автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Физическая стабилизация нефтепродуктов в аппаратах с вертикальными контактными решетками

4 О

ОД

На правах рукописи

й18,шМвве

МИХАЙЛОВ СЕМЕН СЕРГЕЕВИЧ

ФИЗИЧЕСКАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ В АППАРАТАХ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ КОНТАКТНЫМИ РЕШЕТКАМИ

Специальность: 05.17.08. - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1999

Работа выполнена в Самарском Государственном техническом университете и ОАО «Новокуйбышевский нефтеперерабатывающий завод» НК «ЮКОС».

Научные руководители - доктор технических наук, профессор Григорян Л.Г.

- кандидат технических наук, доцент Лесухин С.П. Официальные оппоненты - доктор технических наук, доцент Умергалин Т.Г.

- кандидат технических паук, доцент Ващук В.И.

Ведущее предприятие - ЛЕНГИПРОНЕФТЕХИМ

Защита состоится «21» января 2000 г. в ¿Г*® на заседании диссертационного Совета Д 063.09.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «21» декабря 1999 г.

Ученый секретарь

доктор технических наук, профессор

П.Л. Ольков

л сгил Г)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Процесс физической стабилизации нефтепродуктов получил широкое распространение на нефтеперерабатывающих заводах. Целью процесса является извлечение газов и легких углеводородов из товарных продуктов переработки нефти до требований стандартов. Основным способом стабилизации является процесс ректификации. В отдельных случаях может быть использован менее энергоемкий — десорбциошшй способ. Достаточно отметить, что стабилизации подвергается до 60% продукции нефтеперерабатывающего завода.

Рассматривая установки стабилизации, в контексте общих проблем ректификации в нефтепереработке, следует отметить, что основные российские НПЗ проектировались и строились в 60-х годах и принципиальной реконструкции не подвергались. С тех пор теория и практика ректификации достигли значительного прогресса. Современные конструкции колонной аппаратуры в сочетании с новыми автоматизированными методами расчета процессов разделения позволяют существенно улучшить качество товарных продуктов и снизить производственные затраты.

Опыт работы с ведущими фирмами зарубежных стран показал, что технические предложения этих фирм по реконструкции установок ректификации часто уступают лучшим отечественным разработкам, к числу которых относятся аппараты с вертикальными контактными решетками (АВР). Однако, эти фирмы гарантируют быструю реализацию проекта и достижения контрактных показателей. Повышение конкурентоспособности отечественных разработок требуег более тесной их привязки к конкретным технологическим объектам (процессам) с решением вытекающих отсюда научных, инженерных и экономических задач. Это направление становится еще более актуальным в условиях резкого удорожания импортных поставок, приобретающего в последнее время характер долговременной тенденции. Этому направлению и следует представленная работа.

Цель работы.

- обобщение уравнений для расчета гидродинамических параметров АВР в широком диапазоне нагрузок, характерных для процессов физической стабилизации нефтепродуктов;

- на основе анализа фазовых сопротивлений компонентов, технологического моделирования схем разделения на ЭВМ и экспериментальных исследований пилотных и промышленных колонн получение достоверных данных по эффективности АВР в процессах стабилизации нефти, бензина, дизельного топлива и газового конденсата в производственных условиях;

- оценка эффективности инвестиций в проекты реконструкции стабилизационных установок с использованием АВР.

Научная новизна. На основе анализа работы промышленных колонн стабилизации нефтепродуктов установлены общие и отличительные признаки условий эксплуатации, влияющие на выбор типа массообменных устройств. Предложены универсальные параметры гидродинамической структуры потоков АВР, на основании которых получены уравнения для расчета задержки жидкости, поверхности межфазного контакта скорости подвисания и захлебывания в широком диапазоне нагрузок, обобщающие весь массив известных экспериментальных данных.

Покомпонентный анализ фазовых сопротивлений, характерных для процессов стабилизации, позволил выявить зоны ректификации, в которых использование представления о коэффициенте полезного действия тарелки неприемлемо, а расчеты должны выполняться по кинетическим коэффициентам отдельных компонентов.

Впервые изучена эффективность АВР в условиях динамически изменяющегося расхода сырья. Предложены параметры и методика их определения, характеризующие динамическую устойчивость контактного устройства. Показано, что АВР отличаются высокой динамической устойчивостью.

В диапазоне регламентных режимов промышленных колонн стабили-' зации нефти, конденсата, бензина и дизельного топлива получены достовср-

ные сведения по эффективности аппарата АВР, которые могут быть использованы в технико-экономических обоснованиях проектов реконструкции действующих и создания новых установок стабилизации углеводородных жидкостей.

Практическая ценность. Оснащение колонн стабилизации нефтепродуктов массообменной насадкой АВР позволяет повысить в 2 раза производительность аппарата и в 1,5 раза его разделительную способность по сравнению с ранее эксплуатируемыми тарельчатыми контактными устройствами. При этом, увеличивается отбор от потенциала целевого продукта и снижается концентрация сероводорода.

