Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии
Природный газ, нефть и каменный уголь – основной источник углеводородов.
Природный газ широко используют как дешевое топливо с высокой теплотворной способностью. Это один из лучших видов топлива для бытовых и промышленных нужд.
Природный газ служит ценным сырьем для химической промышленности.
Особенностью развития мирового топливно–энергитического комплекса в настоящее время является увеличение в его структуре доли природного газа. Природный газ остается самой быстро растущей составляющей в мировом потреблении энергии.
При добыче природного газа помимо газообразной смеси извлекается конденсат, который создает ряд проблем при транспортировании: образовании жидкостных пробок, что приводит к повышению коррозии оборудования и магистральных трубопроводов, а иногда и к разрушениям из-за гидравлических ударов. В то же время конденсат является высокомпонентным веществом, из которого можно получить полезные компоненты, поэтому он также является товарным продуктом.
Газовые конденсаты являются ценнейшим сырьём нефтехимического синтеза и широко используются для производства моторных топлив. Высокая эффективность использования газовых конденсатов в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности длительное время стимулирует развитие их добычи в США, Канаде и других странах. В России газовый конденсат перерабатывается в основном совместно с нефтью на нефтеперерабатывающих заводах, что не позволяет полностью использовать его специфические особенности.[1]
Газовые конденсаты разных месторождений существенно отличаются по составу, поэтому представляет значительный интерес изучение состава и свойств Сеноманского конденсата Уренгойского месторождения Западной Сибири, поскольку этот конденсат обладает уникальным углеводородным составом, содержание нафтеновых углеводородов достигает 90 и более процентов. О высокой ценности этого конденсата как промышленного сырья говорят так же данные о низком содержании серы и смол, а парафин практически отсутствует. Поэтому его использование для получения нафтеновых кислот позволит расширить сырьевые ресурсы и объем производства.
Кроме того, из–за с высокого содержания нафтеновых углеводородов они имеют низкую температуру застывания. Поэтому газовые конденсаты Западной Сибири являются прекрасным нефтехимическим сырьем для производства моторных топлив. Такое уникальное по качеству углеводородное сырье требует более подробного исследования его состава, совершенствования технологии и аппаратурного оформления, направленных на повышение качества получаемых продуктов, разработки технологий, позволяющих производить новые товарные продукты.
В последнее время рынок потребления природного газа претерпел существенные изменения. Все больше потребителей предпочитают покупать сжиженный природный газ (СПГ), причем как поставщики, так и потребители имеют свои стандарты, которым должно соответствовать отпускаемое сырье. Транспортируемый по газопроводам природный газ отличается по своим характеристикам от СПГ. Все эти проблемы можно условно разделить следующим образом.
1. Проблемы технологии. При переработке природного газа месторождений ставятся следующие цели:
• очистка от вредных примесей: СО2, H2S и меркаптанов (слабые по агрессивности кислоты), вызывающих коррозию оборудования;
• отделение тяжелых фракций, затрудняющих перекачку природного газа по газопроводам;
• отделение веществ, отрицательно влияющих на энергетические показатели сырья.
Удаление кислотных примесей происходит в аминовых установках, использующих прямое химическое поглощение (ощелачивание) природного газа. Переработка сырья с большим содержанием меркаптанов требует особых технологий.
Отделение тяжелых углеводородов не только предотвращает образование жидкой фазы в газопроводах, но и выделяет важные для промышленности газы – пропан–бутан, которые широко используются для автотранспорта, в быту и для промышленных предприятий. Потребителю поступает сжиженный углеводородный газ (СУГ).
Эти проблемы являются актуальными как для поставщика, так и для потребителя и их решение не вызывает разногласий между участниками рынка. В то же время требования по теплотворной способности газа в разных странах отличаются, что требует не только согласования на уровне договорных актов, но и возможной перестройки технологических процессов подготовки сырья к реализации.
2. Способ транспортировки природного газа обуславливает не только различную технологическую подготовку природного газа, но и решение вопросов с транспортом (строительство, аренду или покупку газовозов, производство изотермических цистерн и т.д.). Однако решение этих вопросов сулит выгодные контракты и расширение числа участников производства и продажи СПГ в регионах мира.
3. Как правило, магистральные газопроводы, по которым перекачиваются природные газы, имеют протяженность несколько тысяч километров. Трансфер газа осуществляется через несколько суверенных государств, что означает возможные экономические и политические проблемы. Договорные отношения не всегда отвечают реалиям рынка, что обусловлено длительными сроками договоров на поставку продукции.
