2. ГОСТ 7.0.12-2011 Библиографическая запись. Сокращение слов и словосочетаний на русском языке. Общие требования и правила. -М.: Стандартинформ, 2012. - 24 с.
3. Российские правила каталогизации = Russian cataloguing rules / [авт. коллектив: Н. Н. Каспарова (рук.) и др.]; Рос. библ. ассоц., Межрегион. ком. по каталогизации, Рос. гос. б-ка. - Изд. 2-е, испр. - М.: Пашков дом, 2008. - 661 с.
4. ГОСТ 7.11-2004 Библиографическая запись. Сокращение слов и словосочетаний на иностранных европейских языках. - М.: Стандар-тинформ, 2006. - 83 с.
5. Бродовский, А. И. Новые решения и направления развития системы автоматизации библиотек Ирбис / А. И. Бродовский, Б. И. Маршак // Научные и технические библиотеки. - 2006. - №№11. - С. 60-67.
6. Смирнов, Ю. В. Поисковые системы интернета и методы повышения качества обработки запросов при поиске научной информации в сети / Ю. Б. Смирнов // Научные и технические библиотеки. - 2016. - № 9. - С. 81-89. - URL: http://www.gpntb.rU/ntb/ntb/2016/9/NTB9_2016_%D0%905_5.pdf (дата обращения: 01.12.2016).
7. Гендина, Н. И. Лингвистические средства библиотечно-информационных технологий: учебник / Н. И. Гендина. - СПб.: Профессия, 2015. - 440 с.
8. ГОСТ 7.74-96 Информационно-поисковые языки. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1997. - 35 с.
9. Сукиасян, Э. Р. Каталогизация / Э. Р. Сукиасян // Библиотечная энциклопедия; Рос. гос. б-ка. - М.: Пашков дом, 2007. - С. 471-472.
10. Сукиасян, Э. Р. Редактирование в каталогизации / Э. Р. Сукиасян // Научные и технические библиотеки. - 2016. - № 9. - С. 72-80. -URL: http://www.gpntb.rU/ntb/ntb/2016/9/NTB9_2016_%D0%905_4.pdf (дата обращения: 01.12.2016).
11. Релиз системы Ирбис. Версия 2012.1 / ГПНТБ России. - URL: ftp://ftp.gpntb.ru/pub/irbis/RELEASE_12_1.doc (дата обращения: 28.11.2016)
12. Прозоров, И. Е. Из практики создания и использования авторитетного файла персоналий при аналитической росписи изданий: на примере религиоведческой тематики. Опыт ЦГПБ им. В. В. Маяковского / И. Е. Прозоров. - URL: http://fulltext.pl.spb.ru/unor/metod/bibl/2008/Pril.pdf (дата обращения: 28.11.2016).
© Костин В. А., Субраков И. В., 2016 УДК 655.63:665.734.2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА УАЙТ-СПИРИТА ИЗ НЕФТЕЙ «НУЛЕВОГО» ТИПА НА УСТАНОВКАХ ОДНОКРАТНОГО ИСПАРЕНИЯ НЕФТИ
А. А. Мисюрин
Научный руководитель — М. Ж. Алмагамбетова, кандидат технических наук, доцент кафедры «Химия и химическая технология» Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир-хана
В данной статье приведены результаты математического моделирования технического решения по выработке растворителя уайт-спирит (нефрас С4-155/200), соответствующего требованиям ГОСТ 3134-78, на установке однократного испарения из нефти «нулевого» типа — особо лёгкой, по классификации СТРК1347-2005 «Нефть. Технические условия».
Ключевые слова: уайт-спирит, растворитель, нефть, нефтеперерабатывающий завод, ректификационная колонна, физико-химические показатели, анилиновая точка, летучесть по ксилолу.
Уайт-спирит - один из основных растворителей для лаков и красок. Он обладает хорошей испаряемостью и не имеет сильного, резкого запаха. Данный растворитель вырабатывается из специальных малосернистых неф-тей при их первичной перегонке. Такую характеристику уайт-спириту или нефрасу С4-155/200 даёт А. К. Ма-новян [1]. Другой исследователь - один из разработчиков ГОСТ 3134-78 «Уайт-спирит. Технические условия» М. Н. Стекольщиков, конкретизирует, какие именно сорта нефти могут служить сырьём для выработки уайт-спирита. К ним относятся мангышлакские и ставропольско-дагестанские сорта нефти. Выработка этого продукта из других видов сырья разрешается с некоторыми допущениями [2].
