Атмосферная колонна переработки нефти

При выборе технологической схемы и режима атмосферной перегонки нефти руководствуются главным образом ее фракционным составом, и прежде всего содержанием в ней газов и бензиновых фракций.

Перегонку стабилизированных нефтей постоянного состава с небольшим количеством растворенных газов (до 1,2 % по С4 включительно), относительно невысоким содержанием бензина (12…15 %) и выходом фракций до 350 °С не более 45 % энергетически наиболее выгодно осуществлять на установках (блоках) AT по схеме с однократным испарением, то есть с одной сложной ректификационной колонной с боковыми отпарными секциями. Установки такого типа широко применяются на зарубежных НПЗ. Они просты и компактны, благодаря осуществлению совместного испарения легких и тяжелых фракций требуют минимальной температуры нагрева нефти для обеспечения заданной доли отгона, характеризуются низкими энергетическими затратами и металлоемкостью. Основной их недостаток меньшая технологическая гибкость и пониженный (на 2,5…3,0 %) отбор светлых нефтепродуктов, кроме того, по сравнению с двухколонной схемой, они требуют более качественной подготовки нефти.

Для перегонки легких нефтей с высоким содержанием растворимых газов (1,5… 2,2 %) и бензиновых фракций (до 20…30 %) и фракций до 350 °С (50…60 %) целесообразно применять атмосферную перегонку двухкратного испарения, то есть установки с предварительной отбензинивающей колонной и сложной ректификационной колонной с боковыми отпарными секциями для разделения частично отбензиненной нефти на топливные фракции и мазут.

Двухколонные установки атмосферной перегонки нефти получили в отечественной нефтепереработке наибольшее распространение. Они обладают достаточной технологической гибкостью, универсальностью и способностью перерабатывать нефти различного фракционного состава, так как первая колонна, в которой отбирается 50…60 % бензина от потенциала, выполняет функции стабилизатора, сглаживает колебания в фракционном составе нефти и обеспечивает стабильную работу основной ректификационной колонны. Применение отбензинивающей колонны позволяет также снизить давление на сырьевом насосе, предохранить частично сложную колонну от коррозии, разгрузить печь от легких фракций, тем самым несколько уменьшить требуемую тепловую ее мощность.

Недостатками двухколонной AT является более высокая температура нагрева отбензиненной нефти, необходимость поддержания температуры низа первой колонны горячей струей, на что требуются затраты дополнительной энергии. Кроме того, установка оборудована дополнительной аппаратурой: колонной, насосами, конденсаторами-холодильниками и т. д.

Блок атмосферной перегонки нефти высокопроизводительной, наиболее распространенной в нашей стране установки ЭЛОУ-АВТ-6 функционирует по схеме двухкратного испарения и двухкратной ректификации.

Обезвоженная и обессоленная на ЭЛОУ нефть дополнительно подогревается в теплообменниках и поступает на разделение в колонну частичного отбензинивания 1. Уходящие с верха этой колонны углеводородный газ и легкий бензин конденсируются и охлаждаются в аппаратах воздушного и водяного охлаждения и поступают в емкость орошения. Часть конденсата возвращается на верх колонны 1 в качестве острого орошения. Отбензиненная нефть с низа колонны 1 подается в трубчатую печь 4, где нагревается до требуемой температуры и поступает в атмосферную колонну 2. Часть отбензиненной нефти из печи 4 возвращается в низ колонны 1 в качестве горячей струи. С верха колонны 2 отбирается тяжелый бензин, а сбоку через отпарные колонны 3 выводятся топливные фракции 180…220 (230), 220(230)…280 и 280…350 °С. Атмосферная колонна кроме острого орошения имеет 2 циркуляционных орошения, которыми отводится тепло ниже тарелок отбора фракций 180…220 и 220…280 °С. В нижние части атмосферной и отпарных колонн подается перегретый водяной пар для отпарки легкокипящих фракций. С низа атмосферной колонны выводится мазут, который направляется на блок вакуумной перегонки. Ниже приведены материальный баланс, технологический режим и характеристика ректификационных колонн блока атмосферной перегонки нефти (типа самотлорской) 2.

Материальный баланс блока AT

Поступило:

Получено:

Газ и нестабильный бензин (н. к. — 180 °С) — 19,1%

180…220 °С — 7,4% 220…280 °С — 11,0% 280…350 °С — 10,5%

Практикой эксплуатации промышленных установок АТ и АВТ были выявлены следующие недостатки схемы, показанной на рисунке выше.

1. не обеспечиваются проектные показатели по температуре подогрева нефти на входе в К-1, тем самым и по отбору легкого бензина в ней;
2. способ регулирования температуры низа К-1 посредством горячей струи через печь требует повышенных энергозатрат на циркуляцию отбензиненной нефти.

