АТМОСФЕРНО-ВАКУУМНАЯ УСТАНОВКА ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ФРАКЦИЙ ИЗ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ Российский патент 2003 года по МПК C10G7/00 B01D3/00 

Малотоннажная атмосферно-вакуумная установка получения топливных фракций из углеводородного сырья (нефть и газовый конденсат) относится к нефтепереработке, рассчитана на покрытие потребностей в топливе в местах добычи и транспортировки углеводородного сырья.

Известны разнообразные малотоннажные установки, разработанные за рубежом и в России, используемые на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) [1, 2].

Малотоннажные установки разрабатываются для переработки сырья в отдаленных районах страны из местных законсервированных месторождений. Так, например, Европейский и Сибирский Север, Дальний Восток имеют значительные ресурсы нефти и газа, сосредоточенные на месторождениях с незначительными запасами, малым дебетом, а также в месторождениях, значительных по запасам, но не подлежащих централизованному освоению в обозримом будущем. Указанные месторождения оборудованы законсервированными разведочными скважинами, стоимость которых в 1985 г. составила 0,5 млрд. руб., а в 1990 г. достигла 2 млрд. руб. (цены 1985 г.).

Необходимо подчеркнуть, что количество законсервированных месторождений с каждым годом значительно возрастает, т.к. доля нерентабельных в общем количестве открытых и разбуренных месторождений увеличивается, например из каждых пяти открытых в 1988 году месторождений нефти четыре являются нерентабельными.

Известные малотоннажные установки с применением ректификационных колонн, создающих необоснованный запас качества по четкости разделения для широко-фракционного топлива, усложняют аппаратурное оформление установки, повышают энергоемкость процесса, металлоемкость и стоимость оборудования и в значительной мере усложняют эксплуатацию. Применение огневого нагрева углеводородного сырья в трубчатых печах снижает надежность, увеличивая пожароопасность.

Известна атмосферно-трубчатая установка двукратного испарения [1].

На установке с двукратным испарением нагретая в теплообменниках нефть подается в так называемую отбензинивающую колонну. В эвапорационном пространстве этой колонны происходит испарение нефти. Поскольку нефть нагрета только до 200-240^oС, количество образующихся паров невелико и в них в основном содержатся бензиновые фракции. На ректификационных тарелках концентрационной части бензин отделяется от более тяжелых фракций и в виде паров уходит из колонны. Вместе с парами бензина удаляются газы и водяные пары, поступившие на установку первичной перегонки с нефтью.

Известны схемы с однократным испарением, достоинством которых является то, что легкие и тяжелые фракции испаряются совместно. Это способствует более глубокому отделению тяжелых компонентов при относительно низких температурах подогрева нефти (200-240^oС). Установки однократного испарения компактны, имеют малую протяженность трубопроводов, требуют меньше топлива, чем другие установки [1].

При двукратном испарении газы, водяные пары и значительная часть бензина удаляются из нефти до ее поступления в печь. Это обстоятельство облегчает условия работы как печи, так и основной ректификационной колонны и является главным преимуществом схемы с двукратным испарением. Схема с двукратным испарением особенно удобна в тех случаях, когда часто происходит изменение типа перерабатываемой нефти.

Вместе с тем, чтобы достичь такой же глубины отбора дистиллятов, как при однократном испарении, нефть на установках двукратного испарения приходится нагревать до более высокой температуры (360-370^oС). На установке с двукратным испарением удваивается число ректификационных колонн, сырьевых насосов, растут размеры конденсационной аппаратуры.

Учитывая высокую стоимость и сложность эксплуатации малотоннажных установок для получения моторного топлива, выполненных по технологической схеме крупнотоннажных НПЗ [2] , в настоящее время разрабатываются нетрадиционные технологические решения перегонки углеводородного сырья на малотоннажных установках. Так, например, в США такие установки применяются для производства дизельного и газотурбинного топлива для покрытия потребности в топливе привода насосов магистральных нефтепроводов из перекачиваемой нефти.

"Обычно НПЗ малой мощности имеют высокую капитальную стоимость, и их эксплуатация обходится дорого. Такие НПЗ используют для производства дизельного и газотурбинного топлива из нефти, перекачиваемой по трубопроводу. Как правило, такие НПЗ применяют ту же схему перегонки нефти, как и крупнотоннажные, и уже само по себе использование ректификационной колонны делает такой завод неэкономичным.

