРЕД

Полезная модель относится к области подготовки нефти (в том числе тяжелой), мазута, нефтешламов, отработанных масел и других жидких углеводородных сред для дальнейшей переработки и может быть использована в производстве углеводородного топлива.
Технологические схемы переработки нефти имеют несколько вариантов. Существует полный технологический цикл, включающий в себя следующие основные производства: производство топлив, производство нефтехимической продукции, производство смазочных и специальных масел, производство присадок. Возможны специализированные варианты технологических схем: только топливная или только топливно-масляная (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., "Химия", 1988, с.13). Во всех вариантах в начале технологического процесса используются аппараты для предварительного испарения нефти. Предварительное испарение газа и основной массы бензина позволяет снизить давление на входе сырьевого насоса, разгрузить печь от нагрева легких фракций, снизить скорость паров и уменьшить диаметр основной ректификационной колонны. На крупных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) для этой цели используют ректификационные колонные аппараты.
В последнее время, в связи с тенденцией переработки нефти в месте ее добычи, возрастает спрос на НПЗ сравнительно малой производительности - 5-500 тыс. тонн по нефти в год и более. Используемые на крупных НПЗ колонные ректификационные аппараты достаточно дороги в изготовлении и эксплуатации. Поэтому, на стадии предварительного разделения нефти, целесообразно использовать более простые аппараты, например испарители (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., "Химия", 1988, с.23). Испаритель представляет собой цилиндрический емкостной аппарат. В нижней части его корпуса расположен встроенный трубчатый теплообменник. Во внутрь трубок теплообменника подают теплоноситель для нагрева продукта (нефти). Обычно в качестве теплоносителя используют водяной пар. Легкая часть нефти (бензиновая фракция) испаряется и отводится через верхний штуцер. Остаток нефти переливается через сливную пластину и выводится через соответствующий штуцер. Количество испарившейся части нефти зависит от температуры в аппарате, то есть от поверхности теплообменника и температуры теплоносителя. Поверхность теплообменника во время работы покрывается отложениями из нефти и условия теплообмена значительно ухудшаются. Этот процесс значительно ускоряется при повышении температуры теплоносителя. Поэтому аппараты такого типа имеют
ограничения с точки зрения интенсификации процесса испарения фракций нефти. Температура проведения процесса составляет 200-230°С. Этой температуре соответствует определенная испаряемая часть нефти.
В процессе кипения нефти и испарения фракций в удаляемой паровой фазе присутствуют капли жидкости. Для отделения их от газовой фазы предназначены сепараторы различной конструкции. Сепаратор располагают рядом с аппаратом испарения или для упрощения конструкции и эксплуатации его не используют.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении интенсификации процесса испарения фракций нефти с сохранением простоты конструкции в изготовлении и в эксплуатации, а также в увеличении глубины переработки жидкого углеводородного сырья и увеличении выхода светлых топливных фракций и продуктов нефтехимии. Под интенсификацией понимается увеличение производительности аппарата по нефти. Кроме того, в зависимости от дальнейшей технологической схемы переработки сырья в топливо, может появиться необходимость увеличить количественно испаряемой части нефти, то есть увеличить температуру процесса. Увеличение температуры проведения процесса также возможно с помощью заявляемой полезной модели.
Технический результат достигается тем, что в аппарате разделения, содержащем корпус, теплообменные устройства для испарения нефти и штуцеры ввода-вывода рабочих и продуктовых сред, теплообменные устройства сконструированы таким образом, что передача тепла от теплоносителя осуществляется не через разделительную стенку, а при непосредственном контакте теплоносителя и нефти. Это позволяет повысить эффективность теплообмена и, соответственно, скорость испарения низкокипящих фракций нефти. То есть повысить производительность аппарата. Кроме того, непосредственный контакт сред обуславливает интенсивный теплообмен. Результатом этого является: значительное увеличение скорости испарения и переход в паровую фазу углеводородов с температурой кипения выше, чем средняя температура общего потока обеих сред. Непосредственный контакт теплоносителя и нефти исключает образование отложений на поверхности теплообменника при повышенной температуре проведения процесса. Соответственно, температура проведения процесса испарения может быть повышена, при необходимости, с 200-230°С до 400-450°С и более, что позволяет проводить термический и термомеханический (с применением в аппарате кавитационной, звуковой и ультразвуковой обработки сырья на специальных устройствах, например гидродинамического типа) крекинг одновременно с испарением (разделением) нефти или другого углеводородного сырья. Это, в свою очередь, позволяет увеличить глубину переработки сырья и выход светлых (топливных) фракций и продуктов нефтехимии, снизить затраты энергии на единицу продукции и уменьшить количество и стоимость сложного технологического оборудования.
