Ахметов С.А. Лекции по технологии глубокой переработки нефти в моторные топлива

Подождите немного. Документ загружается.

Лекция 11. Основное оборудование ректификационной

колонны

Классификация РК и их КУ. Применяемые в нефте-

и газоперераб. РК подразделяются:

1) по назначению:

— для АП и ВП нефти и мазута;

— ВПБ;

— стабилизации нефти, г. кон-тов, нестабильных бензинов;

— фракционирования нефтезаводских, нефт. и прир. газов;

— отгонки растворителей в процессах очистки масел;

— разделения продуктов ТП и КП перераб. нефт. сырья

и газов и т. д.;

2) по способу межступенчатой передачи жид-ти:

— с переточными устр-вами (с одним, двумя или более);

— без переточных устр-в (провального типа);

3) по способу организации контакта парогазовой и жидкой

фаз:

— тарельчатые;

— насадочные;

— роторные.

По типу применяемых КУ наиб. распространение полу-

чили тарельчатые, а также насадочные РК.

В РК применяются сотни разл. конструкций КУ, сущес-

твенно различающихся по своим характеристикам и техни-

ко-экон. показателям. При этом в экспл. находятся, наряду

с самыми совр. конструкция ми, КУ таких типов (напр., же-

лобчатые тарелки и др.), к-рые, хотя и обеспечивают полу-

чение целевых продуктов, но не могут быть рекомендованы

для совр. и перспективных произ-в.

При выборе типа КУ обычно руководствуются след. по-

казателями: произв-стью; гидравлическим сопротивлением;

КПД; диапазоном рабочих нагрузок; возможностью работы

на средах, склонных к обр-ю смолис тых или др. отложений;

мат-лоемкостью; простотой конструкции, удобством изго-

товления, монтажа и ремонта.

Чтобы легче ориентироваться во всем многообразии

имею щихся конструкций, на рис. 4.2 мы приводим класси-

фикацию КУ.

Рис. 4.2. Классификация КУ массообменных процессов

*  ñ íåðåãóëèðóåìûì, **  ðåãóëèðóåìûì ñå÷åíèåì êîíòàêòèðóþùèõ ôàç.

Êîíòàêòíûå óñòðîéñòâà

Òàðåëü÷àòûå

Ðîòîðíûå

Íàñàäî÷íûå

Ïðîòèâîòî÷-

íûå

Ïðÿìîòî÷-

íûå

Ïåðåêðåñòíî-

òî÷íûå

Ïåðåêðåñòíî-

ïðÿìîòî÷íûå

Íåðåãóëÿð-

íûå

Ðåãóëÿðíûå

Ðåøåò÷àòûå,

òðóá÷àòûå,

äûð÷àòûå,

âîëíèñòûå

è äð.

Âèõðåâûå,

öåíòðî-

áåæíûå

è äð.

*Ñèò÷àòûå,

ñèò÷àòûå ñ îòáîé-

íèêàìè, êîëïà÷-

êîâûå;

**ïåðåêðåñòíîòî÷-

íûå êëàïàííûå,

òå æå ñ áàëëàñòîì,

ñèò÷àòî-êëàïàííûå

S-îáðàçíûå

ñ êëàïàíàìè

è äð.

*Ñòðóéíûå,

ñòðóéíûå

ñ îòáîéíèêàìè

è äð.;

** ïåðåêðåñòíî-

ïðÿìîòî÷íûå

êëàïàííûå,

æàëþçèéíî-

êëàïàííûå,

ïëàñòèí÷àòûå,

áàëëàñòíûå

è äð.

Êîëüöà:

Ðàøèãà;

Ïàëëÿ;

ñåäëà:

Èíòàëëîêñ,

Áåðëÿ,

Èìïóëüñ

è äð.