На двух установках в штате Луизиана успешно проверены многоступенчатые испарители нефти с подводом тепла от циркулирующего жидкого теплоносителя; третья такая установка будет построена в штате Техас. Мощность каждой установки - 100000 тонн в год, но может быть доведена и до 500000 тонн в год" [4].

При крупнотоннажном производстве широкого ассортимента нефтепродуктов на нефтеперерабатывающих заводах в ректификационных колоннах нефть разделяют на узкие фракции, которые используются как прямогонные компоненты моторного топлива при компаудировании, а также используются в качестве сырья для получения высокооктановых компонентов в процессе изомеризации, риформинга и в нефтехимии. Указанные узкие фракции с температурным интервалом выкипания 25-35^oС требуют высокой четкости разделения.

Малотоннажное производство, целью которого является получение бензиновой и дизельной фракций широкофракционного состава, а в остатке котельно-печного топлива - не требует четкости разделения, обеспечиваемое ректификацией.

Химмотологические исследования совместимости топлива и двигателей показали целесообразность расширения фракционного состава дизельного топлива в широких пределах без ухудшения работоспособности двигателя, т.е. расширить его ресурсы за счет использования тяжелой фракции прямогонного бензина (130-180^oС) и повышения температуры выкипания 90% дизельного топлива до 360^oС. По ТУ 51-125-86 начало кипения газоконденсатного широкофракционного летнего топлива для быстроходных двигателей (ГШЛ) принято 90^oС при 160-180^oС для стандартного топлива. Стандартными показателями фракционного состава моторных топлив, определяющими его эксплуатационные характеристики, являются температуры выкипания 10%, 50% и 90%, которые обеспечивают пусковые характеристики, приемистость двигателя при изменении режима работы и полноту испарения топлива. При этом нормируются предельные значения температуры, фактические же значения температуры должны быть не выше или не ниже предельных. Температурный интервал начала кипения и конца кипения бензина 145^oС (н. к. 35^oС - к. к. 180^oС), дизельного топлива 200^oС (н.к. 160^oС - к.к. 360^oС).

Наиболее близким по назначению и технической сущности является "Способ получения стабильной широкой фракции легких углеводородов из нефтегазового конденсата" (патент RU 2091432). В этом патенте описана установка получения тяжелых и легких фракций из углеводородного сырья с трубопроводом парожидкостной смеси, соединенный с центробежным фазовым разделителем в виде гидроциклона, в котором развивается большая угловая скорость вращения продукта и происходит перераспределение тяжелых фракций к стенке, а легких к центру гидроциклона. Легкую фракцию в провой фазе отводят через верх, охлаждают в рекуперативном теплообменнике и в сконденсированном виде сливают в емкость-накопитель готового продукта. Тяжелую фракцию охлаждают в рекуперативном теплообменнике и отводят в отдельную емкость. Установка снабжена инжектором для отсасывания паров из емкости-накопителя и может содержать несколько ступеней разделения. В известной установке за счет использования высокой скорости потока при умеренном нагреве сырья резко снижается металлоемкость и габариты технологического оборудования, а создание интенсивных центробежных сил снижает потребление тепловой энергии в процессе по сравнению со схемами с колонными аппаратами. Недостатком рассматриваемого способа является то, что он не обеспечивает получения товарных топлив: прямогонного бензина с октановым числом 64-70, компонента автомобильного бензина, товарного газоконденсатного широкофракционного топлива для быстроходных дизелей и котельно-печного топлива (остаток) для котельных установок.

Целью предлагаемого технического решения является создание малотоннажной атмосферно-вакуумной установки перегонки углеводородного сырья на топливные фракции с минимальным количеством оборудования, надежного и безопасного в работе, простого в эксплуатации.