Сегодняшняя заинтересованность в использовании компьютерного анализа основана на двух сопоставимых по значимости факторов. Первый – это собственно потребность в инструментах для создания конкурентоспособных изделий, когда использование традиционных ручных
расчетов (пусть и реализованных посредством вычислительной техники) не гарантирует каких–либо значимых улучшении. Да и использовать традиционные подходы становится весьма затруднительно из–за человеческого фактора: передать наработанные навыки, основанные на многолетней адаптации прикладных узкопрофильных математических моделей к опытным результатам, ничуть не легче, чем освоить универсальные инструменты численного анализа. При этом выбора у конечного потребителя
инженерных кадров, в принципе, в не остается: система высшего инженерного образования также приобрела отчетливый акцент на освоении компьютерного моделирования
вместо систематического изучения конкретных математических методов в совокупности с реальным экспериментом.
Вторая, не менее значимая причина роста популярности программ анализа – наличие предложения в виде относительно доступного по цене и крайне доступного по интерфейсу программного обеспечения в сочетании с приемлемой ценой компьютеров. У организаций, собственно, и не нет альтернативы – старое
воспроизвести затруднительно, а новое
уже, вроде как, стало общепринятым – отсутствие в арсенале фирмы того или иного расчетного пакета не считается признаком хорошего тона. Провокационную, в определенном смысле, роль играют и исполнители – иногда они настроены на привлечение все более сложных универсальных
инструментов без адекватного не то чтобы понимания, а даже представления о том, как этот комплекс математики, алгоритмов, данных функционирует. Как показывает практика, подавляющая часть вопросов, возникающих у пользователя, не связана с собственно методологией, а особую озабоченность вызывают разного рода интерфейсные проблемы, стремление быть на передовых рубежах
по части поддержки/отсутствия таковой разнообразных операционных систем, специализированного аппаратного обеспечения, экзотических аппаратных средств, других моментов, отвлекающих от конечного результата. В первую очередь этими результатами должны быть адекватные модели реальных объектов и процессов.[2]
Целью работы являлась разработка научных принципов совершенствования (модернизации) существующих технологий и специализированного оборудования, повышения качества выпускаемой продукции, создание технологий для производства новых видов готовой продукции. Для получения результата осуществлялось:
• исследование состава и физико–химических свойств исходного сырья и его фракций как одного из важнейших факторов, влияющих на технологический процесс и на качество получаемых продуктов;
• математическое моделирование проводимых процессов разделения углеводородных смесей в промышленных установках, разработка технических решений по повышению эффективности работы;
• совершенствование технологических процессов и аппаратурного оформления, разработка рекомендаций по оптимизации параметров процессов и на этой основе улучшение качества товарных продуктов, расширение их ассортимента;
• на основе подробного изучения состава и свойств Сеноманских конденсатов разработка технологии производства нафтеновых кислот;
• получение солей различных металлов и испытание их как товарных продуктов.
В 1993 году запущенна в эксплуатацию на Сургутский завод по стабилизации конденсата им. В.С. Черномырдина (Сургутском ЗСК) установка моторных топлив (УМТ). Она обеспечила потребности региона в дизельном топливе и прямогонной бензиновой фракции. Однако в процессе строительства был выдвинут вопрос об изменении ассортимента продуктов, выпускаемых установкой. Кроме этого УМТ работает на загрузках, значительно ниже проектных, что приводит к невысокому качеству разделения углеводородного сырья. Выводы сделанные после проведенных анализа и расчетов работы установки указывают на необходимость реконструкции колонного оборудования.
Рассмотрим технические решения по модернизации испарителя И–1, основной колонны К–1 и дополнительной колонны К-3.[3]
Согласно, первоначальному проекту установка ЛKC–35–64 (рис. 1), входящая в состав комплекса производства моторных топлив, предназначена для переработки смеси деэтанизированного стабильного газового конденсата и нефти Уренгойского месторождения в соотношении 9:1 с получением компонента автобензина А–76, топлива ТС–1, широкофракционного дизельного топлива, котельного топлива.[4]
Рис. 1 – Принципиальная технологическая схема установки моторных топлив
Установка представляет собой сложный комплекс, в составе которого имеются три основные секции: секция 100 (установка каталитического риформинга фр. 70–140), секция 200 (установка гидроочистки и депарафинизации дизельного топлива фр. 240–340), секция 300 (установка гидроочистки авиакеросина фр. 140–240). Сырьевую базу установок, входящих в комплекс ЛKC–35–64 должна обеспечивать УМТ, однако в ее работе отмечен ряд серьезных недостатков.