Ãëè -Ãðèä,

Ïåðôîðì-Ãðèä,

Ñèò÷àòûå:

Çóëüöåð,

Ìàëòèôèë,

Ñïðåéïàê,

Ãóäëîó,

Ñòåäìàí,

ïàêåòíàÿ,

ðóêàâíàÿ

è äð.

ò÷

*  ñ íåðåãóëèðóåìûì, **  ðåãóëèðóåìûì ñå÷åíèåì êîíòàêòèðóþùèõ ôàç.

Êîíòàêòíûå óñòðîéñòâà

Òàðåëü÷àòûå

Ðîòîðíûå

Íàñàäî÷íûå

Ïðîòèâîòî÷-

íûå

Ïðÿìîòî÷-

íûå

Ïåðåêðåñòíî-

òî÷íûå

Ïåðåêðåñòíî-

ïðÿìîòî÷íûå

Íåðåãóëÿð-

íûå

Ðåãóëÿðíûå

Ðåøåò÷àòûå,

òðóá÷àòûå,

äûð÷àòûå,

âîëíèñòûå

è äð.

Âèõðåâûå,

öåíòðî-

áåæíûå

è äð.

*Ñèò÷àòûå,

ñèò÷àòûå ñ îòáîé-

íèêàìè, êîëïà÷-

êîâûå;

**ïåðåêðåñòíîòî÷-

íûå êëàïàííûå,

òå æå ñ áàëëàñòîì,

ñèò÷àòî-êëàïàííûå

S-îáðàçíûå

ñ êëàïàíàìè

è äð.

*Ñòðóéíûå,

ñòðóéíûå

ñ îòáîéíèêàìè

è äð.;

** ïåðåêðåñòíî-

ïðÿìîòî÷íûå

êëàïàííûå,

æàëþçèéíî-

êëàïàííûå,

ïëàñòèí÷àòûå,

áàëëàñòíûå

è äð.

Êîëüöà:

Ðàøèãà;

Ïàëëÿ;

ñåäëà:

Èíòàëëîêñ,

Áåðëÿ,

Èìïóëüñ

è äð.

Ãëè -Ãðèä,

Ïåðôîðì-Ãðèä,

Ñèò÷àòûå:

Çóëüöåð,

Ìàëòèôèë,

Ñïðåéïàê,

Ãóäëîó,

Ñòåäìàí,

ïàêåòíàÿ,

ðóêàâíàÿ

è äð.

ò÷

Применяемые не только в ректификационных, но и аб-

сорбционных и экстракционных процессах разделения сме-

сей тарельчатые КУ подразделяются:

— по способу организации относительного движения пото-

ков контактирующих фаз — на противоточные, прямо-

точные, перекрестноточные и перекрестнопрямоточные;

— по регулируемости сечения контактирующих фаз — на

та релки с нерегулируемым и регулируемым сечениями.

Насадочные КУ принято подразделять на нерегулярные

и регулярные.

Противоточные тарелки характ-ся высокой произв-тью

по жидкости, простотой конструкции и малой металлоемкос-

тью. Осн. их недостаток — низкая эффективность и узкий

диапазон устойчивой работы, неравномерное распределение

потоков по сечению колонны, что существенно ограничивает

их применение.

Прямоточные тарелки отличаются повышенной про-

изв-тью, но умеренной эффективностью разделения, повы-

шенным гид равлическим сопротивлением и трудоемкостью

изготовления, они предпочтительны для применения в про-

цессах разделения под давл.

К перекрестноточным типам тарелок, получившим

в перераб. нефти и газа преим. применение, относятся:

1) тарелки с нерегулируемым сечением контактирующих

фаз: ситчатые, ситчатые с отбойниками, колпачковые

с круглыми, прямоугольными, шестигранными, S-об-

разными, желобчатыми колпачками (рис. 4.3а–д);

2) тарелки с регулируемым сечением: клапанные с капсуль-

ными, дисковыми, пластинчатыми, дисковыми эжек-

ционными клапанами; клапанные с балластом; комб.