В связи с разрывом экономических связей между бывшими республиками СССР после его распада встал вопрос о производстве растворителей из собственного казахстанского сырья на нефтеперерабатывающих заводах (далее - НПЗ) не только крупных, с производительностью более 800 тыс. т/год, но и на мини-заводах, которые не всегда имеют доступ к сортам нефти, рекомендованным учёными.
Первичная перегонка нефти на мини-НПЗ может осуществляться на установках однократного испарения, что сразу привязывает её к жёстким требованиям по сырью, а именно: содержание растворённых в ней газов до С4 включительно должно быть в пределах 0,5-1,2 %, бензиновой фракции - не более 15 %, общий выход светлых фракций при 350 °С - не более 45 %. Сырье, к которому имеется доступ у мини-НПЗ, зачастую прямо противоположно вышеприведённым требованиям, в частности, к ним относятся сорта нефти месторождений Аккулковское и Акжар восточный в Актюбинской области Казахстана, относящиеся к «нулевому» типу - сортам особо лёгкой нефти по классификации СТ РК 1347-2005. Это вызывает много вопросов о возможности переработки таких сортов нефти на установках однократного испарения. Решение заключается в грамотном и математически выверенном подходе к отбору боковых фракций из ректификационной колонны для того, чтобы разгрузить верх аппарата по парам. Увеличение количества отбираемых фракций в бензино-керосиновой секции ректификационной колонны повышает технологическую гибкость, позволяет увеличить отбор керосиновой фракции и в период сезона даст возможность выработки уайт-спирита, при условии его удовлетворения всем техническим требованиям ГОСТ 3134-78. Рассмотрим свойства рекомендуемых в технической литературе сортов нефти, с одной стороны, и нефти Аккулковско-го месторождения - с другой (см. табл. 1).
Для проведения расчётов по предсказанию свойств нефтепродуктов и технологических решений необходимо пересчитать разгонку нефти Аккулковского месторождения по ГОСТ 2177 в колбе Энглера в кривую истинных температур кипения (ИТК) по методу Эдмистера (содержание газов до С4 включительно ~ 2,3 %).
Для проведения моделирования была выбрана установка одного из мини-НПЗ г. Актобе, работающая по принципу однократного испарения. Ректификационная колонна имеет следующие конструктивные характеристики: внутренний диаметр - 1 200 мм, толщина обечайки - 14 мм, высота - 30 537 мм, количество тарелок -36, тип тарелок - клапанный (в том числе 32 - тарелки укрепляющие, 4 - отгонные), расстояние между тарелками - 550 мм, отбор боковых фракций производится с 31-й и 27-й (керосин), 19-й (лёгкое дизельное топливо) и 11-й (тяжёлое дизельное топливо) тарелок, имеются два промежуточных циркуляционных орошения. Производительность установки составляет 150 тыс. т/год по сырью. Ректификационная колонна связана с тремя стрип-пинг-колоннами.
Ввиду того, что нами рассматривается возможность выработки уайт-спиритовой фракции на существующей установке, то технологические расчёты будут носить поверочный характер, для чего примем некоторые условия: давление на верху колонны - 70 кПа (изб.), давление в эвапарационном пространстве - 110 кПа (изб.). Аналитическим методом Трегубова рассчитаем мольную долю отгона на входе в ректификационную колонну, предварительно пересчитав кривую ИТК с массовых процентов в мольные. После проведённых итераций в приложении Ms Excel обнаруживается, что доля отгона на входе в колонну составляет 0,8241 при t = 302 оС, Р = 211,3 кПа (абс.), так как выполняется условие: суммы мольных концентраций в жидкой и паровой фазах равны единице Yix'i ~ 1 и ^у' = 1 [3] (см. табл. 2).
Таблица 1
Характеристика нефтяного сырья
Показатель Ставропольско-дагестанская нефть Мангышлакская нефть Аккулковская нефть
Плотность, г/см3 0,822 0,844 0,801
Фракционный состав
Температура начала кипения, °С 68 99 53
Количество выкипающего продукта, % (об.)