Сырьем УМТ является стабильный конденсат, который характеризуется высоким содержанием парафиновых углеводородов. При выпуске дизельного топлива постоянно приходится идти на копромисс между фракционным составом и вязкостью с одной стороны и низкотемпературными характеристиками с другой. Поэтому для поддержания температуры помутнения на уровне требований ТУ получаемое дизельное топливо на УМТ характеризуется невысокой вязкостью и облегченным фракционным составом и соответсвенно заниженным отбором от потенциала.
Типовые схемы установок первичной перегонки нефти, как правило, предусматривают возможность получения авиакеросина той или иной марки. В этом плане установка моторных топлив не является исключением.
При описании работы УМТ необходимо отметить тот факт, что в кубе продукта К–1 содержится более 40% светлых углеводородов.
Проблемой работы УМТ являлось еще и то, что проектом предусматривалась загрузка сырьем на уровне 795 м3/ч, а реально составляла 320–400 м3/ч, кроме этого сырье имеет значительно более легкий фракционный состав, по сравнению с проектом.
Как уже было отмечено выше, УМТ не обеспечивает получения топлив необходимого качества, а также не может обеспечивать сырьем строящийся комплекс ЛКС–35–64, т.к. на УМТ не предусмотрен отбор фракций, которые предполагается использовать в качестве сырья этого комплекса.
Анализ работы колонных аппаратов УМТ позволил сделать ряд выводов.
Облегченный состав продуктов атмосферной колонны К–1, налегание выводимых фракций, высокое содержание легких фракций в остатке атмосферной перегонки свидетельствуют о низкой разделительной способности испарителя И–1, и о невысокой эффективности контактных устройств колонн К–1 и К–3.
Таким образом для устранения указанных недостатков было решено произвести реконструкцию колонных аппаратов УМТ.
Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования процессов разделения углеводородных смесей: секционная модель структуры потоков жидкой и паровой фаз на промышленных клапанных тарелках и метод потарелочного расчета массообменных колонн. Причем, при использовании секционной модели получено выражение для расчета профиля концентраций с учетом неравномерности распределения фаз, вызванного градиентом уровня жидкости.
Результатом модернизации установки является получение новых фракций.[2],[5]
Для решения поставленных задач были рассмотрены несколько вариантов реконструкции колонны К–1.
Так в работе был предложен вариант замены клапанных балластных двухпоточных тарелок в колонне К–1 (в средней части) на новую насадку оригинальной конструкции.
Реализация предложенных предложений позволит увеличить выход дизельной фракции на 14 м3/ч за счет увеличения разделительной способности модернизированной колонны и технологической схемы установки получения моторных топлив.
Предложенный вариант реконструкции УМТ позволяет отчасти решить проблемы связанные с наличием неэффективных контактных устройств в колонне К–1, однако оставляет незатронутой проблему разделения углеводородного сырья в испарителе И–1 и получения сырья необходимого фракционного состава для установки ЛКС–35–64. Для решения проблемы разделения сырья в испарителе И–1 и совершенствования работы атмосферной колонны К–1 с учетом получения сырья для ЛКС–35–64 был предложен следующий вариант реконструкции.
В результате выполненных гидравлических и технологических расчетов работы технологической схемы УМТ (испаритель И–1, колонны К–1 и К–3) установлено, что необходима модернизация испарителя И–1, контактных устройств в колонне К–1 и изменения в технологической схеме.
Работа И–1 без наличия контактных устройств и дополнительного орошения малоэффективна и не обеспечит требуемое качество разделения сырья на фракции. Повышение эффективности работы испарителя И–1 предлагается путем организации ниже штуцеров ввода сырья секции с насадочными элементами с высотой слоя ~ 1 метр. Общий объем насадки будет составлять ~ 12 м . Насадка металлическая с большим свободным объемом. В верхней части испарителя, где паровая нагрузка выше, целесообразно установить клапанные тарелки количестве 6 штук. Для орошения используется верхний продукт колонны с температурой 85–95°С из К–1.
Преимуществом данного варианта модернизации является увеличение числа теоретических тарелок, работа при повышенных нагрузках, а также возможность работы низа испарителя в затопленном режиме.
Модернизация заключается в организации двухступенчатого подъема клапанов и в снижении байпасных потоков за счет установки дополнительных небольших перегородок. В результате чего - обеспечивается равномерная работа клапанных тарелок в заданном интервале нагрузок на УМТ.
