Введение

ВВЕДЕНИЕ

  Главной задачей энергетической стратегии России считается модернизация и реконструкция нефтеперерабатывающей и газоперерабатывающей промышленностей для выведения их на современный технический уровень обеспечения страны качественными моторными топливами, смазочными материалами, сырьем для нефте-,газохимии и иными продуктами, а также экспорта нефтепродуктов, качество которых должно отвечать мировым стандартам и требованиям рынка.

Для лучшего качества изготавливаемой продукции нужно внедрять новые технологии, которые направлены на уменьшение энергетического потребления при производстве и сокращении потерь ценных продуктов и компонентов.

Поэтому тема дипломной работы посвящена одному из способов усовершенствования колонны газофракционирующей установки (ГФУ) на Миннибаевском газоперерабатывающем заводе, а именно-замене тарелок.  Данная модернизация  позволит увеличить выработку н-бутана и изо-бутана.

Целью работы является изучение газофракционирующей установки, его усовершенствование и выявление положительных сторон с точки зрения количества и экономики.

1.1.Литературный обзор

1.1.1.Способы разделения углеводородных газов

На данный момент в промышленности имеется несколько способов разделения углеводородных газов, такие как: низкотемпературная сепарация, компрессионный метод, мембранный и ректификация.

1.Низкотемпературная сепарация.

Низкотемпературной сепарацией считается метод извлечения жидких углеводородов из газов путем однократной конденсации при пониженных температурах от -10 до -25°С.

На эффективность работы установок НТС большое влияние оказывают: состав сырьевого газа, температура, давление, число ступеней сепарации.

а) Состав сырьевого газа. Чем больше средняя Mr газа, тем выше степень извлечения жидких углеводородов. Данная закономерность справедлива для средней молекулярной массой около 22, поскольку дальнейшее утяжеление состава данной смеси практически не оказывает влияния на глубину извлечения компонентов С3 и выше. Для тощих исходных смесей для повышения степени извлечения жидких углеводородов производится утяжеление смеси  впрыском в поток стабильного конденсата или других углеводородных жидкостей на некотором расстоянии от сепаратора.

б) Температура. Чем легче состав исходной смеси, тем более низкая температура необходима для выделения жидких углеводородов на установках НТС.

в) Давление. В процессе сепарации необходим свободный перепад давления, который позволяет достигать низких температур, само давление сепарации мало влияет на степень извлечения компонентов С3 и выше.

г) Число ступеней сепарации. Чем меньше число ступеней сепарации, тем больше выход жидкой фазы. Однако при одноступенчатой сепарации  высоки потери компонентов с углеводородным конденсатом.

Увеличение ступеней сепарации повышает четкость разделения газовой и жидкой фаз.

Минусы процесса НТС в том, что требуются высокие капитальные вложениями и большие энергетические затраты.[1]

2.Компрессионный метод.

Компрессионный метод основан на сжатии газа с последующим его охлаждением. При этом тяжелые компоненты газа переходят в жидкое состояние. Давление сжатия зависит от состава исходного газа, требуемой степени извлечения целевых компонентов, от энергозатрат на сжатие и охлаждение. Обычно процесс осуществляется с помощью двух - или трехступенчатых компрессоров, которые могут быть поршневыми или турбокомпрессорами. Первые применяют при высоких давлениях, вторые - при давлениях не выше 4,5 МПа.

  Компрессионный метод используют для отбензинивания жирных газов, которые содержат более 150 г углеводородов С3 и выше на 1 м3 газа. Минусом процесса является нечеткое разделение, что приводит к попаданию легких углеводородов в конденсат и потере значительной части тяжелых углеводородов с газовой фазой.[1]

3.Мембранный метод.

Мембранные процессы разделения основаны на преимущественной проницаемости одного или нескольких компонентов газовой смеси через разделительную перегородку –мембрану.

Мембрана характеризуется двумя основными показателями в отношении компонентов газовой смеси: проницаемостью и селективностью. Проницаемость мембраны определяет ее производительность по данному компоненту, а селективность - разделительную способность.

