Содержание к диссертации
Введение
1. Современный подход к исследованию и интенсификации процессов первичной перегонки углеводородного сырья 5
1.1. Фракционный состав и методы его определения и представления 5
1.2. Принципы технологического расчета ректификационных аппаратов 9
1.3. Способы оптимизации режима перегонки углеводородного сырья 13
1.4. Смешение нефтей и газовых конденсатов 20
1.5. Интенсификация первичной перегонки углеводородного сырья 23
Выводы к главе 1 30
2. Исследование процессов фракционирования индивидуального и смесевого углеводородного сырья 32
2.1. Метод интенсификации первичной перегонки смесевого сырья за счет рационального смешения его компонентов 32
2.2. Метод интенсификации первичной перегонки индивидуального сырья за счет его внутреннего потенциала 52
2.3. Расчет погрешности эксперимента 72
Выводы к главе 2 74
3. Разработка метода оптимизации определяющих параметров ректификации на основе экономических критериев 75
3.1. Технико-экономический подход к оптимизации параметров первичной перегонки на стадии проектирования 77
3.2. Технико-экономический подход к оптимизации параметров первичной перегонки на стадии эксплуатации установки 84
Выводы к главе 3 86
4. Влияние глубины отбора ректификата в отбензинивающеи колонне на материальный баланс установки первичной перегонки 87
Выводы к главе 4 100
5. Технические решения по оптимизации двухколонной схемы для работы на двух сильно отличающихся видах сырья 101
5.1. Анализ особенностей фракционного состава перерабатываемого сырья 102
5.2. Технология интенсификации переработки индивидуального сырья на двухколонной установке 109
5.3. Определение оптимального состава смесевого сырья при совместной перегонке оренбургской и тихорецкой нефтей 115
5.4. Расчет экономического эффекта от реализации принятых решений 125
Выводы к главе 5 128
Общие выводы 129
Литература 131
Приложение 143
- Способы оптимизации режима перегонки углеводородного сырья
- Метод интенсификации первичной перегонки индивидуального сырья за счет его внутреннего потенциала
- Технико-экономический подход к оптимизации параметров первичной перегонки на стадии проектирования
- Анализ особенностей фракционного состава перерабатываемого сырья
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время практически все нефтеперерабатывающие заводы работают на сырье, состав и свойства которого отличаются от проектного. На производстве имеет место изменение как качества, так и количества сырья, поступающего на переработку. Причинами изменения состава сырья являются истощение крупных нефтяных и газоконденсатных месторождений, вследствие чего для обеспечения проектной производительности в сырьё вовлекают дополнительные потоки нефти или газового конденсата; ретроградные изменения в пластах по мере разработки месторождений; отбор на переработку нефтяной смеси переменного состава из единой транспортной трубопроводной сети.
Анализ работы действующих установок и научных данных показывает, что выходы целевых фракций при изменении состава сырья меняются неаддитивно. Однако отсутствуют какие-либо общие выявленные закономерности и конкретные рекомендации по определению количественных и качественных изменений в процессе совместной перегонки различных видов сырья.
Современная тенденция переработки смесевого сырья (нефтяного, газоконденсатного и нефтегазоконденсатного) обуславливает важность изучения влияния состава сырья и основных параметров фракционирования на результаты первичной перегонки и использования выявленных закономерностей для интенсификации процесса ректификации.
Изучение этих вопросов будет способствовать созданию нового подхода к первичной переработке, гарантирующего заданную глубину отбора целевых фракций и четкость погоноразделения при значительных колебаниях состава сырья, что является важной и весьма актуальной научно-прикладной задачей.
Цель работы Исследование закономерностей изменения потенциального содержания узких фракций при изменении состава смесевого сырья, разработка нового подхода к представлению фракционного состава сложных углеводородных смесей, разработка метода расчета оптимального соотношения компонентов смесевого сырья и путей интенсификации процесса первичной перегонки.