до 100 °С 16 2 10
до 150 °С 24 - 23,5
до 200 °С 35 15 37,5
до 250 °С 44 21 50,5
до 300 °С 54 30 62,5
до 350 °С 68 37,9 74,0
Содержание, % (масс.)
серы 0,079 0,178 0,124
смол 10 11,2 3,19
ароматических углеводородов во фракции 150-200 °С 17 12 < 6,55
Температура застывания, °С + 14 + 32 - 6
Выход фракций, % масс.
Рис. 1. Кривая ИТКАккулковской нефти
Основываясь на рекомендациях Р. Т. Эмирджанова, связанных с тем, что перепад температур в трансферных трубопроводах атмосферных трубчатых установок между печью и колонной составляет 5-18 оС, примем температуру после трубчатой печи, равной 307 °С [4].
После расчёта мольной доли отгона сырья на входе в ректификационную колонну необходимо рассчитать производительность сырьевого насоса, так как в данных условиях этим фактором будет определяться фактическая производительность установки и материальный баланс в целом.
Давление на входе в змеевик трубчатой печи, рассчитанное по методике Бакланова, а также с учётом гидравлического сопротивления пяти теплообменников и двух электродегидраторов, составило 15,3 кгс/см2. При таком давлении на выкиде насосного агрегата марки А13В16/25-20/25Б производительность составит 21,6 м3/ч.
Как показывают литературные источники, в зависимости от применяемых схем выработки уайт-спирита и качества исходного сырья при получении данного нефраса из нефти выход от потенциала колеблется в пределах 40-70 %. Условимся в нашем случае, что выход уайт-спирита составит 55 % ([40+70]/2) от потенциально возможного на нефть.
Зададимся температурными интервалами фракций, которые необходимо отобрать, и определим их потенциальное содержание в нефти по кривой ИТК (см. рис. 1). Температурными интервалами для целевых фракций являются следующие: для бензина-растворителя (нафта) - нк-150 оС, уайт-спирита -150-200 оС, дизельного топлива ДТ-Л (для сельскохозяйственной и внедорожной техники по ТР ТС 013/2011) - 200-360 оС и остатка перегонки - мазута > 360 оС.
Таблица 2
Расчёт по Трегубову, е =0,8241, t = 302 °С, Р = 211,3 кПа (абс.)
Температурные интервалы 4 Т кип ср, ^ Рь кПа Р^Р 1 1 + тН т-Н 1 -а Л "а + тН II * II К
34-94 64 4535 21,462 20,462 16,855 17,854 0,0161 0,3464
94-154 124 2106 9,967 8,967 7,386 8,386 0,0236 0,2352
154-214 184 865 4,094 3,094 2,548 3,548 0,0415 0,1697
214-274 244 311 1,472 0,472 0,389 1,389 0,0843 0,1240
274-336 305 95 0,450 -0,550 -0,453 0,547 0,1833 0,0824
мазут 394 14 0,066 -0,934 -0,769 0,231 0,6480 0,0429
Итого: 0,9968 1,0006
Выход фракций соответственно составит: нафты (нк-150 оС) - 26,43 % масс., уайт-спирита - 11,62 % масс., ДТ-Л - 37,17 % масс., мазута М-100 - 22,48 % масс. Учитывая тот факт, что нефтепродукт ДТ-Л является композитным, необходимо его разбить на фракции: керосиновую, ЛДТ и ТДТ. Керосин - 200-240 оС, ЛДТ 240290 оС и ТДТ 290-360 оС. Их выходы по кривой ИТК соответственно составляют: 9,29 % масс., 11,62 % масс. и 16,26 % масс.
Материальный баланс перегонки нефти приведён в таблице 3. К рассчитанным выходам по кривой ИТК применяем коэффициенты отбора от потенциала: для нафты - 0,99; керосина (уайт-спирита) - 0,98 и 0,55; ДТ - 0,95. Весь недобор фракций относим к остатку перегонки - мазуту. Технологические потери составляют 0,84 % масс.
