автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Повышение эффективности работы конденсационных секций вакуумных колонн АВТ установок

"ф [¿с

\ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА Ш К Ы. ГУБКИНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВДДЕШАЦИОННЫХ СЕКЦИЯ ВАКУУМНЫХ КОЛОНН АВГ УСТАНОВОК

05.17.07 - Химическая технология топлива и газа

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукопион

ЦИЦКИЕВ МУССА МАГОМЕТОВИЧ

УДК 66. 048.37-982:665.637 .

Гроаный - 1994

Работа выполнена в Грозненской нефтяном научно-исследовательском инотитуте( ГрозНИИ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мановян А. К

доктор технических наук, профессор Глаголева О.Ф. кандидат технических наук Глазов Г.И.

Ведущая организация: АООТ "ЯРОСЛАВНЕФТЕОРГСИНТЕЗ"

Загата диссертации состоится О1994г^ в /3 чао.

на васедании апециаливированного совета О- 05$. 8 7. 09_в

Государственной Академии нефти и газа им. И. М. ГуОкина( 117817, Москва,Ленинский проспект,65,тел.для оправок- 930-93-12).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной Академии нефгги и гава им. И. М. ГуОкина( Москва, Ленинский проспект.65

Автореферат равоолан ",? " 1994гГ

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат технических наук Б. А. Масловская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним ив важных процессов в схемах глубокой переработки нефти является процесс вакуумной перегонки мазута, который позволяет дополнительно навлечь ив мазута ценные для последующей переработки фракции и поэтому, вопрооы совершенствования работы вакуумных колонн АВТ занимают вадное ыеото в этой проблеме.

Нормальная работа ректификационных колонн обеспечивается путем регулирования теплового рэяима работы тарелок» обеспечивающего поддержание нужного профиля температур по bl-otq колонны. Решению этой вадачи слуяит использование циркуляционных орошений (ЦО), которые, кроме того, позволяют увеличить производительность колонны по сырью» совдать более равномерное распределение жидкостного орошения по секциям колонны и увеличить на установке степень регенерации тепла.

При использовании двух-трех промежуточных орошений из нормального режима ректификации, особенно в. вакуумных колоннах, исключается до 20-30Х общего числа тарелок , на которых реализуется процесс ректификации. В силу этого, выбор числа тарелок, занятых под циркуляционное орошение для вакуумных колони дслаэн быть более обоснованным. Для правильного т выбора числа тарелок, занятых под циркуляционное орошение необходимо более детальное изучение процессов тепло-и массообмена, протекающих на зтих тарелках.

В вакуумной колонне роль секции верхнего циркуляционного оро-шания(ВЦО) воараставт вдвойне и к ней предъявляются ряд требований. С одной стороны- это конденсатор, совдакщй ороэение для нижележащих ректификационных тарелок колонны, а с другой,- являясь первой ступенью конденсации в многоступенчатой конденсационно-вакуумсоадающбй okctömo(KRO),он должен обеопочивать максимальную

конденсацию поступающих паров» а> следовательно, минимальную вагруаку выносной ступени КЮ и обеспечить минимальный перепад давления на тарелках.

Вопросы,' связанные с изучением процессов, происходящих на конденсационных тарелках, и определением числа тарелок, занимаемых под циркуляционное орошение, оообенно вакуумных колонн, до сих пор остаются недостаточно исследованными.

Цель работы. Изучение гидравлических и тепло- массообменных характеристик конденсационных тарелок вакуумных колонн при различных схемах орошений, уточнение их роли в процессе ректификации, определение динамики теплообмена и массообмена в ^зависимости от количества тарелок, расхода орошения и его температуры,- а также, разработка способа конденсации паров в вакуумной колонне, который позволял бы повысить конденсационный эффект на каждой та*

релке, входящей в контур циркуляции охлаждающей жидкости.

Научная новизна. Впервые изучена работа конденсационных тарелок секции ВЦО на модельной лабораторной установке, позволяющей в условиях вакуума моделировать технологический режим ректификации тяжелых нефтепродуктов и изучать тепло- и массообменные характеристики конденсационных тарелок, а также на специально оборудованной устройствами отбора проб и ивмерения температур на каждой тарелке секции ВЦО промышленной вакуумной колонны.

Показано преимущество комбинированной схемы орошения( ВЦО с парциальным выносным конденсатором наверху вакуумной колонны ), позволяющей равномерно оаспределять нагрузки по отдельным конденсационным тарелкам, при соответствующем распределении количества тепла, отводимого каждым ив этих орошений.

Составлена статическая математическая модель исследуемого объекта и получено уравнение, достаточно хорошо описывающее вави симость количества паров ректификата, уходящих с верха колонны.

гт количества циркулирующего орошения, его начальной температуры [ нагрувки верхней конденсационной секции по парам.

Результатами обследований прошдманной вакуумной колонны по-азано, что верхние две- три тарелки секции ЩО работают в боль-юй степени в режиме конденсации паров, а нижние две тарелки по >ежиму своей работы частично выполняют и ректификационные функ-1ии, что подтверждено характером изменения среднего температур-юго напора и фракционного состава жидкости и паров на этих та-юлках.

Покааано, что с ростом величины оредней теплоналряженности 'арелок конденсационной секции четкость погокораеделения дистил-[ятов, выводимых ниш этой секции, ухудшается. Определена зели-(ина средней удельной теплонаяряденности тарелок ВЦ0„ которую . юкомендуетом принимать при определении количества конденсацион-1ых тарелок ВЦО.