Основные задачи исследования
изучение закономерностей изменения фракционного состава, происходящих при смешении нескольких видов углеводородных ресурсов в смесевое сырьё;
изучение закономерностей изменения фракционного состава, происходящих при смешении углеводородного сырья с узкими фракциями;
разработка новой формы графического представления фракционного состава, позволяющей оценивать интенсифицирующую способность узких фракций;
разработка алгоритма оптимизации рабочих параметров ректификации на основе экономических критериев;
разработка способов интенсификации первичной перегонки смесевого сырья с учетом возможных колебаний его состава;
разработка графоаналитического метода определения оптимального состава смесевого сырья, позволяющего увеличить потенциал и, соответственно, выход целевых фракций.
Научная новизна работы
-
Для оценки потенциального содержания узких целевых фракций разработана и научно обоснована принципиально новая форма графического представления фракционного состава углеводородного сырья с помощью осцилляторов интенсивности кипения.
-
Разработаны и научно обоснованы теоретические основы интенсификации перегонки углеводородного сырья как за счет его внутреннего потенциала, так и за счет смешения разных видов сырья.
-
Разработан алгоритм расчета определяющих параметров ректификации – флегмовых чисел и чисел теоретических тарелок – с использованием экономических критериев, позволяющий обосновать оптимальный режим перегонки как на стадии проектирования, так и для действующей установки.
-
Разработан метод расчета оптимального состава смесевого сырья, позволяющий создать максимальный потенциал целевых фракций в смеси и увеличить их выход при ректификации.
Защищаемые положения
-
Результаты исследований и выявленные закономерности неаддитивного изменения фракционного состава смесевого сырья.
-
Результаты исследований и выявленные закономерности интенсификации процесса перегонки добавками к сырью узких фракций.
-
Графоаналитический метод определения оптимального соотношения компонентов в смесевом сырье с целью формирования максимального потенциала целевых фракций.
-
Технологические приемы интенсификации и схемы перегонки смесевого сырья, допускающие значительные колебания его фракционного состава.
-
Рекомендации по эксплуатации двухколонной установки ректификации при поступлении разнородного сырья в непрогнозируемых соотношениях.
Практическая ценность и реализация работы
-
Разработана новая графическая форма представления фракционного состава с помощью осцилляторов интенсивности кипения, позволяющая прогнозировать изменение выхода целевых фракций при колебаниях состава сырья.
-
Предложен и научно обоснован способ регулирования материального баланса атмосферного блока за счет изменения кратности орошения отбензинивающей колонны, позволяющий перераспределять до 3% масс. товарных потоков.
-
Предложен алгоритм расчета определяющих параметров ректификации с использованием экономических критериев, позволяющий обосновать оптимальные параметры на стадии проектирования, оценить отклонения и внести необходимые коррективы в работу действующих установок. Метод расчета оптимального состава смесевого сырья и алгоритм расчета определяющих параметров ректификации используются в ЗАО «НИПИ НГХ» при проектировании установок и блоков первичной перегонки, ожидаемое увеличение рентабельности спроектированных объектов составляет 1,6%.
-
Предложена принципиальная схема модернизации двухколонной типовой установки перегонки нефти, позволяющая за счёт внутреннего потенциала сырья интенсифицировать процесс, увеличить глубину отбора целевых фракций и четкость погоноразделения.
-
Разработаны решения по рациональной эксплуатации двухколонной установки при поступлении на переработку разнородного сырья в непрогнозируемых соотношениях. Годовой экономический эффект от увеличения на 2,61% масс. выхода целевой дизельной фракции на установке МНПУ–25 Бобровского НПЗ, перерабатывающей смесь среднетрубной нефти КТК и западносибирской нефти, составляет 1377, 6 тыс. рублей.
-
Основные положения и результаты диссертационной работы используются в Северо-Кавказском государственном техническом университете в курсе «Химическая технология топлива и углеродных материалов», в курсовом и дипломном проектировании студентов специальности 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».
