автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Реконструкция дебутанизатора и изопентановой колонны на ГФУ с целью повышения эффективности процесса ректификации

Казанский государственный технологический университет

На правах рукописи

ЯСАВЕЕВ ХАМИТ НУРМУХАМЕТОВИЧ

РЕКОНСТРУКЦИЯ ДЕБУТАНИЗАТОРА И ИЗОПЕНТАНОВОЙ КОЛОНН НА ГФУ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ

05.17.08 — Процессы и аппараты химической технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РТ и РФ Дияров И.Н.,

доктор технических наук, профессор Лаптев А.Г.

Казань - 1998

-2-

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................... 5

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И ПРОБЛЕМЫ РАЗ ДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ................................. 8

1.1. Структура производства легкого углеводородного

сырья (ЛУС)..............................................................................................8

1.2. Усовершенствования технологии разделения углеводородных

смесей.......................................................................................................11

1.3. Моделирование стационарных режимов работы сложных ректификационных колонн................................................................... 17

1.4. Кинетические закономерности массо- теплообмена

на контактных устройствах.............................................................. 23

1.5. Пути повышения эффективности процессов разделения

в ректификационных аппаратах........................................................... 28

Выводы.............................................................................................................31

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ В КОЛОННЫХ АППАРАТАХ...............................33

2.1. Краткая характеристика установки разделения широкой фракции легких углеводородов на Сургутском заводе стабилизации

конденсата........................................................................................................34

2.2. Потарелочная процедура расчета колонны......................................... 39

2.3. Расчет равновесия пар-жидкость......................................................... 45

2.4. Эффективность массообменных тарелок..............................................56

Выводы......................................................................................................... 60

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЭТТ В НАСАДОЧНЫХ КОЛОННАХ..... 61

3.1. Гидравлические характеристики насадочных колонн.........................61

3.2. Метод сопряженного физического и математического

моделирования........................................................................................64

3.3. Уравнения переноса импульса, массы и тепла

в насадочном слое...................................................................................67

3.3.1. Определение коэффициентов массо и теплоотдачи в насадочном слое без фазового перехода.................................................................72

3.3.2. Определение коэффициентов массоотдачи и теплоотдачи с учетом неэквимолярности....................................................................75

3.3.3. Характеристики турбулентного обмена.............................................76

3.4. Построение локального потенциала......................................................78

3.5. Уравнения Эйлера-Лагранжа................................................................

.81

3.6. Определение высоты насадочного слоя (ВЭТТ).................................84

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ

ДЕБУТАНИЗАТОРА И ИЗОПЕНТАНОВОЙ

КОЛОННЫ.................................................................................... 88

4.1. Изменение температурного режима дебутанизатора и изопентановой колонны при составе сырья и давлении, соответствующих проекту ................................................................... 88

4.2. Влияние давления на значения температур низа дебутанизатора и изопентановой колонны.......................................................................101

4.3. Влияние состава сырья на температуры низа дебутанизатора и изопентановой колонны.......................................................................102

ГЛАВА 5. РЕКОНСТРУКЦИЯ ДЕБУТАНИЗАТОРА И

ИЗОПЕНТАНОВОЙ КОЛОНН ПУТЕМ ЗАМЕНЫ КЛАПАННЫХ ТАРЕЛОК НА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНУЮ НАСАДКУ.............................................................109

5.1. Замена тарелок на насадку фирмы Glitsch.........................................110

5.2. Разработка новой насадки...................................................................114

-45.3. Алгоритм расчета ректификационных колонн с насадкой..............124

Заключение..................................................................................................126

Литература..................................................................................................131

Приложение 1. Физико-химические свойства углеводородных

смесей..................................................................................

148

Приложение 2. Моделирование сложных ректификационных

комплексов.........................................................................156

Приложение 3. Исследование влияния температур низа К-10, К-11 на работу дебутанизатора и изопентановой

колонны.............................................................................160

Приложение 4. Нахождение оптимального температурного режима

работы низа колонн К-10 и К-11....................................167

Приложение 5. Исследование влияния флегмового числа К-10, К-11 на работу колонн при оптимальном температурном режиме..........................................................175

Приложение 6. Исследование влияния давления на работу колонн

К-10,К-11.........................................................................180

Приложение 7. Исследование влияния состава сырья на оптимальный температурный режим колонн К-10, К-11............219

Приложение 8. Исследование работы насадочного варианта

колонн К-10, К-11............................................................255

ВВЕДЕНИЕ

Восьмидесятые годы характеризовались интенсивным развитием химических отраслей промышленности, в первую очередь - нефтеперерабатывающей и нефтехимической. Нефтехимическая отрасль, моно-польно обеспечивающая потребности общества в ряде важнейших продуктов (прежде всего в синтетическом каучуке), использует в качестве сырья продукты нефтяного происхождения, в первую очередь индивидуальные фракции и смеси углеводородов Сз -г- С5, так называемое легкое углеводородное сырье (ЛУС). Источником ЛУС для нефтехимии выступают нефтепромысловые, газо-и нефтеперераба-тывающие предприятия.