Ранработан способ конденсации паров в ректификационной ваку-'мной колонне, повышающий конденсационный аффект каддой тарелки конденсационной секции.

Практическая ценность. Совдана оригинальная «отдельная уста-юька, поуиоляшдая в условиях вакуума моделировать технологический режим ректификации тяжелых нефтепродуктов и ивучать тепле- и Аассоооменные характеристики неравновесных (конденсационных) тарелок. Установка ьащии*эна патентом РФ Ы 1808344 - Б. И. Ш4,1993г.

Установлено,что при отводе тепла верхним циркуляционным оро-иением основное количестьо тепла (80-85Х от общего) отводится на шжних дьух тарелках секции ВЦО (невависимо от общего числа кон-

4

сенсационных тарелок ), а допустимая величина средней удельной реплонапрялюнности тиролок ВЦО вакуумных колонн может принимать-около 1^0 140 кГн'/м, что почти в два рааа выше рекомендуемой

1 .ИИТпр-Ч'ГУр. .

Ка основании проведенных исследований разработаны и предложены две схемы отвода тепла на верху вакуумной колонны:

- комбинированная схема- ВЦО на трех тарелках и выносной конденсатор с возвратом части флегмы на верхнюю конденсационную та режу, позволяющая еа счет изменения на этих ступенях нагрузок по конденсации паров С в пределах 60-76% и 40-25Х соответствен» достичь наиболее равномерной нагрузки тарелок ВЦО;

- схема, и устройство верхней чаоти вакуумной колонны, при к торой под конденсационную секцию выделяется четыре- пять тарело расположенных в конической верхней части колонны, а циркулируют ороиение подается порционно на верхние две-три тарелки и это по водяет с максимальной полнотой конденсировать пары наверху коло ны.

/

Апробация работы и публикация. Ревультаты диссертационно работы докладывались на межзаводской школе по обмену передовь производственным опытом " Опыт реконструкции вакуумных блоков н АВГ"(Пермь, Ю88, июнь).

ГЬ материалам диссертации опубликовано 2 статьи и получен один патент РФ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 197 стрг ницах, состоит ив введения; пяти глав и приложения, содержит 2: таблицы и 30 рисунков. Список цитируемой литературы включает 9' наименований.

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулиров; ны цель и задачи исследований и наложено краткое содержание гл

Первая* глава содержит критический обзор литературы о снос бах регулирований теплового режима ректификационных колонн п помощи системы орошений, а также, о роли циркуляционных орошен (ВЦО и ЩО) в процессе вакуумной перегонки мазута.

-б-

Приведен сопоставительный аналив основных достоинств и недостатков приведенных в литературе схем КВС вакуумных колонн и значение ВЦО в этих сиотемах.

Проаналивированы рввультаты исследовательских работ по изучению работы конденсационных тарелок и сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию объектов исследования и »аа-тодики проведения работ.

В работе использованы оригинальные методы исследования, сочетавшие лабораторные опыты о промышленным экспериментом:

1. Лабораторные исследования проводились на оригинальной экспериментальной установке непрерывного действия, поззоля щей в условиях вакуума моделировать технологический регадм ректификации, тяиелых нефтепродуктов и ивучать тепло- и массообменныэ характеристики конденсационных тарелок,

Лабораторная колонна имеет несколько барботахных кояпачковых тарелок, каждая иа которых онабиена устройствами ИБшрення температуры паров и жидкости и увдами вывода и ввода индкооти. Чз-рев валорно- регулировочные уотройства каждая тарел»» соединена соответственно о приемным и распределительным коллекторами, которые черев холодильник, мерную емкость и насос соединены мевду собой и образуют контур циркуляции теплоотводнщэй жидкости на тар-элках. На всех перетоках меаду колонной и приемным коллектором имеется по два отвода о валорными устройствами для присоединения пробоотборников.

На модельной установке проводили исследования работы вакуумной колонны при комбинированной схеме оршения (рис. 1); циркуляционное(кеисп8ряю:цееся) орошение оочеталооь о парциальной гонденсацией паров.

В качестве сырья лабораторной установки испольеовалаоь керо-

Схема отвода тепла из лабораторной ■колонны

Рис» I

Qnpjbyf пар,соответственно поступающий в секцию ВЦО и уходящий с верха колонны; ^ - флегма парциальной конденсации паров; (глцо - верхнее циркуляционное орошение; Gl - боковой погон; вв - дистиллят с верха колонныj Gr - нескондвнсироваваргезя нефтяные пары инертный компонент(азот) и воздух. Х- ВЦО: II- парциаиьнай конденсатор.

Схема отвода тепла из промышленной ваэдуыной колонны

Рис с 2

I- пар.поступахщий в секции ЩО;

II- неконденсирувмые разы к водяной пар; Ж?1У- парафинистый дистиллят соответственно

с четвертой и шастой тарелок)

У- ВЦО:

1--6- номера тарелок.

сино - газойлевая фракция установки АВТ N11 Грозненского НПЗ им. Е И. Ленина.

О целью изучения влияния неменяющихся переменных ^величин (факторов) на процесс тепло- и масоообмена в секции ВЦО, был попользован математический метод ротатабельного центрально- компо-виционного планирование РЦКП) эксперимента

Обработка экспериментальных данных проводилась о испольвова-нием ЭВМ IШ PC AT.

2. В промышленных условиях обследована вакуумная колонна при отводе тепла верхним циркуляционным орошением (рис.2).

