Описание технологического процесса и работы технологической установки

Процесс ректификации предназначен для разделения жидких смесей на практически чистые компоненты или фракции, различающиеся температурой кипения.

Различают смеси из двух компонентов (бинарные), многокомпонентные и сложные (непрерывные). К сложным смесям относятся нефть и ее фракции.

Физическая сущность процесса ректификации заключается в двустороннем массо- и теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость – высококипящими компонентами. При определенном числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, а жидкость – из высококипящих компонентов.

На практике ректификация, как и всякий диффузионный процесс, осуществляется в противотоке пара и жидкости, что обеспечивает различие температур и неравновесность составов встречных потоков. Жидкое орошение при ректификации паров создается путем конденсации части парового потока в верхней части колонны, а паровое орошение при ректификации жидкости – путем испарения части жидкости в нижней части колонны.

Абсорбция – это процесс разделения газовых смесей путем избирательного поглощения отдельных компонентов смеси жидким поглотителем – абсорбентом. Физическая сущность процесса абсорбции заключается в молекулярной и конвективной диффузии вещества из газовой фазы в жидкую вследствие разности парциальных давлений извлекаемого компонента в контактирующих фазах. Различие парциальных давлений компонентов во встречных фазах обеспечивается противоточным движением газа и жидкости.

Когда парциальное давление компонента в газе становится меньше, чем в жидкости, начинается выделение его из жидкости, т.е. диффузия вещества из жидкой фазы в газовую. Такой процесс называется десорбцией.

В связи с тем что газовые смеси можно разделить как при помощи абсорбции, так и при помощи ректификации (после ожижения газовых смесей), выбор способа разделения определяется в основном технико-экономическим анализом конкретной схемы процесса.

Процессы ректификации и абсорбции осуществляются в аппаратах, технологическая схема которых зависит от назначения аппарата и давления в нем, а конструкция–от способа организации контакта фаз. Наиболее простое конструктивное оформление ректификационных и абсорбционных аппаратов применяется при движении жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести. В этом случае контактные устройства (тарелки) располагаются одно над другим и разделительный аппарат выполняется в виде вертикальной колонны. В промышленной практике известны также разделительные аппараты, выполненные в виде горизонтальной емкости. Подачу жидкости от одной ступени контакта к другой и отделение жидкости от пара или газа после контакта в этих аппаратах осуществляют при помощи вращающихся деталей, приводимых в движение от двигателя.

При ступенчатом осуществлении процесса ректификации или абсорбции в колонных аппаратах контакт пара и жидкости может происходить в противотоке (например, на тарелках провального типа), в перекрестном токе (например, на колпачковых тарелках) и в прямотоке (например, на струйных тарелках). Если процесс ректификации или абсорбции осуществляется непрерывно во всем объеме колонного аппарата, то контакт пара и жидкости при движении обеих фаз может происходить только в противотоке (например, в слое насадки).

Современные ректификационнные и абсорбционные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и внутреннего устройства, обеспечивающего контакт между паром и жидкостью.

По технологическому назначению ректификационные аппараты подразделяются на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, а также на колонны для ректификации газов, стабилизации легких нефтяных фракций и т.д.

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением.

В зависимости от внутреннего устройства различают аппараты тарельчатые, насадочные, пленочные и роторные (с вращающимися деталями). В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленностях в настоящее время наиболее широко распространены тарельчатые и насадочные колонны, в связи с чем в данной книге рассматривается расчет и конструирование только тарельчатых и насадочных колонн.

К современным ректификационным и абсорбционным аппаратам предъявляются следующие требования: высокая разделительная способность и производительность, достаточная надежность и гибкость в работе, низкие эксплуатационные расходы, небольшой вес и, наконец, простота и технологичность конструкции. Последние требования не менее важны, чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на величину эксплуатационных расходов, обеспечивают легкость и удобство изготовления аппарата (особенно при серийном изготовлении), монтажа и демонтажа, ремонта, контроля, испытания, а также безопасность эксплуатации и пр.

В настоящее время особенно важное значение приобретает надежность работы ректификационных и абсорбционных аппаратов остановок, производящих сырье для нефтехимических процессов, в связи с тем, что указанные установки стоят во главе целого нефтехимического комплекса, стоимость которого во много раз превышает стоимость самих установок. Кроме того, установки, производящие сырье для нефтехимических комплексов (например, этиленовые установки), строятся в начале и до освоения остальных комплексов работают не на полную мощность. Таким образом, оборудование указанных производств должно работать надежно в широком диапазоне изменения нагрузок–сначала при малых и затем при полных проектных нагрузках.

Кроме перечисленных выше требований ректификационные и абсорбционные аппараты должны отвечать также требованиям государственных стандартов, ведомственных нормалей и инспекции Госгортехнадзора.

