CC BY
82
Раздел 05.17.08
Процессы и аппараты химических технологий
УДК 665.63.048
DOI: 10.17122/bcj-2019-2-127-132
А. М. Калимгулова (асп.) Н. А. Самойлов (д.т.н, проф.) Т. Р. Просочкина (д.х.н., проф.) О. В. Ишалина (к.т.н., доц.) А. П. Никитина (к.х.н., доц.) И. М. Калимгулова (магистрант)
А. С. Бондаренко (рук. сектора) 2
АНАЛИЗ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РЕЖИМА РАБОТЫ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗДЕЛЕНИЯ В РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЕ СТАБИЛИЗАЦИИ
ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра нефтехимии и химической технологии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2420932, e-mail: kalimgulova92@mail.ru 2 Филиал ПАО АНК «Башнефть» «Башнефть-Уфанефтехим», сектор моделирования технологических процессов 450105, г. Уфа, ул. Уфа-45; тел. (347) 2497210, e-mail: Aleksandrsbondarenko@gmail.com
A. M. Kalimgulova N. A. Samoilov T. R. Prosochkina A. P. Nikitina O. V. Ishalina I. M. Kalimgulova A. S. Bondarenko 2
ANALYSIS OF THE HYDRAULIC OPERATION MODE OF CONTACT DEVICES FOR INCREASING THE EFFICIENCY OF SEPARATION PROCESS IN THE RECTIFICATION COLUMN OF STABILIZATION
OF DIESEL FUEL
1 Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2420932, e-mail: kalimgulova92@mail.ru: 2 Branch of PJSC ANK Bashneft Bashneft-Ufaneftekhim Ufa, 450105, Russia; ph. (347) 2497210, e-mail: Aleksandrsbondarenko@gmail.com
Целью данной работы стал поиск решения проблемы проскока сероводорода в кубовый продукт стабилизационной колонны установки гидроочистки дизельных топлив. С применением программного обеспечения Aspen HYSYS выполнен гидравлический расчет внутренних устройств, который позволил обнаружить наличие условий провала жидкости на всех контактных устройствах отгонной части колонны. На основании расчетов было предложено перекрытие части клапанов тарелок отгонной части колонны. Реализация этого решения привела к увеличению скорости паров за счет уменьшения свободного сечения, и, таким образом, ликвидировало провальный режим работы. Результаты лабораторных анализов показали, что проведение реконструкции исключило проскок сероводорода в кубовый продукт колонны стабилизации.
The aim of this work was solutions of the problem of hydrogen sulfide breakthrough into the bottom product of the stabilization column of the diesel fuels hydrotreatment unit. Using the Aspen HYSYS software, an internal devices hydraulic calculation was made. It allowed to detect the liquid leakage in the column flash zone. According to the calculations closing a part of the valves of the column flash zone plates was proposed. The implementation of this solution has led to a vapors velocity increasing by reducing the free section and repairing the leakage transfer process mode. Laboratory tests showed that the modernization trays resulted in an excluding of a hydrogen sulfide breakthrough into the bottom product of the stabilization column.
Дата поступления 20.02.19
Ключевые слова: гидравлический режим; качество продуктов; контактные устройства; мас-сообменный процесс; модернизация контактных устройств; ректификационная колонна; стабилизация дизельного топлива; эффективность фракционирования.
Одним из основных путей развития нефтеперерабатывающей промышленности является модернизация оборудования, интенсификация технологических режимов его работы и повышение качества получаемых продуктов. Эффективность разделения нефти и нефтепродуктов зависит от способности контактного устройства обеспечить необходимую степень разделения в секциях колонного оборудования.
Ректификационные колонны, применяемые в нефтепереработке и в нефтехимии, классифицируются по различным признакам:
— по технологическому назначению;
— по способу организации контакта паровой и жидкой фаз;
— по типу контактных устройств;
— по регулируемости сечений для прохода паровой и жидкой фаз и т. д.
По определению, контактные устройства -это устройства, на которых реализуется процесс смешения неравновесных пара и жидкости, сопровождающийся тепло- и массообменом 1' 2.
