СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ЗАМЕДЛЕННОГО КОКСОВАНИЯ ПУТЕМ ПОДАЧИ СЫРЬЯ ПО "ЖЕСТКОЙ" (ГОРЯЧЕЙ) СХЕМЕ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Процессы и аппараты

УДК 665.65

Eugene A. Ponomarenko, Marina A. Yablokova

IMPROVING THE OPERATION OF THE DELAYED COKING UNIT BY FEEDING THE RAW MATERIAL BY HARD (HOT) SCHEME

St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: kip@technolog.edu.ru;

The possibility is determined to supply the raw materials into a delayed coking unit directly from the electric desalting plant (EDP) for a "hard" (hot) scheme with a temperature 120-143 °C without intermediate cooling. Modeling of heat transfer process of a delayed coking unit was carried out using the software Aspen HYSYS with the use of a thermodynamic package developed on the basis of the Peng-Robinson equation of state.. The adequacy of the model is checked by comparing the calculation results with indicators of regime lists of the current installation. Since the model proved to be adequate, the based on it variant of the technological scheme was calculated with the transfer of a delayed coking unit for the supply of raw materials on "hard" (hot) scheme without intermediate cooling. The implementation of the proposed scheme using the existing equipment allows to increase significantly the efficiency of the DC process by reducing energy consumption for heating of raw materials.

Key world: Refinery, delayed coking, energy saving, technological scheme, modernization, heat transfer, modeling, simulation, Aspen HYSYS

Е.А. Пономаренко1, М.А. Яблокова2

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ЗАМЕДЛЕННОГО КОКСОВАНИЯ ПУТЕМ ПОДАЧИ СЫРЬЯ ПО «ЖЕСТКОЙ» (ГОРЯЧЕЙ) СХЕМЕ

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: kip@technolog.edu.ru

Определена возможность подачи гудрона на установку замедленного коксования непосредственно с установки электроо-бессоливания нефти (ЭЛОУ) по «жесткой» (горячей) схеме с температурой 120-143 °С без промежуточного охлаждения. Моделирование процесса теплообмена установки замедленного коксования осуществлялось с использованием программного комплекса Aspen HYSYS с применением термодинамического пакета, разработанного на основе уравнения состояния Пенга-Робинсона. Проверена адекватность модели сравнением результатов расчетов с показателями режимных листов действующей установки. Поскольку модель оказалась адекватной, на ее основе был рассчитан вариант технологической схемы с переводом установки замедленного коксования на подачу сырья по «жесткой» (горячей) схеме без промежуточного охлаждения. Реализация предложенной схемы с использованием существующего оборудования позволяет существенно повысить эффективность процесса ЗК за счет сокращения энергозатрат на нагревание сырья.

Ключевые слова: нефтепереработка, замедленное коксование, энергосбережение, технологическая схема, модернизация, теплообмен, моделирование, Aspen HYSYS

Введение

На нефтеперерабатывающих заводах России и ближнего зарубежья, построенных в 40-50-х годах прошлого века, сырье (гудрон) для процесса замедленного коксования подается с установки электрообессоливания нефти (ЭЛОУ) в промежуточный резервуарный парк после охлаждения до температуры 90 °С. В дальнейшем сырье приходится вновь нагревать в теплообменниках и печах до температуры, требуемой для проведения процесса замедленного коксования.

Целью работы является определение возможности подачи сырья на установку замедленнго коксования (УЗК) непосредственно с установки электрообессоливания (ЭЛОУ) по «жесткой» (горячей) схеме с температурой 120-143 °С без промежуточного охлаждения гудрона, минуя резервуарный парк. Для оценки возможности подачи горячего сырья для замедленного коксования с установки ЭЛОУ по «жесткой» схеме необходимо было разработать принципиально новую технологическую схему с учетом

максимального использования существующего оборудования, выработать комплексные технические предложения, провести необходимые проверочные расчеты теп-ло-массообменного оборудования. Расчеты возможности непосредственной подачи сырья с установки ЭЛОУ по «жесткой/горячей» схеме на УЗК проводились на основе данных Атырауского нефтеперерабатывающего завода (АНПЗ), республика Казахстан.

