Влияние режимных параметров работы колонны разделения мазута на характеристику вакуумсоздающей системы

УДК 621.522.3

Э. В. Осипов, Е. А. Ефремов, Д. И. Кашифразов, Л. Э. Осипова

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ КОЛОННЫ РАЗДЕЛЕНИЯ МАЗУТА НА ХАРАКТЕРИСТИКУ ВАКУУМСОЗДАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

Ключевые слова: вакуумсоздающие системы, вакуумная ректификация мазута, жидкостно-кольцевой вакуумный насос.

В статье описывается технологическое обследование вакуумной колонны разделения. Данные обследования были интегрированы в расчётные модели. По результатам расчёта были разработаны рекомендации по реконструкции вакуумсоздающей системы колонны.

Keywords: of vacuum systems, vacuum distillation of heavy fuel oil, liquid ring vacuum pump.

The article describes the technological survey vacuum column separation. Survey data were integrated into the calculation model. According to the results of calculation were developed recommendations for the reconstruction of vacuum system column.

Введение

Вакуумные ректификационные колонны получили широкое распространение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Ректификация под вакуумом связана с термическим воздействием на разделяемые смеси. Это воздействие, вследствие недостаточной термостабильности компонентов разделяемой смеси, приводит к их деструкции и образованию побочных продуктов. Использование вакуума позволяет снизить температуру процесса, и за счет этого уменьшить интенсивность нежелательных деструктивных процессов. В то же время углубление вакуума усложняет работу конденсационных узлов ректификационных установок и предъявляет специфические требования к герметичности оборудования [1].

Основными элементами ректификационной установки, работающей под вакуумом, является собственно ректификационная колонна, конденсационный блок и вакуумсоздающая система (ВСС). Связь между указанными элементами осуществляется по транспортным трубопроводам, характеристики которых заметно влияют на протекание технологического процесса. Таким образом, вакуумную ректификационную установку можно рассматривать как сложную химико-технологическую систему (СХТС) [2].

Экспериментальная часть

В данной работе в качестве объекта исследования выбран блок вакуумной ректификации мазута (рис. 1) установки первичной переработки нефти одного из нефтеперерабатывающих заводов России. Вакуумная часть установки состоит из:

• печи подогрева мазута;

• вакуумной колонны (ВК) для разделения мазута на масляные дистилляты и гудрон;

• системы, создающей вакуум в колоннах;

• системы регенерации тепла масляных дистиллятов и гудрона.

Поэлементное исследование системы является малоэффективным, поскольку все элементы системы обладают своими характеристиками, конкретные значения которых устанавливаются только в рамках интегративной характеристики СХТС. В настоящее время исследование подобных систем наиболее эффективно проводится в средах специальных моделирующих систем (например, в среде CHEMCAD, HYSYS и PRO/II) [3].

Рис. 1 - Принципиальная технологическая схема блока вакуумной переработки мазута. Обозначения аппаратов: К-5 - вакуумная колонна; Е-23, К-8, К-9 - стриппинги; П-2 - трубчатая печь; С-1 - сепаратор; А-10 - конденсатор вакуумный; В-1 - вакуумный насос

• печи подогрева мазута;

• вакуумной колонны (ВК) для разделения мазута на масляные дистилляты и гудрон;

• системы, создающей вакуум в колоннах;

• системы регенерации тепла масляных дистиллятов и гудрона.

Поэлементное исследование системы является малоэффективным, поскольку все элементы системы обладают своими характеристиками, конкретные значения которых устанавливаются только в рамках интегративной характеристики СХТС. В настоящее время исследование подобных систем

наиболее эффективно проводится в средах специальных моделирующих систем (например, в среде CHEMCAD, HYSYS и PRO/II) [3].

Пакет ChemCad обладает достаточно мощной базой для моделирования самых разнообразных процессов и аппаратов химической технологии, в том числе и ректификационных колонн. Однако специализированного модуля для расчета ВСС в пакете нет. В настоящее время в установках вакуумной ректификации в области вакуума 40 мм рт.ст. и выше наиболее перспективно использование в качестве ВСС гидроциркуляционных систем на базе или жидкостно-кольцевых вакуумных насосов (ЖКВН), или жидкостных эжекторов (ЖЭ). В обоих случаях в качестве рабочего тела используются дистиллятные продукты самих ректификационных колонн, имеющие максимальное термодинамическое сродство между рабочей жидкостью и откачиваемыми средами, поскольку они имеют одну и ту же физико-химическую природу. Поэтому возникает задача разработки специализированных модулей ВСС с использованием возможностей базы данных пакета ChemCad.