Эта цель достигается за счет того, что атмосферно-вакуумная установка получения топливных фракций из углеводородного сырья, содержит атмосферный блок отбензинивания сырья, включающий высокотемпературный нагреватель сырья с рекуперативными теплообменниками-конденсаторами и с трубопроводом парожидкостной смеси, соединенным с центробежным фазовым разделителем с трубопроводом, отводящим паровую фазу через высокотемпературный нагреватель, и с трубопроводом, отводящим жидкую фазу через высокотемпературный нагреватель. Трубопровод, отводящий паровую фазу из центробежного фазового разделителя, и трубопровод, отводящий жидкую фазу из центробежного фазового разделителя, соединены с испарителем атмосферного блока, соединенным по низкокипящей отбираемой фракции с конденсатором и отводящим трубопроводом жидкой фазы с высокотемпературным нагревателем сырья вакуумного блока разделения, включающего центробежный фазовый разделитель вакуумного блока, соединенный отводящими трубопроводами паровой и жидкой фаз через высокотемпературные нагреватели с вакуумным испарителем, соединенным отводящим паровую фазу трубопроводом с конденсатором и вакуумсоздающим устройством в виде струйных насосов, рабочим телом которых является отбираемая вакуумным насосом фракция. Центробежный фазовый разделитель имеет установленные в корпусе криволинейные поверхности испарения и снабжен секционным вводом парожидкостной смеси на криволинейные поверхности испарения, испаритель снабжен распылителем жидкой фазы в паровом объеме, барботером для ввода перегретых паров, разделительной перегородкой, образующей отсек дополнительной отпарки с отводящим жидкость патрубком, соединенный с основным отсеком испарителя пароструйным насосом.

На фиг. 1 представлена схема атмосферно-вакуумной установка получения топливных фракций из углеводородного сырья, на фиг.2 - центробежный фазовый разделитель, на фиг.3 - разрез А-А фиг.2.

Установка включает следующие аппараты, общие для атмосферного и вакуумного блоков: рекуперативные теплообменники подогрева сырья 1, выполняющие функции конденсаторов паров бензиновой и дизельной фракций, высокотемпературные подогреватели сырья и отбензиненного остатка 3, перегреватели паров отбираемых фракций 4, центробежный фазовый циклонный разделитель 5, контактный испаритель 6, включающий барбатер-распределитель отдувочных паров 8, струйный смеситель 7, распылитель жидкой фазы 9, регуляторы температуры 10 и уровней 11, 12, разделительную перегородку 13, образующую в левой части испарителя отсек дополнительной отпарки отбираемого остатка от бензиновой фракции. С основным отсеком испарителя 6 отсек дополнительной отпарки соединен струйным смесителем 7, рабочим телом которого являются перегретые пары бензиновой фракции. Вследствие того, что отбор отбензиненного сырья производится из отсека дополнительной отпарки, отбираемый продукт проходит через струйный смеситель, в котором осуществляется дополнительное смешение жидкой фазы с перегретыми парами бензиновой фракции с последующим разделением на фракции на выходе из струйного смесителя с эффективной отпаркой легких фракций. Насосом 16 отбензиненная нефть подается в вакуумный блок. Вакуумный блок имеет насосно-эжекторную и вакуумосоздающую установку, включающую емкость 15, насос 16, эжекторы 17.

На схеме обозначены потоки: сырье I; бензиновая и дизельная фракции II, соответственно в блоках атмосферном и вакуумном, отбензиненное сырье III; рабочая жидкость вакуумной установки IV, водяной пар V.

Сырье I нагревается в конденсаторах 1, холодильнике остатка 2 и высокотемпературном подогревателе 3 до температуры, обеспечивающей адиабатическое испарение отбираемой фракции, парожидкостная смесь поступает в циклонный фазовый разделитель 5 атмосферного блока. Жидкая фаза под давлением паров однократного испарения через распределитель 9 подается в паровое пространство контактного испарителя 6 в виде мелких капель и струй, где благодаря тепломассообмену с перегретыми парами отбираемой бензиновой фракции жидкость обедняется низкокипящими и обогащается высококипящими компонентами. Для поддержания избыточного давления, исключения проскока паровой фазы с жидкостью в фазовом разделителе регулятором 11 поддерживается постоянный уровень. Паровая фаза из фазового разделителя 5 на 30-50^oС выше температуры жидкой фазы в контактном испарителе, поступает в объем жидкой фазы через барботажный распределитель отдувочных паров 8, для отпарки из жидкости низкокипящих компонентов и конденсации высококипящих компонентов из перегретых паров, контактирующих с ней.