Существующая технологическая схема теплообмена УЗК

По существующей технологической схеме (рисунок 1) сырье УЗК - гудрон - подается на установку из промежуточного резервуарного парка (резервуары объемом 2000 и 1000 м3) с температурой 90 °С. Гудрон из резервуаров забирается насосами Н-1В, Н-2 и прокачивается двумя равными потоками через трубное пространство теплообменников Т-1/1,2,3 и Т-1А/1,2,3, где нагревается до температуры 150 °С. Тип теплообменников - «труба

1 Пономаренко Евгений Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, каф. инженерного проектирования e-mail: kip@technolog.edu.ru Eugene A. Ponomarenko, PhD (Eng.), Associate Professor, Department of Engineering Design

2 Яблокова Марина Александровна, д-р техн. наук, профессор. зав. каф. инженерного проектирования, е-mail: yablokova_m@mail.ru Marina A. Yablokova, Dr Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Engineering Design

Дата поступления - 26 февраля 2016 года

в трубе», поверхность теплообмена 44х2 м2, длина труб 6000 мм. На линии подачи сырья из резервуаров установлен датчик температуры и расходомер.

Рисунок 1. Существующая схема теплообмена УЗК

Регулировка производительности УЗК осуществляется клапаном-регулятором по уровню в ректификационной колонне К-1 (аппараты К-1^К-4, Т-3, Т-4 на рисунке 1 не показаны). Клапан установлен после насосов подачи сырья с электроприводом. Если подача сырья осуществляется насосами с пароприводом, то регулировка осуществляется контролем подачи пара через задвижки. Нагрев сырья в теплообменниках Т-1/1,2,3 и Т-1А/1,2,3 осуществляется потоком циркуляционного орошения, поступающего из колонны К-1. Поток циркуляционного орошения забирается с полуглухой тарелки насосами Н-7, Н-7А и подается двумя потоками в теплообменники Т-1/1,2,3 и Т-1А/1,2,3, где охлаждается от 247 °С до 140-180 °С. Далее поток циркуляционного орошения направляется двумя параллельными потоками в испаритель И-105 с паровым пространством и перегреватель ПП-107. В межтрубное пространство И-106 и ПП-107 подается химически очищенная вода; перегретый водяной пар после И-106 и ПП-107 с температурой 125 °С выводится с установки. Технологической схемой на аппаратах И-106 и ПП-107 предусмотрена байпасная линия для потока циркуляционного орошения. Таким образом, при необходимости, испаритель и перегреватель можно вывести из эксплуатации перепуском циркуляционного орошения по байпасной линии. Поток циркуляционного орошения после испарителя и перегревателя направляется в погружной многопоточный холодильник Х-9; возврат циркуляционного орошения в колонну К-1 осуществляется с температурой 130 °С.

После теплообменников Т-1А/1,2,3 поток сырья поступает в аппарат кожухотрубчатого типа Т-2, где нагре-

вается до температуры 170 °С и подается в печь П-1. Нагрев потока сырья осуществляется легким газойлем, поступающим из ректификационной колонны К-2 (отпарная секция). Легкий газойль из нижней части отпарной секции К-2 подается на прием насосов Н-4, Н-4А, с линии нагнетания которых с температурой 206 °С приходит в межтрубное пространство теплообменника Т-2, где отдает теплоту потоку сырья. Далее легкий газойль поступает в аппараты воздушного охлаждения Х-6/1,2, где охлаждается окружающим воздухом до температуры 117 °С, проходит последовательно холодильники Х-5, Х-12, охлаждаемые оборотной водой, и с температурой 29 °С поступает в погружной многопоточный холодильник Х-9.

После теплообменников Т-1/1,2,3 второй поток сырья поступает в теплообменник кожухотрубчатого типа Т-6, где нагревается до температуры 176 °С и подается в печь П-4. Нагрев потока сырья осуществляется тяжелым газойлем, поступающим из ректификационной колонны К-3 (отпарная секция).