  С помощью мембран можно осуществить разделение изомерных углеводородов, так как разветвление цепи приводит к заметному снижению проницаемости. Возможно, выделение желаемого компонента из смеси ненасыщенных углеводородов, например С3. Диеновые углеводороды характеризуются более высокой проницаемостью, чем парафиновые и олефиновые с тем же числом С-атомов.

К основным проблемам, препятствующим более широкому внедрению мембранной технологии, относятся малая проницаемость и в ряде случаев низкая селективность мембран, а также необходимость высокой технологии при их производстве и эксплуатации.[2]

4.Ректификация.

Ректификация - разделение жидких смесей на составляющие компоненты или группы компонентов, различающихся по температуре кипения, в результате противоточного взаимодействия паров смеси и жидкости смеси.

Взаимодействие паров и жидкости достигается в ректификационных колоннах, снабженных контактными устройствами - ректификационными тарелками или насадкой. Для разделения газов ректификационные колонны содержат большое число тарелок, а орошение и повторное испарение производится многократно.

В одной ректификационной колонне жидкую углеводородную смесь можно разделить на две фракции, т. к. для разделения на несколько фракций низкокипящую углеводородную смесь потребуется многотарельчатая ректификационная колонна, а это - большая высота колонны, что затруднит изготовление, монтаж, эксплуатацию. Поэтому для разделения смеси на три фракции требуется двухколонная установка. В первой колонне выделяется одна фракция, а смесь двух других разделяется во второй колонне. Для разделения смеси на n фракций требуется n-1 ректификационных колонн.[3]

1.1.2.Газофракционирование

Нестабильный бензин, получаемый на газоотбензинивающей установке методом компрессии, абсорбции, низкотемпературной ректификации или адсорбции, состоит из углеводородов от этана до гептана включительно.

В зависимости от состава перерабатываемого газа и глубины извлечения целевых компонентов из него составы нестабильных бензинов колеблются в широких пределах.

Нестабильный и стабильный газовый бензин газоперерабатывающих заводов, широкая фракция легких углеводородов стабилизации нефти или газовые конденсаты, рефлюксы нефтеперерабатывающих заводов не являются товарными продуктами. Для использования в нефтехимии их подвергают фракционированию с выделением индивидуальных углеводородных фракций, содержащих в основном ключевой компонент и примеси других углеводородов. Кроме индивидуальных углеводородных фракций на газофракционирующих установках (ГФУ) получают технические смеси пропана и бутана, которые используют как бытовое топливо, сырье для пиролиза и процессов нефтеоргсинтеза.

Разделение газов на компоненты более трудная задача, чем разделение сырой нефти, так как каждый из газов является индивидуальным химическим соединением и имеет свои температуры кипения (таблицы 1). Поэтому основное требование к качеству каждого выделенного углеводорода - это чистота, т. е. высокая концентрация целевого компонента в получаемой смеси. Выделить совершенно чистые (не имеющие примесей) углеводороды в промышленных условиях практически не возможно. Вместе с целевым компонентом в продукте будут содержаться и другие углеводороды, имеющие близкие температуры кипения. Такая смесь носит название фракции того или иного компонента или группы компонентов, например, пропановая фракция, пропан-бутановая фракция, бутан - i-бутановая фракция. Четкое разделение смесей жидких углеводородов на составляющие компоненты достигается в процессе ректификации. [4]

Таблица1-Некоторые свойства низкокипящих компонентов широкой фракций легких углеводородов

Соединения	Брутто-формула	Т кипения, °C  Р =0,1 МПа	Плотность (кг/м3) при Р=0,1 МПа, Т=20°C
Метан Этан Пропан п-Бутан i-Бутан п-Пентан i-Пентан Гексан	СН4 С2H6 С3H8 С4H10 С4H10 С5H12 С5H12 С6H14	-161 -88 -42 -0,5 -11,7 36,1 28,0 68,7	0,250 0,297 0,423 0,487 0,469 0,626 0,620 0,659

1.1.3.Основные параметры работы ГФУ

Основные параметры, определяющие работу ректификационных колонн, - это давление, температура верха, низа и ввода сырья в колонну, кратность орошения или флегмовое число.