Оригинальная методика технико-экономического анализа, представленная в работе, позволяет проводить исследования эффективности инвестиций в реконструкцию отдельных установок стабилизации нефтепродуктов в рамках НПЗ.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы легли в основу разработки проекта и внедрения: колонны стабилизации газового конденсата Покровской компрессорной станции АО «Грифон» (1995г.), колонны стабилизации дизельного топлива К-3, установки Л-24/6/2 ОАО «НкНПЗ» (1997г.), колонны стабилизации газового конденсата Бобровской компрессорной станции АО «Грифон» (1997г.); колонны стабилизации нефти К-1 установки АВТ-9 (эксплуатируется с 1998г.); колонны стабилизации дизельного топлива К-За, установки Л-24/бв ОАО «НкНПЗ» (1998г.); колонны стабилизации бензина риформинга, установки 35-6 ОАО «НкНПЗ» (1998г.); атмосферной колонны К-301 Бобровской малогабаритной нефтеперерабатывающей установки АО «Грифон» (1998г.);.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены на Первом международном симпозиуме «Наука и технология углеводородных дисперсных систем», 10. 1997г., г. Москва; на второй конференции Всемирной ассоциации нефтепереработчиков, 11. 1998г. Вена (Австрия); на У-ой

международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» 1999г. г. Казань .

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы включает 149 стр., в том числе рис. 34 и 14 таблиц. Список литературы включает 81 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формируются цели и задачи исследования и дается краткая аннотация глав диссертации.

Первая глава посвящена анализу особенностей процессов физической стабилизации нефти и нефтепродуктов, влияющих на выбор перспективного направления их совершенствования, таблица 1.

Задачей процессов физической стабилизации нефти и нефтепродуктов является извлечение легких углеводородных и неуглеводородных - С02, N2, Н2 газов с целью доведения состава и свойств товарных продуктов до требований стандартов. Стабилизации подвергаются: нефть, газовый конденсат, бензин, дизельное и реактивное топливо. Основным способом стабилизации является ректификация. Режимные параметры процесса для различных продуктов существенно различаются: давление - 0,105-г2,0 МПа, температура куба - 80-г300°С. В некоторых случаях стабилизация нефтепродукюв может быть достигнута методом десорбции легких компонентов инертным носителем. Хотя четкость разделения продуктов десорбции и уступает процессу ректификации, цели стабилизации могут быть достигнуты при более низких энергозатратах.

Установки стабилизации бензина, дизтоплива и нефти работают в условиях многотоннажных производств при годовой производительности от

Таблица 1

Особенности процессов стабилизации, влияющие на выбор конструкции аппаратов*

Соответствие показателю для

№ процессов стабилизации:

п/п Показатели кон- бен- дизто- неф-

денсата зина плива ти

1 Высокая производительность по жидкости X + + +

2 Высокая производительность по парам + + + -

3 Требование высокой разделительной способности + + + +

4 Значительные изменения загрузки + X X +

5 Склонность к ценообразованию среды - - X +

6 Требовшше низкого гидравлического со-

противления X X + X

7 Высокое соотношение Ух/Ус X X X +

8 Требование малого времени пребывания

жидкости в аппарате + + + +

9 Наличие загрязнений в жидкости - - -• +

* Условные обозначения: «+» - соответствует показателю; «х» - частично соответствует; «-» - не соответствует.

0,3 млн.т для бензина и дготоплива до 3 млн.т для нефти. Исключением являются установки стабилизации газового конденсата, производительность которых может составлять менее 0,05 млн.т в год.

Нагрузка на колонну по пару находится в прямой зависимости от содержания газовых компонентов в нестабильном продукте. Для нефти это величина, как правило, не превышает 5% мае. Доля газообразных компонентов в нестабильном дизтопливе и бензине может достигать 10%-И 5% мае, в конденсате - до 70% мае.

Практика показывает, что на действующих установках стабилизащш бензина и дизтоплива, возшшагот проблемы, связанные с ограниченной пропускной способностью верх!шх частей колонн, имеющих меньший диаметр.

Требовшше высокой разделительной способности является общим для всех процессов стабилизации, поскольку от этого параметра зависят их экономические показатели.

Большая разновидность имеющихся конструкций массообменных контактных устройств значительно затрудняет целесообразный выбор того или иного устройства для каждого конкретного случая.

Правильный выбор должен основываться на требованиях, обусловленных самим процессом, а наилучшим аппаратом следует считать такой, который обеспечивает качество производимой продукции при наиболее высоких технико-экономических показателях.

Анализируя с этих позиций современные конструкции массообменных контактных устройств, выявлены устойчивые приоритеты аппаратов с регулярными разряженными насадками (плоско-параллельные, га гофрированных листов, из листов с перфорацией, различные типы регулярных объемных насадок). Они обладают большей, по сравнению с тарельчатыми аппаратами, пропускной способностью по жидкости, эффективностью массопереноса, меньшим гидравлическим сопротивлением. Среди них АВР выгодно отличаются широким диапазоном устойчивой работы и эффективностью массопереноса.