Исследования работы конденсационных тарелок секции ЕЦО проводили на вакуумной колонне К-6 установки АВГ Грозненского НПЗ мм. А. Шерипова, впервые детально оборудованной устройствам для отбора проб и измерения температур на каадой тарелке секции ВЦО. Колонна предназначена дли получений парафинового дистиллята из мазута ставропольской нефти.

Верхняя секция колонны, включающая четыре или гасть тарелок, является конденсатором паров парафинового дистиллята (вывод БЦО, соответственно о 4-й и 6-й тарелок).

Исследования проводили при равных режимах, варьируя количество и температуру ВЦО, количество сырья колонны и чиоло конденсационных тарелок в пределах , допустимых условиями эксплуатации ИрОМЫШЛоННОЙ колонны.

В указанной главе также дана оценка точности и доотовернооти полученных акопериментальных данных.

В третьей главе приводимы результаты изучения работы конденсационных тйрелок на модельной установке, а такие математическая обработка реиулътатов лабораторных опытов.

В условиях наученной на модельной установке комбинированной их^мы иришомия (ВЦО с парциальным конденсатором наверху колонны)

нагрувки на конденсационных тарелках секции ВЦО ивменяются различным образом* в вависимости от ивменения параметров » влиявши: на распределение эти* нагрувок. В табл. 1 представлены расчетны* подаватели работы конденсационных тарелок.

Основное количествоС 70-80Х ) тепла, снимаемого в конденсат онной секции и деля конденсируемых паров приходятся на две верхние тарелки по ходу движения флегмы. Значения коэффициентов теплопередачи и удельной теплонапряженности зеркала барботажа на этих тарелках также наибольшие.

Увеличение жидкостной нагрувки на тарелки конденсационной воны при малом количестве паров, приходящих в эту зону, ухудшав1 конденсационный эффект на нижних тарелках. В то же время увеличим количества паров: приходящих в секцию НПО ( количества сырь: в паровой^ фазе) приводит к уменьшению количества отводимого тёп ла и конденсируемых паров на верхних двух тарелках и соответст венному увеличению на нижних.

К еаметному перераспределению тепловой нагрувки по отдельны тарелкам конденсационной секции ВЦО приводит и ивменение началь ной температуры циркуляционного орошения; с повышением этой тем поратуры при прочих равных условиях максимальная доля этводимог тепла и конденсируемых паров смешается с верхних дьух тарелок п ходу движения флегмы на вторую и третью. Подобным же образом из меняются величина удельной теплочанряженности зеркала барбота* • и коэффициент теплопередачи.

Экспериментальные исследования показали, что перераспределе ние тепловых нагрузок в секции ВЦО при увеличении начальной тек пературы ВЦО с верхних конденсационных тарелок на нижерасполохе ныв происходит в основном за счет уменьшения количества тепла, отводимого ВЦО, и значительного снижения доли отводимого тепла конденсируемых паров на верхней (первой) по ходу движения флег»

Таблица 1

Раочетные показатели работы конденсационных тарелок секции ВЦО лабораторной колонны

Но- !; Факторы Тем- Тепло,отводимое в секции Количество конденсируемых !

мер ¡КОЛИ- i тем- 1 коли- пера- ВЦО паров в секции вдо ¡

опы- чество! пера- чество тура

та ОГТП ' сырья в верха

uuv, 1

кг\ч ! оро- парсвой коло- обцее, по тарелкам,Z от обоего общее, по тарелкам,X от общего!

« 1 пения,- фазе, нны. Вт кг\ч ---— ------ ------

1 1 ffC кг/ч °С 1 2 3 4 1 2 ! 3 ! 4 !

1 0,178! 66 0,088 86 7,163 43,3 26,7 23,5 6,4 0,048 43,8 27,1 ! 25,0 ! 4,2 1

2 0,301! 66 83 7,892 48.1 32.6 15,4 3.9 0,056 48,2 32,1 ! 17,9 ! 1.8 I

3 0,1771 86 „И. 92 4,267 13,5 45,1 23,2 18,2 0,027 11.1 48,1 ¡25,8 ¡14,9 ¡

4 0,294! 86 89 6.143 4,5 44,4 36,9 14,2 0,040 2,5 47,5 ! 40,0 110,0 ¡

5 0,177! 66 0,168 89 9,792 29,9 24,5 17,2 28,4 0,064 28,1 25.0 ¡17,2 ¡29,7 !

6 0,297! 66 85 11,529 36,9 37,3 21,3 4,5 0,076 36,8 38,2 ! 23,7 ! 1,3 !

7 0,1781 86 94 5,317 13,1 35,1 8,7 43,1 0,033 6,1 42.4 ! 3,0 ¡48,5 1

8 0,300! 86 91 6,452 0,2 54,8 30,2 14.8 0,041 2,4 56,1 ! 31,7 ! 9,8 !

9 0,138! 76 0,128 94 5,653 32,6 33,2 13,9 20,3 0,037 29,7 35,2 ¡13,5 ¡21,6 ¡

10 0,342! 76 89 9,901 26,7 36,1 27,5. 9.7 0,066 27,3 37,9 ! 30,3 ! 4,5 !

11 0,242! 59 86 10,001 52,4 29,8 16,5 1.3 0,069 52,2 30,0 ! 17,4 ! 1,4 !

12 0,242! 93 96 5,035 10,1 43,7 26; 8 19,4 0.033 6,1 45,4 ! 30,3 >18,2 !