Апробация работы Материалы диссертационной работы в 2003–2010 г.г. докладывались на XXXIV, XXXVII и XXXVIII научно-технических конференциях Северо-Кавказского государственного технического университета, на VII, VIII, X, XII и XIII региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону», на V межрегиональной научной конференции «Студенческая наука – экономике России», на Всероссийской и II международной научных студенческих конференциях «Научный потенциал студенчества – будущему России» в Ставрополе, на международных научно-практических конференциях «Нефтегазопереработка и нефтехимия» в 2006 и 2010 г. в Уфе.
Публикации По результатам диссертации опубликовано 29 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК, 18 тезисов докладов на конференциях, получено 6 патентов на изобретения.
Объем и структура работы Диссертация изложена на 150 страницах, включает 23 таблицы, 51 иллюстрацию и состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников из 126 наименований и приложения.
Способы оптимизации режима перегонки углеводородного сырья
В результате многолетних работ по определению оптимального режима фракционирования в ректификационных колоннах накопилось множество рекомендаций, научных публикаций, и патентных разработок по определению определяющих параметров процесса. Полученные по результатам лабораторных исследований зависимости обобщались методами физико-математического моделирования [10-17]. Все это позволило выявить ряд «узких мест» в технологии производства и перейти к более качественному проектированию установок перегонки смесей нефтяного происхождения [18].
В настоящее время известно значительное количество методов расчета основных параметров ректификации, которые отличаются различными упрощающими допущениями [19—23].
В литературе имеются сведения о применимости того или иного метода для расчета ректификационных колонн, разделяющих смеси нефтяного происхождения [24-27]. В некоторых из этих работ выполнена оценка методов расчета числа теоретических тарелок ректификационных колонн. Определение других параметров многокомпонентной ректификации, например, минимальных и оптимальных флегмовых чисел в этих работах подробно не рассмотрено.
Для решения проблемы оптимальной перегонки важно сформулировать критерий оптимальности. В первых попытках исследователи в качестве критерия оптимальности использовали различные технологические функции, выбираемые на основе интуитивных соображений. В результате все методы разделения смесей нефтяного происхождения, оптимум которых не выражен экономическим критерием, представляют ограниченный интерес.
Простейшей задачей оптимальной ректификации нефти, исследуемой в ряде работ [28-33], является определение оптимального флегмового числа Ro . При этом предполагается, что одна независимая переменная Rorrr обеспечивает минимум приведенных затрат. В большинстве указанных работ для облегчения задачи рассматривают ее упрощенное графическое [22, 31] или аналитическое решение [33], а также применение программного обеспечения [28, 34].
A.M. Розен [35] дает приближенное аналитическое решение задачи для случая близкокипящих бинарных смесей. Некоторые авторы [36, 37] рекомендуют выбирать Rom- исходя из условий минимального объема аппаратуры. В.В". Попов и др. [38] определяет Roirr на основе суммы величин, пропорциональных объему колонны и расходу тепла. В другой работе В.В. Попов [34] излагает методику, которая учитывает эксплуатационные и капитальные затраты.
Перечисленные работы не отвечают современным требованиям к проектированию аппаратов и схем разделения смесей нефтяного происхождения, так как проектирование даже отдельной ректификационной колонны не может быть выполнено по одной независимой переменной.
В работе [39] описано- оптимальное проектирование ректификационной колонны по давлению в ней и флегмовому числу. Благодаря оптимизации величина суммарных приведенных затрат была уменьшена на 20%.
В работе [40] в качестве экономического критерия для оптимального проектирования принята функция, определяющая сумму себестоимости и капитальных затрат на единицу продукции с учетом срока окупаемости.
Определение оптимальных параметров и конструктивных размеров аппарата в проектной разработке в работе [42] показано на примере расчета колонны стабилизации газоконденсатной смеси Оренбургского ГПЗ. Анализ результатов показал наличие минимума приведенных затрат при оптимальных параметрах ректификации и размерах аппарата. Достаточная точность предложенного метода позволяет использовать его для комплексного проектного расчета процесса ректификации.