Тяжелый газойль из нижней части отпарной секции К-3 подается на прием насосов Н-5, Н-5А, с линии нагнетания которых с температурой 344 °С приходит последовательно в ребойлер Т-3 ректификационной колонны К-4, подогреватель Т-4, где отдает тепло на подогрев сырья колонны и на поддержание ее температурного режима. Далее поток тяжелого газойля с температурой 240 °С направляется в теплообменник кожухотрубчатого типа Т-6, где отдает теплоту сырью и с температурой 200 °С поступает в многопоточный холодильник Х-9. Тяжелый газойль покидает установку с температурой 90 °С.

Моделирование существующей технологической схемы

Моделирование существующей технологической схемы теплообмена осуществлялось в программном комплексе Aspen Hysys [1] компании Aspentech. Данный комплекс позволяет разрабатывать, как правило, адекватные модели технологического процесса; в ходе работ проводятся расчеты тепло-, массообмена, гидравлические расчеты и т.д. В процессе моделирования использовался термодинамический пакет, разработанный на основе уравнения состояния Пенга-Робинсона [2]. В качестве исходных данных для расчета были приняты фракционные составы продуктов, взятые на основе данных АНПЗ.

По данным фракционного состава технологических потоков программа Aspen Hysys позволяет рассчитать теплофизические свойства рабочих сред, необходимые и достаточные для проведения соответствующих расчетов: плотность, теплоемкость, теплопроводность, динамическая/кинематическая вязкость.

При задании в программе схемы взаимодействия потоков и моделей аппаратов, а также имеющихся степеней свободы, была получена существующая схема установки замедленного коксования.

Сравнив результаты моделирования принципиальной технологической схемы УЗК с регламентными показателями и данными по режимным листам, можно сделать вывод, что полученная модель является адекватной рассматриваемой задаче и может быть использована для проведения необходимых расчетов по переводу подачи сырья с установки ЭЛОУ по «жесткой» (горячей) схеме на УЗК.

По результатам моделирования существующей УЗК было выяснено, что при изменении температуры подачи сырья с 90 до 120-143 °С требуется изменение схемы его подачи, а также обвязки аппаратов и трубопроводов для основных продуктов.

Цели и задачи совершенствования технологической схемы

Целью перевода установки замедленного коксования на «жесткий» режим работы является снижение

энергетических затрат на проведение технологического процесса. В связи с подачей сырья на установку с повышенной температурой должна снизиться тепловая нагрузка на теплообменники Т-1/1,2,3 и Т-1А/1,2,3, что даст возможность, в случае необходимости, нагреть сырье до более высоких температур и снизить тепловую нагрузку на трубчатые печи. Более полная утилизация теплоты должна снизить электрическую нагрузку на аппараты воздушного охлаждения Х-6/1,2. Понижение нагрузки на аппараты Х-5, Х-12 и Х-9 позволит снизить потребность в оборотной воде. В случае, если на установке задействованы испаритель И-106 и перегреватель ПП-107, модернизированная схема даст возможность увеличить выработку перегретого водяного пара.

Дополнительной целью при этом ставилось использование существующего оборудования УЗК и сохранение тепловых балансов массообменных устройств.

Основные принципы совершенствования технологической схемы

В основе модернизации процесса лежат следующие технологические решения:

- поток гудрона из установки ЭЛОУ поступает на УЗК в обход резервуарного парка с повышенной температурой;

- допускается технологическая переобвязка те-плообменных аппаратов;

- тепловой баланс ректификационных колонн остается без изменений, поэтому поток тяжелого газойля направляется в ребойлер колонны К-4 и на подогрев сырья колонны так же, как и в регламентном режиме.

Компоновочные решения в рамках данной работы не рассматривались.

В ходе проведения работ по модернизации технологической схемы были рассмотрены два варианта изменения входной температуры сырья.

Первый вариант - гудрон подается на установку замедленного коксования с температурой 120 °С (согласно оперативным данным, полученным с установки ЭЛОУ-АВТ-3). Второй вариант - гудрон подается на установку замедленного коксования с температурой 143 °С (согласно действующему регламенту установки ЭЛОУ-АВТ-3).