колпачково-клапанные (напр., S-образные и ситчатые

с клапаном) (рис. 4.3е–к) и др.

Перекрестноточные тарелки (за исключением ситчатых)

характ-ся наиб. разделительной способностью, поскольку

время пребывания жид-сти на них наиб. по ср. с др. типами

тарелок. К недостаткам колпачковых тарелок следует от-

нести низкую удельную произв-сть, относительно высокое

гидравлическое сопротивление, большую металлоемкость,

сложность и высокую стоимость изготовления.

Рис. 4.3. Типы нек-рых колпачков и клапанов:

колпачки: а — круглый; б — шестигранный; в — прямоугольный; г — желобчатый; д — S-образный; клапаны: е — прямоугольный;

ж — круглый с нижним ограничителем; з — то же с верхним ограничителем; и — балластный; к — дисковый эжекционный перекрест-

ноточный; л — пластинчатый перекрестно-прямоточный; м — S-образный колпачок с клапаном; 1 — диск тарелки; 2 — клапан;

3 — ограничитель; 4 — балласт

Ситчатые тарелки с отбойниками имеют относительно

низкое гид равлическое сопротивление, повышенную произв-

сть, но более узкий рабочий диапазон по ср. с колпачковыми

тарелками. Применяются преим. в ВК.

Клапанные и балластные тарелки получают в по следнее

время все более широкое распространение, особенно для ра-

боты в условиях знач. меняющихся скоростей газа, и посте-

пенно вытесняют старые конструкции КУ. Принцип дейст-

вия тарелок с клапанами различной формы состоит в том,

что свободно лежащий над отверстием в тарелке клапан

автоматически регулирует величину площади зазора между

клапаном и плоскостью тарелки в зависимости от газопаро-

вой нагрузки и тем самым поддерживает постоянной (в пре-

делах высоты подъема клапана) скорость газа и, следователь-

но, гидравличес кое сопротивление тарелки в целом. Высота

подъема клапана ограничивается высотой ограничителя

(кронштейна, ножки).

Балластные тарелки отличаются по устр-ву от клапан-

ных тем, что в них между легк. клапаном и ограничителем

установлен более тяжелый, чем клапан, балласт. Клапан на-

чинает приподниматься при небольших скоростях газа или

пара. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упи-

рается в балласт и затем поднимается вместе с ним. В рез-те

балластная тарелка, по ср. с чисто клапанной, знач. раньше

вступает в работу, имеет более широкий рабочий диапазон,

более высокую (на 15…20 %) эффективность разделения

и пониженное (на 10…15 %) гидравлическое сопротивле-

ние.

Более прогрессивны и эффективны, по ср. с колпачковы-

ми, комб. колпачково-клапанные тарелки. Так, S-образная та-

релка с клапаном работает след. образом: при низких скорос-

тях газ (пар) барботирует преим. через прорези S-образных

элементов, и при достижении нек-рой скорости газа вклю-

чается в работу клапан. Такая двухстадийная работа тарелки

позволяет повысить произв-ть РК на 25…30 % и сохранить

высокую эффективность разделения в широком диапазоне

рабочих нагрузок.

Перекрестно-прямоточные тарелки отличаются от пере-

крестноточных тем, что в них энергия газа (пара) используется

для организации направленного движения жид-сти по тарел-

ке, тем самым устраняется поперечная неравномерность и об-

ратное перемешивание жид-сти на тарелке и в рез-те повы-

шается произв-ть колонны. Однако эффективность контакта

в них несколько меньше, чем в перекрестноточных тарелках.

Среди клапанных тарелок нового поколения можно от-

метить дисковые эжекционные (перекрестноточные) и плас-

тинчатые перекрестно-прямоточные тарелки, внедрение

к-рых на ряде НПЗ страны позволило улучшить технико-

экон. показатели установок перегонки нефти (рис. 4.3к, л)*.