При использовании высокотемпературного теплоносителя становится целесообразным организовать контур его циркуляции, т.е. блок подготовки. Теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру: аппарат разделения (испарения) - печь нагрева теплоносителя - аппарат разделения (испарения). То есть теплоноситель выводят из аппарата через соответствующие штуцеры, подогревают в печи до необходимой температуры и через штуцер ввода подают опять в теплообменные устройства прямого нагрева, в которые подают и исходное сырье. В качестве теплоносителя возможно использование сред, несмешивающихся с нефтью, например, жидких металлов, высокотемпературных органических и газовых теплоносителей.
Схема блока подготовки показана на фиг.1. Обессоленная и обезвоженная (хотя бы частично) нефть или другое жидкое углеводородное сырье насосом 3 подается через теплообменники различной конструкции 5 и 6, например аппараты воздушного охлаждения АВО или рекуперативные теплообменники, через штуцер ввода в аппарат подготовки 2. Также в аппарат подготовки через штуцер ввода подается теплоноситель, циркулирующий по контуру с помощью насоса 4: аппарат подготовки 2, печь нагрева 1, в которой теплоноситель подогревается до нужной температуры, аппарат подготовки 2. В аппарате подготовки 2 происходит прямой нагрев исходного сырья теплоносителем за счет их непосредственного контакта в теплообменных устройствах прямого нагрева. Испарившиеся в аппарате разделения (испарения) легкие фракции нефти (полупродукты) подаются в парогазовом виде в рекуперативный теплообменник 6, в котором частично подогревается исходное сырье, затем в аппарат воздушного охлаждения 7 и в конденсатор 8, в котором окончательно охлаждаются до жидкого состояния и выходят из блока подготовки в виде широкой фракции дистиллятов, которая представляет собой в основном смесь бензиновых, керосиновых и дизельных фракций. Жидкая часть разделения (полупродукты), т.е. неиспарившаяся часть, которая по составу близка к гудрону, подается на рекуперативный теплообменник или АВО 5 и выходит из блока подготовки для дальнейшего использования.
Широкую фракцию дистиллятов (ШФД) можно реализовывать для дальнейшей переработки как высокопотенциальную дорогую нефть (содержание светлых топливных композиций - бензиновых, керосиновых и дизельных фракций примерно 90%), по составу близкую к газовому конденсату, или, достроив блок подготовки блоком получения товарных продуктов, фактически стандартным нефтеперерабатывающим заводом НПЗ (фиг.2, фиг.3, позиция 9) - блоками атмосферной или атмосферно-вакуумной трубчатки, блоком получения товарного бензина и дизельного топлива (гидроочистка, блок риформинга и т.д.) перерабатывать ее на месте подготовки. Причем блок подготовки может располагаться как непосредственно перед блоками атмосферной или атмосферно-вакуумной трубчатки (фиг.2), так и непосредственно после них (фиг.3). Если блок
подготовки располагается после атмосферной или атмосферно-вакуумной трубчатки (фиг.3) и на него подается горячий кубовый остаток (мазут), то его нагрев в печи может не применяться и мазут, минуя нагревательную печь, сразу подается в аппарат подготовки.