Описание усовершенствованной технологической схемы

Согласно предложенной модернизированной схеме (см. рисунок 2), по первому варианту гудрон для УЗК подается в сырьевую емкость и далее на прием насосов Н-1В, Н-2 с температурой 120 °С и прокачивается двумя равными потоками через трубное пространство теплообменников Т-1/1,2,3 и Т-1А/1,2,3, где нагревается до температуры 150-168 °С. Нагрев сырья в теплообменниках Т-1А/1,2,3 осуществляется потоком циркуляционного орошения, поступающего из ректификационной колонны К-1. Поток циркуляционного орошения забирается с полуглухой тарелки насосами Н-7, Н-7А и подается единым потоком в теплообменники Т-1А/1,2,3, где охлаждается до температуры 215 °С. Далее поток циркуляционного орошения направляется в испаритель И-105 с паровым пространством и перегреватель ПП-107. В межтрубное пространство И-106 и ПП-107 подается химически очищенная вода; перегретый водяной пар после И-106 и ПП-107 с температурой 125 °С выводится с установки. Технологической схемой на аппаратах И-106 и ПП-107 предусмотрена байпасная линия по потоку циркуляционного орошения. Таким образом, при необходимости, испаритель и перегреватель можно вывести из эксплуатации перепуском циркуляционного орошения по байпасной линии.

Рисунок 2. Оптимальная схема теплообмена УЗК

Поток циркуляционного орошения после испарителя и перегревателя направляется в погружной многопоточный холодильник Х-9; возврат циркуляционного орошения в колонну К-1 осуществляется с температурой 130 °С, в теплообменниках Т-1А/1,2,3 поток сырья нагревается до требуемой температуры 168 °С; дополнительного подогрева перед печью П-1 не требуется. Нагрев сырья в теплообменниках Т-1/1,2,3 осуществляется потоком легкого газойля, поступающим из ректификационной колонны К-2 (отпарная секция). Легкий газойль из нижней части отпарной секции К-2 подается на прием насосов Н-4, Н-4А, с линии нагнетания которых с температурой 206 °С подается в кольцевое пространство теплообменников Т-1/1,2,3, где отдает теплоту потоку сырья.

Далее поток легкого газойля поступает в аппараты воздушного охлаждения Х-6/1,2, где охлаждается окружающим воздухом до температуры 117 °С, проходит последовательно холодильники Х-5, Х-12, охлаждаемые оборотной водой, и с температурой 29 °С поступает в погружной многопоточный холодильник Х-9. После теплообменников Т-1/1,2,3 поток сырья с температурой 150 °С направляется последовательно в аппараты Т-2 и Т-6, где нагревается до требуемой температуры 176 °С потоком тяжелого газойля.

Тяжелый газойль из нижней части отпарной секции К-3 подается на прием насосов Н-5, Н-5А, с линии нагнетания которых с температурой 344 °С подается последовательно в ребойлер Т-3 ректификационной колонны К-4, подогреватель Т-4, где отдает теплоту на подогрев сырья колонны и на поддержание ее температурного режима. Далее поток тяжелого газойля с температурой 240 °С направляется последовательно в теплообменники кожухотрубчатого типа Т-6 и Т-2, отдает теплоту сырью и с температурой 197 °С поступает в многопоточный холо-

дильник Х-9. Тяжелый газойль покидает установку с температурой 90 °С.

Для реализации второго варианта необходимо поток гудрона в теплообменниках Т-1А/1,2,3 нагревать потоком циркуляционного орошения, при этом греющий агент направляется только в аппараты Т-1А/1,2,3. Поток гудрона в теплообменниках Т-1/1,2,3 следует нагревать потоком легкого газойля, далее нагрев сырья осуществляется в теплообменниках Т-2 и Т-6 потоком тяжелого газойля.

В остальном технологическая схема для варианта с температурой сырья УЗК 143 °С практически не отличается от варианта с температурой 120 °С.

Моделирование усовершенствованной технологической схемы

Разработка технических решений при переводе температуры сырья на уровень 120/143 °С осуществлялась с использованием метода параметрической оптимизации [3].