13 0,240! 76 0,061 85 3,986 26.0 49,5 24,4 0,1 0,030 23,3 46,7 ¡26,7 : з.з ¡

14 0,244! 76 0,195 93 7,570 36,6 44,0 9,8 9,6 0,048 33,3 47,9 ! 12,7 ! 6,3 !

15 0,242! 0,128 92 7,720 39,7 35,8 17,5 7,0 0,051 39,2 37,3 ! 19,6 ! 3,9 !

16 0,240! 91 8,331 34,9 36,4 12,1 16,6 0,055 34,6 38,2 ! 14,5 Г12.7 !

17 0.242! 93 8,823 36.2 37,5 14,3 12,0 0,048 35,4 37,5 ' 18,8 ! 8,3 !

18 0.2381 — 93 7,574 (40,1 33,4 12,3 14,2 0,050 40,0 36,0 ¡14,0 MO.O ¡

19 0,239' .И, 92 7,905 37,8 34,3 15,1 12,8 0,051 41,1 31,4 ¡15,7 ¡11.8 !

20 2 а 240! 92 8,648 ¡35,5 34.5 14.8 U5.-2 10,054 ¡ 42.б 37.0 ¡14.8 ! 5,6 !

тарелке. На нижних конденсационных тарелках количество отводимого тепла и конденсируемых паров ив меняется незначительно. Но при атом возрастает их доля в проценте« от общего количества отводимого тепла к конденсируемых паров в этой секции.

Комбинированная схема орошения вакуумной колонны позволяет равномерно распределять нагрузки по отдельным конденсационным тарелкам, при соответствующем распределении количества тепла, отводимого калщым ив этих орошений. Наиболее равномерное распределение тепловых нагрузок по тарелкам достигается при количестве тепла, снимаемого в выносном конденсаторе около 30-40 X от суммарного количества тепла, снимаемого указанными орошениями (доля теп л; снимаемого ВДО 70-60 X соответственно).

Понижение конденсационного эффекта в секции ВЦО, вызванное

ушнъ&внти числа конденсационных тарелок в ней, можно компенси-

» *

ровать, регулируя количество тепла, отводимого в выносном парциальном конденсаторе, т.е. такая схема позволяет уменьшить число тарелок в секции ВЦО и снизить за счет этого перепад давления в колонне, тем самым увеличивая отбор целевых фракций в ней.

С целью оценки массообмена на конденсационных тарелках отбираемым пробам жидкости с каждой тарелки определяли фракционный состав по ИТ К.

Анализ Фракционного состава флегмы с каждой конденсационной тарелки показывает, что состав циркулирующей жидкости заметно вменяется на верхних трех тарелках по ходу движения флегмы (рис.3). Состав циркулирующей жидкости значительно облегчается на первой (верхней) тарелке по отношению к его исходному фракционному составу (жидкость с четвертой тарелки). Затем в большинстве опытов фракционный состав циркулирующей жидкости утяжеляется на второй тарелке. На третьей тарелке фракционный состав флегмы изменяется незначительно по отношению к ее составу на второй та-

-и-

Фракционный состав по И1К проб жидкости« отобранных с конденсационных тарелок лабораторной колонны

Рис.3

Цифри на кришх- помора тарелок

релке. Наконец, на последней четвертой конденсационной тарелке происходит утяжеление фракционного состава, т. е. жидкость воввра щзется к бе исходному составу. При этом составы жидкой флегмы со второй и третьей тарелок отличаются очень мало, хотя температуры флегмы на этих тарелках изменяются соразмерно изменениям темпера тур на остальных тарелках. На указанных тарелках жидкая флегма не только поглощает конденсируемые ею пары, но и часть своих лег ких фракций испаряет, т.е. на них имеет место массообменный процесс, сочетающий одностороннюю конденоацию ларов о ректификацией парожидких фаз.

Анализ изменения фракционного состава по ИТК жидкости с последней конденсационной тарелки пс ходу движения флегмы(ВЦО) показывает, что на изменение его состава оказывает влияние в основ

I

ном количество тепла , отводимого в данной секции , причем коли*

чество орошения и ого температура не адекватно влияют на его исходный состав. Изменение количества циркуляционного орошения при прочих равных условиях вьшывает изменение его фракционного состе Ь1 в большей степени, чем изменение его начальной температуры.

С использованием методов математической обработки зкоперимеь тальных данных получено уравнение описывающее зависимость количества углеводородных па|к>в < ректификата ), уходящих о верха кс лонны при комбинированной схеме орошения от изменения количества циркулирующего орошения, его начальной температуры и нагрузки кс лонны по парам:

14- -Ъ,83 -19,22*Х|+ 0,г5*Х1+ 25.5*Хэ (1)

Отклонение данных, вычисленных по предложенной формуле , по сравнению с экспериментальными не превышает 15,2 относительных процента.

Также, составлено эмпирическое уравнение, более точно описы ваккцее зависимость выхода нефтяных паров (ректификата) через ве

колонны от нескольких более доступных определяющих этот выход параметров. В результате обработки данных на ЭВМ получена следующая вависимость:

Уг- 6,94-0,038*140,729*г+1,162*Р-0,167*п-70,679*Н (2) Расчетные значения выхода паров (ректификата) с верха колонны, рассчитанные по этой зависимости, очень близки к экспериментальным и максимальное отклонение на превышает 9,4 относительных процента.