Проходящая в последние годы быстрая смена форм собственности в промышленности, привела к коренному изменению традиционных схем формирования сырьевой базы нефтехимической отрасли, изменению традиционных связей между предприятиями, резкому росту стоимости большинства продуктов за счет изменения условий формирования их себестоимости. Особенно существенное влияние на эти процессы в рассматриваемых отраслях промышленности оказало возрастание в себестоимости доли энергетических и сырьевых ресурсов.

Основным технологическим процессом разделения смесей в нефтеперерабатывающей промышленности является ректификация, которая характеризуется чрезвычайной энергоемкостью. Так по данным фирмы "ГАЛФ ОЙЛ" /1/ в 1989 г. в США на процессы ректификации было израсходовано до 3% национального фонда потребления энергии. Снижение этой цифры на 10% эквивалентно получению полумиллиарда долларов прибыли в год. Относительная доля затрат на аналогичные процессы в родственных отраслях промышленности РФ из за существующего отставания в уровнях технологии и аппаратурного оформления процессов разделения даже превышает

вышеотмеченные цифры. Поэтому исследования в области совершенствования технологии фракционирования нефтепродуктов, снижения энергопотребления на их проведение и аппаратурного оформления этих процессов относятся к одним из важнейших направлений технического прогресса. К примеру, затраты нефтяных компаний США на совершенствование процессов ректификации составили в 1989 году более 2 млрд. долларов.

Как правило эти исследования носят комплексный характер, причем их можно сгруппировать в следующих основных направлениях /2/:

1. Исследование фазовых равновесий (жидкость - пар);

2. Исследования в области статики ректификации, направленные на улучшение термодинамических условий проведения процессов, разработку новых способов и схем ректификации, оптимизацию технологических режимов проведения процессов разделения;

3. Разработка математических моделей процессов массо- и теплообмена в массообменном колонном оборудовании, направленные на повышение точности проектных процедур, снижение принимаемых проектировщиками коэффициентов запаса, и, как следствие, - снижение капитальных затрат на проведение процессов разделения;

4. Исследования в области совершенствования массо- и теплообменного оборудования, направленные на интенсификацию и удешевление аппаратов для проведения процессов разделения.

Исследование и совершенствование реальных процессов разделения в нефтепереработке предполагает широкое применение последних достижений теории во всех вышеотмеченных направлениях. Известно, что масштабные экспериментальные исследования в рассматриваемой области знаний чрезвычайно дороги, а зачастую и невозможны. Таким образом математическое моделирование выступает в этом случае как основной инструмент комплексного исследования.

-7В последние годы на многих предприятиях, использующих массообменное оборудование, происходит замена устаревших тарельчатых контактных устройств на новые высокоэффективные насадочные элементы. В связи с тем, что расчет колонн с новой насадкой имеет эмпирический характер, актуальной задачей является разработка теоретических подходов для определения массообменных характеристик насадочных колонн в нефтеперерабатывающей промышленности.

Целью данной работы является:

1. Исследования работы дебутанизатора и изопентановой колонны на газофракционирующей установке Сургутского завода стабилизации газового конденсата.

2. Снижение флегмового числа при различном составе ШФЛУ.

3. На основе использования метода сопряженного физического и математического моделирования разработка математической модели для расчета ВЭТТ насадочных элементов. Разработка новых насадочных элементов.

4. Выбор вариантов реконструкции дебутанизатора и изопентановой колонны путем замены тарелок на высокоэффективные насадочные элементы. Повышение качества разделения и снижение энергозатрат.

Работа выполнялась в соответствии с научным направлением Казанского государственного технологического университета «Развитие методологии оптимального проектирования оборудования на базе сопряженного физического и математического моделирования», а также ПНИЛ № 03 - 23 - 9: «Теоретические методы описания массотеплопереноса в двухфазных многокомпонентных системах, оптимальное проектирование и реконструкция аппаратов разделения в промышленной химии».

-8-

Глава 1

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И ПРОБЛЕМЫ РАЗДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

1.1. Структура производства легкого углеводородного

сырья (ЛУС)

В процессе добычи нефть извлекается из недр в двухфазном состоянии: в виде нестабильной нефти и попутного нефтяного газа, отсепарированных друг от друга при термодинамических условиях (давление и температура), близких к нормальным. Легкие углеводороды распределяются при этом между жидкой и газовой фазами системы в соответствии с условиями формирования парожидкостного равновесия. Принципиально таким же образом извлекаются и газоконденсаты, однако по своему углеводородному составу они значительно легче нефти, что приводит к определенным отличиям в технологии подготовки и переработки нефти и газоконденсатов.

Нестабильная нефть для обеспечения условий её транспортировки и хранения, определяемых соответствующим государственным стандартом /3/, должна быть подвергнута стабилизации для обеспечения заданной упругости нефтяных паров. Стабилизация осуществляется горячей сепарацией или ректификацией. При этом наряду со стабильной нефтью получается и широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ) - сырье нефтехимической промышленности. В процессе стабилизации поддерживается режим частичной депентанизации нефти, однако достаточно большое количество легких углеводородов Сз ч- С5: (2-г4)% в зависимости от типа нефти и способа её стабилизации остается в стабильной нефти /4-6/.

