Скобло а.И., Молоканов ю.К., Владимиров а.И., Щелкунов вл-

С44 Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: ООО "Недра- Бизнесцентр", 2000. — 677 с.: ил.

ISBN5-8365-0035-5

В третьем издании (2-е изд. — 1982 г.) изложены теоретические основы типовых процессов переработки нефти, газа и другого углеводородного сырья, принципиаль­ное устройство и методы расчета аппаратов и машин, приведены современные и пер­спективные конструкции аппаратов ведущих российских производителей оборудова­ния и ряда зарубежных фирм.

Для студентов вузов, обучающихся по направлению "Оборудование и агрегаты нефтегазового производства". Книга будет полезна для широкого круга инженерно- технических работников предприятий, занимающихся разработкой и эксплуатацией оборудования нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

ISBN5-8365-0035-5 © А.И. Скобло, Ю.К. Молоканов, А.И. Владимиров,

В. А. Щелкунов, 2000

© Оформление. ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000

Посвящается 70-летию

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник «Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности» авторов А.И. Скобло, И.А. Трегубо­вой и Н.Н. Егорова, вышедший в 1962 году и переизданный в 1982 году

А.И. Скобло, И.А. Трегубовой и Ю.К. Молокановым, стал основным учебником студентов нефтяных вузов и факультетов по курсу "Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности".

В третьем, переработанном и дополненном издании учебника в основ­ном сохранена структура второго издания, однако отдельные разделы и главы учебника претерпели существенные изменения, ряд разделов перера­ботан, значительно обновлен графический и иллюстрационный материал. Были исключены рисунки узлов и конструкций аппаратов, которые в на­стоящее время уже не выпускаются, и включены рисунки, иллюстрирую­щие более современные и перспективные конструкции аппаратов ведущих российских производителей оборудования и ряда зарубежных фирм. При рассмотрении абсорбции, адсорбции, разделения газовых дисперсных сис­тем и других разделов учебника внесены изменения, связанные с подготов­кой и переработкой природного и нефтяного газа.

Книга является базовым учебником для студентов старших курсов ву­зов и факультетов нефтегазового профиля и может быть полезной для ши­рокого крута инженерно-технических работников предприятий, конструк­торских бюро и проектных организаций, занимающихся разработкой и эксплуатацией оборудования нефтегазоперерабатывающей и нефтехимиче­ской промышленности.

Материал изложен применительно к программе курса "Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии" для студентов-механиков, обучающихся по направлению "Оборудование и агрегаты нефтегазового производства" по специальности "Оборудование нефтегазопереработки", а также для студентов технологических специальностей "Химическая техно­логия органических веществ" и "Химическая технология топлива и углерод­ных материалов".

Учебник может быть полезен и для студентов других специальностей нефтяного и газового профилей, специализирующихся по переработке нефти, газа и другого углеводородного сырья и применяемом для этих це­лей оборудованию.

В учебнике рассмотрены основные вопросы теории и расчета типо- з

вых процессов и аппаратов, являющихся составными частями сложных современных технологических установок переработки нефти, природного и попутного углеводородных газов, вторичного углеводородного сырья.

В учебнике не приведены примеры расчетов различных процессов и аппаратов, поскольку эти вопросы рассмотрены в специальных учебных пособиях.

В книге приведен список основной литературы, который позволит студентам подобрать источник для более углубленного изучения соответст­вующих разделов.

Все главы учебника написаны совместно проф. А.И. Скобло, проф. А.И. Владимировым и доц. В.А. Щелкуновым.

Авторы выражают признательность рецензентам — кафедре процес­сов и аппаратов химической технологии Московской государственной ака­демии тонкой химической технологии (МИТХТ) им. М.В. Ломоносова (зав. кафедрой, д-р техн. наук проф. Г.А. Носов) и профессору кафедры про­мышленной экологии Московского государственного университета инже­нерной экологии (МГУИЭ) д-р техн. наук, О.С. Чехову за полезные заме­чания и конструктивные предложения, способствовавшие улучшению каче­ства книги.

Авторы также будут благодарны читателям за замечания, направлен­ные на улучшение приведенных в книге материалов.

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО КУРСУ "ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ"

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА И ЕГО НАЗНАЧЕНИЕ

Развитие нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности на современном этапе характеризуется значительным расширением ассортимента и повышением качества выпускаемой продук­ции, увеличением глубины переработки нефти, строительством наряду с установками большой единичной мощности модульных малотоннажных установок комплексной переработки нефти, газа и газового конденсата, позволяющих получать широкую гамму нефтепродуктов с учетом потреб­ностей в них нефтегазодобывающих районов. Такие малогабаритные уста­новки должны обеспечить не только первичную переработку путем физи­ческого разделения газонефтяного сырья, но и проведение вторичных про­цессов химической переработки с использованием высокоэффективных катализаторов.