Жидкую часть, или остаток разделения (ОР), обедненный легкокипящими фракциями, можно реализовывать как сырье для производства битума, битумных эмульсий, покрытий и т.д., или, достроив блок битумным блоком (фиг.2, фиг.3, позиция 10), получать товарный битум на месте подготовки.
3
3
Перспективным является такой вариант блока, при котором полученные после аппарата разделения парогазовая часть и жидкая часть (полупродукты), при необходимости частично охлажденные, снова смешиваются на блоке смешивания (фиг.4, позиция 11). Полученная в результате «синтетическая» нефть содержит примерно в два и более раз больше топливных фракций, чем исходный продукт. Кроме того, если плотность исходной нефти 950 кг/м (API=17), то плотность "синтетической" нефти уменьшается до 850 кг/м (API=35), а кинематическая вязкость соответственно с 83 сСт до 6 сСт. В результате такой операции стоимость "синтетической" нефти значительно возрастает, ее легче транспортировать и перерабатывать. Особенно перспективен такой подход для удаленных от НПЗ и добывающих тяжелую и вязкую нефть предприятий, как, например, в Южной Америке, Канаде и в некоторых регионах России. Таким же образом можно переработать сравнительно дешевый мазут и еще более дешевые кубовые остатки в значительно более дорогую высокопотенциальную нефть. Возможны и другие варианты схем нефтеперерабатывающих производств с аппаратом разделения.
В случае, если тяжелый остаток и широкая фракция дистиллятов перерабатываются на месте, рекуперативные теплообменники 5 и 6, аппарат воздушного охлаждения 7 и конденсатор 8 могут в схеме блока подготовки не использоваться полностью или частично.
Аппарат испарения (разделения) для подготовки нефти, в том числе тяжелой, остатков нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, нефтешламов и других жидких органических сред (сырья) для дальнейшей переработки и получения товарных продуктов является основным аппаратом блока подготовки, без которого блок подготовки не может быть работоспособным.
Сущность работы аппарата разделения поясняется на фиг.5.
На этой фигуре приведена схема аппарата разделения. В аппарат через соответствующие штуцеры в теплообменные устройства - турбулентные динамические испарители (фиг.5, позиция 1) - непрерывно подают нефть и теплоноситель, где происходит их непосредственный контакт и смешивание. Из аппарата также через соответствующие штуцеры выводят: легкокипящие фракции нефти в виде парогазовой фазы (широкая фракция дистиллятов), остаток разделения нефти в виде жидкой фазы
(высококипящие фракции) и теплоноситель. Из сепаратора (фиг.5, позиция 2) уловленная жидкость сливается в нижнюю часть аппарата. Для улучшения каплеотделения из паровой фазы при ее отводе из корпуса аппарата сепаратор паровой фазы размещен в объеме корпуса аппарата. Уловленные капли коагулируют и жидкость стекает в нижнюю часть аппарата. Кроме того, размещение сепаратора в объеме аппарата разделения приводит к значительному уменьшению потерь тепла.
Теплоноситель из аппарата подается в печь нагрева и затем опять направляется в теплообменные устройства. Разделитель - отстойник (фиг.5, позиция 3) внизу аппарата разделения служит для отделения жидкой фазы разделения нефти от теплоносителя.
В качестве теплоносителя возможно использование сред, несмешивающихся с нефтью, например, жидких металлов, например, жидкого натрия, расплавленных солей, высокотемпературных органических и газовых теплоносителей, например, водяного пара, азота, гелия (Петухов Б.С., Генин Л.Г., С.А. Ковалев. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М., «Энергоатомиздат», 1986, с.22-23). Например, температура кипения натрия - 883°С при атмосферном давлении, т.е. натрий можно нагревать до 500-700°С при давлениях, близких к атмосферному, что превышает температуру, необходимую для проведения термического или термомеханического крекинга исходного сырья при углубленной его переработке, а низкое давление позволяет уменьшить стоимость оборудования и капитальные затраты.