Более подробно оптимальный расчет процесса ректификации многокомпонентных нефтяных и газоконденсатных смесей изложен Александровым в работе [7], где наряду с рассмотренной выше методикой более конкретно излагается общая характеристика приведенных затрат и рекомендации по выбору оптимальной технологической схемы на основе эвристических правил.
А.К. Мановяном с соавторами разработан метод расчета многосекционных сложных колонн для ректификации нефтяных смесей с вводом водяного пара, а также метод упрощенного линейного расчета для быстрого поиска области решения поставленной задачи по четкости фракционирования [46, 47].
Выбор и обоснование оптимальных параметров ректификации углеводородных смесей могут быть выполнены в проектной разработке по методу Ю.К. Молоканова и др. [48, 49]. По этой методике решение задачи оптимизации основных параметров ректификации осуществляется в режиме полного орошения с использованием характеристической температуры tj..
Задача оптимизации процесса ректификации сводится к корректировке работы (при эксплуатации установки) или к определению оптимальных показателей процесса фракционирования (при проектировании). Но, как видно из рисунка 1.1, оптимальный режим разделения сырья представляется не в виде конкретной точки, а в виде функции, зависимости N от R. Задача оптимизации не решается системой уравнений на основе технологических показателей. Методики Молоканова М.Ю., Скобло А.И. и др. базируются на эмпирической точке оптимальности, определяемой по уравнениям 1.3 и 1.4. Эти уравнения задают единственную точку на кривой Джиллиленда и, соответственно, на кривой оптимальности. Это обуславливает рациональную работу колонны с технологической точки зрения, но при таком подходе отсутствуют экономические критерии оптимальности режима.
В условиях: 1) изменения состава сырья установки, 2) перехода на новый режим, 3) смены ассортимента продукции большинство методов нахождения оптимальных параметров ректификационных колонн не способны гибко и оперативно реагировать на изменение внешних условий. Изучение этой проблемы и разработка методики определения оптимальных параметров фракционирования приведены в работах [51, 52]. Однако конечный результат реализации алгоритма нахождения параметров ректификации также базировался на уравнениях 1.3 и 1.4. В результате такой оптимизации требовалось вносить изменения в конструктивное оформление колонны (изменение обвязки, типа или количества контактных устройств). Проиллюстрируем изложенное на рисунке 1.2.
Рассмотрим варианты оптимизации фракционирования смеси в различных условиях. Параметры R и N этих режимов обозначены на графике соответственно точками 1—5. Так в точке 1 режим обеспечивает более высокую четкость деления смеси, а в точке 4 - недостаточную. При оптимизации по методам [51, 52] рабочие параметры сводятся в точку оптимума 3. Как видно из графика, смещение в точку 3 для случая 1 приводит к уменьшению числа теоретических тарелок и количества орошения. Более разумным с технологической точки зрения является сведение параметров в точку 2. В этом случае оптимизация работы колонны не требует изменения конструкции или обвязки аппарата.
При работе аппарата на режиме 4 четкость разделения фракций не соответствует заданной. При сведении параметров к оптимальным существующими способами требуется увеличить количество орошения и увеличить число теоретических тарелок, что на практике сделать очень ресурсо- и трудоёмко. Более рациональна оптимизация режима в точку 5, что обуславливает больший расход орошения верхней секции колонны. Однако, пределы изменения параметров не должны выходить из области нормальной работы контактных устройств, чтобы избежать явлений «захлёбывания» или «проваливания».
Таким образом, суть процесса оптимизации заключается в приведении рабочих параметров ректификации на линию оптимальности. На практике оптимизация режима обычно достигается методами подбора, например, путем изменения количества орошения, подаваемого в колонну, но это требует значительных затрат времени на достижение целей производства.
Метод интенсификации первичной перегонки индивидуального сырья за счет его внутреннего потенциала
В настоящее время преимущественно развиваются и совершенствуются вторичные процессы переработки, которые требуют тщательной подготовки сырья. Первичная перегонка углеводородного сырья обеспечивает не выпуск конечной продукции, а готовит полупродукты для вторичных процессов. Основными задачами первичной переработки являются:
— разделение потока первичного сырья с получения полупродуктов, отвечающих требованиям вторичных процессов;
— обеспечение высокой степени разделения первичного сырья;
— обеспечение стабильности состава получаемых полупродуктов с течением времени при изменении внешних факторов производства (колебания состава поступающего на НПЗ сырья, изменение ассортимента нефтепродуктов, режима переработкисырья и т.п.).