Технологическая схема аппарата зависит от состава разделяемой смеси, требований к качеству получаемых продуктов, от возможностей уменьшения энергетических затрат, назначения аппарата, его места в технологической цепочке всей установки и от многих других факторов, учесть которые для однозначной рекомендации по выбору технологической схемы аппарата просто невозможно. Выбор технологической схемы зачастую производится интуитивно или на основе опыта промышленной эксплуатации, например, при разделении сложных смесей. Однако в большинстве случаев при выборе технологической схемы аппарата определяющими являются перечисленные выше факторы. Учитываются также известные схемы ведущих аппаратов различных установок. Это позволяет более обоснованно подойти к выбору технологической схемы вновь проектируемой колонны хотя бы в первом приближении. Следует отметить также, что правильный выбор технологической схемы вновь проектируемого аппарата или улучшение существующей схемы в целом ряде случаев позволяет получить более заметный эффект (улучшение качества продуктов, увеличение производительности аппарата, снижение энергетических затрат) по сравнению с тем, который дает применение новых конструкций внутренних устройств.

Для заданного разделения любой исходной смеси на две части применяется схема полной ректификационной колонны (простая колонна) (рис. 1–1, а). В таком аппарате сырье подается в середину колонны, дистиллят, обогащенный низкокипящими компонентами или фракциями, отбирается сверху, а остаток, обогащенный высококипящими компонентами или фракциями, – снизу колонны. Для создания жидкостного и парового орошений колонна имеет конденсатор вверху и кипятильник внизу.

Секция колонны, расположенная выше ввода сырья, называется концентрационной, или укрепляющей; секция, расположенная ниже ввода сырья, – отгонной, или исчерпывающей. Верхняя тарелка отгонной секции колонны, на которую поступает жидкая часть сырья, называется тарелкой питания.

Для выделения небольшого количества высококипящих или легкокипящих компонентов или фракций применяют неполные ректификационные колонны, укрепляющие и отгонные. В укрепляющую колонну сырье подается в паровой фазе под нижнюю тарелку, в отгонную – в жидкой фазе на верхнюю тарелку колонны.

В полных ректификационных колоннах или в отпарных колоннах наряду с подогревом или вместо него' в низ колонны подается водяной пар или инертный газ. В вакуумных и отпарных колоннах (рис. 1–2, а, в) водяной пар снижает парциальное давление паров продукта и способствует отпарке

легких фракций без значительного повышения температуры. В полных колоннах, работающих под атмосферным и повышенным давлением, водяной пар применяется для снижения температуры низа колонны или увеличения производительности подогревателя за счет повышения средней разности температур потоков.

При разделении многокомпонентных и сложных смесей на три и более фракции применяют несколько последовательно работающих колонн, одну сложную колонну либо сочетание простых и сложных колонн. Сложная колонна – это колонна с несколькими вводами питания или боковыми отборами продуктов по высоте.

При многоколонной схеме сырьем каждой последующей колонны могут служить как дистиллят, так и остаток предыдущей колонны. На рис. 1–3 в качестве примера показана схема разделения исходной смеси на четыре фракции тремя простыми колоннами; более тяжелые компоненты или фракции отбираются сверху последующей колонны.

Большое количество возможных вариантов разделения при многоколонной схеме, даже при сравнительно небольшом числе компонентов в смеси или небольшом количестве получаемых фракций сложной смеси, затрудняет определение оптимальной схемы разделения и приводит к необходимости использования электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Отметим, что для указанных целей вполне достаточно провести только статические расчеты разделения. В качестве первого приближения, а также для ускорения расчетного определения с помощью ЭВМ оптимальной схемы разделения можно рекомендовать следующие правила. В первых колоннах следует выделять наиболее летучие компоненты или легко – кипящие фракции при сравнительно небольшом содержании их в сырье. При значительном их содержании в сырье, например при разделении легких углеводородных газов методами абсорбции, с энергетической точки зрения выгоднее в первых колоннах выделять более тяжелые компоненты. Для промежуточных колонн рекомендуется применять схему, обеспечивающую минимальную чистоту промежуточных продуктов.

Предварительную оценку экономичности той или иной схемы разделения можно проводить по минимальному расходу тепла на разделение или по суммарному расходу паров, проходящих через колонны.

С подробным описанием и выбором многоколонной схемы разделения можно ознакомиться по специальной литературе.

Рассмотрим сложные ректификационные колонны, которые наиболее часто встречаются в схемах разделения нефти (установки АВТ) и широких фракций (установки каталитического крекинга и замедленного коксования).