Перевод установки замедленного коксования на «жесткий» режим работы по первому варианту позволил повысить энергетическую эффективность технологической схемы. В связи с подачей сырья на установку с температурой 120 °С:

- снижается тепловая нагрузка на теплообменники Т-1/1,2,3 и Т-1А/1,2,3, поэтому, в случае необходимости, существует возможность нагреть сырье до более высоких температур и снизить тепловую нагрузку на трубчатые печи;

- пониженная нагрузка на аппараты Х-5, Х-12 и Х-9 позволяет снизить потребность в оборотной воде на 65,5 м3/ч по установке, с учетом затрат оборотной воды на охлаждение гудрона на установке ЭЛОУ-АВТ-3;

- в случае, если на установке задействованы испаритель И-106 и перегреватель ПП-107, модернизированная схема позволит увеличить выработку пара на 1373 кг/ч;

- тепловая нагрузка на аппараты воздушного охлаждения Х-6/1,2 снижается на 7,7 кВт.

Перевод установки замедленного коксования на «жесткий»/(горячий) режим работы по второму варианту также позволяет улучшить показатели энергоэффективности технологического процесса. В связи с подачей сырья на установку с температурой 143 °С удается снизить тепловую нагрузку на теплообменники Т-1/1,2,3 и Т-1А/1,2,3; таким образом, в случае необходимости, существует возможность нагреть сырье до более высоких температур и снизить тепловую нагрузку на трубчатые печи. Однако высокая температура гудрона на входе не позволяет достичь полной утилизации теплоты; таким образом, увеличивается тепловая нагрузка на аппараты воздушного охлаждения Х-6/1,2. Возрастает тепловая нагрузка и на аппарат Х-9, в связи с чем увеличивается потребность в оборотной воде. В случае, если на установке будут задействованы испаритель И-106 и перегреватель ПП-107, модернизированная схема позволит увеличить выработку перегретого водяного пара, поскольку его количество возрастает с увеличением температуры сырья.

В результате проведения работ принят ряд технических решений, позволяющих при переводе питания установки ЗК на «жесткий» (горячий) режим повысить эффективность схемы теплообмена. В частности при подаче сырья с температурой 120 °С:

- поток гудрона в теплообменниках Т-1А/1,2,3 нагревается потоком циркуляционного орошения, при этом греющий агент направляется только в аппараты Т-1А/1,2,3;

- поток гудрона в теплообменниках Т-1/1,2,3 нагревается потоком легкого газойля, далее нагрев сырья осуществляется в теплообменниках Т-2 и Т-6 потоком тяжелого газойля.

Предложенные решения позволяют улучшить следующие технические показатели:

- тепловая нагрузка на аппараты воздушного охлаждения Х-6/1,2 снижается на 200 кВт;

- потребность в оборотной воде снижается на

30 мз/ч;

- в случае ввода в эксплуатацию узла парогене-рации модернизированная схема позволяет увеличить выработку пара низкого давления на 500 кг/ч.

Проведенные тепловые и гидравлические расчеты позволяют выделить следующие положительные результаты:

- поток циркуляционного орошения нагревает сырье в теплообменниках Т-1А/1,2,3 с большим запасом по поверхности теплообмена, имеется возможность снижения нагрузки на трубчатую печь П-1;

- поток легкого газойля нагревает сырье в теплообменниках Т-1/1,2,3 без запаса по поверхности, такой тепловой режим предусмотрен для максимальной утилизации теплоты потока легкого газойля; далее поток тяжелого газойля нагревает сырье с большим запасом по поверхности, имеется возможность снижения нагрузки на трубчатую печь П-2;

- потери давления в теплообменниках для гудрона, отходящих потоков циркуляционного орошения, а также легкого и тяжелого газойлей не превышают 0,05 МПа;

- скорость потоков вязких нефтепродуктов не превышает 0,2 м/с, что соответствует рекомендуемым параметрам для кожухотрубчатых аппаратов и теплообменников типа «труба в трубе».