В четвертой.главе приведены ревультаты обследования промышленной вакуумной к&лонны при отводе тепла только верхним циркуляционным орошением.

В обследованной промышленной колонне тарелки ВЦО работают в существенно отличных гидродинамических условиях, когда нагрузка по жидкости меняется незначительно, а по парам ревко снижается от нижней тарелки к верхней (отношение количеств флегмы и паров меняется от 0,9 до 55,5 ). Диапазон изменения относительной нагрузки тарелок по парам составляет; • от 50-75 X для нижней тарелки до 7-12 X для верхней. Линейная скорость паров в межтара-лочном пространстве уменьшается по ходу движения паров почти в . 3 раза. Значительное снижение линейной окорости приходится на пнрьын дни тар«лки по ходу движения паров.

Если по фактическим нагрузкам по парам из условия допустимой нагрузки рассчитать потребный диаметр колонны в секции ВЦО, то • его величина оказывается от 1,5-2,0 м для сечения под верхней тарелкой, до 4-5м для сечения под секцией ВЦО (при диаметре колонны К-6 -б,4м), г. е. для создания гидродинамически устойчивого режима работы та1<елок ВЦО их диаметр должен быть различным , ооот-иототьемно фактическим иагруиклм.

Выявлено, что в вакуумной колонне при отводе тепла ВЦО основ-' ное количество(80-85Х) тепла,отводимого на конденсационных тарел" ках, и доля конденсируемых паров, приходятся на две нижние тарелки по ходу движения флегмы, независимо от общего числа тарелок в секции ВЦО. Значения теплонапряженности веркала барботажа на эти> тарелках также наибольшие . При этом, когда под ВЦО было вадейст-вовано четыре тарелки средняя теплонапряженнооть в конденсацион-

э

ной секции в целом составляла 124-154 кВг/м. При увеличении числе

тарелок до шести средняя теплонапряженнооть на пакете конденсаци-

2

онных тарелок увеличилась до 164 кВг/мг Приведенные акачения срвр ней теплонапряженности почти в два рава выше величины рекомендуемой в литературе для этих секций.

При увеличении числа конденсационных тарелок с четырех до шее ти происходит перераспределение нагрувки по теплосъему на самих

V

тарелках, а именно с верхних тарелок на нижние две по ходу движения флегмы. В обследованиях 1-3 доля тепла снимаемого на верхних двух тарелках составляет примерно 10-13 % от общего количества тепла снимаемого в секции ВЦО. При увеличении числа конденсационных тарелок с четырех до шести примерно такая доля снимаемого теп ла приходится уже на третью и четвертую тарелки.

Зта неравномерность по тепловой нагрузке согласуется с величи ной количества конденсирующихся паров.

Такой же характер изменения и коэффициентов теплопередачи и теплонапряженности на этих тарелках. Примерно одинаковые величины как теплонапряженности, так и коэффициента теплопередачи на треть ей и четвертой тарелках при обследованиях 1-3 значительно уменьша ются на этих тарелках при увеличении общего числа конденсационных тарелок с четырех до шести в обследовании 4. При увеличении числа тарелок с четырех до шести наибольшие значения ут приходятся на последние дье (пятую и шестую) таролки.

Изменение среднего температурного напора на конденсационных тарелках секции ВЦО

Рис, 4

-щ. на конденсационных тарелках;

— -- на ректификационных тарелках.

Цлфры на кривых- номера обследований.

Э

Анализ изменения среднего температурного напора д Тор на тарелках конденсационной секции ВЦО показывает, что при числе кон-денсационннх тарелок, равном четырем (на рис.4 кривые 1-3) дТрр достигает максимума на четвертой ( последней по ходу движения флегмы) тарелке , а при увеличении количества тарелок до шести ( кривая 4 ) - на пятой, а на шестой тарелке температурный напор начинает снижаться. В области между экстремальной точкой температурного напора на конденсационных, тарелках и тарелкой, на которой начинается равновесная ректификация, охватывающей несколько тарелок, процесс в той или иной степени смещен в сторону конденсации , пароь и "догреьа" флегмы до состояния, близкого к равновесному к

параы. Исходя ив полученной картины, при шасти-тарелочной конде» оационной секции последняя, шестая тарелка работает в переходно! области. -Лри числе конденсационных тарелок, равном четырем, все тарелки, на которых циркулирует флегма ВЦО, работают в рехимэ полной конденсации о ростом температурного напора от тарелки к тарелке сверху внив, а в случае, когда число конденсационных та релок увеличивается до шести, то уже начиная с пятой тарелки и ниже, режим односторонней конденсации паров начинает переходить в режим двустороннего массообмена, т.е. одновременно с конденса цией тяжелых фракций паров испаряется часть легких фракций жидкости.

