6. Общая характеристика аппаратов первичной переработки нефти

Ректификационная колонна. При проведении процесса однократного испарения получают пар, обогащенный низкокипящим компонентом, и жидкость, обогащенную высококипящим компонентом по сравнению с исходным сырьем. Однако четкое разделение в однократных процессах не достигается. Для получения продуктов с любой желаемой концентрацией компонентов и высокими выходами служит процесс ректификации. При многократном контактировании неравновесных паровой и жидкой фаз и их массо- и теплообмене паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом (НКК), а жидкость — высококипящим компонентом (ВКК).

В конечном итоге четкость разделения НКК и ВКК (четкость ректификации) зависит от числа ступеней контакта паровой и жидкой фаз и количества флегмы (орошения), стекающей навстречу парам.

Принципиальная схема работы ректификационной колонны. Схема работы ректификационной колонны приведена на рис.5.

Рис.5

Как видно из рисунка, в среднюю часть колонны поступает подлежащее ректификации сырье F c температурой t_F и составом х_F. При входе в колонну происходит процесс однократного испарения, в результате которого образуются пары G_F, состава y_F и жидкость g_F, состава х_F, находящиеся в равновесии, то есть имеющие одинаковую температуру и давление. На каждой n-й тарелке обеспечивается контакт между парами G_n‑l, поступающими на данную тарелку, и жидкостью (флегмой) g_n+1, стекающей на эту тарелку.

В результате контакта этих встречных потоков изменяются составы паровой и жилкой фаз. При этом пары обогащаются НКК, а жидкость — ВКК. Пары G_n, уходящие с n-й тарелки, будут богаче НКК, чем пары G_n-1, а жидкость q_n будет богаче ВКК по сравнению с жидкостью q_n+1. Уходящие с тарелки n потоки паров G_n и жидкости q_n будут находиться в равновесии. При этом пары G_n, поступающие на вышележащую тарелку n+1, вновь всту­пают в контакт с соответствующим потоком жидкости, поступающим с тарелки n_k, а жидкость q_n уходит на тарелку n-1, где вновь происходит контакт фаз. Подобное контактирование будет происходить до тех пор, пока пар наверху колонны не приобретет заданный состав по содержанию НКК У_D, а жидкость W внизу колонны не достигнет состава X_W.

Отбираемый с верха колонны продукт D, обогащенный НКК, называется ректификатом или дистиллятом, а снизу колонны продукт W — остатком или нижним донным продуктом.

Подобный процесс происходит в том случае, если жидкость, находящаяся на одном горизонтальном уровне с паром, например q_n+1 и G_n, содержит больше НКК, чем жидкость qn, равновесная с этим паром Gn. При постоянном давлении в колонне этот уровень будет обеспечиваться, если температура жидкости q_n+1 будет ниже, чем температура паров G_n, то есть если температура в колонне будет уменьшаться в направлении движения потока паров (вверх) и возрастать в направлении потока жидкости (флегмы) вниз. Самая низкая температура t_D будет вверху колонны, а самая высокая t_W — внизу колонны. Часть колонны, куда вводится сырье, называется секцией питания или эвапорационным пространством.

Часть колонны, находящаяся выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода — отпарной или отгонной. В обеих частях колонны протекает один и тот же процесс ректификации. Поскольку для ректификации необходимо два потока, состоящих из одних и тех же компонентов, но разного состава, из верхней части отводят тепло Q_d, а в нижней части подводят тепло Q_w. В результате при конденсации паров наверху колонны образуется поток жидкости (флегмы, орошения), а в отгонной части колонны образуется восходящий поток паров.

К группе ректификационных колонн относятся следующие аппараты современных установок AT и АВТ: предварительный испаритель или отбензинивающаяся колонна, основная ректификационная колонна, отпарные колонны, стабилизаторы, колонны вторичной перегонки, абсорберы-десорберы, вакуумные колонны и т.д.

Колонна представляет собой вертикальный стальной цилиндрический аппарат с внутренними устройствами для осуществления процесса ректификации — тарелками. Количество тарелок в каждой колонне рассчитывается в зависимости от ряда факторов: необходимого количества продуктов разделения, четкости разделения их (четкости ректификации), кратности орошения, допустимой скорости паров в колонне.

