Види зрошень ректифікаційних колон
Лекція 4. Первинна перегонка нафти
Перегон нафти в присутності агента, що випаровує
Одним із методів підвищення концентрації висококиплячих компонентів у залишку від перегонки нафти є введення в нижню частину колони ректифікації випарного агента. Як нього зазвичай використовують водяну пару, але можна застосовувати пари бензину, гасу, дизельної фракції. При введенні водяної пари створюються умови, за яких рідина виявляється перегрітою, що викликає її випаровування. Теплота, необхідна для відпарювання легких вуглеводнів, віднімається від рідини, у зв'язку з чим вона охолоджується. Виходить, що в присутності агента випаровування в ректифікаційній колоні знижується парціальний тиск вуглеводнів, а, отже, їх температура кипіння. В результаті найбільш низькокиплячі вуглеводні переходять у пароподібний стан і разом з водяною парою піднімаються вгору по колоні. Водяна пара проходить всю колону ректифікації і йде з верхнім продуктом, знижуючи температуру в ній на 10–20 °С. Крім того, ректифікація відбувається під впливом зміни, точніше зростання знизу вгору тиску вуглеводневих парів. Таке зростання тиску обумовлюється введенням водяної пари, парціальний тиск якого падає на шляху руху знизу вгору, і цим він дає надлишок тиску внизу, який дозволяє переміщати загальну масу парів знизу вгору через зустрічаються на шляху опору. Витрата водяної пари залежить від кількості відпарюваних компонентів, їх природи та умов у низу колони. Для хорошої ректифікації рідкої фази внизу колони необхідно, щоб приблизно 25% її переходило пароподібний стан. Найбільший ефект впливу, що випаровується, проявляється при його витратіпри атмосферному тиску 1,2-3,5, а у вакуумній колоні - 5-8% мас. на сировину, що переганяється.
Отже, водяна пара зменшує парціальний тиск парів вуглеводнів, полегшує їх випаровування та знижує в колоні температуру, але, крім того, він створює необхідні для ректифікації умови (градієнт тисків вуглеводневих парів) і виконує роль двигуна. Необхідно вказати на наступні недоліки застосування водяної пари як агент, що випаровує:
• збільшення витрат енергії (тепла та холоду) на перегонку та конденсацію; • підвищення навантаження колон по парах, що призводить до збільшення діаметра колони;
• збільшення опору та підвищення тиску в колоні та інших апаратах; • обводнення нафтопродуктів та необхідність їх подальшого сушіння;
• посилення корозії апаратури в присутності сірководню та хлористого водню та утворення великих кількостей стічних вод;
• тепло його конденсації не використовується.
У зв'язку з цим останніми роками у світовій нафтопереробці проявляється тенденція до суттєвого обмеження застосування водяної пари та до переведення установок на технологію сухої перегонки або як випарний агент використовувати легкі нафтові фракції. Однак чим нижча температура кипіння агента, що випаровує, і більша його відносна кількість, тим нижча температура перегонки; але чим він легший, тим більше він втрачається в процесі перегонки, тому в якості агента, що випаровує, рекомендують застосовувати гасовогазойлеву фракцію.
Види зрошень ректифікаційних колон.
Нормальна робота ректифікаційних колон та необхідна якість продуктів перегонки забезпечуються шляхом регулювання теплового режиму, тобто відведенням тепла у концентраційній та підведенням тепла у відгінній секціях колон, а такожнагріванням сировини до оптимальної температури. У промислових процесах перегонки нафти застосовують такі способи регулювання температурного режиму висотою колони (див. рис. 1):
а) використання парціального конденсатора;
б) організація випаровується (холодного) зрошення;
Мал. 1. Способи створення зрошень у колоні ректифікації:
а – відведення тепла парціальним конденсатором;
б – відведення тепла холодним (гострим) зрошенням;
в, г - відведення тепла циркуляційним зрошенням, що не випаровується;
1 – ректифікаційна колона; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – ємність; 4 – отпарная колона.