Пары бензиновой фракции выводятся из контактного испарителя 6 атмосферного блока через конденсатор 1, охлаждаемый сырьем, и поступает в емкость сбора прямогонного бензина. Отбензиненное сырье через высокотемпературный нагреватель вакуумного блока, конденсатор 1 непрерывно отводится в фазовый разделитель 5, паровая фаза легкой дизельной фракции через высокотемпературный пароперегреватель 4 поступает в барбатер-распределитель 8 перегретых паров для отпарки жидкой фазы от компонентов дизельной фракции. Жидкая фаза из фазового разделителя в связи с понижением температуры в процессе адиабатического испарения дополнительно нагревается до заданного значения в подогревателе 4' и поступает в испаритель 6.

Отбор дизельной фракции производится под вакуумом 60-80%, создаваемым двухступенчатой эжекторной установкой. Пары конденсируются в рекуперативном теплообменнике-конденсаторе 1 при отборе тепла прокачиваемым через теплообменник сырьем, после дополнительного снижения температуры в аппарате воздушного охлаждения 18 дизельное топливо эжекторами подается в промежуточную емкость 15 и отводится на склад готовой продукции.

В целях сокращения выбросов углеводородов в окружающую среду рабочей жидкостью в эжекторной вакуумосоздающей установке служит отбираемая дизельная фракция.

Глубина отбора низкокипящих углеводородов из жидкой фазы (четкость разделения) повышается длительным многократным тепломассообменом перегретых паров отбираемой низкокипящей фракции с жидкой фазой широкой фракции высококипящих углеводородов в контактном испарителе по аналогии с отпарными колоннами (стриппинги).

Для интенсификации разделения парожидкостной эмульсии нагретой углеводородной жидкости на паровую и жидкую фазы предлагается применить центробежный фазовый разделитель (фиг.2, 3).

Многокомпонентный разделитель парожидкостной смеси состоит из корпуса 19, секционированных коллекторов ввода парожидкостного потока углеводородного сырья 20 со щелевыми соплами 21, распределяющими потоки по криволинейным поверхностям испарения 22 патрубков секционированного ввода сырья 23, штуцеров отвода паровой 24 и жидкой 25 фаз из фазового разделителя. В технологической схеме фазовый разделитель представлен позицией 5.

При работе фазного разделителя, например при подаче предварительно диспергированного нагревом потока парожидкостной смеси на цилиндрическую поверхность испарения 22 с радиусом кривизны 5 см и скорости 10 м/сек создается искусственное поле тяжести, примерно в 200 раз превышающее силу земного тяготения. Под воздействием центробежной силы происходит быстрая коагуляция жидкости с резким уменьшением поверхности разделения фаз, препятствующей обратному поглощению углеводородных компонентов из паровой фазы. Для поддержания оптимальных условий разделения парожидкостного многокомпонентного потока в центробежном поле на криволинейных поверхностях испарения 22 в тонком слое жидкости, растекающейся по указанным поверхностям, необходимо поддерживать постоянную скорость истечения из щелевых сопел 21 поддержанием постоянного давления на входе в секционированные распределительные коллекторы 20, тем самым обеспечивая работу каждого распределительного коллектора в режиме постоянной производительности. Для регулирования производительности установки в целом предусматривается подача сырья через три самостоятельные секционированные вводы 23, производительность каждого составляет 30-35% от номинальной нагрузки установки.

Таким образом, производительность установки может изменяться ступенчато 30-35%; 60-70% и 90-105% от номинальной нагрузки установки при сохранении оптимальных гидродинамических условий работы фазового разделителя, при включении соответственно одного, двух и трех коллекторов 20.

Предлагаемая установка обеспечивают необходимый запас качества по четкости разделения для широкофракционных топлив благодаря сепарации парожидкостного потока в центробежном поле и длительному трехкратному последовательному отпариванию жидкой фазы перегретыми парами отбираемых фракций от низкокипящих компонентов, обеспечивается повышенный выход светлых нефтепродуктов, коррекция температуры вспышки и начала кипения получаемых топливных фракций.

