Вакуумная (глубоковакуумная) перегонка мазута в насадочных колоннах

Особенности технологии вакуумной перегонки мазута по масляному варианту

Основное назначение процесса вакуумной перегонки мазута мас­ляного профиля (ВТМ) - получение узких масляных фракций задан­ной вязкости, являющихся базовой основой для получения товарных масел путем последующей многоступенчатой очистки от нежелатель­ных компонентов (смолистых, асфальтеновых соединений, полицик­лических ароматических углеводородов, твердых парафинов).

Многие показатели качества (вязкость, индекс вязкости, нагарообразующая способность, температура вспышки и др.) товарных масел, а также технико-экономические показатели процессов очис­тки масляного производства во многом предопределяются качеством исходных нефтей и их масляных фракций. Поэтому в процессах ВТМ, по сравнению с вакуумной перегонкой топливного профиля, предъяв­ляются более строгие требования к четкости погоноразделения ивыбору сырья. Наиболее массовым сырьем для производства масел в нашей стране являются смеси западно-сибирских (самотлорская, усть-балыкская, соснинская) и волго- уральских (туймазинская, ромашкинская, волгоградская) нефтей. Для получения масел высоко­го качества из таких нефтей рекомендуется получать узкие 50-градусные масляные фракции (350-100; 400-450 и 450-500°С) с минимальным налеганием температур кипения смежных дистиллятов (не более 30-60°С). Для обеспечения требуемой четкости погоноразделения на ректификационных колоннах ВТМ устанавлива­ют большее число тарелок (до 8 на каждый дистиллят), применяют отпарные секции; наряду с одноколонными широко применяют двух­колонные схемы (двухкратного испарения по дистилляту) перегон­ки (рис. 5.6,а,б).

С

Следует отметить, что одноколонные ВТМ превосходят двухко­лонные по капитальным и эксплуатационным затратам, но уступа­ют по четкости погоноразделения: обычно налегание температур кипения между смежными дистиллятами достигает 70-130°С. В то же время желаемое повышение четкости ректификации путем уве­личения числа тарелок не достигается из-за снижения при этом глу­бины вакуума в секции питания колонны. При работе установки ВТМ по схеме рис. 5а давление в секции питания колонны поддержи­вается порядка 13-33 кПа при давлении вверху 6-10 кПа и темпера­туре нагрева мазута не выше 420 °С. В низ колонны подается 5-10 % водяного пара (на гудрон). При работе ВТМ по схеме рис. 5.6,б нео­бязательно иметь во второй колонне глубокий вакуум, больший эф­фект разделения в ней достигается увеличением общего числа таре­лок. Температура нагрева мазута на входе в первую колонну 400 -420°С и широкой масляной фракции во второй ступени вакуумной перегонки - 350-360 °С.

В последние годы в мировой нефтепереработке все более широ­кое распространение при вакуумной перегонке мазута получают насадочные контактные устройства регулярного типа, обладающие, по сравнению с тарельчатыми, наиболее важным преимуществом -весьма низким гидравлическим сопротивлением на единицу теоре­тической тарелки. Это достоинство регулярных насадок позволяет конструировать вакуумные ректификационные колонны, способные обеспечить либо более глубокий отбор газойлевых (масляных) фрак­ций с температурой конца кипения вплоть до 600°С, либо при задан­ной глубине отбора существенно повысить четкость фракциониро­вания масляных дистиллятов.

Применяемые в настоящее время высокопроизводительные ва­куумные колонны с регулярными насадками по способу организа­ции относительного движения контактирующихся потоков жидко­сти и пара можно подразделить на следующие 2 типа: противоточные и перекрестноточные.

Противоточные вакуумные колонны с регулярными насадками конструктивно мало отличаются от традиционных малотоннажных насадочных колонн: только вместо насадок насыпного типа устанав­ливаются блоки или модули из регулярной насадки и устройства для обеспечения равномерного распределения жидкостного орошения по сечению колонны. В сложных колоннах число таких блоков (моду­лей) равно числу отбираемых фракций мазута.

На рис.5.7 представлена принципиальная конструкция ва­куумной насадочной колонны противоточного типа фирмы Грим­ма (ФРГ). Она предназначена для глубоковакуумной перегонки мазута, с отбором вакуумного газойля с температурой конца ки­пения до 550°С. Отмечаются следующие достоинства этого про­цесса:

­ высокая производительность - до 4 млн т/год по мазуту;

­ возможность получения глубоковакуумного газойля с темпе­ратурой конца кипения более 550°С с низкими коксуемостью и содержанием металлов (V+10Ni + Na)

­ пониженная (на 10-15 °С) температу­ра нагрева мазута после печи;

­ более чем в 2 раза снижение потери давления в колонне;

­ существенное снижение расхода водя­ного пара на отпарку.

