CC BY
112
УДК 665.63.048
С. К. Чуракова (к.т.н., доц.), И. Д. Нестеров (к.т.н., в.н.с.), К. Ф. Богатых (д.т.н., проф.)
Сравнительный анализ энергозатрат на стадии частичного отбензинивания нефти при различных вариантах работы
колонн К-1 установок АВТ
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра нефтехимии и химической технологии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431175, e-mail: [email protected]
S. K. Churakova, I. D. Nesterov, K. F. Bogatyh
Тhe comparative analysis of energy inputs at the partial gasoline-conversion of petroleum stage at different variants of the columns R-1 operation's in AVT plantings
Ufa State Petroleum Technical University 1, Kosmonavtov Str, Ufa, 450062, Russia; ph. (347)2431175, e-mail: [email protected]
Методом математического моделирования проведен сравнительный анализ энергозатрат на стадии частичного отбензинивания нефти при различных схемах работы перекрестноточ-ной насадочной колонны К-1 с учетом данных, полученных при обследовании двух промышленных установок первичной переработки нефти в ОАО «Орскнефтеоргсинтез». Показано, что эксплуатация колонны К-1 с двухуровневым вводом потоков обессоленной нефти по сравнению с эксплуатацией аналогичной колонны с «горячей струей» обеспечивает значительное снижение энергозатрат на фракционирование при повышении отбора бензиновой фракции.
Ключевые слова: бензиновая фракция; математическое моделирование; нефть; перекрестно-точная насадка; ректификационная колонна; сокращение энергозатрат; способы теплоподвода.
Одним из основных направлений повышения конкурентоспособности отечественной нефтепереработки является энерго- и ресурсосбережение на установках первичной перегонки нефти (АВТ), где расходуется более половины от общего потребления топлива на НПЗ. Поэтому разработка и реализация энергосберегающей технологии фракционирования нефти для модернизации действующих на НПЗ России установок АВТ весьма актуальна и позволяет достичь быстрой окупаемости инвестиций. В данной статье приведено расчетное обоснование целесообразности оптимизации энергозатрат на стадии частичного отбензинивания нефти и результаты реализации предлагаемой нами технологии в ОАО «Орскнефтеоргсинтез» на двух промышленных установках АВТ.
Дата поступления 30.11.09
The comparative analysis of power inputs at a partial-conversion stage crude oil at various plans of a cross-flow packing columns K-1 operation's in view of the data, got at inspection of two plants of primary oil refining in Open Society «Orsknefteorgsintez», by method's of mathematical modeling is conducts. It is shown, that exploitation of column K-1 with two-level input of desalting petroleum flows in comparison with operation of a similar column with «a hot squirt» provides significant decrease in energy inputs on fractioning at a raise of selection of gasoline fraction.
Key words: cross-flow packing; gasoline fraction; heats input means; mathematical modeling; petroleum; petroleum rectification column; reducing of energy inputs.
На российских НПЗ эксплуатируются установки АВТ, на которых стадия частичного отбензинивания нефти реализована по неэффективной технологии, а ректификационные колонны К-1 были спроектированы в 1950— 1970 гг. прошлого века. Вследствие несовершенства схемы теплообмена на этих установках АВТ, имеет место неполная регенерация тепла горячих потоков для нагрева нефти, что обуславливает необходимость подвода тепла в низ колонны К-1 потоком «горячей струи», нагретым в трубчатом змеевике печи до 350 оС. Для перекачки «горячей струи» — остатка колонны К-1, циркулирующего через печь, нужен насос, что существенно увеличивает затраты на электроэнергию, поскольку расход этого потока составляет 30—50 % расхода нефти 1. Такой традиционный способ подвода тепла в низ ректификационной колонны К-1 позволя-
ет регулировать отбор и качество получаемой бензиновой фракции.
На большинстве установок АВТ бензиновые фракции, получаемые в колоннах К-1 и К-2, смешиваются, и в этом случае отсутствует необходимость в их четком разделении. Основным показателем качества бензиновой фракции, получаемой в колонне К-1, становится температура конца кипения, которая обычно не должна превышать 180 оС. Для оценки возможности оптимизации энергозатрат на стадии частичного отбензинивания нефти представляет интерес расчетный анализ различных способов создания парового орошения в колонне К-1 и оценка эффекта от перевода этой колонны на схему работы с двухуровневым вводом разно-температурных сырьевых потоков вместо общепринятой схемы работы с одним вводом сырья и «горячей струей». Расчетное исследование стадии частичного отбензинивания выполнено для легкой малосернистой западносибирской нефти с плотностью 827 кг/м3. В этой малосернистой нефти по данным разгонки ИТК содержится 29.1% мас. бензиновой фракции, выкипающей до 180 оС.