Попутные нефтяные газы подвергаются переработке на газоперерабатывающих заводах (ГПЗ) с целью удаления из газа углеводородов Сз+выше и водяных паров для обеспечения требуемой температуры точки росы

(температуры начала выпадания конденсата и образования кристаллогидратов -соединений воды и углеводородов). При этом обеспечиваются требования к газу для его транспортировки и получается газовый бензин, который по своему составу сравним с ШФЛУ стабилизации нефти. На ГПЗ РФ как правило поддерживается пропановый режим работы, который обеспечивает вовлечение пропана в газовый бензин на (80 ч- 85) %. Следует отметить, что на ГПЗ Канады и США поддерживается этановый режим работы, при котором обеспечивается практически 100 % - ное извлечение пропана и более тяжелых углеводородов и извлечение этана на 80 -г 90 % от его потенциального содержания в сырье III. Для транспортировки газового бензина с ГПЗ, расположенных в районах добычи нефти и газоконденсатов, используются продуктопроводы, работающие под давлением 7,5 4- 10 МПа. В США и Канаде, например, с 1977 г. эксплуатируется трубопровод, предназначенный для транспортировки сжиженных газов из западных районов Канады на восток США протяженностью около 3000 км III. Себестоимость перекачки ШФЛУ по трубопроводам обходится существенно дешевле, чем перевозка продукта по железной дороге. В то же время эксплуатация таких трубопроводов связана с определенным риском, для предотвращения которого необходимы специальные меры.

Стабильная нефть подвергается дальнейшей переработке на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) на установках первичной переработки нефти (АТ-АВТ), где легкие углеводороды С3 ч- С5 природного происхождения попадают в бензиновые фракции и выделяются из них в процессе стабилизации бензинов. В процессе облагораживания прямогонного бензина (установки каталитического риформинга и изомеризации) в результате химических превращений образуется дополнительное количество углеводородов С3 ч- С5 которые также выделяются в процессе стабилизации соответствующих потоков. Смесь головок стабилизации (ШФЛУ) совместно разделяется на

установках газофракционирования (ГФУ). Часть углеводородов С4-^С5 на НПЗ вовлекается в товарные автобензины, причем без их использования невозможно обеспечить пусковые, а в некоторых случаях и октановые характеристики бензинов. В то же время значительное количество этих углеводородов может безболезненно для НПЗ отвлекаться на нефтехимические нужды, причем это выгодно и с экономических позиций.

На установках ГФУ производятся фракции пропана, пропан-бутана для коммунально-бытовых целей и для использования в качестве моторных топлив, фракции нормального бутана и изобутана. Качество этих фракций определено соответствующими документами /8-11/. Пентановые блоки в составе ГФУ НПЗ отсутствуют /12/. Поэтому с НПЗ при существующей технологии может отвлекаться только смесь легких углеводородов (ШФЛУ), что не всегда оправдано, и в ограниченных количествах бутановые фракции. Основные ресурсы углеводородного сырья, как правило, используются неквалифицированно, в качестве технологического топлива. В то же время на сегодняшний день без участия НПЗ невозможно решать вопросы формирования сырьевой базы нефтехимической отрасли промышленности. Наибольший дефицит в сырьевых балансах нефтехимических предприятий складывается, как правило, во фракции изопентана, которую безусловно целесообразно производить на НПЗ /1/. Следует отметить, что на КПЗ США поддерживается этановый режим работы, обеспечивающий выделение на нефтехимические нужды всего спектра легких углеводородов. В ряде случаев предусматривается выделение из нефтезаводских газов не только этана /13,14/, но даже этилена /15/. Используемый ранее принцип анализа эффективности совокупного производства (НПЗ-РОЖ) на основе системного подхода /16-17/, в настоящее время практически не применяется.

При решении вопросов выделения и разделения легкого углеводородного сырья на НПЗ наблюдается чрезвычайное разнообразие в проектных решениях /19-20/. Так, установки ГФУ различаются по числу ректификационных колонн,

по числу тарелок в колоннах, разделяющих одни и те же смеси, по принятой последовательности выделения целевых фракций и т.д. По этим причинам использование типовых решений для реализации конкретных технологических производственных задач, например организации выделения на конкретной установке дополнительной продукции (изопентановой фракции), практически невозможно. Решение предполагает проведение комплекса работ исследовательского, проектного и организационного плана при использовании процедур экономической оптимизации принимаемых решений. По современным представлениям в качестве основного инструмента подобных исследований должен выступать метод математического моделирования, использующий обоснованные и эффективные моделирующие алгоритмы и пакеты программ.

1.2. Усовершенствования технологии разделения углеводородных смесей

Нефть и нефтяные фракции представляют собой, как правило, полиазеотропные смеси с весьма большим числом близкокипящих компонентов /23/. Даже в бензиновых фракциях число компонентов составляет в зависимости от пределов тем