Таблица 3
Материальный баланс перегонки нефти
Наименование Выход
% масс. | т/ч | т/сут т/год
Приход:
Нефть (нетто) 100,00 17,288 414,921 138 306,947
Расход:
Газ С1-С4 2,28 0,394 9,460 3 153,398
Нафта (нк - 150 оС) 25,95 4,486 107,672 35 890,653
Уайт-спирит (150-200 оС) 6,21 1,074 25,767 8 588,861
ДТ-Л (200-360 Т) 35,01 6,053 145,264 48 421,262
Мазут >360 оС 29,71 5,136 123,273 41 090,995
Потери 0,84 0,145 3,485 1 161,778
I 100,00 17,288 414,921 138 306,947
По кривой ИТК определяем температуры 50 % об. отгона для уайт-спирита 175 оС, для керосина 220 оС, для ЛДТ 265 оС и ТДТ 325 оС.
Температурой вывода боковых погонов считают температуру начала кипения по кривой однократного испарения (ОИ), построенной по методу Эдмистера и пересчитанной на рабочее давление по формуле Ашворта. Отсюда имеем: температура на 31-й тарелке составляет 164 оС, на 27-й тарелке - 205 о С, на 19-й тарелке -245 оС и на 11-й тарелке - 298 оС. Температура куба колонны на 25 оС ниже температуры поступающей нефти, что составит 277 оС.
Для определения возможности выработки уайт-спирита необходимо выполнить поверочный расчёт керосиновой стриппинг-колонны, так как именно в неё поступают погоны с 27-й и 31-й тарелок. Уайт-спирит предполагается отбирать с 31-й тарелки. Стриппинг-колонна представляет собой колонный аппарат с внутренним диаметром 500 мм, количество тарелок - 6, расстояние между тарелками - 500 мм, тип тарелок клапанный.
Условимся, что количество отбираемого уайт-спирита из стриппинг-колонны R, = 1074 кг/ч, количество перегретого водяного пара 0: = 320 оС, р = 7 кгс/см2) z, = 32,22 кг/ч (3 % масс. от отбираемой фракции), температура поступающей флегмы ^0) :31 = 164 оС, давление в стриппинге п = 173,2 кПа абс. (равно давлению под 31-й тарелкой).
Проверяем диаметр колонны:
где Vn - объём секундных паров, м3/с;
ытса - максимально допустимая скорость нефтяных паров, м/с.
Расчётный диаметр составляет 0,192 м.
Ввиду того, что вычисленный диаметр аппарата значительно меньше реально существующего (500 мм), возникает вопрос о недостатке стекающей флегмы и устойчивости работы тарелок. Необходимо рассчитать гидродинамический режим и решить вопрос, будет ли провал жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую и проявления нестабильной работы, что приведёт к нарушению массообмена. Так, согласно литературным данным, диапазон устойчивой работы можно определить по графикам, связывающим зависимость плотности орошения L, м3/(м2*ч), от фактора паровой нагрузки F, (м/с)(кг/м3)0,5 (см. рис. 2) [5].
Плотность орошения в данном конкретном случае составит:
где г - радиус стриппинг-колонны, м.
Отсюда плотность орошения L = 11,41 м3/(м2*ч).
Фактор паровой нагрузки стриппинг-колонны рассчитывается по формуле:
где ш - скорость пара, м/с.
Фактор паровой нагрузки равен 1,61 (м/с)(кг/м3)0,5.
Из рисунка 2 видно, что точка с координатами (11,17; 1,58) находится внутри области, обозначенной для клапанной тарелки, однако ближе к границе данной области.
Для выпуска уайт-спиритовой фракции необходимо перенаправить керосин, отбираемый с 27-й тарелки, в стриппинг-колонну лёгкого дизельного топлива, объединив их отбор, повысив, таким образом, технологическую гибкость установки.
О 20 +0 60 80 100 Г20 ПО ¿,н3/(м' ч)
Рис. 2. График к определению области устойчивой работы тарелки
Примечание. Область устойчивой работы для тарелок: 1 - ситчато-клапанной; 2 - ситчатой; 3 - клапанной; 4 - жалюзийно-клапанной; 5 - колпачковой; 6 - ситчато-многосливной.