Одним из недостатков в конструкции клапанных тарелок в колонне К–1, является рядное расположение клапанов на полотне. Между полотнами имеется расстояние в ~ 80 мм, где не происходит процесс барботажа, т.е. часть жидкости идет байпасом (без контакта с паром). Для устранения этого нежелательного явления предложено установить по 2–3 перегородки треугольной формы между рядами клапанов. Треугольные перегородки, не создавая дополнительного большого сопротивления, будут направлять жидкость в зону барботажа, что обеспечит повышение эффективности разделения и равномерность распределения фаз.
Кроме реконструкции колонных аппаратов предложена модернизация технологической схемы установки моторных топлив.
Реконструкция К–1 заключается в замене клапанных тарелок (с 1 по 8) на новые и в организации в нижней части насадочного слоя (тарелки с 43 по 47 удаляются).
Для удаления более тяжелых фракций в верхних продуктах колонн К–1 и К–3 используются воздушные холодильники в качестве парциальных дефлегматоров.
Фракция 70–140°С отбирается с 11–13 тарелок колонны К–3, для этого устанавливается глухая тарелка.
Фракции 140–240°С – из низа К–2/1 и из куба К–3.
Фракции 180–340°С – из низа К–2/2.
Тяжелый остаток (>340°С) – из куба К–1.
На рис. 2 представлен материальный баланс УМТ после предлагаемой модернизации.
Рис. 2 – Выход фракций на УМТ после предполагаемой модернизации
(анимация: 5 кадров, 5 циклов повторения, 137 килобайт)
Установленные в колонне К–3 (рис.3) балластные тарелки с пластинчатыми клапанами имеют существенные недостатки:
– неравномерность подъема клапанов и, как следствие, наличие байпаса по паровой фазе;
– значительная длина клапана и неудачное размещение балласта по отношению к клапану приводит к их выбиванию из отверстий тарелок.
Следствием неудовлетворительной работы контактных устройств К–3 является низкая эффективность тарелок по пару, по этому рассмотрен вариант модернизации колонны К–3 путем замены тарелок на новые контактные устройства.
Рис. 3 – Колонна ректификационная К–3
Было рассмотрено два режима работы УМТ:
• орошение И–1 (при номинальной нагрузке) 59256,0 кг/ч и температура смеси из П–1 160°С;
• орошение И–1 (при номинальной нагрузке) 25000 кг/ч и температура смеси из П–1 165°С.
Уменьшение орошения в И–1 до 25 т/ч (при загрузке на УМТ 420м3/ч) и увеличение температуры сырья из П–1 до 165°С позволят снизить тепловую нагрузку печи П–2.
Замена контактных устройств колонны К–3 на клапанные прямоточные тарелки с круглыми клапанами и модернизация существующей технологической схемы УМТ позволяет эксплуатировать К–3 в следующих режимах:
1. Отбор фракции 70–140°С с 12 тарелки, фракции НК–70°С с верха, фракции 140–180°С с 26 тарелки и фракции 140–240°С из куба колонны.
2. Отбор фракции 85– 160°С с 26 тарелки, фракции НК–70°С с верха и фракции >140°С из куба колонны.
3. При отсутствии потока из емкости Е–13 фракцию 85–160°С можно получать из куба К–3. Конец кипения этой фракции зависит от работы колонны И–1.
На рис. 4 представлена модернизированная технологическая схема УМТ с возможностью одновременного отбора продуктов разделения с 12 (или 14) и 26 тарелок.
К верхнему продукту К–3 предъявляются повышенные требования по качеству фракции.
Модернизированная колонна К–3 позволила получать на ней без дополнительной реконструкции следующие продукты:
• верхний продукт НК – 90°С (сырье изомеризации);
• фракция 50–100°С – боковой отбор с 12 или 14 тарелки;
• фракция 85–160°С – боковой отбор с 26 тарелки (сырье секции 100 ЛКС);
• фракция 140–240°С – кубовый продукт К–3.[6-9]
Рис. 4 – Модернизированная технологическая схема установки моторных топлив
Таким образом можно сделать вывод, что анализ конструкции, а также результаты компьютерного моделирования процесса позволили выявить ряд существенных недостатков и обосновать направления дальнейших исследований и разработок.
Известная конструкция установки получения моторных топлив имеет низкую эффективность сепарации, из–за неэффективных контактных устройств в колонне.
Повышение эффективности сепарации достигнуто изменением контактных устройств в колонне.
На данный момент магистерская работа находится в стадии написания. Окончательное завершение: июль 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Академия, 1999. – 448 с.