В атмосферных колоннах для перегонки нефти (рис. 1–4, а) кроме верхнего и нижнего продуктов, например бензина и мазута, получают также несколько боковых погонов: лигроин, керосин и соляровый дистиллят. Каждый боковой погон, отбираемый из колонны, направляется в свою отгонную колонну, где происходит от – парка легких фракций. Таким образом, атмосферная колонна фактически представляет собой несколько простых колонн, объединенных в одну. Концентрационные части этих колонн расположены в одном корпусе, а отгонные части оформлены в самостоятельные отпарные колонны. При наличии в сложных колоннах одного верхнего орошения разные секции имеют различные паровые и жидкостные нагрузки и флегмовые числа. В связи с этим в каждой секции [10] либо в отдельных секциях создают самостоятельные циркуляционные орошения. Кроме перераспределения нагрузок и флегмовых чисел по высоте колонны, применение циркуляционных орошений позволяет улучшить энергетические показатели процесса за счет использования тепла этих потоков. Например, за счет регенерации тепла горячих потоков, и в том числе циркуляционных орошений атмосферных и вакуумных колонн установки АВТ, удается предварительно нагреть нефть до 160–170° С. Именно благодаря применению циркуляционных орошений установки АВТ характеризуются высоким коэффициентом использования тепла, который для современных укрупненных и комбинированных установок достигает приблизительно 7. Рассмотрим особенности технологической схемы вакуумной колонны для разделения мазута на широкую фракцию и гудрон. Для получения заданного качества целевой фракции колонна имеет три секции и два дополнительных боковых отбора; верхняя секция предназначена для выделения легких фракций, присутствие которых обычно нежелательно в основном продукте; секция, расположенная ниже отбора основного продукта, обеспечивает качество получаемого продукта по содержанию смолистых и нелетучих соединений.

В приведенной технологической схеме показан внешний переток жидкости из концентрационной части в отгонную. В вакуумных колоннах для перегонки мазута, а также в атмосферных колоннах для перегонки нефти подвод тепла в низ колонны ограничен возможностью изменения физико-химических свойств нефтепродуктов, поэтому все необходимое тепло вносится только с сырьем. В связи с этим ограничен также и отвод тепла с орошением, а следовательно, – возможность увеличения флегмового числа колонны. Дополнительный подвод тепла в колонну обеспечил бы дальнейшее увеличение качества получаемых продуктов. Один из возможных вариантов дополнительного подвода тепла в колонну осуществляется следующим образом [9, 11]: жидкость с нижней тарелки концентрационной части забирается насосом, подается в атмосферную колонну и далее – в печь, а затем уже в виде паров поступает в питательную секцию вакуумной колонны. Такое решение позволяет улучшить качество продуктов не только по фракционному составу, но и по цвету, поскольку продукт с нижней тарелки концентрационной части вакуумной колонны содержит наибольшее количество нелетучих и смолистых соединений.

При ректификации мазута на масляные дистилляты в вакуумных колоннах с обычными технологическими схемами [7] наблюдаются значительные налегания температур начала и конца кипения получаемых продуктов, что, однако, в. большинстве случаев удовлетворяет требованиям к их качеству, так как определяющими параметрами обычно являются не температуры кипения, а вязкость, температура вспышки и цвет продукта.

Улучшение качества продуктов современных схем вакуумной перегонки мазута, так же как и при атмосферной перегонке нефти, достигается применением выносных отпарных колонн с кипятильниками вместо подачи вниз отпарных колонн водяного пара.

При необходимости четкого разделения мазута без налегания соседних фракций и при сохранении прежних показателей по вязкости, температуре вспышки и цвету применяют двухступенчатую перегонку с давлением во второй ступени меньшим, чем в первой, и составляющим, например, 60 и 25 мм рт. ст. вверху колонн [9].

Сложные колонны установки каталитического крекинга предназначены для разделения широкой фракции обычно на три продукта: бензин, легкий газойль и. тяжелый газойль. Как и остальные сложные колонны, они кроме верхнего орошения имеют промежуточные циркуляционные орошения и от – парные колонны. Особенностью сложных колонн установок каталитического крекинга является наличие специальной секции с каскадными промывными тарелками над вводом сырья, с циркулирующей флегмой для охлаждения перегретых паров сырья, поступающих в колонну, и отмывки от катализаторной пыли. Для последующего отделения катализаторной пыли от жидкости нижняя часть колонны может иметь специальный отстойник.

Значительные изменения в технологические схемы ректификационных аппаратов внесены в связи с уменьшением энергетических затрат на разделение. Уменьшение энергетических затрат при ректификации достигается путем рационального использования тепла конденсации орошения, за счет уменьшения неравновесности встречных потоков в сечении ввода питания и уменьшения потерь, обусловленных термодинамической необратимостью. Рассмотрим наиболее интересные решения, осуществленные в таких энергоемких процессах, как разделение воздуха и углеводородных газов. Воздухоразделительный аппарат состоит обычно из двух колонн, соединенных между собой теплообменником. При давлении в верхней колонне, равном 5 ат, и в нижней 1,5 ат теплообменник одновременно выполняет роль конденсатора и подогревателя верхней и нижней колонн соответственно, что и позволяет использовать тепло конденсации орошения нижней колонны для создания парового потока верхней колонны. В нижней колонне воздух разделяется на жидкость, обогащенную кислородом, и пары азота с небольшим содержанием кислорода. В верхней колонне происходит дальнейшее извлечение азота из обогащенной кислородом смеси. В результате сверху аппарата отбирается азот, а сбоку – почти чистый кислород.

Разработан также воздухоразделительный аппарат, состоящий из трех колонн под давлением, соответственно 9,8; 5,6 и 0,7 ат, работающих по схеме, аналогичной описанной выше. В схеме на рис. 1–5, б показана также укрепляющая колонна для получения аргона.