Таким образом, были приведены математические доказательства возможности отбора условленной фракции на данном типе установки и в данных конкретных технических условиях. Однако, кроме устойчивой работы технологического оборудования, немаловажным является и прогнозирование ожидаемых физико-химических свойств нефтяных фракций. Данные зависимости рассчитываются на основании корреляционных зависимостей, где величину можно косвенно оценить через другие показатели качества, известные как исходные данные к расчёту.
Рассмотрим физико-химические показатели нефтепродуктов, способы и методы их предсказания, а также расчёт и основные закономерности распределения для данного вида сырья:
- плотность нефтяных фракций и нефтепродуктов при 20 оС рассчитывается на основании распределения по рисунку 3;
- содержание серы в нефтяных фракциях определяется по распределению серы в компонентах нефти, приведённому на рисунке 4;
- фракционный состав нефтяных фракций и нефтепродуктов рассчитывается по кривой ИТК (см. рис. 1) и характеристическим точкам кипения.
Октановое число бензина-растворителя рассчитывается на основании корреляционной зависимости Баш-НИИ НП:
ОЧ = -281,25р|0 + 250,9375,
где р|0 - относительная плотность при 20 °С, р420 < 0,775.
Температуры вспышки в закрытом (ТВЗ) и открытом (ТВО) тиглях для керосинов, газойлевых фракций и мазутов рассчитываются по зависимости:
*;всп = 310р|° - 291 + 0,635":нк. + ехр (-6,125./^. + 31,125),
где - температура выкипания 1,5 % нефтепродукта по ИТК (°С).
Температура застывания (кристаллизации) для прямогонных керосинов и дизельных фракций рассчитывается по формуле:
-4,254 * (¿П550)2 + 48,337 * ¿П550 - 59,5
0 = ■
1 заст
1 + 0,184^/5,
50
где 0заст - температура застывания (°С);
550 - кинематическая вязкость при 50 °С, мм2/с.
Кинематическая вязкость, как известно, является отношением вязкости динамической к плотности:
где 5 - кинематическая вязкость, мм /с; 9 - динамическая вязкость, мПа*с;
7
5 = - ,
р
р - плотность, г/см3.
0
-0,05 -0,1 -0,15 -0,2 -0,25 -0,3 -0,35 -0,4 -0,45
0,5
1,5
-2,5
3,5
4,5
у = 0,1628х -0,857 -Я2 = 0,9735
1п выхода фракций, % масс.
1
2
3
4
Рис. 3. Распределение натурального логарифма плотностей компонентов Аккулковской нефти
Кинематическая вязкость при 100 °С для остатков атмосферной перегонки рассчитывается следующим образом:
у100 = 7,41 * ВУ100
Вязкость условная при 100 °С (для остатков атмосферной перегонки):
ВУ100 = ехр(ехр(19,662 * р|0 - 18,456 + ехр(116,59 * р|0 - 120,878))) - 0,3,
где ВУ100 - вязкость условная при 100 °С, градусы условной вязкости.
Летучесть по ксилолу для уайт-спирита рассчитывается по формуле Трегубова:
« = (Г
где а - относительная летучесть;
02 = 448 К - средняя температура кипения уайт-спирита; 0 = 413,5 К - средняя температура кипения ксилола нефтяного; п - степень, равная для нефтяных фракций 10-12.
0
3 9 4 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5
-0,5
-3
1п выхода фракций, % масс.
Рис. 4. Распределение натурального логарифма содержания серы по фракциям Аккулковской нефти
Анилиновая точка уайт-спирита определяется в данном случае косвенно через низшую теплоту сгорания, найденную по корреляционной зависимости от плотности [6]:
= - 2015р|0 = [9940 + ^ + 17,8) * Е] * 4,1868 ,
где @н - низшая теплота сгорания, кДж/кг; - коэффициент, равный 11 945;
t - анилиновая точка, °С;
Е - коэффициент, равный 6,04.
Результаты расчётов сведём в таблицу 4. Анализируя данные, следует отметить, что топливные нефтепродукты имеют свойства, удовлетворяющие требованиям технического регламента ТР ТС 013/2011 и нормативно-технической документации. Уайт-спирит удовлетворяет всем показателям, обеспечивающим как безопасность (температура вспышки, содержание ароматических углеводородов, содержание серы), так и эксплуатационные свойства (летучесть по ксилолу и анилиновая точка).