Эжекционная клапанная тарелка представляет собой по-

лотно с отверстиями (∅ 90 мм) и переливными устр-вами.

В отверстия полотна тарелок устанавливаются клапаны,

представляющие собой вогнутый диск (∅ 110 мм) с просеч-

ными отверстиями (каналами) для эжекции жид-сти, име-

ющий распределительный выступ для равномерного стока

жид-сти в эжекционные каналы. Клапаны имеют 4 ограни-

чительные ножки и 12 эжекционных каналов. Они изготавли-

ваются штамповкой из нержавеющей стали толщиной 0,8..1,0

мм. Масса клапана = 80…90 г (а капсульного с паровым про-

странством — 5…6 кг). При min нагрузках по парам клапаны

работают в динамическом режиме. При увеличении нагрузки

клапаны приподнимаются в пределе до упора ограничителей

и начинается эжекция жид-сти над клапанами, что способст-

вует более интенсивному перемешиванию жид-сти в надкла-

панном пространстве. Распределительный выступ на клапане

при остановке колонны способствует полному стоку жид-сти

с тарелки. Опытно-пром. испытания показали их высокие

экспл. достоинства: устойчивость и равномерность работы

в широком диапазоне нагрузок без уноса жид-сти; исключи-

тельно высокий КПД (≈ 80…100 %), высокая произв-сть, пре-

вышающая на ≈ 20 % произв-ть колпачковых тарелок, и т. д.

Сравнение эффективности нек-рых конструкций тарель-

чатых КУ приведено на рис. 4.4. Видно, что лучшими по-

казателями по гидравлическому сопротивлению обладают

ситчатые и S-образные тарелки с клапанами, а по КПД —

клапанная балластная и S-образная с клапаном.

* Разработаны и внедрены на Ново-Уфимском НПЗ.

Рис. 4.4. Зависимость КПД (η) и гидравличсекого сопротивления (Δ

) тарелок

нек-рых типов от F-фактора (

F ϖρ=

), где ω = скорость пара, ρ — плотн. пара.

Типы тарелок: 1 — из S-образных колпачков; 2 — ситчатая с отбойником; 3 —

клапанная перекрестно-прямоточная; 4 — S-образная с клапаном; 5 — клапан-

ная баластная; 6 — вихревая

Следует отметить, что универсальных конструкций та-

релок не существует. При выборе конкретного типа тарелок

следует отдать предпочтение той конструк ции, осн. (не обя-

зательно все) показатели эффективности к-рой в наиб. степ.

удовлетворяют требованиям, предъявляемым исходя из

функционального назначения РК. Так, в вакуумных РК пред-

почтительно применение КУ, имеющих как можно меньшее

гидравлическое сопротивление.

Насадочные колонны применяются преим. в малотон-

нажных произв-вах и при необходимости проведения мас-

сообменных процессов с малым перепадом давл.

К насадкам предъявл. след. осн. требования: большая

удельная поверхность; хорошая смачиваемость жид-стью;

малое гидравлическое сопротивление; равномерность рас-

пределения жидких и газовых (паровых) потоков; высокие

хим. стойкость и мех. прочность; низкая стоимость.

Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным

требованиям, не существует, поскольку нек-рые из требо-

ваний противоречивы. При нормальной экспл. насадочных

колонн массообмен происходит в осн. в пленочном режиме

на смоченной жид-стью поверхности насадок. Естественно,

чем больше удельная поверхность насадки, тем эффективнее

массообменный процесс. Однако насадки с высокой удель-

ной поверхностью характ-ся повышенным гидравлическим

сопротивлением. В хим. пром-сти и нефтегазоперераб. при-

меняют разнообразные по форме и размерам насадки, из-

готавливаемые из разл. мат-лов (керамика, фарфор, сталь,

пластмассы и др.) (рис. 4.5).