Давление в ректификационной колонне принимают обычно на 0,2-0,3 МПа выше, чем давление в емкости орошения. Этого достаточно для преодоления гидравлического сопротивления при прохождении паров через тарелки и конденсаторы. При выделении из жидкой смеси легких углеводородов, таких, как метан и этан, оптимальное давление может изменяться в широких пределах, так как это связано не только с составом сырья, но и с использованием дешевых хладоагентов.

Температура верха колонны должна определяют как температуру конца кипения верхнего продукта.

Температура низа колонны должна отвечать температуре начала кипения (однократного испарения) остатка при давлении в колонне.

Температура сырья, подаваемого в колонну, должна соответствовать расчетной температуре питания. Оптимальная температура питания определяется в основном затратами на хладоагент и теплоноситель. При использовании дорогих хладоагентов (пропан и аммиак) при отделении метана и этана невыгодно перегревать сырье, т. е. лучше направить его в колонну при температуре кипения или даже в переохлажденном состоянии. В то же время при использовании дешевых хладоагентов (вода и воздух) и дорогих теплоносителей становится выгодным подавать сырье в парожидкостном состоянии. Сырье, состоящее из тяжелых углеводородов, подается на нижнюю тарелку питания. Сырье с большим содержанием легких углеводородов подается на верхнюю тарелку питания.

Кратность орошения и флегмовое число определяют из справочных данных (таблиц и графически).[5]

1.1.4.Разновидности процесса ректификации

Различают ректификацию при высоком давлении и при низком.

1.Ректификация при высоком давлении

Нефтезаводской газ подается в питательную секцию ректификационной колонны К-1 (рисунок 1). Образовавшиеся пары конденсируются в холодильнике – конденсаторе ХК-1 и стекают в рефлюксную емкость Е-1. Часть сконденсировавшейся жидкости подается обратно в колонну в виде орошения, а балансовое количество выводится с установки в виде дистиллята. 

Снизу колонны выводится кубовый продукт, часть которого, испаряясь, в ребойлере Т-1 возвращается в колонну в виде потока паров. [6]

Рисунок 1-ректификация при высоком давлении

Необходимо отметить, что повышение давления в процессе приводит к уменьшению коэффициента относительной летучести, что приводит к снижению эффективности фракционирования. Компенсируется данное снижение только за счет увеличения кратности орошения и/или числа тарелок.[7]

2.Ректификация при низком давлении

В данной схеме (рисунок 2) поток паров выходящий из колонны К – 1 сжимается компрессором до требуемого давления и конденсируется в ребойлере, а избыток в воздушном холодильнике ХК-1, тем самым обеспечивает подогрев куба колонны. Конденсат далее подается в рефлюксную емкость Е-1, оттуда часть идёт на орошение, а балансовое количество выводится в виде дистиллята. Часть кубового продукта испаряется в ребойлере Т-1 и возвращается в колонну в виде потока паров, а часть выводить с установки. [6]

Рисунок 2-ректификация при низком давлении с применением

  теплового насоса

1.1.5.Разновидности переработки нефтезаводских газов

На НПЗ для разделения нефтезаводских газов применяются преимущественно 2 типа газофракционирующих установок, в каждый из которых входят блоки компрессии и конденсации: ректификационный - сокращенно ГФУ, и абсорбционно-ректификационный АГФУ.

Назначение ГФУ - получение индивидуальных легких углеводородов или углеводородных фракций высокой чистоты из нефтезаводских газов. Газофракционирующие установки (ГФУ) подразделяются по типу перерабатываемого сырья на ГФУ предельных и ГФУ непредельных газов.

Сырье и продукция.