Рис.5.7 Принципиаль­ная конструкция противоточной насадочной колон­ны фирмы «Гримма» (ФРГ): I - мазут; II - легкий вакуумный дистиллят; III -глубоковакуумный газойль; IV - гудрон; V - водяной пар; VI - газы и пары к вакуумсоздающей системе

На Шведском НХК эксплуати­руются две установки этой фирмы произ­водительностью по 2 млн т/г по мазуту. Ва­куумная колонна оборудована регулярной насадкой типа «Перформ-Грид». Давление в верху и зоне питания колонны поддержи­вается соответственно 7 и 36 гПа (5,2 и 27 мм рт. ст.).

На некоторых отечественных НПЗ вне­дрена и успешно функционирует принци­пиально новая высокоэффективная техно­логия вакуумной перегонки мазута в перекрестноточных насадочных колоннах. (Разработчики - профессор Уфимского государственного нефтяного технического университета К.Ф.Богатых с сотрудниками).

Гидродинамические условия контакта паровой и жидкой фаз в перекрестноточных насадочных колоннах (ПНК) существенно отличаются от таковых при противотоке. В противоточных насадочных колоннах насадка занимает все попереч­ное сечение колонны, а пар и жидкость движутся навстречу друг другу. В ПНК насадка занимает только часть поперечного сечения колонны (в виде различных геометрических фигур: кольцо, треуголь­ник, четырехугольник, многоугольник и т.д.). Перекрестноточная регулярная насадка изготавливается из традиционных для противоточных насадок материалов: плетеной или вязаной металлической сетки (так называемые рукавные насадки), просечно-вытяжных ли­стов, пластин и т.д. Она проницаема для пара в горизонтальном на­правлении и для жидкости в вертикальном направлении. По высоте ПНК разделена распределительной плитой на несколько секций (мо­дулей), представляющих собой единую совокупность элемента ре­гулярной насадки с распределителем жидкостного орошения. В пре­делах каждого модуля организуется перекрестноточное (поперечное) контактирование фаз, то есть движение жидкости по насадке сверху вниз, а пара - в горизонтальном направлении. Следова­тельно, в ПНК жидкость и пары проходят различные независи­мые сечения, площади которых можно регулировать (что дает про­ектировщику дополнительную степень свободы), а при противо­токе - одно и то же сечение. Поэтому перекрестноточный контакт фаз позволяет регулировать в оптимальных пределах плотность жидкого и парового орошений изменением толщины и площади поперечного сечения насадочного слоя и тем самым обеспечить почти на порядок превышающую при противотоке скорость па­ров (в расчете на горизонтальное сечение) без повышения гидрав­лического сопротивления и значительно широкий диапазон устой­чивой работы колонны при сохранении в целом по аппарату прин­ципа и достоинств противотока фаз, а также устранить такие де­фекты, как захлебывание, образование байпасных потоков, брызгоунос и другие, характерные для противоточных насадочных или тарельчатых колонн.

Экспериментально установлено, что перекрестноточный насадочный блок конструкции Уфимского государственного нефтяного университета (УГНТУ), выполненный из металлического сетчато-вязаного рукава, высотой 0,5 м, эквивалентен одной теоретической тарелке и имеет гидравлическое сопротивление в пределах всего 1 мм рт.ст. (133,3 Па), то есть в 3-5 раз ниже по сравнению с кла­панными тарелками. Это достоинство особенно важно тем, что по­зволяет обеспечить в зоне питания вакуумной ПНК при ее обору­довании насадочным слоем, эквивалентным 10-15 тарелкам, оста­точное давление менее 20-30 мм рт.ст. (27—40 ГПа) и, как след­ствие, значительно углубить отбор вакуумного газойля и тем самым существенно расширить ресурсы сырья для каталитического крекинга или гидрокрекинга. Так, расчеты показывают, что при глубоковакуумной перегонке нефтей типа западно-сибирских вы­ход утяжеленного вакуумного газойля 350-690°С составит 34,1 % (на нефть), что в 1,5 раза больше по сравнению с отбором традици­онного вакуумного газойля 350-500°С (выход которого составляет 24,2 %). С другой стороны, процесс в насадочных колоннах можно осуществить в режиме обычной вакуумной перегонки, но с высо­кой четкостью погоноразделения, например, масляных дистилля­тов. Низкое гидравлическое сопротивление регулярных насадок позволяет «вместить» в вакуумную колонну стандартных типораз­меров в 3-5 раза большее число теоретических тарелок. Возможен и такой вариант эксплуатации глубоковакуумной насадочной ко­лонны, когда перегонка мазута осуществляется с пониженной тем­пературой нагрева или без подачи водяного пара.

Отмеченное выше другое преимущество ПНК - возможность организации высокоплотного жидкостного орошения — исключитель­но важно для эксплуатации высокопроизводительных установок ва­куумной или глубоковакуумной перегонки мазута, оборудованных колонной большого диаметра. Для сравнения сопоставим потребное количество жидкостного орошения применительно к вакуумным колоннам противоточного и перекрестноточного типов диаметром 8 м (площадью сечения =50 м²). При противотоке для обеспечения даже пониженной плотности орошения =20 м³/м²ч требуется на оро­шение колонны 50x20=1000 м³/ч жидкости, что технически не просто осуществить. При этом весьма сложной проблемой становится орга­низация равномерного распределения такого количества орошения по сечению колонны.