Для интенсификации работы К-1 на ряде НПЗ были переобвязаны теплообменники по сырью и теплоносителю с целью повышения температуры подогрева нефти на входе в К-1. На одном НПЗ 4 внедрена энергосберегающая технология отбензинивания нефти, которая отличается тем, что часть поступающей в К-1 исходной обессоленной нефти нагревается в конвекционной камере печи (атмосферной или вакуумной) до 180 °С (вместо 205 °С) и подается вторым потоком в секцию питания, а в низ К-1 в качестве испаряющего агента подается водяной пар (≈ 0,7 % мас.).

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА, С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов, 2006

ПЕРВИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ

Назначение, сырье и продукты

На атмосферных нефтеперегонных установках нефть или смесь нефтей обычно разделяется на четыре дистиллятные фракции и остаток — мазут. Побочным продуктом является смесь углеводородных газов, часто содержащая сероводород, который образуется из нестойких соединений серы при нагреве нефти.

Технологическая схема

Установка атмосферной перегонки, двухколонная (по числу основных колонн: первая — простая, вторая — сложная, без учета внешних отпарных колонн) с двукратным испарением сырья. До поступления в первую ректификационную колонну, называемую также испарительной колонной, нефть нагревается только в теплообменниках, проходя в них одним, двумя или несколькими параллельными потоками. Верхним продуктом первой колонны являются легкая бензиновая фракция и небольшое количество газа. Остальные дистилляты, выводимые с установки, а также мазут получаются во второй колонне. Обе колонны обслуживаются общей трубчатой печью. Часть нижнего продукта испарительной колонны циркулирует между печью и первой колонной, этим достигается снабжение ее отгонной секции дополнительным количеством тепла. Ниже описана технологическая схема двухступенчатой установки атмосферной перегонки.

Обессоленная нефть, нагнетаемая насосом 8, проходит двумя параллельными потоками группу теплообменников 10, 11, 23, 26, 29 и нагретая до температуры 200—220°С поступает в среднюю часть колонны 2. Ректификационная колонна 2 работает при избыточном давлении, достигающем на некоторых установках 0,45 МПа.

Пары легкого бензина (конец кипения этой фракции в одних случаях равен 85°С, а в других — 140 или 160°С) по выходе из колонны 2 конденсируются в аппарате воздушного охлаждения 3. Далее конденсат и сопутствующие газы, охлажденные в водяном холодильнике 4, разделяются в газосепараторе 5. Отсюда легкий бензин насосом 7 направляется в секцию (блок) стабилизации и вторичной перегонки. Часть легкого бензина возвращается как орошение в колонну 2.

Из колонны 2 снизу частично отбензиненная нефть забирается насосом 1 и подается в змеевик трубчатой печи 6. Нагретая в змеевиках печи нефть поступает в парожидком состоянии в основную ректификационную, колонну 14. Часть же нефти после печи возвращается как рециркулят, или «горячая струя», на одну из нижних тарелок колонны 2.

Верхним продуктом колонны 14 является бензиновая фракция, более тяжелая по сравнению с отводимой с верха испарительной колонны 2. По выходе из колонны 14 пары бензина, а также сопровождающие их водяные пары конденсируются в аппарате воздушного охлаждения 15. Охлажденная в водяном холодильнике 16 смесь разделяется в газосепараторе 17 на газ, водный и бензиновый конденсаты. Жидкая бензиновая фракция из газосепаратора 17 (или дополнительного водоотделителя, не показанного на схеме) забирается насосом 22 и подается в секцию вторичной перегонки. Часть бензина этим же насосом возвращается в колонну 14, на ее верхнюю тарелку, как орошение.

Фракции 140—240 и 240—350°С (или 140—220 и 220—350°С) выводятся из отпарных колонн 18 и 19, прокачиваются с помощью насосов 20 и 21 и охлаждаются в последовательно соединенных аппаратах. Первая — керосиновая фракция — в теплообменнике 23, аппарате воздушного охлаждения 24 и водяном кожухотрубном холодильнике 25; вторая — фракция дизельного топлива — в теплообменнике 26, холодильнике 27 и водяном холодильнике 28.

Под нижние тарелки отпарных колонн вводится перегретый водяной пар.

Тяжелый неиспаренный остаток нефти в смеси с жидкостью, стекающей с последней тарелки концентрационной секции колонны 14, проходя нижние шесть тарелок в колонне, продувается перегретым водяным паром. Мазут, освобожденный в значительной мере от низкокипящих фракций, с низа колонны 14 направляется насосом 13 через теплообменник 29 и холодильники 30 и 31 в резервуар. В колонне 14 имеются два циркуляционных орошения, тепло которых отдается нефти в теплообменниках 10 и 11.

Последовательность прохождения нефтью теплообменников может быть и иной, чем показано на схеме.

Технологический режим

Материальный баланс

Материальный баланс установки зависит от потенциального содержания светлых нефтепродуктов в нефти, от требуемого ассортимента их, а также от четкости фракционирования.