На основании вышеприведенной схемы (рис. 1) и данных технологического режима в среде программного комплекса CHEMCAD синтезирована расчетная схема блока вакуумной ректификации мазута (рис. 2). Цифры, заключенные в круглую рамку, характеризуют номера аппаратов, а заключенные в квадратные рамки - номера материальных потоков.

Трубчатая печь (аппарат 1) нагрева исходного сырья моделировалась при помощи модуля Fired Heater (FIRE), который рассчитывает тепловую нагрузку, необходимую для проведения процесса, и, следовательно, потребление топлива, требуемого для нагрева целевого потока до заданной температуры. Водяной пар (поток 2), подаваемый в змеевики печи П-2, и газы разложения (поток 4), образующиеся при термической деструкции мазута, подавались к основному сырьевому потоку 3 c помощью модуля Stream Mixer (MIXE) (аппарат 2). Модуль MIXE смешивает несколько входных потоков и выполняет расчет фазового равновесия адиабатически при заданном выходном давлении смесителя.

Моделирование вакуумной колонны (аппарат 3) в данной работе проведено с использованием модуля точного расчета колонны Tower Plus (TPLS), который позволяет проводить расчет массообмен-ных колонн любого типа. При этом боковые стрип-пинги, циркуляционное орошение, подача водяного пара в куб колонны и теплообменники на линии вывода боковых продуктов рассматриваются как часть модуля TPLS, и рассчитываются одновременно с основной колонной без выполнения рецикло-вых вычислений.

Расчет вакуумного конденсатора (аппарат 4) проводился при помощи модуля Heat Exchanger (HTXR). Данный модуль рассчитывает материальный и тепловой баланс конденсационного блока, и возможности программы позволяют провести поверочный расчёт теплообменного оборудования.

Вакуумный насос (аппарат 5) рассчитывался с использованием модуля MIXE. Сепаратор (аппарат 7) моделировался с использованием модуля Three Phase Flash (LLVF), который предназначен для точного расчета трехфазного равновесия системы жидкость-жидкость-пар. В аппарате 4 происходит разделение парогазовой смеси (ПГС) на три фазы: газы разложения, дизельная фракция, вода.

Рис. 2 - Модель блока вакуумной переработки мазута. Обозначения аппаратов (цифры в круглом обрамлении): 1 - трубчатая печь; 2, 6, 8 -смесители; 3- вакуумная колонна; 4 - вакуумный конденсатор; 5 - вакуумный насос; 7 - сепаратор

В рамках оптимизации технологического оформления действующей схемы переработки мазута, изучены следующие параметры СХТС:

1. Зависимость температуры верха колонны ТВ от количества отбора легкого вакуумного газойля (ЛВГ) ЬЛВГ (рис. 3);

2. Зависимость количества дизельной фракции (ДФ) ЬдФ от количества отбора легкого вакуумного газойля ЬЛВГ (рис. 4);

3. Зависимость количества дизельной фракции ЬдФ от температуры верха колонны ТВ (рис.

5).

ДФ и ЛВГ близки по фракционному составу и состоят из углеводородов (УВ), выкипающих в пределах 260-360 °С. Часть углеводородов, которая должна выводиться как ЛВГ, вследствие недостижимости условий конденсации в колонне, выводится в составе ДФ с верха вакуумной колонны. Повышение отбора на 2-ой тарелке ЛВГ приводит к увеличению концентрации в нем углеводородов, уходящих наверх К-5 в составе ДФ. Это, в свою очередь, вызывает снижение ТВ, и объясняется тем, что на 1-ую тарелку поступают более низкокипящие УВ, а УВ с более высокой температурой кипения концентрируются в ЛВГ. При последующем увеличении количества отбираемого ЛВГ, наблюдается закономерное понижение температуры верха колонны. Данная закономерность наглядно описывается зависимостью ТВ = У(ЬЛВГ) (рис. 3).

Распределение УВ между ДФ и ЛВГ характеризуется линейной зависимостью (рис. 4). Это означает, что количество ДФ, уходящей наверх колонны К-5, прямо пропорционально количеству отбираемого ЛВГ.

Увеличение температуры верха колонны приводит к повышенному уносу компонентов ДФ, входящих в ПГС, отходящей с верха колонны. ПГС поступает на откачку в ВСС через вакуумный конденсатор А-10. Большое содержание ДФ в ПГС создает дополнительную нагрузку на конденсатор А-10 и, следовательно, на ВСС. Данное явление описывается зависимость ЬдФ = /(ТВ) и представлено в графическом виде на рис. 5.