Технологическое и аппаратурное оформление промышленных процес­сов крайне многообразно. Во многих производственных процессах требу­ется разделять исходное сырье на составляющие компоненты, производить нагрев и охлаждение продуктов, осуществлять механическое разделение различных фаз системы. При этом одинаковые по своей физической при­роде процессы могут применяться на различных стадиях технологического процесса, обеспечивая получение продукции требуемых качества и свойств.

В ряде случаев для проведения различных процессов могут применять­ся однотипные аппараты и, наоборот, для однотипных по своей природе процессов могут использоваться различные по конструкции аппараты,

В отличие от химической технологии, занимающейся изучением по­следовательности и методов переработки природного или искусственного сырья в соответствующие продукты, в курсе «Процессы и аппараты» изу­чаются общие закономерности типовых процессов и аппаратура для их реализации вне зависимости от их места в конкретной технологической цепочке.

Это дает возможность эффективно совершенствовать технологию пе­реработки на базе выбора наиболее рациональных для данных условий процессов и аппаратуры, а также их сочетаний.

Задачей данного курса является изучение: а) теоретических основ типовых процессов нефтегазопереработки и нефтехимии; б) принципов устройства оборудования для осуществления этих процессов; в) основных методов расчета типовых процессов и аппаратов нефтегазопереработки и нефтехимии.

Знание указанных вопросов позволяет ориентироваться в том много­образии конкретных технологических процессов и аппаратуре, которое характерно для современной нефтегазопереработки и нефтехимии, и раз­рабатывать пути их совершенствования.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКИ

Процессы переработки нефти и газа претерпели в своем развитии как качественные, так и количественные изменения, вытекающие из задач развития народного хозяйства нашей страны. В настоящее время в нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности ши­рокое применение находят совмещенные процессы, для которых харак­терно использование многофункциональных аппаратов с одновременным протеканием стадий реакции, тепло- и массопереноса. Особенно актуально использование многофункциональных аппаратов в малогабаритных мало­тоннажных установках переработки углеводородного сырья для доведения показателей качества целевых продуктов до требований стандартов.

Чтобы увеличить глубину переработки нефти, необходимо повысить долю вторичных процессов, разработать и внедрить более эффективные катализаторы и прогрессивное оборудование. Для развития микробиологи­ческой промышленности необходимо организовать крупнотоннажное про­изводство жидких парафинов.

Предусмотрено комплексное использование попутного нефтяного и природного газов с получением из них газового конденсата, серы, гелия и других ценных продуктов. Газовый конденсат, являющийся ценным углево­дородным сырьем, в зависимости от фракционного и группового состава может быть переработан по варианту с преобладающим топливным про­филем или по нефтехимическому профилю с получением сырья для нефте­химического синтеза.

Россия владеет примерно 40 %от мировых запасов природного газа, большая часть которых расположена в арктических и субарктических рай­онах Сибири, поэтому преобразование газа в жидкое состояние или жид­кое топливо непосредственно на месторождении позволит транспортиро­вать его по более экономичной схеме.

Современное нефте- и газоперерабатывающее предприятие представ­ляет собой комплекс мощных установок первичной переработки нефти и газа, каталитического крекинга, гидроочистки, риформинга, депарафиниза­ции масел, производства битума и др., оснащенных современным оборудо­ванием, поставляемым заводами химического и нефтяного машинострое­ния.

Производительность современных установок первичной переработки нефти достигла 8^-9 млн. т/год и газа 5 млрд. м³/год. Существенно возрос­ли мощности установок, осуществляющих вторичные процессы (вторичная перегонка бензинов, каталитический крекинг, пиролиз и др.).

Значительное расширение ассортимента нефтепродуктов и дальнейшее повышение требований к их качеству в связи с интенсивным развитием техники обусловили необходимость использования широкой гаммы про­цессов химической технологии при переработке нефти и газа; имеются в виду такие процессы, как ректификация, абсорбция, экстракция, адсорб­ция, сушка, отстаивание, фильтрование, центрифугирование и др., а также различные химические и каталитические процессы: пиролиз, каталитичес­кий крекинг, риформинг, гидроочистка и др. Это позволило ориентиро­вать нефтегазопереработку на обеспечение народного хозяйства не только топливом, маслами и другими товарными продуктами, но и дешевым сырь­ем для химической и нефтехимической отраслей промышленности, произ­водящих различные синтетические продукты: пластические массы, синте­тические каучуки, химические волокна, спирты, синтетические масла и др.