Отпарка остатка происходит в атмосферном и вакуумном блоках:
- при контакте жидкой фазы в виде мелких капель и струй с перегретыми парами в паровом объеме контактного испарителя;
- отдувке жидкой фазы барботирующими через ее объем мелкими струями перегретых паров бензиновой фракции;
- при отпарке жидкости в струйном смесителе.

Основные отличия установки:
- отсутствие в технологической схеме огневых трубчатых печей и ректификационных колонн;
- отсутствие прямого огневого нагрева сырья и низкое рабочее избыточное давление в аппаратах практически исключает аварийные ситуации с возгоранием сырья, разрушением оборудования, что уменьшает экологический риск выброса углеводородов в окружающую среду;
- низкая металлоемкость.

Для получения топливных фракций предлагается использовать унифицированные модули со ступенчатым регулированием производительности. Минимальная и максимальная производительность установки соответственно 50 и 200 тыс. тонн в год.

Источники информации
1. Эрих В. Н. и др. "Химия и технология нефти и газа". Ленинград, "Химия", 1985г.

2. Павлова С. П. и др. "Промысловая переработка газовых конденсатов и получение моторных топлив. Обзорная серия. Подготовка и переработка газового конденсата". Выпуск 3 ВНИИЭГАЗПРОМ, 1982 г.

3. "Способ получения стабильной широкой фракции легких углеводородов из нефтегазового конденсата". Патент RU 2091432.

4. Экспресс-информация "Переработка нефти и нефтехимия". 1980 г. 14. ВНИИЭНЕФТЕХИМ.

Атмосферно-вакуумная установка получения топливных фракций из углеводородного сырья относится к нефтепереработке, получению моторных топлив на малотоннажных установках из местных сырьевых ресурсов для покрытия потребности в нефтепродуктах потребителей прилегающих районов. Целью изобретения является создание эффективной, экологически безопасной, надежной и простой в эксплуатации установки получения топлива из углеводородного сырья благодаря исключению взрывопожароопасного огневого нагрева сырья в трубчатых печах и разделение сырья на топливные фракции в ректификационных колоннах. Новыми техническими решениями, обеспечивающими требуемый запас качества по четкости разделения получаемых топливных фракций, является интенсивное разделение диспергированного нагревом парожидкостного потока на криволинейной поверхности в центробежном поле фазового разделителя, которое многократно превышает земное тяготение; ступенчатое длительное отпаривание жидкой фазы от низкокипящих углеводородов в испарителе перегретыми парами отбираемой фазы в течение 0,5-1,5 ч. 3 ил.

Атмосферно-вакуумная установка получения топливных фракций из углеводородного сырья, содержащая атмосферный блок отбензинивания сырья, включающий высокотемпературный нагреватель сырья с рекуперативными теплообменниками-конденсаторами и с трубопроводом парожидкостной смеси, соединенным с центробежным фазовым разделителем с трубопроводом, отводящим паровую фазу через высокотемпературный нагреватель, и с трубопроводом, отводящим жидкую фазу через высокотемпературный нагреватель, отличающаяся тем, что трубопровод, отводящий паровую фазу из центробежного фазового разделителя, и трубопровод, отводящий жидкую фазу из центробежного фазового разделителя, соединены с испарителем атмосферного блока, соединенным по низкокипящей отбираемой фракции с конденсатором и отводящим трубопроводом жидкой фазы с высокотемпературным нагревателем сырья вакуумного блока разделения, включающего центробежный фазовый разделитель вакуумного блока, соединенный отводящими трубопроводами паровой и жидкой фаз через высокотемпературные нагреватели с вакуумным испарителем, соединенным отводящим паровую фазу трубопроводом с конденсатором и вакуумсоздающим устройством в виде струйных насосов, рабочим телом которых является отбираемая вакуумным насосом фракция, центробежный фазовый разделитель имеет установленные в корпусе криволинейные поверхности испарения и снабжен секционным вводом парожидкостной смеси на криволинейные поверхности испарения, испаритель снабжен распылителем жидкой фазы в паровом объеме, барботером для ввода перегретых паров, разделительной перегородкой, образующей отсек дополнительной отпарки с отводящим жидкость патрубком, соединенный с основным отсеком испарителя пароструйным насосом.