Эффективность конденсационных тарелок(1}) оценивали по соот ношению, учитывающему протекающие на этих тарелках процессы как теплообмена,так и массообмена:

_ пц* тм * ьи<

1 — » .«г--Г"- I ( 3 '

п^* * 14*1

Эффективность теплообмена отдельных конденсационных тарелон при равных режимах работы секции ВЦО, как и при отводе тепла кс бинированным орошением изменяется незначительно,хотя существен« изменяются температурный напор и количество конденсируемых на 1 релках паров(ва исключением върхней конденсационной тарелки, кс торгуя в отдельных случаях имела более низкий тепловой КПД ). Нь обходимо заметить,что при увеличении числа конденсационных тар< лок от четырех до шести, эффективность теплообмена как отделы» тарелок,так и средняя в секции ВЦО возрастает примерно на 30-35

Изучено влияние конденсационных тарелок на работу нижележш ректификационных тарелок. Для оценки этого влияния использовал! показатель приведенной четкости погоноразделвния (д1пр) смежны; дистиллятов, представляющий отношение разности температур конц кипения'низкоЛипящэго и начала кимеНия ьисококипищего дистилля

тов к проивведвнию числа ректификационных тарелок и кратности орошения на них. Зависимость Аьлр от величины средней удельной твплонапряженности (Ср на пакете конденсационных тарелок пока-вывает, что с увеличением величины последней увеличивается приведенная величина температурного налегания омежных дистиллятов в нижележащей ректификационной секции, т. е. что четкооть погоно-разделения ухудшается. Это объясняется тем, что о ростом удельной теплонапряженности флегма, стекайся па нижележащие ректификационные тарелки, становится все более недогретой до температуры ее начала однократного испарения.

Работу конденсационных тарелок оценивали также параметром 0ср, называемым степень» недогретости флегмы орошения и определяемый по формуле:

Т^ - т"

■ или 'а ТНСИ

Увеличение числа конденсационных тарелок до шести приводит к уменьшению значения вера еначит улучшает и четкость ректификации на нижележащих ректификационных тарелках, т. е. приближает процесо к равновесному.

Из анализа гидродинамического режима работы конденсационных тарелок, а также динамики конденсации паров и снимаемого тепла следует, что для полной конденсации паров при наученных режимах и условиях достаточно четырех конденсационных тарелок. Увеличение числа конденсационных тарелок свыше четырех не улучшает процеоо конденсации паров и отвода тепла в секции , а ведет лишь к перераспределению нагрузок по тарелкам и к нежелательному увеличению высоты колонны.

Аналиэ данных фракционного состава по ИТК проб жидкооти и пара, отобранных при проведении промышленных обследований показывает. что состав циркулирую^ жидкооти изменяется( облегчается )

а_ 'ноя ' ч , л , р —--¡и- ' ( 4 )

после контактирования ее о парами на верхних двух тарелках по ходу движения флегмы, что подтверждается различными значениями температур кипенйя ло кривым НТК, плотностей и молекулярных масс.

Фракционный соотав циркулирующей жидкооти облегчается невна->штелыю на первой верхней конденсационной тарелке, а ватем зна-чительнс облегчаетоя на второй тарелке по ходу движения флегмы. Если в исходной циркулирующей жидкости фракций, выкипающих до

о

250 С, содержится до ZQX масс., то в жидкости, стекающей со второй тарелки этих фракций содержится почти 391.

На третьей конденсационной тарелке фракционный состав циркулирующей жидкости изменяется по сравнению о составом на второй тарелке незначительно.

Наконец, на последней конденсационной тарелке по ходу движения флегмы происходит вначительное изменение фракционного состава в сторону его утяжеления, т.е. жидкость, стекающая с втой тарелки, вовврацрется к своему исходному фракционному 'составу . Хидкоотн, покидающие первую и пооледнюю конденсационные тарелки (соответственно, верхняя и нижняя),по фракционному составу очень близки в силу того, что исходная циркулирующая жидкость о четвертой тарелки вступает в контакт о очень малым количеством парйв, которые доходят до первой верхней тарелки конденсационной секции ЬЦО. Следует отметить, что фракционный состав циркулирующей жидкости на конденсационных тарелках , как и в опытах на лабораторной колонне, изменяетоя ло всему интервалу температур кипения: изменение кривых НТК происходит почти параллельным их омецэниеы в сторону увеличения или уменьшения температуры отгона.

Изменение качества циркулирующей жидкости на конденсационных тарелках секции ЩО лроиоходиг экстремально.

На рис.5 приведена закономерность изменения качества циркулирующей жидкооти. Видно, что значений перепада средней температу-

es

I

ч

a >»

a.

s h

о о X

о ч

R

«

X X

0 с s

!С

3 (Ь

1

и> с ï а>

t«

(О X

et &

и

С 4> и.

ä

gOI X(fVMiyohj.fiifU t.fu&c.'q]

«>iv>eui «H

I I I I I I I

lO

o tu

s

s;

X

cl y.

e;

8. ce f<

c! Ж

S tf

о О s; et

X К

—1—Г""Т—I1 Г" i—i— i i i I 1 1 1

«а. d 5Í 3 -и —<1 > J

<Г * s ir. 8.

Г / \ / V « <м 01 f« Ci ï о

оо .1 1 1 1 . 1 1 I 1 .1 III .1.

^<r«ioaOka<fM «i 4 ui «О S

^ M T*

CM t lû

л I L 1 J 1 1 1 1

una'(b'îv 'tnsuadsu tJMhd/Ufcdoimai,

-Gi*(fv 'HiaoHxoifU u«uudO[j

I I I I I I I I

—Г 1 "Т— ГТ 1 1 Г..... 1 Г Г" i I—!

Ú и -Н

ч JL с^ - s SC ч а о

N. Ч сП. ч -2

. . i l i. i i_ —1-1—L. 1 ,. .1 „1_1 .

^û ^ N О cO ^O ^

N <1" <a o N Ч1

I I I I I I I I

' «tfT'ijodou jjfii'f'An.'ilau^a^

n

i

§

3

a о et

s

о о

in ri

4

О ••

eg -V а

m

S

u

4

о о о

•4¡

ры кипения и плотности жидкости на верхних двух тарелках по ходу движения флегмы имеют тенденцию к возрастанию и доотигнув на второй тарелке максимума начинают уменьшаться на нижерасположенных тарелках. Эту закономерность подтверждает и изменение молекулярной массы циркулирующая жидкости имеющей наибольший перепад на второй тарелке.