Осн. недостаток нерегулярных (насыпных) насадок, ог-

раничивающий их применение в крупнотоннажных произ -

в-вах, — неравномерность распределения контактирующих

потоков по сечению аппарата. Регулярные насадки, изготав-

ливаемые из сетки, перфорированного метал. листа, много-

слойных сеток и т. д., обеспечивают более однородное, по ср.

с традиционными насадками из колец и седел, распределе-

ние жид-сти и пара (газа) в колоннах. Они обладают исклю-

чительно важным достоинством — низким гидравлическим

сопротивлением — в пределе до 1…2 мм рт. ст. (130…260 Па)

на 1 теор. тарелку. По этому показателю они знач. превос-

ходят любой из типов тарельчатых КУ. В этой связи в пос-

ледние годы за рубежом и в нашей стране начата широкая

науч.-иссл. разработка самых эффективных и перспективных

конструкций регулярных насадок и широкому применению

их в крупнотоннажных произв-вах, в т. ч. в таких процессах

нефтеперераб., как вакуумная и ГВП мазутов. На НПЗ ряда

развитых капиталистических стран ВК установок перегон-

ки нефти в наст. время оснащены регулярными насадками,

что позволяет обеспечить глубокий вакуум в колоннах,

существенно увеличить отбор ВГ и достичь t

к.к.

до 600 °С.

КВСС. Заданная глубина вакуума в ВК создается с по-

мощью КВСС установок АВТ путем конденсации паров,

уходящих с верха колонн, и эжектирования неконденсирую-

щихся газов и паров (в. п., Н

S, СО

, легк. фр-и и продукты

термического распада сырья и воздух, поступающий через

неплотности КВСС).

Рис. 4.5. Типы насадок:

кольца: а — Рашига; б — Лессинга; в — Паля; седла: г — Берля; д — «Инталлокс»; ситчатые и из перфорированного метал. листа:

е — «Спрейпак», ж — Зульцер; з — Гудлоу; и — складчатый кубик; к — Перформ-Грид

100

КВСС совр. установок АВТ состоит из системы кон-

денсации, системы вакуумных насосов, БТ, газосепаратора

и сборника конд-та.

Для конденсации паров на практике применяются след.

два способа:

1) конденсация с ректификацией в верхней секции ВК по-

средством:

— верхнего ЦО;

— ОО;

2) конденсация без рект-ии вне колонны в выносных конд-

торах-холодильниках:

— поверхностного типа (ПКХ) теплообменом с водой или

воздухом;

— баром. типа (БКС) смешением с водой или газойлем, вы-

полняющим роль хладоагента и абсорбента;

— в межступенчатых конд-торах, устанавливаемых непос-

редственно в ПЭК, — водой.

Для создания достаточно глубокого вакуума в колонне

не обязательно использование одновр. всех перечисленных

выше способов конденсации. Так, не обязательно включение

в КВСС обоих способов конденсации паров с рек тификацией

в верх ней секции колонны: для этой цели вполне достаточно

одного из них. Однако верхнее ЦО знач. предпочтительнее

и находит более широкое применение, поскольку по ср. с ОО

позволяет более полно утилизировать тепло конденсации па-

ров, поддерживать на верху ВК оптимально низкую t в пре-

делах 60…80 °С, тем самым знач. уменьшить объем паров

и газов. Из способов конденсации паров без рект-ии вне ко-

лонны на установках АВТ старых поколений применялись

преим. БКС, характеризующиеся низким гидравлическим со-

противлением и высокой эффективностью теплообмена, кро-

ме того, при этом отпадает необходимость в использовании

газосепаратора. Сущест венный недостаток БКС — загрязне-

ние нефтепр-том и серов-дом оборотной воды при использо-

вании последней как хладоагента. В этой связи более перс-

пективно использование в кач-ве хладоагента и одновр. аб-

сорбента охлажденного ВГ. По экологическим требованиям

в КВСС совр. высокопроизводительных установок АВТ, как

правило, входят только ПКХ в сочетании с газосепаратором.