Массообмен — диффузионный процесс переноса распределения вещества из одной фазы в другую через разделяющую их границу или внутри одной фазы в неоднородном поле концентраций 3. Посредством парожидкостного контакта массообмен осуществляется между двумя фазами: низкокипящие соединения мигрируют из жидкости в пар, и одновременно высококипящие мигрируют из паровой фазы в жидкую (рис. 1). Переносы осуществляются по границе разделения двух фаз (на поверхности их соприкосновения), где жидкость находится в прямом контакте с паром.
Рис. 1. Контакт паровой и жидкой фаз
Диффузия является ограничивающим явлением, в частности, в жидкой фазе: в ней градиент меньше, так как толщина слоя больше. Это является следствием высокой вязкости
Key words: contact device modernization diesel fuel stabilization; contact devices; distillation column; fractionation efficiency; hydraulic mode; mass transfer process; product quality.
жидкости по сравнению с вязкостью газовой фазы. Чем выше вязкость жидкости, тем толще жидкостной слой и медленней происходит массообмен Изменение гидродинамического режима жидкой фазы позволяет уменьшить толщину слоя жидкости и тем самым интенсифицировать диффузию.
Следует отметить, что при неправильной организации гидродинамики потоков на контактных устройствах нарушаются условия интенсивного перемешивания паровой и жидкой фаз, формирования развитой поверхности раздела фаз и в работе контактного устройства формируются условия появления таких негативных проблем, как просачивание, унос, обдув, обводнение паров, приводящие к значительному ухудшению процесса массообмена (рис. 2) В зависимости от конструктивных особенностей контактного устройства и расходов проходящих через него паровой и жидкой фаз, контактное устройство имеет конкретные границы эффективной (с позиции массопере-носа) области работы. Эта область работы ограничивается по бокам по пропускной способности линиями минимальной и максимальной нагрузки по жидкости, сверху — линией переброса или каналообразования, когда паровой и жидкой фаз проходит через каналы в жидкости с резким уменьшением поверхности раздела фаз, снизу — линией нижней границы эффективности контактного устройства, связанной, например, с провалом жидкости без контакта с паром. Контактное устройство при определенных расходах паровой и жидкой фаз характеризуется рабочей точкой на диаграмме области эффективной работы (рис. 3). Если рабочая точка находится внутри области эффективной работы, то контактное устройство может считаться работоспособным (рис. 3), в противном будет наблюдаться значительное ухудшение процесса массообмена с резким снижением коэффициента полезного действия контактного устройства.
Подобный анализ целесообразно выполнять при обследовании промышленных ректификационных колонн в нефтепереработке и в нефтехимии с целью поиска путей повышения их эффективности.
Рис. 2. Некоторые виды гидродинамических проблем на контактных устройствах при неправильном режиме работы колонны 3
Диаграмма эффективности работы тарелки
Нагрузка по жидкости, м3/ч
Рис. 3. Диаграмма эффективности работы тарелки
В действующей ректификационной колонне стабилизации гидроочищенного дизельного топлива К-1 на установке гидроочистки дизельных топлив Л-24-7 производственной площадки «Башнефть-Уфанефтехим» филиала ПАО АНК «Башнефть» наблюдался «проскок» сероводорода в кубовый продукт колонны, что повышало его коррозионную активность. Регулярные отрицательные результаты испытания гидроочищенного дизельного топлива на медной пластинке (ГОСТ 6321) создавали проблемы по его вовлечению в вырабатываемый смесевой продуктовый пул. Для улучшения отпарки сероводорода от дизельного
топлива на производстве было принято решение о подаче водяного пара в куб колонны, что частично исключило проблему, однако, способствовало дополнительному коррозионному износу корпуса колонны в зоне ввода пара. Также к недостаткам существующего решения можно отнести стоимость подаваемого пара, приводящую к увеличению себестоимости дизельного топлива и «обводненность» продуктов.
Целью работы стал поиск решения по устранению вышеописанных проблем. Анализ эффективности разделения в колонне К-1 установки гидроочистки Л-24-7 производственной площадки «Уфанефтехим» выполнялся по следующему плану:
— на основании фиксированного пробега с применением программного обеспечения Aspen HYSYS создание поверочной математической модели колонны К-1, воспроизводящей технологические параметры работы оборудования, качества и выходов продуктов;
— проведение гидравлического расчета работы массообменных контактных устройств с целью выявления причин низкой эффективности;
— разработка мероприятий по устранению выявленных причин нарушения режима работы.