Размеры колонны зависят от заданной производительности, фракционного состава нефти, количества тарелок, давления, температуры, системы и количества орошения и других факторов.

Теплообменники, конденсаторы, холодильники. Теплообменные аппараты — это устройства, широко используемые в нефтепереработке для эффективного использования тепла горячих продуктов для нагрева сырья, либо для конденсации паров и охлаждения нефтепродуктов до требуемых температур.

К таким аппаратам относятся: теплообменники для нагрева сырья; испарители или рибойлеры, термосифонные кипятильники, служащие для внесения тепла в низ ректификационных колонн; конденсаторы смешения или кожухотрубчатые водяные конденсаторы-холодильники для конденсации паров и охлаждения легких фракций; конденсаторы для глубокого охлаждения углеводородных газов; водяные холодильники, конденсаторы-холодильники воздушного охлаждения. Наиболее распространенными теплообменными аппаратами в нефтеперерабатывающей промышленности являются: кожухотрубчатые теплообменные аппараты, теплообменники «труба в трубе», рибойлеры, конденсаторы-холодильники воздушного охлаждения.

На долю теплообменных аппаратов приходится до 40% металла от всего оборудования технологических установок. Поэтому правильный выбор применения того или иного теплообменного аппарата имеет большое значение при строительстве или реконструкции установок в общей сводке затрат и оказывает большое влияние на технико-экономические показатели работы установки.

Основной характеристикой теплообменного аппарата является его поверхность теплообмена; чем она больше при одном и том же расходе металла, тем эффективнее теплообменный аппарат. В промышленной практике применяют теплообменники с разной поверхностью: от 10 до 1012 м² при длине от 3 до 9 м и диаметре от 30 до 1400 мм. Эффективность работы аппарата зависит от разности температур горячей и холодной среды (теплоносителей), скорости потоков, чистоты поверхности теплообмена, коэффициента теплопередачи.

Среды, используемые в процессе теплообмена, для подвода или отвода тепла называются соответственно теплоносителями и хладоагентами. В качестве теплоносителей используют нагретые жидкие и газообразные вещества, а также в некоторых случаях расплавы твердых веществ (солей, металлических сплавов и др.). Горячие дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива, используют для нагрева воздуха, идущего в трубчатые печи. Нагрев воздуха дымовыми газами производится в специальных теплообменных аппаратах — воздухонагревателях или рекуператорах. Существенным недостатком таких аппаратов является их большая громоздкость вследствие низкого коэффициента теплопередачи, большая металлоемкость, частый выход их из строя в связи с коррозионным воздействием сернистых соединений дымового газа в условиях близких к «точке росы». Водяной насыщенный пар чаще всего применяют для внесения тепла в нижнюю часть ректификационных колонн тех технологических установок, где не требуется подогрев до высоких температур.

В широком масштабе это — установки газофракционирования (ГФУ), экстракции, отдельно стоящие установки ЭЛОУ и др. Передача тепла от насыщенного водяного пара происходит в специальных аппаратах — испарителях-рибойлерах или термосифонных кипятильниках. Принципиальное устройство такого аппарата приведено на рис. 4.10.

Как видно из рисунка, испаритель состоит из корпуса 4, в котором находится трубный пучок 7 с «плавающей головкой» 6. Внутри корпуса установлена сливная пластина 5. Трубный пучок одной стороной соединен с распределительной камерой 8, имеющей внутри сплошную горизонтальную перегородку. Камера имеет два штуцера для входа и выхода теплоносителя (пар или горячий нефтепродукт). Корпус имеет три штуцера: один — для входа нагреваемого углеводородного продукта, второй — для выхода отпаренного нефтепродукта после сливной перегородки и третий — для выхода паров и направления их в ректификационную колонну. Уровень продукта в испарителе поддерживается за счет сливной перегородки 5, так что при нормальной работе пучок 7 полностью покрыт отпариваемым нефтепродуктом. По трубному пучку направляют теплоноситель (насыщенный пар или горячий нефтепродукт). Отдав свое тепло нагреваемой среде, теплоноситель выходит из пучка через другой штуцер.