На пакете конденсационных тарелок в результате барботажа паровой фазы через слой жидкости и протекания в этой зоне конденсационных процессов образуется нефтяная дисперсная система (НДС).

С повышением температуры снижается анергия межмолекулярных взаимодействий, в результате чего снижается поверхностное натяжение в нефтяных системах и изменяются размеры образующихся Диспер сных частиц (пузырьков) в результате их коалесценции.

Выявленные зависимости изменения качества НДС по отдельным тарелкам подтверждают, что физико-химические и технологические свойства НДС, в результате изменения геометрических размеров дис пареных частиц ( пувырьков ) под совокупным влиянием внешних воз действий изменяются экстремально.

В пятой главе обобщены практический опыт работы вакуумных колонн и полученные ревультаты исследований.

Опыт освоения и наладки промышленных вакуумных колонн АВТ , оборудованных клапанными тарелками, показал, что в условиях ваку умных колонн АВТ, особенно в их конденсационных секциях, где наг рузка по парам резко меняется, они не обеспечивают нормальную ре боту колонн.

При пуске втих колонн, для обеспечения устойчивой работы и возможности получения качественных вакуумных фракций вынужденные решением оказалось перекрытие живого сечения (зеркала барботажа] клапанных тарелок от 26 X от общей площади тарелки ( над вводом сырья) до 85 X (в верхней части колонны). Из-за неэффективной р<

боты тарелок в воне ВЦО и, как следствие, неустойчивой температуры верха колонны ( особенно в период пуока ) и повышения ее до 200*0 и выше на многих установках обязательному перекрытию (в той

или иной степени) подлежали все тарелки конденсационной секции. *

Нормализация гидродинамического режима работы конденсационных тарелок (даже таким грубым приемом как перекрытие тарелок) и сокращение их количества до необходимого по технологии позволяет получить заметный аффект по выходу целевых продуктов . Другой важный момент - установление величины допустимой для конденсационных тарелок вакуумных колонн удельной теплонапряиеннооти зеркала барботажа . Результаты исследований конденсационной секции ВЦО» проведенных в рамках настоящей работы а также, многочисленные обследования других колонн показывают , что среднюю величину

удельной теплоньпряиенности в указанной секции мокко принимать

2

для колонн с диаметром D 6,4 м до 120-140 кЭт/м.

С целью создания на каждой тарелке секции ВЦО таких условий, которые обеспечивали бы максимальный конденсационный эффект по удельной теплонанряженности зеркала барботажа . а зто возможно, если каждая тарелка будет работать при относительной нагрузке по парам, близкой к допустимой, разработан и предложен способ конденсации паров в вакуумных колоннах и устройство верха этих колонн, сущность которого показана на рис. 6. Конденсационные тарелки верха такой колонны располагаются в конусной обечайке и имеют разную- уменьшающуюся кверху плсшдць барботажа.

Поток паров по этому способу направляют в верхнюю конденсационную секцию,имеющую в этой зоне коническо- цилиндрическую форму в соответствии с уменьшающимися нагрувками по парам по ходу их движения. Циркулирующую жидкость подают порциями: основное количество на верхнюю конденсационную тарелку, а остальное ее количество, преимущественно равномерными порциями, подают на вторую

Способ конденсации паров в ректификационной вакуумной колонне с переменным сечением в оекции ВЦО

1-6 - номера тарелок; 7 - холодильник;

1 - пар, поступающий в секцию ВЦО; 11- неконденсируемые гавы и водяной пар; 111 - боковой погон.

и третью тарелки атой секции.

Пе|>ом*нный диаметр тарелок по высоте колонны становится адор ватным профилю иагрувок тарелок по парам и это приводит к повыше нию эффективности каждой тарелки.

Другое преимущество предложенной схемы орошения ваключается в порционнооти подачи орошения. Это во-перьых, поаволмет повыоип температурный перепад между парами и жидкостью на верхних двух-трех тарелках и улучшить на них конденсацию, во-вторых, несколько сгладить неравномерность по плотностям орошения тарелок.

Предложенный способ конденсации.паров был вэяг ва основу, ' лри реконструкции верхнай части вакуумной колонны К-6 установки

ШГ ГНПЗ им. А. Шерилова 0 целью повышения конденогщиоиного эффекта секции ВДО было перекрыто живое сечение всех четырех конденса-дионных тарелок соответственно паровым нагрувкам в указанной оок-

дии, а циркулирующая флегма подаваиаоь порционно на верхние три *

гарелки. ,

Последующие обследования колонны и устаговки вцэдом показали, что в ревультате выполнения этих работ увеличился отбор целевого парафинового дистиллята (фр. 28О-46О°0) примерно на 2,2-2,5*, снизилась загрузка барометрического конденсатора нефтяными нарами и соответственно снизились удельные нормы расхода водяного пара на эжекторы и расход воды на охлаждение.

Годовой экономический эффект от этого внедрения составил около 220 тью.рублей (в ценах 1990 года).

Фактический экономический аффект*, рассчитанный в среднемировых ценах (в долларах США) от внедрения нового способа конденсации паров на укапанной установке, составил 88,7 тыс. долл./год.