При температуре сырья 143 °С результаты проведенных расчетов говорят о том, что ведение технологического процесса в данном случае не столь эффективно, а именно:

- высокая температура гудрона не позволяет наиболее полно утилизировать теплоту отходящих потоков тяжелого и легкого газойлей - теплообменные аппараты Т-1/1,2,3 и Т-1а/1,2,3 эксплуатируются с чрезмерно завышенным запасом по теплообменной поверхности;

- в то же время при этом варианте есть возможность снижения нагрузки на трубчатые печи П-1 и П-2;

- тепловая нагрузка на аппараты воздушного охлаждения Х-6/1,2 на 188,9 кВт выше, чем в существующей схеме, при этом проверочный тепловой и гидравлический расчет показал, что аппараты Х-6/1,2 можно эксплуатировать при новых рабочих параметрах;

- потребность в оборотной воде снижается примерно на 86,3 м3/ч относительно существующего варианта, с учетом расхода оборотной воды на охлаждения гудрона на установке ЭЛОУ;

- в случае, если на установке задействованы испаритель И-106 и перегреватель ПП-107 выработка пара низкого давления увеличивается на 1865 кг/ч по сравнению с предыдущим вариантом.

При работе установки замедленного коксования по второму варианту (температура гудрона на входе составляет 143 °С) значительно увеличивается тепловая нагрузка на аппарат воздушного охлаждения поз. Х-6/1,2.

В связи с этим, был выполнен тепловой и гидравлический проверочный расчет данного аппарата на новые условия. Результаты расчета позволяют использовать аппарат без модернизации.

На рисунках 3-5 приведены диаграммы потребления оборотной воды, тепловой нагрузки на аппарат воздушного охлаждения (АВО) и выработки водяного пара на установке УЗК при различных температурных режимах подачи сырья.

Сравнение значений требуемого расхода оборотной воды представлено с учетом затрат на охлаждение гудрона на установке ЭЛОУ-АВТ-3 при различных вариантах исполнения схемы теплообмена УЗК.

Анализ диаграммы расхода оборотной воды (рисунок 3) показывает, что при переходе на новую схему подачи сырья суммарный расход воды значительно снижается.

Рисунок 3. Сравнение расходов оборотной воды в различных режимах работы УЗК

Тепловая нагрузка (рисунок 4) на теплообменник Х-6/1,2 возрастает, однако поверочный расчет показал возможность работы аппарата в режиме с параметрами не превышающими паспортные данные теплообменника.

Рисунок 4. Сравнение тепловой нагрузки на холодильник Х-6 в различных режимах работы УЗК

Общее количество перегретого водяного пара (рисунок 5) на УЗК возрастает в 3-4 раза при переходе на новую схему подачи сырья, что также является положительным фактором при переходе на «жесткий» (горячий) режим.

Рисунок 5. Сравнение выработки перегретого водяного пара в различных режимах работы УЗК

Для случая внепланового или аварийного останова УЗК необходимо было предусмотреть возможность доведения температуры гудрона до нормы (не выше 90 °С) перед подачей в товарный резервуар цеха АНПЗ. Для охлаждения гудрона предложена дополнительная установка аппаратов воздушного охлаждения и насосного оборудования. Технологическая схема аварийного охлаждения гудрона в данной статье не представлена.

Заключение

Проведен комплексный технический анализ возможности перевода питания УЗК на «жесткую» (горячую) схему. Разработанная математическая модель теплообмена УЗК позволила выполнить модернизацию технологической схемы при переводе подачи сырья с температуры 90 °С на 120 °С и 143 °С.

Анализ усовершенствованной схемы показал возможность снижения расходов оборотной воды на поддержание режимных параметров УЗК, повышение выработки перегретого водяного пара и возможность увеличения нагрузки на АВО в случае перехода на «жесткую» (горячую) схему. Расчет существующих теплообменных аппаратов (включая АВО) показал возможность их применения на установке при новых условиях эксплуатации.

Разработанная схема охлаждения обеспечивает в случае необходимости доведение температуры горячего гудрона до нормативного уровня в 90 °С.

Литература

1 Кузнецов О.А. Основы работы в программе Aspen HYSYS М.: Директ-Медиа, 2015. 153 с.

2. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Справочное пособие. / Пер. с англ. под ред. Б. И. Соколова. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1982. 592 с.

3. Черноруцкий И.Г. Методы оптимизации в теории управления. СПб.: Изд-во «Питер», 2004. 256 с.