Задачей настоящего раздела является исследование методов повышения глубины первичной переработки и методов интенсификации процесса фракционирования за счет внутренних ресурсов самого сырья.
Эффективной и экономически выгодной может быть технология интенсификации, процесса перегонки сырья с циркулирующим испаряющим агентом — выделенной из него светлой фракцией (вместо водяного пара или газового конденсата) [83]. Предварительно отбензиненное в. отбензинивающей колонне сырьё подается на фракционирование в атмосферную колонну в присутствии испаряющего агента - циркулирующей светлой фракции, вводимой в отгонную часть атмосферной колонны при температуре низа колонны. Боковые погоны керосиновой, соляровой, газойлевой фракций выводятся в отпарные колонны, паровые отгоны стриппингов возвращаются в атмосферную колонну. Особенностями предлагаемой технологии интенсификации с циркулирующим испаряющим агентом являются:
— отсутствие необходимости поставок испаряющего агента со стороны, его отдельного хранения и подготовки;
— интенсификатор, нагретый до температуры низа колонны, в паровой фазе поступает в качестве испаряющего агента в отгонную часть атмосферной колонны, что существенно снижает парциальное давление паров углеводородов на границе разделения газойлевой фракции и мазута. Это позволяет увеличить глубину отбора светлых нефтепродуктов от потенциала в сырье;
— введение интенсификатора способствует увеличению парового числа в отгонной секции колонны, что улучшает параметры ректификации;
— углеводородная фракция, в отличие от водяного пара, не увеличивает вынос углеводородов с верха колонны;
— можно изменять количество испаряющего агента в широких пределах, что позволяет обеспечить стабильность фракционирования углеводородного сырья в атмосферной колонне при различной производительности и режимах работы;
— улучшаются экологические характеристики установки и снижаются затраты на очистку сточных вод;
— интенсификатор стабилен по физико-химическим свойствам и фракционному составу, имеет сродство с перерабатываемым сырьём;
— упрощается обвязка технологического оборудования.
В целях определения зависимости основных параметров фракционирования, качества и количества получаемых продуктов от состава и количества интенсификатора проведен эксперимент, аналогичный описанному в разделе 2.1.
За основное сырьё была принята новогрозненская нефть. В качестве добавок использовались: керосиновая фракция 120-220С (КФ), а также бензиновые фракции н.к—120 (лБФ) и 120— 180С (тБФ), выделенные из этой нефти. Фракционный состав сырья, определенный по ГОСТ 2177—99, приведен в таблице 2.4.
Перегонку сырья осуществляли методом постепенного испарения с ректификацией на лабораторной установке, основной частью которой являлась круглодонная колба ёмкостью 250 мл. Колба с сырьём постепенно нагревалась на электрическом нагревателе до температуры 220-240С. Для повышения четкости разделения колба была снабжена стеклянной колонкой с регулярной насадкой и изолирована асбестовой тканью для уменьшения теплопотерь. Замерялась температура паров, выводимых с верха колонки в водяной холодильник. При появлении первой капли ректификата отмечали начало кипения смеси. Конец кипения ограничивали температурой верха- 218-224С для предотвращения термического разложения сырья (использовалась колонка с меньшим числом теоретических тарелок по сравнению с экспериментом в разделе 2.1) [108].
Для эксперимента использовались различные смеси:
— для изучения количественного влияния интенсификатора на процесс фракционирования — смеси, состоящие из 90, 80 и 70% об. нефти и, соответственно, 10, 20 и 30% об. испаряющего агента — керосиновой фракции;
— для изучения влияния типа интенсификатора — смеси 80% нефти и 20% испаряющего агента, в роли которого выступали легкая бензиновая н.к.-120С, тяжелая бензиновая 120-180С и керосиновая фракции.