Во второй главе рассмотрена гидродинамика аппарата АВР (рис. 1) в широком диапазоне газожидкостных нагрузок. Известные уравнения гидродинамического расчета АВР в определенных диапазонах нагрузок не перекрывают всего диапазона, характерного для процессов стабилизации. Кроме того, на граничных участках отмечены расхождения расчетных данных, выполненных по различным зависимостям, достигающие 40%. В связи с этим были предложены обобщающие уравнения для расчета гидродинамических параметров в широком диапазоне нагрузок.

Обобщите стало возможным на основе уравнений, включающих универсальные гидродинамические параметры, характеризующие влияние конструктивных и режимных факторов на структуру газожидкостного потока в аппарате АВР.

.¿ЬУ!

Рис. 1. Структура газожидкостного потока в аппарате АВР. 1 - клин жидкости; 2 - контактная решетка; 3 - зигзагообразная перегородка; 4 - капельный поток; 5 - плетша жидкости.

Достаточно точно гидродинамическое состояние внутри контактной камеры АВР описывается степенью приближения режима работы аппарата к характерному, при котором начинается накопление жидкости на ступени контакта. Скорость газа, соответствующая режиму начала накопления, по аналогии с терминологией, принятой для насадочных аппаратов, получила название скорости начала подвисания (\*/под).

При \*/< \УпоД задержка жидкости изменяется незначительно и линейно, а при \¥> \"/под кривая зависимости задержки от скорости газа принимает степенной характер (рис. 2).

Естественно предположить, что одним го универсальных параметров Пь характеризующим гидродинамическое состояние газожидкостной системы, может выступать отношение:

Исследовашм показали, что скорость подвисания не зависит ог длины передива «Ь». Последнее является важным свойством данного параметра, позволяющим использовать \УП0Д при обобщении различных гидродинамиче-

(1)

под

0,3

СЗ 8*

Е 0,2 §

о

н о

о ^

э

к

га ж К о,

ч.

0,1

2,5 \У„

Скорость газа в сечении аппарата, м/с

3,5

Рис. 2. Зависимость задержки жидкости в аппарате от скорости газа для системы «вода-воздух» при различных плотностях орошения.

1 - 33,1; 2 - 55,1; 3 - 63,7; 4 - 71,3; 5 - 77,1; 6 - 107,3; 7 - 114,1; 8 - 124,6 м3/м2ч.

ских и массообменных параметров работы аппарата АВР.

Во всем диапазоне жидкостных нагрузок 6-350м3/м2 -ч, скорость начала подвисания (\*/под) удалось описать известным уравнением для расчета предельной скорости газа:

г-ж г

с 2 АР

\ £ * &Р

N3/2

(2)

V ж;

1фи новых выражениях для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления, полученных обработкой всего массива экспериментальных данных:

/ Ы\2

4 =28 г-ж

н

Кау 1П2

а

и

Второй параметр, характеризующий гидродинамическое состояние на ступени контакта и отражающий влияние плотности орошения, получен на основе физических представлений о задержке жидкости в виде:

;2

П =-

(3)

2 8-Н

Обобщающее уравнение для скорости захлебывания в аппарате АВР, на основе предложенных параметров, было получено в виде:

-2

¡V -IV ■

ггр под

т.-+Ь

18.Н 1

(4)

)

Вшшше геометрических размеров контактных решеток учитывают постоянные коэффициенты аь Ьь имеющие свои значения для различных видов решеток.

На основе параметров П| и П2 были получены новые уравнения для расчета задержки жидкости на ступени контакта (ср2) и удельной межфазной поверхности в аппарате АВР.

Г V"

( 2 V73

= 1,43

\2-g-h)

1

Г V

Ж

1-

V И7 под У

(5)

/ =«■

л-сI

\ \

Созр

12,8 а-СовР

N0.25

N0,44

( \ 1,42

IV

1-

IV

V под у у

(6)

Эти уравнегаы удовлетворительно аппроксимируют все эксперимен-

IV

тальные дшшые в диапазоне нагрузок по газу: 0,2 < —— < 0,9и жидкости:

¡V

пр

6< к350м3/м2ч.

Постоянные параметры в уравнениях (5) и (6) получены обработкой всего массива экспериментальных данных методом минимизации среднеквадратичной ошибки путем покоординатного спуска.

Третья глава посвящена исследованию эффективности промышленных колонн с насадкой АВР в процессах стабилизации различных нефтепродуктов.

В общем случае, исследуемые процессы стабилизации нефти, бензина, дизтоплива и газового конденсата являются сложными многокомпонентными массообмишыми процессами, в которых участвуют как чисто газовые вещества H2S, С02, N2, Н2, так и углеводороды широкого спектра с числом углеродных атомов от одного и более 10. Различные физические свойства компонентов обуславливают их различные скорости переноса. Поэтому, предл-ав-ляет интерес проведение диффузионно-кинетического анализа фазового сопротивления массопереносу в рассматриваемых процессах с целью оценки областей применения и точности инженерных методов расчета стабилизационных колош!, основашгых на модели равновесной теоретической тарелки.