Сырье поступает на ГФУ в газообразном и жидком (головки стабилизации) виде. На ГФУ предельных газов подаются газы с установок первичной перегонки, каталитического риформинга, гидрокрекинга, на ГФУ непредельных газов - с установок термического и каталитического крекинга, коксования.

Продукцией ГФУ предельных газов являются узкие углеводородные фракции:

· Этановая - применяется как сырье пиролиза, в качестве хладагента, на установках депарафинизации масел, выделения параксилола и др.;

· Пропановая - используется как сырье пиролиза, бытовой сжиженный газ, хладагент;

· Изобутановая - служит сырьем установок алкилирования и производства синтетического каучука;

· Бутановая - применяется как бытовой сжиженный газ, сырье производства синтетического каучука; в зимнее время добавляется к товарным автомобильным бензинам для обеспечения требуемого давления паров;

· Изопентановая - служит сырьем для производства изопренового каучука, компонентом высокооктановых бензинов;

· Пентановая - является сырьем для процессов изомеризации и пиролиза.

На ГФУ непредельных газов выделяются следующие фракции:

· Пропан-пропиленовая - применяется в качестве сырья для установок полимеризации и алкилирования, производства нефтехимических продуктов;

· Бутан-бутиленовая - используется в качестве сырья установок полимеризации, алкилирования и различных нефтехимических производств.

В блоке ректификации ГФУ из углеводородного газового сырья сначала в деэтанизаторе извлекают сухой газ, состоящий из метана и этана.

На верху колонны поддерживают низкую температуру подачей орошения, охлаждаемого в аммиачном конденсаторе-холодильнике.

Кубовый остаток деэтанизатора поступает в пропановую колонну, где разделяется на пропановую фракцию, выводимую с верха этой колонны, и смесь углеводородов С4 и выше, направляемую в бутановую колонну. Ректификатом этой колонны является смесь бутанов, которая в изобутановой колонне разделяется на изобутановую и бутановую фракции.

Кубовый продукт колонны подается далее в пентановую колонну, где в виде верхнего ректификата выводится смесь пентанов, которая в изопентановой колонне разделяется на н-пентан и изопентан.

Нижний продукт колонны - фракция С6 и выше - выводится с установки. На АГФУ сочетается предварительное разделение газов на легкую и тяжелую части абсорбционным методом с последующей их ректификацией.[ ]

1.1.6.Типы газофракционирующих установок

Газофракционирующие установки бывают двух типов: одноколонные и многоколонные.

1. Одноколонные установки называются стабилизационными. Они предназначены для разделения нестабильного газового бензина на стабильный газовый бензин и сжиженный газ (пропан-бутановую смесь).

2. На многоколонных газофракционирующих установках из нестабильного бензина выделяют стабильный бензин (или гексановую фракцию), и фракцию индивидуальных углеводородов (пропана, i-бутана, п-бутана, i-пентана, n-пентана).

При выборе схемы ректификации необходимо принимать во внимание многие показатели, влияющие на экономику (расход электроэнергии, топлива, габариты аппаратуры, затраты на перекачку). Кроме того, при выборе схемы фракционирования следует сравнивать различные схемы с точки зрения большой легкости, надежности и возможности получения промежуточных продуктов необходимого качества. От качества промежуточных продуктов зависит и качество товарных продуктов, т. е. выделенных фракций индивидуальных углеводородов.

2.1.ГФУ могут быть с нисходящим режимом давлений. Для этих схем характерным является то, что давление в предыдущей по ходу движения сырья колонне выше, чем в последующей. Поэтому разделяемое сырье из колонны в колонну переходит самотеком и требуется меньшее число насосов. На ГФУ с нисходящим режимом давления первой по ходу сырья является этановая колонна.

2.2.В технологической схеме ГФУ с восходящим режимом  давления первой по ходу движения сырья является бутановая колонна (колонна-стабилизатор), и последней - этановая.