С использованием программного обеспечения Aspen HYSYS выполнен гидравличес-
кий расчет внутренних контактных устройств, который выявил, что практически на всех тарелках отгонной части колонны присутствует режим провала жидкости; подача водяного пара для отпарки сероводорода лишь несколь-
ко (около 10%) улучшает относительный запас тарелок по провалу жидкости (табл. 1). Рабочая точка для всех тарелок отгонной части колонны находится вне зоны эффективной работы (рис. 4).
Таблица 1
Относительный запас тарелок по провалу жидкости, %
№ Тарелки Максимальная загрузка с подачей пара Максимальная загрузка без подачи пара Стандартная загрузка с подачей пара Стандартная загрузка без подачи пара
28 18 9 15 4
27 50 31 37 25
26 59 38 45 32
25 61 39 47 34
24 63 40 48 35
23 63 40 48 35
22 63 39 48 34
21 63 39 48 34
20 62 39 47 34
19 62 38 47 33
18 62 38 46 33
17 63 38 47 33
16 68 41 51 35
15 43 10 36 20
14 15 -13 5 -9
13 24 -8 9 -5
12 6 -22 -5 -17
11 17 -14 -2 -10
10 2 -25 -10 -20
9 14 -17 -1 -12
8 -23 -44 -32 -39
7 -13 -37 -25 -32
6 -24 -45 -33 -39
5 -14 -38 -26 -32
4 -54 -67 -60 -63
3 -48 -63 -56 -59
2 -55 -67 -60 -63
1 -49 -63 -56 -58
Рис. 4. Графическое изображение диаграмм эффективности работы тарелок колонны стабилизации дизельного топлива в ПО Aspen HYSYS при провальном режиме работы отгонной части колонны
Таблица 2
Результаты расчетов стабильной работы колонны К-1 по предложенной реконструкции
Номер тарелки Процент перекрытия клапанов Фактическая (по стандарту) доля живого сечения тарелки Предлагаемая доля живого сечения тарелки Относительный запас по объемной нагрузке по парам с перекрытыми клапанами, %
Максимальна я загрузка с паром Максимальна я загрузка без пара Стандартная загрузка с паром Стандартная загрузка без пара
запас по провалу жидкости запас по перебросу жидкости запас по провалу жидкости запас по перебросу жидкости запас по провалу жидкости запас по перебросу жидкости запас по провалу жидкости запас по перебросу жидкости
28 0 0.1305 0.1305 46 54 26 66 33 63 20 68
27 0 0.1305 0.1305 52 44 31 60 37 56 25 62
26 0 0.1305 0.1305 60 40 37 57 45 52 32 59
25 0 0.1305 0.1305 63 38 39 56 47 51 34 58
24 0 0.1305 0.1305 63 38 39 56 48 51 35 57
23 0 0.1305 0.1305 63 38 39 56 48 51 35 57
22 0 0.1305 0.1305 63 38 39 56 48 51 34 57
21 0 0.1305 0.1305 63 56 39 68 48 65 34 69
20 0 0.1305 0.1305 62 38 38 56 47 51 34 58
19 0 0.1305 0.1305 62 39 38 57 47 51 33 58
18 0 0.1305 0.1305 62 40 38 57 46 52 33 59
17 0 0.1305 0.1305 63 41 38 59 47 53 33 60
16 0 0.1305 0.1305 68 45 41 61 51 56 35 62
15 0 0.0653 0.0651 44 81 10 86 36 85 20 86
14 24 0.0653 0.0495 51 54 14 67 38 67 20 71
13 21 0.0653 0.0517 56 59 16 71 38 71 20 75
12 31 0.0653 0.0449 54 56 13 69 38 69 20 73
11 25 0.0653 0.0489 57 61 14 72 37 72 20 75
10 34 0.0653 0.0434 54 57 12 70 36 70 20 73
9 27 0.0653 0.0478 56 62 13 73 35 73 20 76
8 49 0.0840 0.0428 52 71 10 80 34 79 20 81
7 44 0.0840 0.0474 54 67 1 1 77 33 77 20 79
6 49 0.0840 0.0426 50 64 9 75 32 75 20 77
5 44 0.0840 0.0473 52 68 10 77 31 77 20 79
4 69 0.1379 0.0427 48 65 7 75 30 75 20 77
3 65 0.1379 0.0476 50 68 8 78 29 78 20 79
2 69 0.1379 0.0430 46 65 6 76 28 76 20 77
1 65 0.1379 0.0482 47 69 6 78 26 78 20 79
Для исключения явления провала жидкости необходимо увеличить скорость потока паров, проходящих через контактное устройство. Этого можно, в частности, добиться за счет уменьшения относительного свободного сечения тарелок.