Проведенные ранее исследования массопереноса в аппарате АВР и предложенные математические модели расчета скорости переноса вещества для газовой и жидкой фаз позволяют провести приближенный кинетический анализ массопереноса стабилизационных процессов.

В основу анализа положено уравнение аддитивности фазовых сопротивлений. Оценка коэффициента массоотдачи в газовой и жидкой фазах производилась по известным уравнениям, полученным при исследованиях кинетики массопереноса в аппарате АВР.

Диффузионно-кинетический анализ показал (табл. 2), что при десорб-ционной стабилизации нефти (Р=0,25 МПа и t°=45°C) в массопереносе принимают участие компоненты, имеющие существенно отличающиеся диффузионные свойства. Группа легких газовых компонентов, а именно N2> СН4, С02, С2Нб и H2S, имеет чисто жидкофазную кинетику, и для них сопротивлением газовой фазы можно пренебречь.

Таблица 2

Результаты анализа фазовых сопротивлений массопереносу в аппарате АВР при десорбционной стабилизации нефти

№ п/п Компоненты (формула) Шху Рг, м/с Р«, м/с Коп м/с Фазовое сопротивление

1/Рг Шс/Рх

1 И2 281 2,54-10"3 1,61-КГ4 2,55-10"5 395 38833

2 СН, 86,1 2,16-Ю"3 1,20-10"4 6,06-Ю'5 464 16033

3 со2 35,6 3,06-10'3 1,22-10"4 1,47-10"4 327 6469

4 с2н6 15,5 3,Ю-10'3 1,06-1 о4 2,80-10" 322 3254

5 Н28 12,8 3,16-10"3 1,22-Ю"4 3,79-10" 317 2324

6 ГУ и Л "7Л 5,7010' 9,75 10' - ~ - 1^-А /,30-14 птл ¿/и 1 АОО 1 иоо

7 Ю4Н10 2,01 4,02-10"3 8,98-10"5 1,34-Ю-3 248 499

8 пС4Н10 1,50 4,02-Ю-3 8,98-Ю-5 1,63-10'3 248 367

9 ¡с5н12 0,618 4,20-10"3 8,47-10"5 2,49-10"3 238 163

10 пС5Н12 0,481 4,20-10"3 8,47-10"5 2,75-ИГ3 238 126

11 с6н14 0,163 4,40-10"3 8,07-10"5 3,68-10"3 227 45

12 С7н16 0,066 4,76-10'3 7,72-10"5 4,44-10'3 209 16

13 СзН18 0,020 5,10-Ю'3 7,46-Ю'5 4,98-10"3 196 5

14 С9Н20 0,0024 5,32-10"3 7,22-Ю-5 5,29-10"3 188 1

Для углеводородных компонентов, с числом атома углерода более шести, преобладающим становится сопротивление газовой фазы. В этом случае можно не учитывать массоперенос в жидкой фазе. Компоненты, занимающие промежуточное положение, имеют соизмеримые сопротивления массопереносу обеих фаз.

Представляет интерес проанализировать распределение фазовых сопротивлений отдельных компонентов в условиях стабилизации газового конденсата, бензина и дизтоплива. С этой целью были использованы те же уравнения для определения рг и рх с эмпирическими коэффициентами, уточненные в процессе десорбционной стабилизации нефти.

Расчет частных сопротивлений и общего сопротивления массопереносу отдельных компонентов проводился при регламентных условиях работы соответствующих установок.

В условиях стабилизации бензина (рис. Зв) преобладающим сопротивлением практически для всех компонентов является газовая фаза, а коэффициент массопередачи Ког мало зависит от индивидуальных свойств компонентов как в верхней, так и в нижней части колонны.

В этих условиях с достаточной точностью для оценки эффективности контактных устройств может использоваться средний коэффициент полезного действия тарелки (Е^) или ВЭТТ насадки, а расчет колотил может осуществляться по теоретическим ступеням контакта. Более того, учитывая близкий к эквимолярному характер массообмена (постоянство потоков по высоте верхней и нижней части колонны), можно предположить, что эффективность контактных устройств будет незначительно меняться по высоте колонны. Однако для верхней и нижней частей следует ожидать некоторого отличия Е.

В условиях стабилизации ДТ (рис. 36) вышеприведенные соображения могут быть использованы лишь для углеводородов С6 и более тяжелых. Имея в виду, что концентрация легких углеводородов (менее Сб) в нижней части колонны ничтожна мала, можно с достаточной для расчетов точностью считать эффективность всех контактных устройств нижней части для заданного режима постоянной. В верхней части колонны полное диффузионное сопротивление существенно выше, чем в нижней, и следует ожидать снижение эффективности разделения. Рассматривать показатели эффективности для верхней части колонны можно лишь как средние.