Результаты диссертационной работы были внедрены при реконструкции вакуумного блока установки КМ-2 Ново-Ярославского ШИЗ. 8 вакуумной колонне бала демонтирована одна ип пяти конденсационных тарелск секции ВДО с последующим перекрытием живого сечении оставшихся четырех клапанных тарелок соответственно на 20; 36; 51; 647, от обшэй площади их барбста»а.

Результаты последующих обследований показали, что выполнение предложенных рекомендаций повволило спивать потерю целевой масляной фракции ЗЗС-420°С через верх вакуумной колонны и увеличить отбор бокового погона с нижней ректификационной тарелки.

Годовой экономический эффект от этого, внедрения составил около 550 тыс.рублей (в ценах 1991года).

-24-

овдяе вывода

1. Создана лабораторная установка защищенная патентом РФ, позволяющая в условиях вакуума моделировать и изучать механизм процессов тепло- и масоообмена на тарелках ректификационных колонн i рааработала методика работы на ней.

2. Составлена статическая математическая модель секции ВЦО npi комбинированной схеме отвода тепла в вакуумной колонне ( ВЦО с парциальным конденсатором) и дано уравнение, описывающее зависимость количества паров ректификата с верха колонны от количества циркулирующего орошения, его начальной температуры и нагрузки колонны по парам.

3. Проведено оборудование промышленной вакуумной колонны уст-(Юйствами для отборе проб жидкости и пара, что позволило провеет! опытно- промышленные испытания конденсационных тарелок в секции ВЦО.

4. Выявлено, что при отводе тепла сверху вакуумной колонны

только ьерхним циркуляционным орошением 80-65Х тепла приходится

на две нижние конденсационные тарелки ( независимо от их общего

числа). Допустима» величина теплоналряиенности тарелок ВЦО может

4

приниматься 120-140 кВг/м , т.е. почти в два раза выше рекомендуемой и литературе.

Ь. Установлено, что качество циркулирующей жидкооти на конденсационных тарелках вакуумной колонны изменяется экстремально, с максимумом на второй тарелке по ходу движении флегмы.

6. Предложены два технологических решения реконструкции секци! ЩО вакуумной колонны новьслякщх равномерно распределить нагрув-ки на пакете конденсационных тарелок:

комбинированная схема - ЩО на трех тарелках и выносной конденсатор с возвратом части фпегмы на верхнюю конденсационную та-

релку. За смет изменения на этих ступенях нагруоок конденсации по парам(в пределах 60-707. и 40-30Х) такое решение позволяет достичь наиболее равномерной'нагрувки тарелок ВЦО;

- новый способ отвода тепла наверху вакуумной колонны, при ко тором под конденсационную секцию выделяется четыре- пять тарелок с уменьшающейся по ходу паров площадью зеркала барОотажа и расположенных в конической верхней части колонны, а циркулирующее орошение подается порционно на верхние две-три тарелки с регулируемым их расходом и температурами.

7. Внедрение на ряде промышленных установок предложенного способа конденсации паров в ректификационной вакуумной колонне подтвердило его высокую эффективность.

Годовой экономический .эффект только для одной вакуумной колонны мощностью по мазуту 31,7 тые. т/год составил около 88,7 тис-до лларо в США.

Условные обозначения, принятые в приведенных уравнениях:

У - количество углеводородных паров (ректификата) уходящих с верха колонны, X от сырья;

К1 - количество ВЦО, кг/ч;

Хг - начальная температура БЦ0,°0;

л'з количество паров, приходных в конденсационную сркцию (количество-сырья в паровой фаье), кг/ч;

? - температура верха колонны,°С;

Ъ - количество инертного компонента в пересчете на водяной пар, X от сырья;

Р - парциальное давление нефтяных паров наверху колонны, мм. рт. ст.;

п - отношение суммарного количества' тепла отводимого обоими орошениями к общему количеству тепла вносимого в секцию

ВЦО нефтяными парами и инертным компонентом; Н - количество паровой фазы сырья, кг/ч; С .ту- тешературы начала однократного испарения и фактическая

для флегмы циркулирующего орошения,0О; "■¡.и • ®Ч ~ количество жидкости поступающей и уходящей с 1-й тарелки, КГ/Ч;

- энтальпии жидкости,соответственно, поступающей и уходящей с I -й тарелки. кДж/кг; го* - количесгБо(кг/ч) и энтальпия (кДж/кг) жидкости уходящэй с 1-й тарелки (при условии,что температура этой жидкости равна температуре паров, покидающих тарелку).

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Цкцкиев И. И .Мановян А. К. , Морозов & А. .Аушев Ы. А Ивучение особенностей работы конденсационных тарелок в вакуумных колоннах АСТ.//Тезисы докладов межзаводской школы по обмену передовым производственным опыгом "Опыт реконструкции вакуумных блоков на АВГ'Ч г. Пермь,1У88г. .июнь)-!! ,ЦНИИТЭнефгехим, 1388г.

2. Цицкиев М. и. . Ыановян А. К. , Морозов Е А. , Аушев М. А. Тепло- и мапсообмьннье характеристики конденсационных тарелок вакуум-пк':-: к.''.'!'>нн.//Химии и технология топлиз и масел, 1990, N6,с. 14-1

3. Патвкт РФ N1808344. Установка для изучения теплообменно-конденс-сщионных процассоь//А. К. Ыановин.М. М. Цицкиев, Е А. 1Аэро вое ¿993.-Б. К. N14.