Осуществление столь разнообразных процессов при переработке нефти и газа потребовало применения аппаратуры, работающей в широ­ком интервале изменения рабочих параметров. Так, например, температу­ры могут составлять от —60 °С (кристаллизация в производстве масел) до 800-^900 °С (пиролиз), а давления — от глубокого вакуума (переработка тя­желых нефтяных остатков) до 150 МПа (производство полиэтилена).

Это предъявляет высокие требования к расчету аппаратуры и обосно­ванию рабочих параметров процесса.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ (ТИПОВЫХ) ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ТЕХНОЛОГИИ НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКИ

Основные или типовые процессы нефтегазопереработки рассмотрены главным образом с точки зрения их применения для разделе­ния исходных смесей за счет обмена веществом и энергией.

В основу классификации основных процессов могут быть положены разные принципы, однако ввиду большого разнообразия этих процессов представляется наиболее целесообразным классифицировать их по способу создания движущей силы процесса.

В этой связи основные процессы химической технологии можно раз­делить на следующие классы.

Массообменные или диффузионные процессы связаны с переходом вещества из одной фазы в другую за счет диффузии. В процессах массооб- мена всегда участвуют две фазы, например, жидкая и паровая, жидкая и га­зообразная, две жидкие фазы, твердая и жидкая и т. д. К этому классу процессов относятся перегонка, ректификация, абсорбция, адсорбция, экс­тракция, сушка, кристаллизация и др.

Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций или градиент концентраций между фактической концен­трацией компонента в данной фазе и равновесной с другой фазой, а скорость процесса определяется законами массопередачи.

Гидромеханические процессы связаны с обработкой неоднородных систем — жидкостей и газов (паров), содержащих взвешенные в них твер­дые частицы или капли жидкости. К этим процессам относятся различные виды отстаивания (в поле силы тяжести, в центробежном поле, в электрическом и магнитном полях), фильтрование, перемешивание, тече­ние газа или жидкости через слой сыпучих материалов и др.

Движущей силой гидромеханических процессов является разность давлений или градиент давлений, обусловленные разностью плотностей обрабатываемых материалов или иными причинами. Скорость процесса определяется законами гидродинамики неоднородных систем.

Механические процессы связаны с обработкой твердых материалов. Сюда относятся процессы измельчения, рассева, транспортирования, дозирования, смешивания.

Движущей силой процесса является разность сил, давлений или градиент напряжения (сжатия, сдвига, растяжения). Скорость процесса определяется законами механики твердых тел.

Тепловые процессы связаны с передачей тепла от одного тела к дру­гому. К ним относятся следующие основные процессы: нагревание, охлаж­дение, испарение, конденсация, плавление, затвердевание (кристаллиза­ция).

Движущей силой тепловых процессов является разность температур или градиент температур, а скорость процесса определяется законами теп­лопередачи.

Химические процессы связаны с превращением обрабатываемых ма­териалов, целью которого является получение новых соединений. К этому классу процессов относится группа термокаталитических процессов: ката­литический крекинг, пиролиз, риформинг, гидроочистка и др.

Движущей силой процесса являются разности концентраций реагиру­ющих веществ. Скорость процесса определяется законами химической ки­нетики.

В отличие от массообменных процессов, в которых составляющие ча­сти исходной системы, не изменяясь, переходят из одной фазы в другую, при химических процессах исходные компоненты (вещества) претерпева­ют коренные изменения, приводящие к появлению в системе новых ве­ществ, свойства которых отличаются от свойств исходных веществ.

На рис. В-1 приведена схема классификации основных (типовых) про­цессов нефтегазопереработки и нефтехимии.

По тем же признакам можно классифицировать аппараты и машины для проведения типовых процессов. Схема такой классификации представ­лена на рис. В-2.

Во многих случаях в одном аппарате могут одновременно протекать несколько типовых процессов. Так, например, химический процесс сопро­вождается переносом массы и тепла, диффузионный процесс ректифика­ции — теплообменом и т. п. Такое совместное протекание нескольких ти­повых процессов осложняет их изучение и разработку всесторонне обос­нованной научной классификации. Поэтому в основу приведенной выше классификации аппаратов и машин положен основной процесс, определя­ющий назначение аппарата (машины).