Кожухотрубчатые теплообменники. Кожухотрубчатые теплообменники — наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. По ГОСТ 9929 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН — с неподвижными трубными решетками; ТК — с температурным компенсатором на кожухе; ТП — с плавающей головкой; ТУ — с U-образными трубами; ТПК — с плавающей головкой и компенсатором на ней (рис. 2.19).

В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.

К достоинствам кожухотрубчатых теплообменников относятся их компактность и небольшой удельный расход металла (от 15 до 50 кг/м², в зависимости от размеров поверхности).

Теплообменники типа ТН. Кожухотрубчатый аппарат с неподвижной трубной решеткой(типа ТН) представлен на рис. 2.20.

Такие аппараты имеют цилиндрический кожух 1, в котором расположен трубный пучок 2; трубные решетки 3 с развальцованными трубками крепятся к корпусу аппарата. С обоих концов теплообменный аппарат закрыт крышками 4. Аппарат оборудован штуцерами 5 для теплообменивающихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство.

Теплообменники этой группы изготовляют на условное давление 0,6…4,0 МПа, диаметром 159…1200 мм, с поверхностью теплообмена до 960 м²; длина их до 10 м, масса до 20 т. Теплообменники этого типа применяют до температуры 350°С.

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки с корпусом. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках размещают так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха.

Двухходовой горизонтальный теплообменник типа ТН (рис. 2.23) состоит из цилиндрического сварного кожуха 5, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1, 12) и межтрубного (штуцера 2, 10) пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.

Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 — круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.

Однако им присущи два крупных недостатка. Во-первых, очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрессивной, т. е. когда нет необходимости в чистке.

Во-вторых, существенное различие между температурами трубок и кожуха в этих аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом, что обусловливает возникновение температурных напряжений в трубной решетке 5, нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство не более 50°C и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Теплообменники типа ТК

Теплообменные аппараты с температурным компенсатором типа ТК (рис. 2.24) имеют неподвижные трубные решетки и снабжены специальными гибкими элементами для компенсации различия в удлинении кожуха и труб, возникающего вследствие различия их температур.

Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК отличается от теплообменника типа ТН наличием вваренного между двумя частями кожуха 1 линзового компенсатора 2 и обтекателя 3 (рис. 2.25).

Обтекатель уменьшает гидравлическое сопротивление межтрубного пространства такого аппарата; обтекатель приваривают к кожуху со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство.

Наиболее часто в аппаратах типа ТК используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы), изготовляемые обкаткой из коротких цилиндрических обечаек. Линзовый элемент, показанный на рисунке 2.25б, сварен из двух полулинз, полученных из листа штамповкой. Компенсирующая способность линзового компенсатора примерно пропорциональна числу линзовых элементов в нем, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется, так как резко снижается сопротивление кожуха изгибу. Для увеличения компенсирующей способности линзового компенсатора он может быть при сборке кожуха предварительно сжат(если предназначен для работы на растяжение) или растянут (при работе на сжатие).

Теплообменник типа «труба в трубе». Теплообменные аппараты «труба в трубе» используют главным образом для охлаждения или нагревания в системе жидкость-жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния. Иногда такие теплообменники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др.

Эти теплообменники представляют собой пучок концентрических труб. Оба конца наружных труб ввальцованы в трубные решетки.

Один конец внутренних труб также вальцован в решетку, а другой соединен калачами. Диаметр труб может достигать 150 мм. Для интенсификации теплопередачи (путем увеличения поверхности) применяют стальные трубки с накатанными ребрами (рис. 24). Благодаря им коэффициент теплопередачи увеличивается на 50—80%.

Теплообменники «труба в трубе» выпускаются с поверхностью одного пучка от 15 до 50 м² в случае гладких труб и от 65 до 220 м² в случае оребренных.

По сравнению с кожухотрубчатыми теплообменники «труба в трубе» имеют меньшее гидравлическое сопротивление межтрубного пространства. Однако при равных теплообменных характеристиках они менее компактны и более металлоемки, чем кожухотрубчатые.