Технологический режим для типовой схемы работы колонны К-1 с «горячей струей» выбран с учетом замены ректификационных тарелок на перекрестноточную насадку, табл. 1 (вариант 1). В секции укрепления бензиновой фракции колонны К-1 нами принято 12 модулей насадки, в нижней секции — 10 модулей насадки, поскольку имеется опыт работы пере-крестноточной насадочной колонны 2. В колонне К-1 при фактическом теплоподводе «горячей струей» выход бензиновой фракции с концом кипения 180 оС составил 15% мас. на нефть, что соответствует отбору на уровне 51.7% от потенциального содержания бензиновой фракции в нефти. При температуре 195 оС на входе в колонну К-1 расчетное значение массовой доли отгона нефти составляет 0.105. Для обеспечения четкого выделения при заданном отборе бензиновой фракции недостающее тепло в низ колонны К-1 подводится «горячей струей». На входе в колонну К-1 массовая доля отгона потока «горячей струи» (при температуре 330 оС) составляет 0,444, что обуславливает очень тяжелый фракционный состав этих паров, которые контактируют с жидкой фазой потока нефти в насадочных модулях, расположенных в нижней секции колонны. Поэтому требуемый фракционный состав бензиновой фракции в колонне К-1 обеспечивается при кратности острого орошения 0.525 кг/кг.
Для сравнения нами был проанализирован способ подвода тепла в низ колонны К-1 в испарителе с паровым пространством (вариант 2, табл. 1), при общем теплоподводе с потоками обессоленной нефти, отборе и качестве бензиновой фракции, аналогичном варианту 1. Расчетами показано, что данный вариант позволяет сократить кратность острого орошения в 1.4 раза и снизить теплоподвод на 10% по сравнению с вариантом работы колонны с «горячей струей (вариант 1). Это достигается за счет облегчения фракционного состава потока пара, который поступает из нижней секции колонны К-1, поскольку при 240 оС в испарителе с паровым пространством равновесный состав паровой фазы существенно легче, по сравнению с составом паровой фазы «горячей струи» при 330 оС 3.
Однако подвод тепла в низ колонны К-1 в испарителе с паровым пространством связан с применением высокотемпературного теплоносителя, что значительно усложняет технологическую схему установки, поэтому такой способ подвода тепла в колонне К-1 практически не используется.
Далее нами были рассчитаны варианты работы колонны К-1 при двухуровневом вводе потоков обессоленной нефти (варианты 3—5, табл. 1). Для сопоставимости, во всех вариантах расчета колонны К-1 (3—5) в секции укрепления бензиновой фракции тепломассооб-менный КПД 12 модулей перекрестноточной насадки принят 0,5; температура верхнего потока нефти составляет 130 оС, а нижний поток нефти вводится в низ колонны К-1 с температурой 251 оС. Расчетная температура в низу колонны К-1 в вариантах 3—5 поддерживалась одинаковой - на уровне 240 оС. В варианте 6 температура низа была увеличена до 245 оС за счет значительного повышения КПД насадоч-ных модулей в нижней секции колонны и более глубокого отбора бензиновой фракции. Ниже рассмотрены показатели работы колонны К1 по каждому из этих вариантов.
Вариант 3 выбран из учета полной сопоставимости с вариантом 2 по общему теплопод-воду с потоками обессоленной нефти и по температуре низа колонны (240 оС), а следовательно, и по энтальпии потока отбензиненной нефти. В этом варианте имеется значительный запас по концу кипения бензиновой фракции при кратности орошения, близкой к варианту 2, то есть данный вариант является промежуточным. Следовательно, можно либо сократить теплоподвод в колонну (как в варианте 4), либо увеличить отбор бензиновой фракции
Примечание: во всех вариантах сохраняется одинаковый уровень ввода верхнего потока обессоленной нефти в колонну К-1.
* в этом варианте получено более высокое качество бензиновой фракции по концу кипения.