Учитывая, что граница деления при стабилизации ДТ лежит между углеводородами Сю и Си, использовшше метода расчета по теоретическим ступеням не приведет к значительным погрешностям концентраций целевых компонентов в товарных продуктах.

При стабилизации газового конденсата переходная кинетика характерна для углеводородов С1-С3. Эти условия допускают расчет по теоретическим тарелкам только отгонной части колонны. Следует заметить, что при стабилизации газового конденсата существенно изменяются материальные потоки но высоте колонны, поэтому расчет должен сопровождаться учетом индиви-

Рис. 3. Графический анализ межфазного сопротивления массопереносу компонентов с различной молекулярной массой (М) в процессах

а-нефти Р=2,5 атм; Т=45°С; б - дпз. топливаР=1,6 атм; Т=161°С; в- бегоина Р=14 атм; Т=61°С; г - газового конденсата Р=5 атм; Т=50°С. Реальные условия верх колонны.

о - жидкая фаза, ш/рж; о - полное сопротивление, 1/Кг; д - газовая фаза, 1/рг.

дуальных коэффициентов полезного действия каждой ступени. Из рисунка видно, что с повышением давления область газофазной кинетики становится преобладающей.

Эффективность АВР в условиях стабилизации дизтоплива оценивалась на установке JI-24/6-2 Новокуйбышевского НПЗ. Низкая разделительная способность колонны К-3, до реконструкции оснащенной 24 желобчатыми тарелками, приводила к значительным потерям дизельной фракции (до 5%) с бензином-отгоном. В результате, получаемый в процессе стабилизации бензин-отгон содержал до 60% дизельных фракций и имел конец кипения до 300°С. В результате реконструкции в колонну К-3 была установлена насадка АВР с размерами контактных камер 80x60 мм.

Определите ВЭТТ колонны К-3 после реконструкции проводилось путем сопоставления расчетных и опытных концентраций ключевых компонентов в верхнем и нижнем продуктах колонны К-3. В качестве ключевых псевдокомпонентов были выбраны фракции:

Фр 176°+высш - тяжелый псевдокомпоненг для бегоина Фр. 183°+ыош - легкий псевдокомпоиент для дизтоплива Были обследованы три режима работы К-3 при нагрузках по сырью от 65 до 95 м3/ч и примерно постоянных остальных режимных параметрах процесса: Р=0Д5ч—,16 МПа; tmC3=265^270; t«^ =147-И52; расход орошения 12-Я5 м3/ч. Диаметр колонны составлял: 2176 мм в нижней части; 1600 мм -в верхней; высота слоя насадки: 6480 - верхняя часть; 6080 - нижняя часть.

Расчетная зависимость содержания тяжелолетучего псевдокомпонента в бензине и легколетучего - в дштопливс от числа теоретических ступеней разделения построена с использованием программы PRO-II.

На расчетные кривые наносились экспериментальные значения этих параметров. Координаты экспериментальных точек по оси абсцис равны значениям числа теоретических тарелок, соответствующим эффективности работы колонны в заданных режимах.

При оценке эффективности колонны К-3 по концентрациям ключевого псевдокомпонента в бензине разделительная способность аппарата составляла от 17 до 25,5 теоретических ступеней контакта. По разгонкам дизтоплива эффективность аппарата эквивалентна 22-г32 теоретическим ступеням. Проведя осреднение экспериментальных данных, рассчитана высота, эквивалентная теоретической тарелке, которая в обследованном диапазоне режимных параметров и нагрузок составила: ВЭТТ=480-520 мм.

Аналогичным образом по концентрациям ключевых компонентов была определена эффективность аппарата АВР в процессе стабилизации бензина риформинга. Обследования проводились на колонне К-4 установки 35/6 НкНПЗ. Колонна диаметром 1600/1000мм была оснащена насадкой АВР 80x60 высотой слоя: вверху 7360 мм; внизу 8640 мм. Колонна работала в режиме Р=1,05МПа, 10юса-180:-1900С; 10тттания=150^160°С; 1%м=75-ь80°С; загрузка по сырью 45^65 м3/ч. В испытанном диапазоне режимных параметров разделительная способность колонны соответствовала 20^-25 теоретических ступеней контакта, что эквивалентно ВЭТТдвр=640-800мм. Более пизкая разделительная способность АВР в процессе стабилизации бегоина по сравнению с процессом стабилизации дизтоплива согласуется с результатами расчетного анализа фазовых сопротивлений. Следует отметить также, что сшшсшш КПД колонн ректификации легких углеводородов с повышением давления отмечалось многими исследователями.

Обследование работы колонны стабилизации газового конденсата К-201 проводилось на Бобровской ГКС ОАО «Оренбургнефть». Особенностью этой установки являются существенные колебания количества и состава сырья в зависимости от температуры охлаждения нефтяного газа установлено, что загрузка К-201 изменяется в течение года в 17 раз. При этом потенциальное содержание целевых компонентов Сца в сырье изменялось от 30 до 75%.