Конденсаторы-xoлодильники воздушного охлаждения. По конструкции водяные конденсаторы-холодильники кожухотрубчатого типа ничем не отличаются от теплообменников. Несмотря на свою эффективность, они, тем не менее, обладают серьезным недостатком: требуют значительного количества воды. С 70-х годов XX-го столетия началось массовое использование конденсаторов-холодильников воздушного охлаждения. Их применение позволило решить указанные проблемы, кроме того, резко снизить затраты, связанные с очисткой поверхностей трубок. Аппараты воздушного охлаждения (АВО) оборудованы плоскими трубными пучками, по которым проходит конденсируемый и охлаждаемый поток нефтепродукта. Через этот пучок перпендикулярно направляют поток воздуха, нагнетаемый вентилятором. Для компенсации низкого коэффициента теплопередачи со стороны воздуха применяют оребрение труб алюминиевыми (или из его сплавов) пластинами, трубки с которыми насаживают на стальную трубу методом горячей посадки. В результате увеличивается поверхность охлаждения и, несмотря на низкий коэффициент теплопередачи (42-210 кДж/м²∙ч∙°С, в зависимости от скорости потока воздуха), за счет оребрения достигается хороший теплосъем и охлаждение продуктов. Иногда с этой целью применяют увлажнение подаваемого воздуха (в летний период) распылением воды в пространство диффузора через специальные распылители. В зимний период, во избежание сильного переохлаждения продукта, вентиляторы могут быть выключены из работы. В последнее время, в целях рационального расхода электроэнергии, процесс охлаждения производят с использованием вентиляторов с регулируемым числом оборотов двигателя, изменением угла наклона лопастей и регулированием распределения количества пропускаемого через секции воздуха автоматическим перекрытием или открытием жалюзей. Особое внимание следует обращать на то, чтобы в процессе монтажа секций они были бы плотно состыкованы друге другом, без каких-либо щелей и зазоров между ними и опорной рамой. В противном случае часть воздуха будет идти мимо, и эффективность применения АВО снизится. АВО изготавливают по стандартам, в которых предусмотрены большие диапазоны величины поверхности, степени оребрения и конструкционного материала, используемого для их изготовления (стань различных марок, латунь, алюминиевые сплавы, биметаллы). АВО подразделяют на следующие типы:

горизонтальные — АВГ

зигзагообразные — АВЗ

для вязких продуктов — АВГ-В

для высоковязких продуктов — АВГ-ВВ.

Размещение пучков оребренных труб зигзагообразно позволяет иметь большую поверхность теплообмена, чем при горизонтальном расположении секций трубного пучка на одной площади.

Трубчатые печи. Трубчатые печи являются огневыми аппаратами, предназначенными для передачи тепла, выделяющегося при сжигании топлива, нагреваемому продукту.

В начальный период развития нефтепереработки нагрев сырья производился в металлических кубах, обогреваемых теплом сжигаемого топлива в топке, расположенной под ними. При этом нагревали большие количества нефти, длительно находящей в зоне нагрева, что приводило к термическому ее разложению. Также имела место повышенная пожароопасность при прогаре стенки куба. Наконец, при большом расходе металла поверхность нагрева оставалась незначительной. В связи с этим в таких аппаратах тепло сжигаемого топлива неэффективно передавалось сырью, что требовало повышенных затрат на нагрев.

Поэтому трубчатые печи явились своего рола техническим новшеством, позволившим кардинальным образом решить вопросы теплопередачи во многих процессах, использующих тепло сжигаемого топлива для нагрева продукта. В настоящее время имеется большая разновидность трубчатых печей, используемых на установках первичной переработки, каталитического крекинга, каталитического риформинга, гидроочистки других процессов.

Трубчатые печи получили широкое распространение благодаря следующим особенностям: их работа основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо глубокий отгон при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева.

Они обладают высокой тепловой эффективностью, достаточно компактны, у них высокий коэффициент полезного действия, они могут обеспечивать большую тепловую мощность.

Нагрев сырья или какого-либо продукта в трубчатых печах происходит практически без заметного термического разложения вследствие малого времени пребывания нагреваемого продукта в зоне повышенных температур.

Печи удобны в эксплуатации и позволяют применить автоматизацию для управления режимом горения топлива.

Теплообмен в трубчатой печи. На рис. 4.17 изображен поперечный разрез печи шатрового типа.