Схемы подачи орошения

Обычно на верх атмосферной колонны в качестве острого орошения подается верхний дистиллят, а в различные точки по высоте колонны — несколько промежуточных циркуляционных орошений. Промежуточное орошение чаще всего отводят с одной из тарелок, расположенных непосредственно ниже точки вывода бокового дистиллята (погона), в выносную отпарную колонну (11). Другой вариант: в качестве промежуточного орошения используют сам боковой погон, который после охлаждения возвращают в колонну выше или ниже точки ввода в нее паров из отпарной выносной колонны (9) и (12).

Использование для теплообмена только острого орошения неэкономично, так как верхний продукт имеет сравнительно умеренную температуру. Применяя промежуточное циркуляционное орошение, рационально используют избыточное тепло колонны для подогрева нефти, при этом выравниваются нагрузки по высоте колонны, и это обеспечивает оптимальные условия ее работы. Выбирая схему орошения для работы колонны, следует учитывать степень регенерации тепла, влияние промежуточного орошения на четкость ректификации и размеры аппарата.

Анализ работы атмосферных колонн показал, что оптимальной будет схема, при которой острым (верхним) орошением колонны снимается около 40% тепла и двумя промежуточными — около 30% каждым.

Атмосферная перегонка (дистилляция) — разделении нефти на фракции, путем многократного испарения и конденсации паров, проводящийся при нормальном (атмосферном) давлении.

Технологический процесс

Подготовленная в ходе специальной процедуры нефть (см. Подготовка нефти к переработке) нагревается в специальной печи до температуры около 380 °С. В результате получается смесь жидкости и пара, которая подается в нижнюю часть ректификационной колонны — основного блока атмосферной дистилляции нефти.

Ректификационная колонна представляет собой внушительных размеров (до 80 метров высотой и до 8 метров в диаметре) трубу, вертикально разграниченную внутри так называемыми тарелками со специальными отверстиями. Когда нагретая смесь подается в колонну, легкие пары устремляются вверх, а более тяжелая и плотная часть отделяется и опускается на дно.

Поднимающиеся вверх пары конденсируются, и образуют на каждой тарелке слой жидкости толщиной около 10 см. Отверстия в тарелках снабжены так называемыми барботажными колпачками, благодаря которым поднимающиеся пары барботируют сквозь эту жидкость. Пары при этом теряют тепло, передавая его жидкости, и часть углеводородов переходит в жидкое состояние. Данный процесс «пробулькивания»и есть суть ректификации. Далее пары поднимаются к следующей тарелке, где барботирование повторяется. Кроме этого, каждая тарелка оснащена так называемым сливным стаканом, который позволяет избытку жидкости переливаться на нижнюю тарелку.

Барботажные колпачки и сливные стаканы в ректификационной колонне (схематичное изображение)

Таким образом, посредством атмосферной перегонки нефть разделяется на фракции (или погоны). Однако, для более эффективного разделения используют следующие технологические приемы.

Орошение и повторное испарение

Для исключения попадания тяжелых продуктов в верхнюю часть колонны, пары периодически направляют в холодильник. Сконденсированные в холодильники вещества возвращают на одну из нижних тарелок. Такой процесс называется орошением ректификационной колонны.

С другой стороны, некоторое количество легких углеводородов может вместе с током жидкости оказаться в нижней части колонны. Эта проблема решается пропусканием отбором жидкости из определенного места колонны и повторным ее пропусканием через нагреватель. Таким образом легкие углеводороды снова поступают в колонну в виде пара. Описанный процесс называется повторным испарением.

Орошение и повторное испарение

Орошению и повторному испарению можно подвергать фракции, взятые из любой части колонны. В результате этих процессов некоторые молекулы несколько раз проходят весь путь по колонне, испаряюсь и снова конденсируясь. Такой подход обеспечивает наиболее эффективное разделение нефти, а ректификационная колонна по своей сути является комплексом перегонных аппаратов совмещенных воедино.

Границы кипения фракций

Принципиально важной и основной характеристикой фракций являются ее границы кипения – температуры, при которых продукты перегонки отделяются друг от друга.

Точка Начала Кипения (ТНК) – температура, при которой фракция начинает кипеть

Точка Выкипания (ТВ) – температура, при которой данная фракция полностью испарилась.

Номинально температура выкипания одной фракции должна являться температурой начала кипения соседней, более тяжелой фракции. Однако на практике процесс ректификации не идеален и в большинстве случаев (если не всегда) ТВ и ТНК соседних фракций не совпадает. Такое перекрытие принято называть «хвостами», а наиболее наглядно их можно видеть на кривых разгонки.

Для упрощение было введено понятие эффективных границ кипения, т.е. температур, при которых фракции условно считаются разделенными.

Перекрывающиеся кривые разгонки керосина и нафты

Отбор фракций на различных уровнях ректификационной колонны осуществляется через боковые отводы. Тяжелые фракции отбираются в нижней части колонны, более легкие (верхний погон) – в верхней. При этом границы кипения фракций можно устанавливать и регулировать, в зависимости от потребностей.

Схема разделения нефти на фракции в процессе атмосферной перегонки

Практически все легкие продукты атмосферной дистилляции сразу отправляются на вторичную переработку, а прямогонный остаток (мазут) — на вакуумную перегонку.