Наиболее простым и эффективным конструктивным решением этой проблемы стало перекрытие (в среднем на 60%) клапанов на ректификационных тарелках (рис. 5,6). Перекрытие было выполнено путем заваривания части клапанов стальными пластинами. Увеличение скорости паров за счет уменьшения свободного сечения привело к исключению провального режима работы (рис. 7) и устранило «проскок» сероводорода в кубовый продукт. Кроме того, расчетами подтверждено, что скорость паров
не завышена и находится в допустимых пределах, и переброса (уноса) жидкости с нижних тарелок на верхние не происходит (табл. 2).
Рис. 5. Эскиз перекрытия клапанов тарелки (красным цветом).
Рис. 6. Пример перекрытия клапанов тарелки
о 100 400 г,по 800
Массовый расход по жидкости, т/ч
Рис. 7. Графическое изображение в ПО Aspen HYSYS при нормальном режиме работы колонны
Литература
1.
2.
3.
4.
Результаты лабораторных анализов показали, что проведение реконструкции исключило проскок сероводорода в куб колонны из-за гидродинамических факторов даже без подачи водяного пара. В итоге, содержание сероводорода в дизельном топливе составляет менее 3 ppm (чувствительность метода определения сероводорода на медной пластине).
Помимо целевой задачи (получение стабильного гидрогенизата с отсутствием сероводорода), благодаря реконструкции колонны К-1 установки гидроочистки дизельных топ-лив Л-24-7, были также достигнуты следующие положительные результаты:
— исключение подачи водяного пара позволило достичь экономии около 1 млн руб./ год;
— увеличение срока службы колонн за счет отсутствия коррозии в точках подачи водяного пара;
— стабилизация режима работы колонны — отсутствие «скачков» уровня жидкости в кубе колоны.
Выполнение подобных проектов с математическим моделированием работы контактных устройств возможно и необходимо также на других установках НПЗ. Увеличение коэффициента полезного действия контактных устройств позволит достичь более четкого разделения фракций в ректификационных колоннах при рациональном использовании энергоресурсов, что, в конечном счете, приведет к минимизации затрат на реализацию многотоннажных технологических процессов.
References
Akhmetov S. A., Serikov T. P., Kuzeev I. R., Bayazitov M. I. Tekhnologiya i oborudovanie protsessov pererabotki nefti i gaza [Technology and Equipment for Oil and Gas Processing Processes.]. St. Petersburg, Nedra Publ., 2006, 411 p.
Churakova S. K. Klassifikatsiya kontaktnykh ustrojstv s tochki zreniya organizatsii kontakta faz [Classification of contact devices from the point of view of the organization of contact of phases]. Bashkirskii khimicheskii zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2011, vol.18, no.2, pp.39-44.
Skoblo A.I., Molokanov Yu.K., Vladimirov A.I., Schelkunov V.A. Protsessy i apparaty neftegazo-pererabotkii neftekhimii [Processes and apparatuses for oil and gas processing and petrochemistry]. Moscow, Nedra Publ., 2000, 663 p.
IFP training, https://www.ifptraining.com/ certification.html.
Ахметов С. А., Сериков Т. П., Кузеев И. Р., Ба- 1. язитов М. И. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа.— СПб.: Недра, 2006.- 411 с.
Чуракова С. К. Классификация контактных устройств с точки зрения организации контакта фаз // Баш. хим. ж.- 2011.- Т.18, №2.- С.39-44. 2. Скобло А. И., Молоканов Ю. К., Владимиров А. И., Щелкунов В. А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии.- М.: Недра, 2000.- 663 с.
IFPtraining, https://www.ifptraining.com/ certification.html [Внутренние устройства для парожидкостного контакта в перегонных колон- 3. нах], С.1-5.
4.