Она имеет две топочные камеры (радиантные камеры, отделенные друг от друга перевальными стенками). В радиантных камерах сжигается топливо. По стенкам камер размешены трубы в виде потолочных (1) и подовых (10) экранов. Здесь тепло сжигаемого топлива перелается трубам за счет радиации от факела, образующегося при сжигании топлива. Между перевальными стенками находится камера конвекции, и которой тепло передается продукту, находящемуся в трубах, непосредственным соприкосновением дымовых газов (конвекцией). Передача тепла в камере конвекции тем эффективней, чем выше скорость дымовых газов в ней и чем больше поверхность труб конвекционного пучка. Сырье в печи вначале направляется в конвекционную камеру, а затем — камеру радиации. Основная доля тепла нагреваемому сырью или продукту передается в камере радиации (70-80%), на долю конвекционной камеры приходится 20-25%.

В топочные камеры печи (см. рис. 4.17) с помощью форсунок подают распыленное топливо, а также необходимый для горения нагретый или холодный воздух. Топливо интенсивно перемешивается с воздухом, что обеспечивает его эффективное горение. Соприкосновение факела горения с поверхностью перевальных стен обусловливает повышение ее температуры, при этом излучение происходит не только от факела, но и от этих раскаленных стен. Тепло, выделенное при сгорании топлива, расходуется на повышенные температуры дымовых газов и частиц горящего топлива, последние раскаляются и образуют светящийся факел. Температура, размер и конфигурация факела зависят от многих факторов, в частности, от температуры и количества воздуха, подаваемого для горения топлива, способа подвода воздуха, расхода форсуночного пара, теплотворной способности топлива, размеров гоночных камер и степени их экранирования. Чем более нагрет воздух, подаваемый для сжигания, тем выше температура факела, скорость горения и короче размеры факела.

Размеры факела зависят и от расхода воздуха, подаваемого для сжигания топлива. Чем больше воздуха (до известного предела), тем короче факел. При недостаточном количестве воздуха факел становится растянутым, топливо полностью не сгорает, что приводит к потере тепла. При чрезмерной подаче воздуха увеличиваются потери тепла с дымовыми газами и усиливается окисление (окалинообразование) поверхности нагрева (труб).

Радиантные трубы воспринимают тепло не только излучением, но и от соприкосновения дымовых газов с поверхностью труб, имеющих более низкую температуру (теплопередача свободной конвекцией). Из всего количества тепла, воспринятого радиантными трубами, 85-90% передается излучением, остальное конвекцией.

Охлажденные в топочной камере дымовые газы поступают в камеру конвекции, где происходит их прямое соприкосновение с более холодной поверхностью конвекционных труб.

Основным фактором, влияющим на эффективность передачи тепла конвекцией, является скорость движения дымовых газов. Поэтому при проектировании печи стремятся обеспечить ее максимальное значение, однако, это увеличивает сопротивление потоку газов, что и ограничивает выбор величины скорости. На теплопередачу в конвекционной камере влияет также расположение труб. При расположении труб в шахматном порядке эффективность теплопередачи выше, чем при их коридорном расположении. На эффективность передачи тепла влияет и диаметр труб: чем он меньше, тем эффективнее теплопередача. Но при этом возникает дополнительное сопротивление при движении сырья по змеевику, а следовательно, повышенному давлению подвергается и вся аппаратура и трубопроводы до печи. С целью исключения повышения давления при выборе труб меньшего диаметра, движение сырья в печи осуществляют несколькими параллельными потоками. Для повышения эффективности теплопередачи применяют наружное оребрение труб, что увеличивает их поверхность. Передача тепла конвекцией зависит и от температурного напора, то есть от разности температур между дымовыми газами и нагреваемым сырьем, которая убывает в направлении движения дымовых газов, так как температура дымовых газов снижается на большую величину, чем при этом повышается температура сырья. При повышении температуры сырья на один градус дымовые газы охлаждаются на 5-7^оС.

Конвекционные трубы, расположенные в первых рядах конвекционной камеры по ходу дымовых газов, получают больше тепла как за счет конвекции, так и излучения, поэтому их теплонапряженность иногда может быть выше теплонапряженности радиантных труб.

Основные показатели работы трубчатых печей. К этим показателям относятся :

1. Полезная тепловая нагрузка печи.

2. Теплонапряженность поверхности нагрева и топочного пространства.

3. Коэффициент полезного действия печи.