Для наглядности на рисунках 2.16 и 2.17 представлены кривые ИТК, полученные при разгоноке смесей на экспериментальной установке:
- на рисунке 2.16 — нефть, интенсификатор (КФ) и их смеси в различном количественном соотношении;
- на рисунке 2.17 — нефть с различными интенсификаторами в одинаковом количественном соотношении.
Это говорит о том, что процессы, наблюдаемые в .эксперименте, невозможно объяснить,, оперируя только правилом аддитивности для кривых ИТК.
На рисунке 2.17 показаны результаты исследования влияния фракционного состава испаряющего агента на процесс перегонки новогрозненской нефти. Как видно из полученных кривых, интенсификатор изменяет поведение кривой ИТК смеси не только в области температур своего фракционного состава, но и по всему температурному интервалу выкипания основного сырья. Так добавка 20%) лБФ должна была вызвать 20%-й прирост ректификата. Как показал эксперимент, разница между выходом ректификата из смеси (кривая 5 на рисунке 2.16) и сырья (кривая 1) при температуре 200С составляет около 13% вместо 20%.
Для анализа полученных кривых ИТК для смесей новогрозненской нефти с интенсификаторами воспользуемся введенным ранее понятием интенсивности кипения. По аналогии с разделом 2.1 делаем вывод, что полученные расчетные и экспериментальные кривые ИТК не совпадают. Интенсификатор с узким интервалом кипения оказывает общее влияние на систему сырья в целом, поэтому экспериментальные кривые ИТК на всем исследованном интервале кипения отличаются от кривых ИТК, рассчитанных по правилу аддитивности.
На рисунках 2.27—2.31 построены осцилляторы ИК на основе расчетных ИТК смесей и осцилляторы ИСВ смесей.
Технико-экономический подход к оптимизации параметров первичной перегонки на стадии проектирования
Область оптимума основных параметров ректификации представляет собой множество решений, поэтому задачу оптимизации можно решить, ориентируясь на различные критерии. На стадии проектных разработок основным критерием оптимальности следует считать минимум приведенных затрат.
В случае нового проектирования проектная организация располагает полным составом сырья. В качестве исходных данных для расчета оптимальных параметров ректификации используются: мольных состав питания колонны, а также температурный режим и рабочее давление. Исходя из целей производства задаются температурной границей деления смеси, концентрацией граничных компонентов. Рассчитывают основные параметры ректификации, а именно минимальное число теоретических тарелок и минимальное флегмовое число. Для расчета констант фазового равновесия принимаются различные термодинамические модели, например, Уинна, UOP, Пенга-Робинсона, Максвелла и др. [114, 115, 116]. В данной работе использован алгоритм Максвелла (алгоритм к номограмме Максвелла составлен для вычисления давления насыщенных паров углеводородов и узких нефтяных фракций с температурой кипения до 800С в интервале 0-700С).
Критерий оптимальности, или минимум приведенных затрат, предлагается выразить зависимостью затрат S от основных параметров фракционирования: S = f(R,N). (3.8)
Полученную функцию можно представить в виде суммы двух выражений, а именно приведенных затрат на организацию орошения и приведенных затрат на создание теоретических тарелок:
S = SR+SN, (3.9)
S = MR-R + MN-N, (3.10) где S - приведённые затраты на заданное разделение углеводородного сырья;
MR - удельные приведённые затраты на организацию единицы орошения;
R — рабочее флегмовое число;
MN — удельные приведённые затраты на создание теоретической тарелки;
N - число теоретических тарелок.
Для заданной степени разделения исходной смеси числа теоретических тарелок и флегмовые числа определены на интервалах: Re[Rra,n;+) NG[Nmm;+oo)
Значения удельных приведенных затрат для каждого конкретного производства есть величина постоянная, поэтому функция S = f(R, N) для заданной четкости разделения определена и непрерывна на всем интервале существования R и N. Полученную зависимость можно продифференцировать по какому-либо из аргументов, например, по флегмовому числу.