Парціальний конденсатор(гаряче зрошення)є кожухотрубчастий теплообмінний апарат (рис. 1, а), встановлений зверху колони. Охолоджуючим агентом є вода. Пори, що надходять у міжтрубний простір, частково конденсуються і повертаються на верхню тарілку у вигляді зрошення, а пари відводяться з конденсатора. Через труднощі монтажу та обслуговування, а також і значної корозії конденсатора цей спосіб отримав обмежене застосування (у малотоннажних установках).
Холодне (гостре) зрошення(рис. 1, б). Цей спосіб відведення тепла вгорі колони набув найбільшого поширення на практиці нафтопереробки. Паровий потік, що йде з верху колони, повністю конденсується в конденсаторі-холодильнику (водяному або повітряному) і надходить в ємність або сепаратор, звідки частина ректифікату насосом подається назад в колону ректифікації в якості холодного зрошення, що випаровується, а балансова його кількість відводиться.
Циркуляційне зрошення, що не випарується(рис. 1, в). Цей варіант відведення тепла використовується широко не лише для регулювання температури.нагорі, а й у середніх перерізах складних колон. Для створення циркуляційного зрошення з деякої тарілки колони виводять частину флегми (або бічного дистиляту), охолоджують у теплообміннику, в якому вона віддає тепло вихідній сировині, після чого повертають насосом на вищележачу тарілку.
Циркуляційне зрошення часто поєднують із гострим зрошенням. Так, складна колона атмосферної перегонки нафти зазвичай має зверху гостре зрошення і за висотою кілька проміжних циркуляційних зрошень. Останні розташовуються зазвичай під відбором бічного погону (відбирають на 3 – 4 тарілки нижче, ніж виведення фракції у відпарну секцію) або використовують відбір бічного погону для створення циркуляційного зрошення з подачею останнього в колону вище за точку повернення парів з відпарної секції (рис. 1, г ). У концентраційній секції складних колон вакуумної перегонки мазуту відведення тепла здійснюється за допомогою циркуляційного зрошення.
Використання лише одного гострого зрошення в колонах неекономічно, оскільки тепло верхнього погону малопридатне для регенерації тепла. Крім того, не забезпечується оптимальне розподілення флегмового числа по висоті колони. Флегмове число (R) характеризує співвідношення рідкого та парового потоків у концентраційній частині колони: R=L/D, де L та D – кількості флегми та ректифікату. Як правило, флегмове число значне на верхніх та низьке на нижніх тарілках колони. Відповідно зверху вниз зменшуються значення ККД тарілок, а також коефіцієнт відносної летючості (коефіцієнт відносної летючості (ά) – відношення леткостей компонентів при однакових температурі та тиску; ά = К1/К2, де К1 і К2 – константи фазової рівноваги відповідно низько- та висококиплячого компонентів ) і, отже, погіршується роздільна здатністьнижніх тарілок концентраційної секції колони. При використанні циркуляційного зрошення раціонально використовується тепло дистилятів, що відбираються для підігріву нафти, вирівнюється навантаження по висоті колони і тим самим збільшується продуктивність колони і забезпечуються оптимальні умови роботи контактних пристроїв в концентраційній секції. Кількість тепла, що відводиться кожним циркуляційним зрошенням, визначається вимогами до якості дистилятів, що отримуються, і регулюється за температурою парів під тарілкою відбору цих дистилятів.
Для створення висхідного потоку парів, а також максимального вилучення рідкого залишку легших фракцій в нижню частину колони подають тепло. Робиться це шляхом введення в основному гострої пари або за допомогою трубчастої печі. Суть останнього полягала в тому, що частина кубового продукту прокачувалась через піч, і підігріта породідна суміш (гарячий струмінь) знову надходила вниз колони. Цей спосіб використовувався колонах відбензинювання нафти (К-1). Зараз від неї відмовилися з наступних причин:
1. щоб збільшити температуру низу колони К-1 на 30-40 ° С потрібна велика кількість циркуляційного зрошення нафти;
2. ускладнюється схема установки, оскільки під такий потік бажано мати окремі змійовики у печах, інакше створюється підвищений тиск у змійовиках печей, збільшується витрата енерговитрат;
3. перевантажуються тарілки відгінної частини колони за рідиною, що зменшує ефективність їх роботи;
4. розкладання сіркоорганіки;
5. у «гарячому струмені» відбензиненої нафти менше легких фракцій, які є агентом, що відпарює.