Первоначально К-201 была оснащена 18 двухслойными барботажными тарелками по проекту головного отраслевого института «ВНИПИгазперера-

ботка». После реконструкции обследовалась эта же колонна, оснащенная насадкой АВР, высотой насадочной части 7225 мм.

Сравнительный анализ разделительной способности колонны стабилизации первоначально производился по суммарному выходу стабильного конденсата. Погрешности опытных данных, обусловленные изменениями состава сырья, компенсировались продолжительным периодом эксплуатации - 9 месяцев (рис. 4). Значения ВЭТТ получены путем сопоставления расчетных и фактических концентраций ключевых компонентов ¿СЛю, и пС4Ню в целевом продукте и газе стабилизации. Величина ВЭТТАВР в регламентном диапазоне изменения нагрузок составила 545-600мм.

ф 0/о Период работы К-201 с Период работы К-201 с насадкой

^ двухслойными тарелками АВР

Рис. 4. Сравнительная диаграмма суммарного месячного производства стабильного конденсата (ф) в % от сырья на Бобровской колоше К-201, оснащенной первоначально двухслойными тарелками, затем насадкой АВР.

На этой же установке впервые исследована способность контактных устройств сохранять свою эффективность в условиях случайных колебаний

расхода сырья. Это качество контактных устройств получило название «динамической устойчивости».

На рис. 5 представлен фрагмент флуктуаций расхода сырья и выхода стабильного конденсата колонны К-201; оснащенной двухслойными тарелками (а) и АВР (б). В обоих случаях качество стабильного конденсата по ДНП и температуре начала кипения поддерживалось на уровне требований ГОСТа. В этих условиях динамические свойства контактных устройств могут быть оценены корреляциотгыми соотношениями между флуктуациями входа и выхода на основе статистического анализа

Результаты такого анализа целесообразно представить в виде зави-

с1V с1У

симости (р = —-- = /(Р) где Я" = р——. Процедура дифференцировшшя ¿У йт

проводилась методом конечных разностей объемов сырья УР и целевого продукта Ук с временным интервалом 2 часа. Результаты статистической обработки представлены на рис. 6.

Точки на графике являются средними значениями частных выборок по всему диапазону изменения расхода сырья. Средние значения генеральной выборки фср1 и фср2, могут рассматриваться как параметры динамической эффективности работы контактных устройств в заданных условиях флуктуаций входа сырья.

В случае если ср не зависит от Р (ёУкМУр=сопз1), как это имеет место для АВР (линия 1), можно говорить о полной динамической устойчивости колонны.

Отклонения от этого условия может характеризовать степень ее динамической неустойчивости. Из рис. 6 видно, что АВР обладает существенно более высокими параметрами динамической эффективности и устойчивости, чем двухслойная тарелка.

а)

Время, ч.

Время, ч.

Рис. 5. Динамика изменения расхода сырья и количества стабильного

конденсата для аппарата К-201, оснащенного: а) -двухслойной тарелкой ВНИПИгазпереработки; б) - насадкой АВР. -'—сырье (нестабильный конденсат) — продукт (стабильный конденсат).

Расход сырья, т/ч (Т)

Рис. 6. Динамическая характеристика контактных устройств: 1- АВР; 2 - двухслойная тарелка.

В четвертой главе на примере исследований эффективности финансирования проекта оснащения насадкой АВР колонны стабилизации дготопли-ва К-3 установки Л-24/6-2 НкНПЗ предложена оригинальная методика определения окупаемости и чистой приведенной стоимости (КРУ) проекта реконструкции отдельных аппаратов или установок в условиях, когда не происходит изменения объема или цены вырабатываемой продукции. При этом, в качестве выручки от реализации проекта пригашалась экономия средств, получаемая за счет исключения из технологического процесса завода стадий обработки продукции, вызванных неудовлетворительной работой аппарата (установки) до реконструкции. Для конкретного случая этими стадиями являлись: разделение нековдициошюго бензина-отгона на бензиновую и дизельную фракции на установке Л-22-4 и повторная обработка возвращаемого дго-топлива на установке Л-24/6-2.

На основании проведенных исследований сделаны выводы о высокой ликвидности проекта, поскольку как сумма быстроликвидных активов в целом, так и денежные средства значительно превосходят сумму текущих обязательств в любой период времени.

Прогноз сроков окупаемости для ставки дисконта 47% (ставка 1997%г.) приведен на рис. 7. Следует отметить, что по чистой прибыли при ставке

дисконта 47% окупаемость вложений не превышает 4,8 квартала с момента начала реализации проекта (по валовой прибыли этот показатель не превышает 3,3 квартала).

По «чистой при-

веденной стоимости» (ЫРУ) дшшый вариант реконструкции отличается высокой устойчивостью к инфляционным ожиданиям и может выдержать ставку дисконтирования 160%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведен анализ работы промышленных аппаратов физической стабилизации углеводородных жидкостей: нефти, газового конденсата, бензина и дизтоплива. Установлены общие и отличительные признаки условий эксплуатации, влияющие на выбор типа массообменного аппарата

2. Сопоставительный анализ параметров работы современных массообмсн-ных аппаратов показал, что применительно к процессам стабилизации аппараты класса АВР обладают преимуществами но отношению к остальным по производительности, диапазону устойчивой работы и разделительной способности.