Полученное выражение связывает определяющие параметры ректификации с экономическими критериями. Для разработки алгоритма расчета оптимальных параметров ректификации использовалось известное корреляционное уравнение Молоканова [48], которое наиболее близко описывает графическую зависимость Джиллиленда [22].
К - коэффициент, отражающий отношение удельных приведенных затрат на создание одной единицы флегмового числа к удельным приведенным затратам на создание одной теоретической тарелки (определяется эмпирически сопоставительным анализом работы технологических установок).
На стадии проектных разработок можно сопоставить экономические характеристики создания и эксплуатации ректификационных аппаратов для различных условий. Так, для рассмотренных примеров (вариантов I и II) можно предварительно оценить разницу в капитальных затратах на аппараты, конструктивное их оформление, логистику и т.д., а затем подобрать такой режим переработки исходной смеси, при котором сумма приведенных затрат для обоих вариантов будет минимальной.
Решение относительно R последнего уравнения. 3.15 методом последовательных приближений позволяет определить оптимальное флегмовое число. Для определения оптимального числа теоретических ступеней контакта соискателем предлагается следующее уравнение.
Затем подбирают оптимальное число фактических тарелок в ректификационном аппарате... Полный алгоритм оптимизации на стадии проектных работ приведен в таблице 3.1.
Анализ особенностей фракционного состава перерабатываемого сырья
В качестве исходных данных для анализа используем результаты экспериментов, представленные в таблице 2.1 и на рисунке 2.1. Разгонка по ГОСТ 2177-99 отличается низкой четкостью разделения. Для анализа фракционного состава на широком температурном интервале (н.к.-450С) необходимо смоделировать составы исходных нефтей и представить их в виде кривых ИТК [125, 126]. Результаты моделирования фракционного состава сырья с использованием стандартного программного обеспечения приведены в таблицах 5.1 и 5.2.
Как видно из таблиц, фракционные составы оренбургской и тихорецкой нефтей довольно сильно отличаются. Например, потенциал светлых фракций в оренбургской нефти составляет около 80% масс, а в тихорецкой - 60%.
На гистограммах 5.1 и 5.2 представлены количественные соотношения различных фракций в перерабатываемом сырье. Анализ гистограмм позволяет сделать следующие выводы: оренбургская нефть более лёгкая, содержание легких и тяжелых бензиновых, а также керосиновых фракций значительно выше, чем в тихорецкой нефти, в которой, в свою очередь, выше содержание остаточных фракций и фракций тяжелого дизельного топлива.
Потенциальное содержание фракций в тихорецкой нефти Таким образом, нефти заметно отличаются между собой по фракционному составу. Переработку таких видов сырья невозможно вести на одном оптимальном режиме по одной технологической схеме. Например, при переходе с оренбургской нефти на тихорецкую содержание паров в верхней части ректификационной колонны резко уменьшится, а остаточных фракций, наоборот, увеличится. Соответственно, снизятся нагрузки по парам в концентрационных секциях колонны, а нагрузка по жидкости в кубовой части возрастёт. Изменение этих параметров приведет к уменьшению глубины отбора светлых фракций от их потенциала в сырье и к снижению качества получаемых продуктов.
Рекомендуется использовать внутренние потенциалы двух видов сырья для интенсификации его перегонки по одной технологической схеме. В качестве теоретической основы процесса интенсификации используем ранее введенные в главе 2 понятия и проанализируем осцилляторы ИК оренбургской и тихорецкой нефтей после предварительного отбензинивания, рекомендованного в главе 4 (рисунки 5.3 и 5.5). В качестве основных продуктов производства приняты бензиновые фракции и фракции дизельного топлива.