Таблица 1
Расчетные показатели работы перекрестноточной насадочной колонны К-1
Наименование показателей Варианты
1 2 3 4 5
Расход потоков обессоленной нефти в колонну К-1, т/ч, 480 480 480 480 480
в т. ч.: верхнего потока, т/ч 480 480 70 97 70
нижнего потока, т/ч 0 0 410 383 410
Абсолютное давление на верху колонны К-1, МПа 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50
Температура, оС
- верхнего потока обессоленной нефти на входе в колонну К-1 195 195 130 130 130
- нижнего потока обессоленной нефти на входе в колонну К-1 - - 251 251 251
- на верху колонны К-1 158 158 152 159 166
- в емкости дистиллята колонны К-1 50 50 50 50 50
- в низу колонны К-1 240 240 240 240 245
- ввода потока «горячей струи» в низ колонны К-1 330 - - - -
Массовая доля отгона
- верхнего потока обессоленной нефти на входе в колонну К-1 0.105 0.105 0.003 0.003 0.003
- нижнего потока обессоленной нефти на входе в колонну К-1 - - 0.265 0.265 0.265
- потока «горячей струи» на входе в колонну К-1 0.444 - - - -
Отбор, % мас. на нефть
- бензиновой фракции 15.0 15.0 15.0* 15.62 17.81
- отбензиненной нефти 85.0 85.0 85.0 84.38 82.19
Кратность острого орошения, кг/кг 0.525 0.370 0.398 0.109 0.154
Суммарный теплоподвод в колонну К-1, Гкал/ч, в т. ч.: 68.95 67.40 67.4 65.0 67.40
общий теплоподвод с потоками обессоленной нефти, Гкал/ч 52.30 52.30 67.4 65.0 67.40
теплоподвод в низ колонны К-1, Гкал/ч 16.65 15.10 - - -
(вариант 5). При двухуровневом вводе потоков нефти (вариант 4) необходимая температура (240 оС) внизу колонны К-1 достигается при теплоподводе с сырьем 65.0 Гкал/ч, что на 2.4 Гкал/ч меньше, чем суммарный тепло-подвод в К-1 с сырьем и через испаритель по варианту 2. Кроме того, в варианте 4, при некотором увеличении в колонне К-1 отбора бензиновой фракции (до 15.62% мас. на нефть), требуемый конец кипения бензиновой фракции обеспечивается при низкой кратности острого орошения — 0.109 кг/кг.
В варианте 5 показано, что увеличение отбора бензиновой фракции от 15 до 17.81% мас. на нефть достигается за счет повышения фракционирующей способности нижней секции колонны К-1 в два раза (между уровнями ввода потоков обессоленной нефти КПД насадочных модулей увеличивается с 0.4 до 0.8 5). При суммарном теплоподводе в колонну К-1 с потоками обессоленной нефти 67.4 Гкал/ч (как в вариантах 2 и 4), требуемая температура конца кипения бензиновой фракции (180 оС) достигается при кратности острого орошения, равной 0.154 кг/кг. В варианте 5 расчетная температура низа колонны К-1 составляет по расчету 245 оС, что на 5 оС выше, чем в остальных вариантах расчета. По сравнению с работой колонны К-1 по варианту 2, в варианте 5, за счет большего отбора бензиновой фракции в колонне К-1, сни-
жается расход потока частично отбензиненной нефти, поступающей в колонну К-2. Для нагрева этого потока в трубчатых змеевиках печи существенно сокращается расход топлива, как за счет снижения расхода потока отбензинен-ной нефти, так и за счет повышения его температуры на 5 оС. Это подтверждено опытом работы стадии атмосферной перегонки нефти на двух промышленных установках АВТ в ОАО «Орскнефтеоргсинтез» 4. Таким образом, работа колонны К-1 по варианту 5 показывает наилучшие результаты за счет более высокой фракционирующей способности перекрестно-точной насадки в секции между двумя уровнями ввода потоков обессоленной нефти.
В табл. 2 приведено сопоставление показателей процесса частичного отбензинивания нефти в перекрестноточной насадочной колонне К-1 по двум вариантам: с «горячей струей» (вариант 1) и с двухуровневым вводом потоков обессоленной нефти (вариант 5). Схема с «горячей струей» требует больших энергозатрат и суммарный теплоподвод в колонну К-1 на 1.55 Гкал/ч больше, чем в варианте 5. Отбор бензиновой фракции с одинаковой температурой конца кипения (180 оС) в варианте 5 выше, чем в варианте 1 на 2.81% мас. на нефть при меньшем (на 1.22 Гкал/ч) теплоотводе в конденсаторе-холодильнике, что обусловлено более низкой кратностью острого орошения.