3. Предложены два универсальных параметра гидродинамической структуры потоков, на основании которых получены уравнения для расчета скорости прдвисания и захлебывания, задержки жидкости, поверхности меж-

5 000 000

4500 000

v©

>» 4000 000

11,

(П 3 500 000

2

3 000 000

2 500 000

2 000 000

(1)

с 1 500 000

о

и. ей 1 000 000

500 000

0

—♦—Валовая прибыль —Чистая прибыль —а—Накошенный баланс наличности —- Суммарный объем инвестиций

1 2 3 4 5 6 7 8

Квартал реализации проекта Рис. 7. Окупаемость реконструкции К-3 (с учетом дисконтирования).

фазного контакта, обобщающие весь массив экспериментальных данных в широком диапазоне газожидкостных нагрузок.

4. Расчетным анализом фазовых сопротивлений массоперенбсу отдельных компонентов определена примсшшость модели «равновесных ступеней контакта» к расчету колонн стабилизации. Рекомендовано, в расчетной практике, среднюю эффективность контактных устройств использовать только для колонн стабилизации бензинов и отгонной части колонн стабилизации ДТ; среднюю эффективность ступеней контакта для колонн стабилизации газового конденсата. При десорбционной стабилизации нефти «модель равновесной ступени» контакта применима, а расчет следует проводить по эффективио-стям ступени контакта для индивидуальных компонентов.

5. В результате обследования работы промышленных стабилизационных колонн установлена эффективность АВР в процессах стабилизации дизтоплива, бензина и газового конденсата.

6. Впервые изучена способность АВР сохранять свою эффективность в условиях случайных колебаний расхода сырья. Введены понятия динамической устойчивости и эффективности колонны и методика их определения. Установлено, что аппарат АВР обладает существенно более высокими параметрами динамической эффективности и устойчивости по сравнению с барбо-тажной тарелкой.

7. Разработала оригинальная методика технико-экономического анализа, позволяющая проводить исследования эффективности инвестиций в реконструкцию отдельных установок стабилизации нефтепродуктов в рамках НПЗ.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ V/ - скорость газа в сечении аппарата, м/с; 1 - плотность орошения в аппарате, м 3/м2-с; Н — высота ступени контакта, м; а^ Ь[ - постоянные коэффициенты, фй — задержка жидкости в аппарате, м3/м3; Г5 - межфазная поверхность м2/м3; Р - угол наклона сливной перегородки; (1п - диаметр проволоки, м; 1Р -шаг плетения сетки, м; Ь - длина перелива, м; а - ширина ступени контакта, м; рг, рж - плотность газа и жидкости, кг/м3; 1\, - линейная плотность ороше-

ния, м3/м-с; АР - перепад давления, Па; Кг - коэффициент массопередачи,

м/с; р - коэффициент массоотдачи; ш - константа фазового равновесия.

1. Григорян Л.Г., Михайлов С.С., Лесухин С.П. и др. Реконструкция колонны стабилизации дизельного топлива на установке гидроочистки Новокуйбышевского НПЗ. / / Материалы I Международного симпозиума «Наука и технология углеводородных дисперсных систем». — М., 1997,— 65 с.

2. Лесухин С.П., Григорян Л.Г., Михайлов С.С. и др. Исследования противо-точний мношетупенчаюй дегазации нефш в колонных аппаратах с регулярной насадкой. / / Нефтегазовое дело / Межвузовский сборник научных трудов. — Самара, 1997, — С. 112-127.

3. Михайлов С.С., Лссухин С.П., Григорян Л.Г. и др. Обобщение гидродинамических параметров массообменных аппаратов с вертикальными решетками. / / Материалы V-ой Международной научной конференции: «Методы кибернетики химико-технологических процессов». — Казань, 1999,—С. 120-122.

4. Михайлов С.С., Лесухин С.П., Григорян Л.Г. и др. Обобщенные зависимости для расчета гидродинамических параметров аппарата АВР в широком диапазоне нагрузок. / / Нефтегазовое дело / Межвузовский сборник научных трудов, — Самара, 1999,— С. 191-204.

5. Лесухин С.П., Михайлов С.С., Григорян Л.Г. и др. Математическое моделирование абсорбционно-десорбционного процесса глубокой дегазации нефти. / / Материалы V-ой Международной научной конференции: «Методы кибернетики химико-технологических процессов». — Казань, 1999,

. — С. 28-31.