Схемы ГФУ с восходящим режимом давлений более экономичны, когда в нестабильном бензине содержится незначительная массовая доля бутана, а еще меньше пропана. В этом случае основной получаемый продукт (стабильный бензин) отводится из первой колонны, а для остальных колонн остается небольшое количество сырья, вследствие чего размеры их, а также размеры вспомогательного оборудования резко уменьшаются и, таким образом, экономятся капитальные вложения и эксплуатационные затраты. [8]

По типу перерабатываемого сырья подразделяются на ГФУ предельных и ГФУ непредельных газов.

Данная установка входит в состав, газоперерабатывающих, нефтехимических и химических заводов. Мощность газофракционирующей установки достигает 750 тыс. т сырья в год. Для переработки на газофракционирующую установку поступает сырьё — на ГФУ предельных газов подаются газы с установок первичной перегонки, каталитического риформинга, гидрокрекинга, на ГФУ непредельных газов - с установок термического и каталитического крекинга, коксования.

Основная особенность газофракционирующих установок — наличие в колоннах значительного числа разделительных тарелок, например для разделения пропана и бутана в колонне устанавливается 30-40 тарелок, а для выделения изомеров бутана или пентана — до 100 (и выше). Для ректификации путём образования восходящего с низа колонны потока паров продукт внизу колонны нагревается водяным паром или циркулирующим теплоносителем. [9]

1.1.7. Контактные устройства ректификационных колонн

По типу внутренних контактных устройств различают тарельчатые, насадочные и пленочные колонные аппараты (рисунок 3).Области применения контактных устройств определяются свойствами разделяемых смесей, рабочим давлением в аппарате, нагрузками по пару (газу) и жидкости. [10]

Рисунок 3 - Схемы основных типов колонных аппаратов

  а — тарельчатый; б — насадочный; в — пленочный

В тарельчатых аппаратах (рисунок 3а) контакт между фазами происходит при прохождении пара (газа) сквозь слой жидкости, находящейся на контактном устройстве (тарелке).

В насадочных колоннах (рисунок 3б) контакт между газом (паром) и жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними.

  В пленочной колонне (рисунок 3в), фазы контактируют на поверхности тонкой пленки жидкости, стекающей по вертикальной или наклонной поверхности.

1.1.8.Классификация тарелок

При выборе конструкции контактного устройства учитывают как их гидродинамические и массообменные характеристики, так и экономические показатели работы колонны при использовании того или иного типа контактных устройств. При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются следующими основными показателями:

а) производительностью;

б) гидравлическим сопротивлением;

в) коэффициентом полезного действия;

г) диапазоном рабочих нагрузок;

д) возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложений;

е) материалоемкостью;

ж) простотой конструкции, удобством изготовления, монтажа и ремонта.[ ]

Основные принципы классификации тарелок. В настоящее время в промышленной практике известны сотни различных конструкций тарелок, которые можно классифицировать по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку, по способу взаимодействия жидкой и паровой (газовой) фаз, по характеру диспергирования взаимодействующих фаз, по конструкции устройства для ввода пара (газа) в жидкость.

1)По способу передачи жидкости с тарелки на тарелку - провальные тарелки (обеспечивают взаимодействие пара и жидкости в противотоке) и тарелки со специальными переливными устройствами, в которых жидкость перетекает с тарелки на тарелку отдельно от потока пара через специальные сливные карманы (рисунок4). В зависимости от нагрузки по жидкости и диаметра колонны тарелки могут быть однопоточными (рисунок4а), двухпоточными (рисунок 4б), трех - (рисунок 4в) и более.[11]

  Рисунок 4-тарелки с переливными устройствами

2) По способу взаимодействия жидкой и паровой (газовой) фаз различают схему перекрестного тока (тарелки с переливными устройствами) - рисунок 5а или противотока (провальные тарелки)-рисунок 5б. В последние годы получили распространение перекрестно-прямоточные контактные устройства, использующие сочетание перекрестного тока и прямотока в зоне контакта фаз, что в целом обеспечивает высокие показате­ли по производительности и эффективности(рисунок5в). Скоростные прямоточные тарелки (рисунок 5г) обеспечивают контактирование пара и жидкости в закрученном восходящем потоке.