Таблица 2
Расчетные показатели процесса частичного отбензинивания нефти в перекрестноточной насадочной колонне К-1 с «горячей струей» (вариант 1) и двухуровневым вводом обессоленной нефти в колонну К-1 (вариант 5)
Показатели Варианты Разница
1 5
Расход потока обессоленной нефти, т/ч 480 480 0
Температура на верху колонны К-1, оС 158 166 +8
Температура в низу колонны К-1, оС 240 245 +5
Суммарный теплоподвод в колонну К-1, Гкал/ч 68.95 67.40 -1.55
Общий теплоподвод с потоками обессоленной нефти, Гкал/ч 52.30 67.40 + 15.10
Теплоподвод в низ колонны К-1 с потоком «горячей струи», Гкал/ч 16.65 0 -16.65
Отбор бензиновой фракции, % мас. на нефть 15.0 17.81 2.81
Теплоотвод в конденсаторе-холодильнике дистиллята, Гкал/ч 14.88 13.66 -1.22
Кратность острого орошения, кг/кг 0.525 0.154 -0.371
Расход частично отбензиненной нефти, т/ч 408.0 394.5 -13.5
За счет увеличения в варианте 5 отбора бензиновой фракции в колонне К-1, при соответствующем сокращении расхода потока частично отбензиненной нефти, поступающего на фракционирование в колонну К-2, и повышения температуры в низу колонны К-1 на 5 оС, значительно сокращается расход топлива на нагрев этого потока в трубчатых змеевиках печи.
Кроме того, следует отметить, что тепло-подвод с «горячей струей» связан с нагревом циркулирующего потока остатка колонны К-1 в змеевике трубчатой печи, что дополнительно увеличивает расход топлива на установке АВТ. При работе колонны К-1 по варианту 5 нижний поток обессоленной нефти нагревается до температуры 251 оС в теплообменниках за счет более полной рекуперации тепла горячих технологических потоков продуктов и циркуляционных орошений ректификационных колонн. Поток обессоленной нефти может дополнительно нагреваться в трубчатых змеевиках, расположенных в камере конвекции печи. Целесообразность нагрева потоков обессоленной нефти до температуры 250 оС в трубчатых змеевиках камеры конвекции печи подтверждена опытом работы двух установок АВТ в ОАО «Орскнефтеоргсинтез» 2'4. Такая схема работы трубчатых печей позволяет сократить расход топлива за счет повышения КПД, поскольку в камере конвекции дымовые газы нагревают поток обессоленной нефти с более низкой (140—190 оС) температурой на входе по сравнению с 240 оС у потока отбензи-ненной нефти.
В итоге выполненного расчетного исследования определены результаты, которые достигаются при модернизации действующих установок с переводом на энергосберегающую технологию частичного отбензинивания малосернистой нефти. Разработанная технология
базируется на оптимизации теплоподвода к потокам нефти в схеме теплообмена и использовании преимуществ перекрестноточной насадки в колонне с двумя уровнями ввода нагретых потоков обессоленной нефти. В результате при сокращении энергозатрат на ректификацию нефти в насадочной колонне К-1 достигается увеличение отбора бензиновой фракции требуемого качества. За счет снижения расхода потока частично отбензиненной нефти, поступающей в колонну К-2, существенно сокращается расход топлива на нагрев этого потока в трубчатых змеевиках печи. Технология апробирована при модернизации двух промышленных установок, что позволило существенно сократить расход топлива на стадии атмосферной перегонки нефти и достичь в ОАО «Орскнефтеоргсинтез» высоких технико-экономические показателей при первичной переработке сернистой нефти.
Литература
1. Александров И. А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке.— М.: Химия, 1981.— С. 164.
2. Пилюгин В. В., Нестеров И. Д., Чуракова С. К., Богатых К. Ф. // Баш. хим. ж.— 2007.— Т. 14, №5.- С. 61.
3. Чуракова С. К., Богатых К. Ф., Нестеров И. Д. Влияние способа подвода тепла на энергозатраты в процессе частичного отбензинивания нефти // Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук: материалы Международной научно-технической конференции.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009.- Вып. 4.-С. 106.
4. Пилюгин В. В., Нестеров И. Д., Чуракова С. К., Богатых К. Ф. // Баш. хим. ж.- 2009.- Т. 16, №2.- С. 43.
5. Чуракова С. К., Нестеров И. Д., Богатых К. Ф., Пилюгин В. В. Показатели работы перекрестно-точных насадочных колонн К-1 на установках АВТ ОАО «Орскнефтеоргсинтез» // Нефтега-зопереработка-2009: материалы Международной научно-практической конференции.- Уфа: Изд-во ГУП ИНХП РБ, 2008.- С. 318.