Использование в качестве теплоносителя водяного пара, например как в способе термокрекинга гудронов с перегретым водяным паром (Конь М.Я., Шершун В.Г. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность за рубежом. Справочник. М., "Химия", 1986, с.124), имеет массу недостатков и широко в промышленности не используется. Для получения хороших результатов по разделению жидкого углеводородного сырья, массовое соотношение пара и смеси должно быть не ниже, чем 4:1, а лучше 5:1 и более. При промышленных расходах углеводородной смеси необходим большой паровой котел и перегреватель пара до 600-650°С, а при условии, что вода имеет аномально большую теплоту парообразования, это ведет к неоправданно большим затратам и потерям энергии. После разделения углеводородная парогазовая фаза содержит огромное количество водяных паров, в несколько раз превышающее количество углеводородной паровой фазы. Парогазовую фазу разделения с огромным количеством водяных паров нельзя сразу направить на ректификационную колонну. Приходится весь поток сконденсировать, при этом из-за большого наличия воды требования к теплообменному оборудованию резко возрастают, естественно увеличиваются тепловые потери. Затем охлажденную парогазовую фазу приходится отделять от воды. При этом возникает большое количество сточных вод, загрязненных органикой.
Использование в качестве газообразного теплоносителя азота, метана и других газов (в частности органических газов, получаемых, например, непосредственно в процессе реализации данного способа) с температурами до 650°С и высоким давлением имеет свои серьезные недостатки, хотя использование таких теплоносителей гораздо выгоднее, чем использование парового теплоносителя и дает хорошие результаты, особенно, если в качестве теплоносителя используется газ, получаемый непосредственно при разделении сырья по данному способу. При использовании газовых теплоносителей необходимы высокотемпературные и высоконапорные компрессоры, а это очень энергоемкое, дорогостоящее и недолговечное в эксплуатации оборудование. Кроме того, массовое соотношение газа и нефти для получения хорошего результата разделения должно быть 5:1. При таком соотношении возрастают требования к теплообменному оборудованию для конденсации парогазовой фазы разделения смеси углеводородов, увеличиваются его габариты и стоимость.
При работе с жидкими металлами и расплавленными солями имеются некоторые недостатки, например связанные с использованием насосного оборудования, проблем пусковых работ (перевод теплоносителя в жидкое расплавленное состояние) и т.д., хотя использование таких теплоносителей и позволяет получать хорошие результаты. Поэтому наиболее удобные и практичные в работе теплоносители - это высокотемпературные органические жидкости с высокой температурой начала кипения - остатки нефтеперерабатывающих производств, терфенильные и фторуглеродные смеси, перфторбензол и др. (Ю.М.Бабиков, Д.С.Рассказов. Органические и кремний-органические теплоносители. М., «Энергия», 1975, с.62-72).
С целью избежания вышеперечисленных недостатков, в данном способе предлагается, как основной и наиболее простой и оптимальный вариант, в качестве органического теплоносителя использовать тяжелый остаток разделения жидкого углеводородного сырья (жидкую фазу разделения), необходимая часть которого возвращается в начало процесса. Использование в качестве теплоносителя тяжелого остатка разделения (его не надо специально готовить или приобретать, он появляется в процессе реализации способа), который является высокотемпературным теплоносителем, позволяет увеличить рабочую температуру в аппарате разделения, интенсифицировать термический или термомеханический крекинг и, соответственно, увеличить глубину переработки и выход светлых продуктов выше их потенциального содержания в исходном сырье.
Перед началом процесса разделения нефти или другой смеси углеводородов готовят теплоноситель. Теплоноситель, который по существу является тяжелым остатком разделения, можно приготовить разными способами, например с помощью простого процесса однократного испарения смеси углеводородов. Наиболее простой способ, который и используется при работе блока и аппарата разделения (испарения), заключается в следующем. Необходимое количество смеси
углеводородов заливают в аппарат разделения. Из аппарата разделения смесь подают на нагреватель (печь) и возвращают обратно. При этом непрерывно отводят легкие фракции, накапливая тяжелый остаток разделения. При непрерывной циркуляции и определенной температуре тяжелый остаток через определенное время (параметры процесса зависят от состава исходного сырья) приобретает все свойства высокотемпературного теплоносителя. Контроль окончания процесса подготовки теплоносителя осуществляют путем определения физико-химических свойств и состава тяжелого остатка разделения. (При использовании других теплоносителей (газовых, жидкометаллических), этот предпусковой этап не нужен. Готовый теплоноситель нагревают при его циркуляции по контуру печь - аппарат разделения - печь, и при достижении необходимой температуры теплоносителя в аппарат вместе с теплоносителем подают сырье и начинают процесс, как указано ниже.)