Рис. 3 - Зависимость температуры верха колонны от количества отбора легкого вакуумного газойля

Цв, 103 кг/ч

\

16 17 18 19

20

Распределение УВ между ДФ и ЛВГ характеризуется линейной зависимостью (рис. 4). Это означает, что количество ДФ, уходящей наверх колонны К-5, прямо пропорционально количеству отбираемого ЛВГ.

Увеличение температуры верха колонны приводит к повышенному уносу компонентов ДФ, входящих в ПГС, отходящей с верха колонны. ПГС поступает на откачку в ВСС через вакуумный конденсатор А-10. Большое содержание ДФ в ПГС создает дополнительную нагрузку на конденсатор А-10 и, следовательно, на ВСС. Данное явление описывается зависимость ЬдФ = /ТВ) и представлено в графическом виде на рис. 5.

Проведенный численный эксперимент показывает, что режим работы блока определяется температурой верха колонны, которая в свою очередь зависит от мощности ВСС. Оптимизация работы вывода ЛВГ поможет понизить нагрузку на ВСС и увеличит глубину создаваемого вакуума.

Количесвто циркуляционного орошения, подаваемого на 1-ую тарелку не оказывает заметного влияния на температуру верха, однако, для устойчивой работы вакуумной колонны на тарелке должно находится определенное количество жидкости, при котором не происходит провала жидкой фазы на нижележащую тарелку.

Синтезированная схема блока разделения мазута позволяет рассматривать отдельные свойства составных частей системы с учетом совокупных свойств всей системы, что позволит составить интегративную характеристику системы.

Литература

1. Э.В. Осипов, Х.С. Шоипов, Э. Ш. Теляков. Технологическое обследование вакуумной ректификационной колонны разделения мазута К-3 ТПП «Когалымнефте-газ» (ОАО «Лукойл - Западная Сибирь) // Вестник Казанского технологического университета. №21; Федер. агентство по образованию, Казан. гос. технол. ун-т. -Казань: КГТУ, 2013. - с. 283-286.

2. Э.В. Осипов, Э.Ш. Теляков, С.И. Поникаров, К.С. Са-дыков Реконструкция вакуумсоздающих систем отделения переработки отходов производства фенола-ацетона // Вестник Казанского технологического университета. №18; Федер. агентство по образованию, Казан. гос. технол. ун-т. - Казань: КГТУ, 2011. - с. 193201.;

3. Р.А. Ефремов, Ф.М. Сайрутдинов, Х.С. Шоипов, Э.Ш. Теляков Оценка выхода газов термического разложения мазутов из различных типов нефтей // Вестник Казанского технологического университета. 2013. № 2. С. 164-167.

21 22 23 L^ вг. 103 кг/ч

Рис. 4 - Зависимость количества дизельной фракции от количества отбора легкого вакуумного газойля

Увеличение температуры верха колонны приводит к повышенному уносу компонентов ДФ, входящих в ПГС, отходящей с верха колонны. ПГС поступает на откачку в ВСС через вакуумный конденсатор А-10. Большое содержание ДФ в ПГС создает дополнительную нагрузку на конденсатор А-10 и, следовательно, на ВСС. Данное явление описывается зависимость ЬдФ = /(ТВ) и представлено в графическом виде на рис. 5.

© Э. В. Осипов - к.т.н., доцент каф. МАХП, КНИТУ, eduardvosipov@gmail.com; Р. А. Ефремов - инженер-проектировщик III кат. монтажно-технологического отдела филиала ООО "Технопроект Синтез" в г. Уфа, Ruslan.A.Efremov@gmail.com; Д. И. Кашифразов - магистрант каф. МАХП, КНИТУ, ahmat_damir@mail.ru; Л. Э. Осипова - к.т.н., доцент каф. теплога-зоснабжения и вентиляции, КГАСУ, osipovalilija@mail.ru.

© E. V. Osipov - Ph. D., department "Mechanical Engineering For Chemical Industry" of KNRTU, eduardvosipov@gmail.com; R. A. Efremov - Design Engineer III Cat. Assembly and technology department, branch of "Technoprojekt Synthesis", Ruslan.A.Efremov@gmail.com; D. 1 Kashifrazov - M.Sc. student of the department "Mechanical Engineering For Chemical Industry" of KNRTU, ahmat_damir@mail.ru; L. E. Osipova - Ph. D., department "Heat and ventilation" of KSUAE, osipovalilija@mail.ru.