Рассмотрим подробно осциллятор ИК полуотбензиненной оренбургской нефти. Как видно из рисунка 5.3, интенсивность кипения остаточных фракций нефти ниже нуля, значит в области 310С-к.к. преимущественно будут преобладать процессы конденсации углеводородов. В рассматриваемом случае это обстоятельство снизит выход светлых фракций от потенциала. Поэтому в полуотбензиненную оренбургскую нефть необходимо ввести интенсификатор -конденсирующий агент (остаточную фракцию) в таком количестве, при котором на интервале 360С-к.к. станут преобладать процессы испарения [106, 107]. В этом случае за счет смещения фазового равновесия произойдет переход части тяжелых дизельных фракций из остатка в товарный продукт. Кроме того, для увеличения выхода фракций дизельного топлива (как целевых) предлагается увеличить парциальное давление керосиновых фракций. Тогда часть фракции 180-240С перейдет в дизельное топливо. Бензиновых фракций в сырье достаточно много, о чем говорит наибольшее значение интенсивности кипения, но имеется, локальный минимум-в области 150-180С. Падение интенсивности кипения в области деления фракций бензина и керосина повышает четкость погоноразделения, а введение предложенных добавок не должно затронуть эту область.
На рисунке 5.4 изображен осциллятор ИК полуотбензиненной оренбургской нефти с добавками 20% масс, остаточной фракции и 5% масс, фракции легкого дизельного топлива. Как видно из рисунка 5.4, принятые технические решения по интенсификации путем смешения сырья с выделенными из него фракциями, будут способствовать:
— увеличению выхода фракции 240—340С за счёт роста интенсивности кипения остаточных фракций;
— увеличению выхода фракции 240—340С за счёт роста интенсивности кипения керосиновой фракции;
— увеличению четкости погоноразделения бензиновой и керосиновой фракций на интервале 160-180С.
Как видно из рисунка 5.5, интенсивность кипения на границе разделения дизельных и остаточных фракций находится ниже нуля, количество тёмных фракций в полуотбензиненной тихорецкой нефти около 45% масс. Поэтому чёткость разделения дизельных и остаточных фракций обеспечивается фракционным составом самой нефти. Использовать добавку остаточной фракции в данном случае не нужно, хотя сырьё и является достаточно легким. Осциллятор ИК также показывает, что наиболее простыми для разделения являются интервалы 110-130С и 215-220С. Можно рекомендовать несколько способов интенсификации перегонки: первый - с использованием бензиновых и дизельных фракций с целью увеличения отбора широкой бензиновой фракции н.к.-215С. Если же ориентироваться на отбор бензиновых, керосиновых и дизельных фракций, то для увеличения выхода дизельных фракций и четкости разделения на границе керосин - дизельное топливо необходимо увеличить интенсивность кипения керосиновой фракции до такой степени, чтобы кривая ИК на границе раздела оустилась ниже нуля.
Добавка к нефти только керосиновой фракции затруднит разделение на, границе бензин - керосин, поэтому в керосиновую фракцию необходимо вовлекать небольшое количество бензина. Это обеспечит необходимую дополнительную нагрузку по парам в концентрационной секции колонны. Введение легких компонентов в сырьё также будет способствовать снижению парциального давления тяжелый дизельных фракций, что повысит четкость разделения на границе дизельное топливо — мазут.
Добавка дизельных фракций к тихорецкой нефти не имеет смысла, как и утяжеление сырья. Она будет способствовать увеличению выхода керосиновой фракции и снижению четкости разделения сырья в отгонной секции колонны, что противоречит ранее принятым решениям. Так как по исходным условиям в качестве целевых продуктов приняты бензиновые фракции и фракции дизельного топлива, предлагается преимущественно использовать в качестве интенсификатора керосиновые дистилляты с небольшой добавкой бензиновых фракций. На рисунке 5.6 изображен осциллятор ИК полуотбензиненной тихорецкой нефти с добавками 10% масс, керосиновой и 4% масс, бензиновой фракции. Из рисунка видно, что принятые технические решения по смешению сырья с выделенными из него фракциями будут способствовать:
— увеличению интенсивности кипения керосиновой фракции и, как следствие, её переходу в бензиновые и дизельные фракции;
— обеспечению простоты разделения тяжелых дизельных и остаточных фракций;
— увеличению флегмового числа в верхней секции атмосферной колонны.