Для повышения производительности тарелки используют для контактирования фаз прямоток, а для повышения эффективности взаимодействия фаз предпочитают перекрестный ток или противоток. [ ]

Рисунок 5-контакт между жидкой и паровой фазой

Противоточные тарелки характеризуются высокой производительностью по жидкости, простотой конструкции и малой металлоемкостью. Основной их недостаток - низкая эффективность и узкий диапазон устойчивой работы, неравномерное распределение потоков по сечению колонны, что существенно ограничивает их применение.

Прямоточные тарелки отличаются повышенной производительностью, но умеренной эффективностью разделения, повышенным гидравлическим сопротивлением и трудоемкостью изготовления, они предпочтительны для применения в процессах разделения под давлением.

Перекрестноточные тарелки характеризуются в целом (за исключением ситчатых) наибольшей разделительной способностью, поскольку время пребывания жидкости на них наибольшее по сравнению с другими типами тарелок.

Перекрестно-прямоточные тарелки отличаются от перекрестноточных тем, что в них энергия газа (пара) используется для организации направленного движения жидкости по тарелке, тем самым устраняется поперечная неравномерность и обратное перемешивание жидкости на тарелке и в результате повышается производительность колонны. Однако эффективность контакта в них несколько меньше, чем в перекрестноточных тарелках.[ ]

3) По характеру диспергирования взаимодействующих фаз различают тарелки барботажного и струйного типов.

Режим взаимодействия фаз, когда пар является дисперсной фазой, а жидкость сплошной фазой, называется барботажным, а тарелки, реализующие этот режим работы, называются барботажными. У барботажных тарелок элементы контактных устройств (колпачки, клапаны, отверстия) создают в слое жидкости движение пара почти в вертикальном направлении. Барботажный режим имеет место при относительно небольших скоростях пара.

При больших скоростях пара дисперсной фазой становится жидкость, а пар - сплошной фазой. Контакт между фазами осуществляется на поверхности капель и струй жидкости, движущихся в межтарельчатом пространстве с большой скоростью. Этот режим называется струйным, а контактные устройства, основанные на этом принципе взаимодействия фаз, - струйными.[ ]

4)По конструкции устройств для ввода пара в жидкость-колпачковые, S-образные, клапанные.

4.1.Колпачковые тарелки.

Поступающая жидкость заполняет тарелку на высоту, определяемую сливной перегородкой, при этом прорези колпачков должны быть погружены в жидкость. Пар проходит через паровые патрубки, щели колпачков и барботирует через слой жидкости. Газ и жидкость взаимодействуют в перекрестном токе: жидкость движется по тарелке от переливного кармана к сливной перегородке и далее на расположенную ниже тарелку, а газ-вверх по оси колонны. [11]

Плюсы колпачковых тарелок в том, что они устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости.

  Минусы:

-сложность устройства;

-высокая стоимость;

-неравномерность работы;

-малая эффективность массообмена;

-низкая предельная нагрузка по газу;

-относительно высокие гидравлические сопротивления;

-трудность очистки.

  3.2.S-образные тарелки.

Колонны с колпачковыми тарелками постепенно вытесняются более прогрессивными конструкциями тарельчатых аппаратов такими, как  S-образные тарелки, которые схожи с ними по принципу работы, но более простые, дешевые и менее металлоемкие.[10]

3.3. Клапанные тарелки.

  Отличительной особенностью клапанных тарелок является увеличение их свободного сечения по мере увеличения скорости пара. Это обеспечивается  постепенным открытием клапана. Перекрытие отверстий тарелки саморегулирующими клапанами позволяет расширить интервал рабочих нагрузок.

По сравнению с колпачковыми тарелками, клапанные имеют меньшую массу, меньшую склонность к загрязнению, повышенную пропускную способность, более высокую эффективность массопередачи в широком диапазоне нагрузок по пару и жидкости.[10]