6. Григорян Л.Г., Михайлов С.С., Шафранский Е.Л. и др. Тепломассообмен-ный аппарат. / / Свидетельство на полезную модель (РФ). — № 110096 -опубл. Б.И., 1999г., №9.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Подписано в печать 16.12.99. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать трафаретная. Уч.-изд.л.0,93. Печ. л 1,0. Тираж 100 экз Заказ № 40 Отпечатано на дубликаторе 13А 4050. 450075, Уфа, пр. Октября, 133

Основные обозначения

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ

СТАБИЛИЗАЦИИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

1.1. Анализ процессов стабилизации нефти и нефтепродуктов и их аппаратурного оформления

1.1.1. Стабилизация газового конденсата

1.1.2. Стабилизация бензинов

1.1.3. Стабилизация дизельного и реактивного топлив

1.1.4. Стабилизация нефти *■ ш- •• ■ -¿ФМ

1.1.5. Особенности работы стабилизационных колонн, влияющие на выбор направления их совершенствования

1.2. Аппараты с вертикальными контактными решетками, их преимущества в условиях стабилизационных процессов

1.2.1. Сравнительный анализ современных конструкций массо-обменных контактных устройств

1.2.2. Устройство и принцип действия аппарата АВР

ГЛАВА И. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АВР В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ НАГРУЗОК ПО ГАЗУ И ЖИДКОСТИ

2.1. Литературный обзор

2.2. Обобщенные гидродинамические уравнения

2.2.1. Предельная скорость газа

2.2.2. Объем жидкости, удерживаемый насадкой

2.2.3. Поверхность контакта фаз

ГЛАВА III. МАССОПЕРЕДАЧА В ПРОЦЕССАХ СТАБИЛИЗАЦИИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В АППАРАТЕ АВР 50 3.1. Фазовые сопротивления массопереносу

3.2. Определение эффективности колонн АВР в процессах стабилизации

3.2.1. Стабилизация бензина

3.2.2. Стабилизация дизельного топлива

3.2.3. Стабилизация газового конденсата

3.3. Эффективность колонн в условиях случайных колебаний расхода сырья

ГЛАВА IV. ПРИНЦИПЫ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ РЕКОНСТРУКЦИИ СТАБИЛИЗАЦИОННЫХ

КОЛОНН

4.1. Предпосылки реализации проекта

4.2. Концепция выручки. Основные финансовые потоки

Процесс физической стабилизации получил широкое распространение в нефтепереработке. Цель процесса - извлечение легких углеводородов и Н28 из товарной нефти и продуктов переработки до требований стандартов. Основным способом стабилизации является процесс ректификации. В некоторых случаях может быть использован менее энергоемкий - десорбционный способ стабилизации

Стабилизации подвергается до 60% продукции современных нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ). Рассматривая установки стабилизации, в контексте общих проблем ректификации на НПЗ, следует отметить, что основные Российские нефтеперерабатывающие заводы проектировались и строились в 50^-60х годах и принципиальной реконструкции не подвергались. С тех пор теория и практика ректификации достигли значительного прогресса. Новые автоматизированные методы расчета схем разделения, современные конструкции колонной аппаратуры позволяют существенно снизить затраты на процессы ректификации углеводородного сырья, которые сегодня составляют до 40% всех энергозатрат нефтеперерабатывающих заводов.

Опыт работы с ведущими фирмами Зарубежных стран, такими как «Зульцер» и «Глич» показал, что технические предложения этих фирм по реконструкции установок ректификации уступают лучшим отечественным разработкам в этой области, как в части глубины проработки процессов переноса, так и в части некоторых инженерных решений. Однако эти фирмы гарантируют быструю реализацию проекта и получение контрактных показателей.

Повышение конкурентоспособности Российских разработок требует более тесной их привязки к конкретным технологическим объектам (процессам) с решением вытекающих отсюда научных, инженерных и экономических задач.

Это направление становится еще более актуальным в условиях резкого удорожания импортных поставок, складывающихся в последнее время и приобретающих характер долговременной тенденции.

Именно этому направлению следует представленная работа.

В первой главе анализируются особенности процессов стабилизации, формируются требования к их аппаратурному оформлению. Сравнительная оценка отечественных и импортных контактных устройств для процессов разделения в условиях стабилизации показала, что использование контактных устройств с вертикальными решетками (АВР) является перспективным.

Во второй главе анализируется возможность распространения известных зависимостей гидродинамического состояния двухфазного потока в АВР на условия процессов стабилизации. Выводятся новые расчетные уравнения гидродинамики АВР с учетом расширения нагрузок по газу и жидкости.

В третьей главе анализируются массоперенос легких компонентов в условиях ректификации и абсорбции. Показано, что для таких компонентов как водород, метан и этан основное диффузионное сопротивление сосредоточено в жидкой фазе, а для углеводородов С6 и выше - в газовой. Это обстоятельство потребовало, в некоторых случаях, проводить покомпонентную оценку эффективности разделения. Здесь же приводятся результаты экспериментальных исследований пилотных и промышленных колонн стабилизации с применением самых современных средств и методов анализа и обработки результатов.

Четвертая глава посвящена исследованиям эффективности инвестиций в проект реконструкции стабилизационной установки, показавшим высокую ликвидность и конкурентоспособность таких проектов.