Затем нефть (или другое сырье) и теплоноситель подают в турбулентный динамический испаритель (фиг.5, позиция 1), где происходит их непосредственный контакт и нагрев сырья. На выходе испарителя возникает парожидкостная смесь. Парогазовую фазу, содержащую в основном светлые (топливные продукты и продукты нефтехимии) фракции испарения и разделения нефти или другого углеводородного сырья, выводят из верхней части аппарата разделения на дальнейшую переработку, например по топливному варианту, или для другого использования. Часть жидкой фазы - остаток разделения выводят из штуцера внизу аппарата и направляют также для дальнейшей переработки, например для получения товарного битума, или для другого использования. Оставшуюся часть жидкой фазы - высокотемпературный органический теплоноситель - выводят из аппарата разделения и подают в печь на подогрев до нужной температуры, затем возвращают в начало процесса - в турбулентный динамический испаритель (фиг.5, позиция 1). Турбулентных динамических испарителей в одном аппарате может быть несколько. Сущность работы блока и аппарата разделения поясняется также на фиг.1-5. В случае использования в качестве теплоносителя высокотемпературных органических жидкостей, в частности тяжелого остатка разделения, разделитель - отстойник (фиг.5, позиция 3) внизу аппарата разделения используется для очистки теплоносителя от коксообразных частиц, которые могут возникать в процессе испарения и разделения нефти при высоких температурах, и других механических примесей.
Полезная модель реализована на стендовой установке. Далее представлены некоторые результаты процесса разделения (испарения), полученные на стендовой установке. Исходное сырье - нефть месторождений Ульяновской области. Эффект разделения: ШФД - 74% масс., ОР - 23% масс., выход газа - 3% масс. Укрупненный фракционный состав нефти и ШФД (в пересчете на исходную нефть с учетом коэффициента разделения) приведен в таблице.
ТаблицаРазгонка нефти и ШФД по ГОСТ 2177 (% объемные)
Параметры
н.к. °С
Отгоняется (в % об.) до температуры, °С
120
140
150
160
180
200
220
240
250
280
300
Исходная нефть
71
6,5
8,5
9,5
10
13
16
18
22
24
30
33
ШФД разделения нефти
57
16
24
29
34
42
51
60
67
70
78
84
С целью значительной интенсификации процесса испарения и разделения жидкой и парогазовой фазы поток углеводородов и высокотемпературного теплоносителя направляют на устройства разделения и увеличения межфазной поверхности потоков в аппарате разделения.
С целью оптимизации парогазовых и жидкостных потоков в аппарате разделения (испарения), более четкого отделения жидкой фазы от парогазовой и ректификации последней, в аппарат разделения встроены внутренние устройства типа ректификационных тарелок различной конструкции, колец Рашига, сеток и др.
Таким образом, конструкция блока и аппарата испарения (разделения) позволяет организовать его работу в длительном непрерывном режиме с увеличенной производительностью по нефти, в том числе тяжелой, остатков нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, нефтешламов и других жидких органических сред (сырья) при температуре проведения процесса в диапазоне до 400-450°С и выше, при этом происходит увеличение глубины дальнейшей, после блока подготовки, переработки в 1,5÷2 раза и более (в зависимости от состава исходного сырья). Соответственно увеличивается и выход наиболее ценных топливных композиций - бензиновых, керосиновых и дизельных фракций, а также продуктов нефтехимии.