По способу осуществления различных процессов во времени их под­разделяют на периодическиеинепрерывные.

Периодические процессы характеризуются единством места проведе­ния различных стадий процесса и в связи с этим неустановившимся состо­янием во времени. Работа периодически действующих аппаратов проводит­ся по определенным циклам, в течение которых осуществляются все ста­дии процесса. По окончании цикла аппарат разгружается; после его загруз-

ки новой порцией материалов весь производственный цикл повторяется. Нестационарность периодических процессов затрудняет их автоматизацию, усложняет эксплуатацию аппаратуры, усложняет конструкцию аппаратов и создание крупнотоннажных производств. Однако в целом ряде малотон­нажных производств и опытных установок периодические процессы име­ют широкое распространение.

Непрерывные процессы характеризуются единством времени проведе­ния всех стадий процесса, каждая из которых осуществляется в специаль­ном аппарате, благодаря чему непрерывные процессы характеризуются ус­тановившимся во времени режимом. При этом обеспечивается непрерыв­ный подвод исходных материалов и вывод получаемых в результате про­цесса продуктов. Установившееся состояние понимается как среднестатис­тическое, так как неизбежны случайные колебания параметров процесса во времени.

Благодаря стационарности непрерывных процессов облегчается их автоматизация, упрощается конструкция аппаратов и их обслуживание, однако для одновременного проведения всех стадий процесса необходимо большое число аппаратов.

Современные крупнотоннажные производства нефтегазопереработки развиваются на основе непрерывных процессов.

НАЗНАЧЕНИЕ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ И ЕГО СОДЕРЖАНИЕ

Расчет аппарата выполняется с целью обоснования его размеров, выбора оптимального режима работы, определения расходов (топливо, водяной пар, вода, электроэнергия, реагенты, катализаторы и пр.), выбора конструкции аппарата в целом и его отдельных узлов, а также их материального оформления.

Основными являются следующие три типа расчетов, выполняемых для процессов и аппаратов: технологический, гидравлический и механи­ческий.

Технологический расчет. При его проведении обосновываются рабо­чие параметры процесса (давление, температура и т.п.), определяются мате­риальные и энергетические потоки и уточняются расходные нормы.

Гидравлический расчет. При его проведении определяются размеры рабочих сечений аппарата и перепады давления, обеспечивающие работу при полученных в технологическом расчете материальных и энергетичес­ких потоках рабочих сред.

Механический расчет. При его проведении обосновываются выбор материалов, конструкции элементов аппарата, толщины стенок и т.п., обеспечивающие безопасную, надежную и длительную эксплуатацию аппа­рата.

Необходимо отметить, что расчет процесса и аппарата, как правило, характеризуется различными вариантами рабочих параметров, потоков, конструктивного оформления и т.д. Это требует выполнения большого объема вычислительной работы, наиболее просто и быстро реализуемой с применением персональных ЭВМ. В результате сопоставления нескольких

вариантов может быть выбран оптимальный, в котором используется ка­кой-либо критерий (минимальные удельные капитальные вложения, мини­мальные энергетические затраты, максимальный выход товарной продук­ции, минимальная удельная металлоемкость и т.п.). Выбор критерия опти­мальности диктуется спецификой процесса, стоимостью его отдельных со­ставляющих, наличием нужных материалов, хладагентов, теплоносителей и т.п.

Расчет процессов и аппаратов является одним из основных факторов, обеспечивающих выбор экономически целесообразных и технически оп­равданных условий работы оборудования.

При использовании стандартизованной аппаратуры проводится прове­рочный расчет, задачей которого является обоснование производитель­ности аппарата и режима его работы на основе имеющихся размеров, а также выявление возможности использования данного стандартного аппа­рата при заданных рабочих условиях.

Приняты три стадии проектирования:

проектное задание;

технический проект;

рабочие чертежи.

В проектном задании решаются основные принципиальные вопросы, определяются выбор технологической схемы процесса, набор основного оборудования. Расчеты выполняются по укрупненным показателям, позво­ляющим выбрать тип оборудования, его габариты, массу, энергетические и материальные затраты. Более подробные расчеты на этой стадии проекти­рования выполняются для оборудования нового типа.

В техническом проекте расчеты выполняются достаточно подробно, так чтобы на их основе можно было выполнить рабочие чертежи.