Делая вывод, следует отметить, что фракция, отбираемая с 27-й тарелки (керосин), на момент отбора уайт-спирита должна быть перенаправлена в стриппинг-колонну лёгкого дизельного топлива. Для этого необходимо смонтировать соответствующий трубопровод с запорно-регулирующей арматурой.
При отборе уайт-спирита стабильность работы тарелок керосиновой стриппинг-колонны находится близ предельных значений (для клапанных тарелок) в области зависимости плотности орошения от фактора паровой нагрузки. Это наталкивает на возможность рекомендовать расчёт и подсоединение стриппинг-колонны меньших размеров, в зависимости от нагрузки аппарата по стекающей флегме.
Таблица 4
Результаты расчётов ожидаемых физико-химических свойств нефтепродуктов
№ Наименование показателей Бензин-растворитель Уайт-спирит ДТ-Л (200-360 °С) Мазут М-100
ПСТ РК 06-2014 Расчёт ГОСТ 3134-78 Расчёт ТР ТС 013/2011, ГОСТ 305-2013 Расчёт ТР ТС 013/2011, ГОСТ 10585-2013 Расчёт
1 Плотность при 20 °С, г/см3 Не норм. 0,6639 н/б 0,790 0,7562 н/б 0,8600 0,8247 Не норм. 927,9*
2 Содержание серы, % масс. н/б 0,1 0,0029 н/б 0,04 0,027 н/б 0,2 0,1217 н/в 3,5 0,3756
Фракционный состав:
3 ТНК, °С н/в 50 36 н/в 160 150
4 10 % об. перегоняется при температуре, °С н/в 88 48 н/в 170 155
5 50 % об. перегоняется при температуре, °С н/в 115 93 н/в 280 280
6 90 % об. перегоняется при температуре, °С н/в 180 139 н/в 195 195
7 95 % об. перегоняется при температуре, °С н/в 360 352
8 При 200 °С перегоняется, % об. н/м 98 98% об. при 199 °С
9 Кинематическая вязкость при 20 °С, мм2/с 3,0-6,0 4,83
10 Цетановое число, цетановые единицы н/н 45 55
11 Октановое число, пункты не норм. 64
12 ТВЗ (ТВО), °С н/н +33 +40 н/н 40 108 н/н 110 211
13 Температура застывания, °С не норм. -18
14 Летучесть по ксилолу 2,5-4,5 2,6
15 Анилиновая точка, °С н/в 65 62
16 Содержание ароматических углеводородов, % масс. н/б 16 <6,55
17 Вязкость кинематическая при 100 °С, мм2/с н/б 50 13,49
18 ВУ при 100 °С, градусы ВУ н/б 6,80 1,82
(*) - плотность определеяется при 15 °С.
Спрогнозированные с применением графиков качественных зависимостей для Аккулковской нефти, математических методов и эмпирических уравнений регрессий ожидаемые показатели качества уайт-спиритовой фракции и топливных нефтепродуктов находятся в допустимых пределах.
Таким образом, были выполнены поверочные технологические расчёты, результатом которых явилось математическое доказательство возможности выработки уайт-спирита, соответствующего требованиям ГОСТ 3134-78, на установке однократного испарения из нефти «нулевого типа».
Библиографический список
1 Мановян, А. К. Технология переработки нефти и природного газа: учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. / А. К. Мановян. - М.: Химия, 2001. - 568 с.
2 Стекольщиков, М. Н. Углеводородные растворители: свойства, производство, применение: справочное издание / М. Н. Стекольщиков. - М.: Химия, 1986. - 120 с.
3 Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки / под ред. Е. Н. Судакова. - 3-е изд. - М.: Химия, 1979. - 568 с.
4 Эмирджанов, Р. Т. Основы технологических расчётов в нефтепереработке и нефтехимии: учеб. пособие для вуов / Р. Т. Эмирджанов, Р. А. Лемберанский. - М.: Химия, 1989. - 192 с.
5 Поникаров, И. И. Машины и аппараты химических производств / И. И. Поникаров [и др.]. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.
6 ГОСТ 11065-90 Топливо для реактивных двигателей. Расчётный метод определения низшей удельной теплоты сгорания.
© Мисюрин А. А., 2016