В рабочих чертежах разрабатывают подробную техническую доку­ментацию (чертежи, расчеты, макеты и т.п.), которая дает возможность изготовить необходимую технологическую оснастку, детали, узлы и аппа­рат в целом; эта документация позволяет осуществить конкретное матери­альное исполнение инженерных решений. При этом возможны корректи­вы технической документации, ранее принятой в техническом проекте.

Для расчета аппаратов необходимо задать производительность по сы­рью, полуфабрикатам или целевым продуктам, возможную продолжитель­ность работы для аппарата непрерывного действия, продолжительность цикла работы и отдельных стадий для аппаратов периодического действия, выходы и качество получаемых продуктов или показатели, позволяющие определить их расчетом. В отдельных случаях задают рабочие параметры процесса (температуру, давление, время контакта и т.п.), проверяя их при­емлемость при последующих расчетах.

В задании должны быть указаны как нормальные условия работы ап­парата, так и возможные отклонения от них (максимальные и минималь­ные), особые условия и требования к ведению процесса, сведения о корро­зионных и токсических свойствах перерабатываемых продуктов. При рас­четах стандартизованных аппаратов обычно используют типовые методи­ки.

На современном этапе развития техники и технологии проектирова­ние машин и аппаратов нефтегазопереработки без применения САПР вос­принимается как архаизм. Чертежи перспективной и конкурентноспособ­ной продукции, выполненные вручную на кульмане, могут произвести от­рицательное впечатление, перечеркнув надежды на сотрудничество и вы­годные контракты.

В настоящее время применяются следующие системы САПР:

CAD —Computeraideddesign— инженерное программное обеспечение для проекти­рования и конструирования;

САМ —Computoraidedmanufacturing— общее название инженерного программного обеспечения для подготовки производства;

CAE —Computoraidedengineering— программное обеспечение для проведения расче­тов (прочность, динамика, акустика идр).

К современным CADсистемам можно отнестиAutoCAD— электронный кульман,SolidWorks, а также российскую системуT-FLEXCAD, разработанную в "Станкине” совмест­но с АО "Топ Системы".

Одной из наиболее распространенной в мире и в России среди CAD/CAMсистем яв­ляетсяPro/ENGINEERамериканской фирмыParametrieTexnologyCorporation, охватывающая весь цикл конструирование — производство в машиностроении. К этой же группе относится также российская система "КОМПАС", разработанная в АО "Аскон”.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ О СОСТАВЛЕНИИ МАТЕРИАЛЬНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ БАЛАНСОВ

Проведение любого процесса в химической технологии свя­зано с использованием различных материалов и видов энергии, передавае­мых главным образом в форме теплоты. Материальные балансы основаны на законе сохранения массы, а энергетические (тепловые) — на законе со­хранения энергии.

И материальный, и энергетический балансы должны составляться как для процесса в целом, так и для отдельных его стадий.

Цель составления балансовых соотношений состоит в выявлении всех участвующих в процессе потоков вещества и энергии с учетом потерь и распределении их в соответствии с закономерностями процесса и типом применяемого аппарата (машины).

Принцип составления материальных (или энергетических) балансов за­ключается в том, что вводимые в систему потоки вещества (или энергии), составляющие приходные статьи баланса, должны равняться потокам ве­щества (или энергии), выводимым из системы, которые составляют рас­ходные статьи баланса. В общем случае в расходные статьи баланса долж­ны быть включены также потери вещества (или энергии).

Для неустановившегося процесса баланс составляется по принципу; разность между приходными и расходными статьями баланса равна изме­нению массы вещества (или количества энергии) в системе за данный отре­зок времени. В частном случае отсутствия такого изменения получают ма­териальный баланс установившегося процесса.

Материальный и энергетический (или тепловой) балансы могут быть составлены в виде уравнений, таблиц или схем с указанием соответствую­щих потоков вещества и энергии.

В табл. В-1 приведена одна из форм балансовых соотношений, а на рис. В-3 — схема потоков, используемых при составлении балансов.

В согласии с изложенными принципами можно записать следующие балансовые уравнения.

Для установившегося процесса:

материальный баланс

Статья материального и теплового балансов процесса (потоки см. рис. В-3)

£g; =£g";

\ 15

соо 48

_г 163

tit 163

с, 259

t 440

(5 447

t t t 466

ш т 466

♦ \ 568

Анализ отдельных статей материального и энергетического (тепло­вого) балансов позволяет выяснить их удельную роль в общих потоках ве­щества и энергии и выявить взаимосвязи потоков. При анализе действую­щего производства материальный и тепловой балансы позволяют опреде­лить размеры потерь и их источники, а также наметить пути их уменьше­ния.