В ПНК, в отличие от противоточных колонн, насадочный слой занимает только часть ее горизонтального сечения площадью на порядок и более меньшую. В этом случае для организации жид­костного орошения в вакуумной ПНК аналогичного сечения по­требуется 250 м³/ч жидкости, даже при плотности орошения 50 м³/м²ч , что энергетически выгоднее и технически проще.

Ниже, на рис.5.8 представлена принципиальная конструкция вакуумной перекрестноточной насадочной колонны, внедренной на АВТ—4 ПО «Салаватнефтеоргсинтез». Она предназначена для вакуумной перегонки мазута арланской нефти с отбором широкого вакуумного газойля - сырья каталитического крекинга.

Рис.5.8. Принципиальная конст­рукция вакуумной перекрестноточной насадочной колонны АВТ-4 ПО «Салаватнефтеоргсинтез»: 1 -телескопи­ческая трансферная линия; 2 - горизонтальный отбойник; 3 - блок пере­крестноточной регулярной насадки квадратного сечения; 4 - распредели­тельная плита; I - мазут; II - вакуум­ный газойль; III - гудрон; IV - затем­ненный газойль; V - газы и пары

Она представляет собой цилиндри­ческий вертикальный аппарат (ранее бездействующая вакуум­ная колонна) с расположением насадочных модулей внутри ко­лонны по квадрату. Диаметр ко­лонны 8 м, высота укрепляющей части около 16 м. В колонне смонтирован телескопический ввод сырья, улита, отбойник и шесть модулей из регулярной на­садки УГНТУ. Четыре верхних модуля предназначены для кон­денсации вакуумного газойля, пятый является фракционирую­щим, а шестой служит для филь­трации и промывки паров. Для снижения крекинга в нижнюю часть колонны вводится охлаж­денный до 320°С и ниже гудрон в виде квенчинга.

Поскольку па­ровые и жидкостные нагрузки в ПНК различны по высоте, насадочные модули выполнены раз­личными по высоте и ширине в соответствии с допустимыми на­грузками по пару и жидкости. Предусмотрены циркуляцион­ное орошение, рецикл затемнен­ного продукта, надежные меры против засорения сетчатых блоков механическими примесями, против вибрации сетки и проскока брызгоуноса в вакуумный га­зойль.

Давление в зоне питания колонны составило 20-30 мм рт.ст. (27-40 ГПа), а температура верха - 50-70°С; конденсация вакуумного га­зойля была почти полной: суточное количество конденсата легкой фракции (180-290 °С) в емкости - отделителе воды - составило менее 1 т.

5.7 Перекрестноточные насадочные колонны для четко­го фракционирования мазута с получением масляных дистил­лятов

Перекрестноточные насадоч­ные колонны (ПНК) в зависимо­сти от количества устанавливае­мых в них насадочных блоков и, следовательно, от достигаемого в зоне питания глубины вакуума можно использовать в следую­щих вариантах:

­ вариант глубоковакуумной перегонки с углубленным отбо­ром, но менее четким фракциони­рованием вакуумных дистилля­тов, если ПНК оборудованы ограниченным числом теоретических ступеней контакта;

­ вариант обычной вакуум­ной перегонки, но с более высо­кой четкостью фракциониро­вания отбираемых дистиллятов, когда ПНК оборудована большим числом теоретических ступеней контакта.

Второй вариант особенно эффективен для фракционирования мазута с получением масляных дистиллятов с более узким темпера­турным интервалом выкипания за счет снижения налегания темпе­ратур кипения смежных фракций.

На одном из НПЗ России («Орскнефтеоргсинтез») проведена реконструкция вакуумного блока установки АВТМ, где ранее отбор масляных дистиллятов осуществлялся по типовой двухколонной схе­ме с двукратным испарением по дистилляту с пере­водом ее на одноколонный вариант четкого фракционирования ма­зута в ПНК. Принципиальная конструкция этой колонны представ­лена на рис.5.9.

Рис.5.9. Вакуумная перекрестно-точная насадочная колонна для четкого фракционирования мазута на масляные дистилляты (авторы раз­работки К.Ф.Богатых и С.К.Чуракова)

При реконструкции вакуумной колонны было смонтировано 20 перекрестноточных насадочных блоков (из просечно-вытяжного листа с малым гидравлическим сопротивлени­ем), в т.ч. 17 из которых - в укрепляющей части, что эквивалентно 10,8 теоретическим тарелкам (вместо 5,6 до реконструкции).

При эксплуатации реконструированной установки АВТМ были получены следующие результаты по работе ПНК и качеству про­дуктов разделения:

Как видно из приведенных вышеданных, применением ПНК достигается значительная интенсификация процесса вакуумной пе­регонки на установках АВТМ. По сравнению с типовым двухколон­ным энергоемким вариантом вакуумной перегонки энергосберегаю­щая технология четкого фракционирования мазута в одной перекрестноточной насад очной колонне имеет следующие достоинства:

­ исключается из схемы вакуумной перегонки вторая трубчатая печь и вторая вакуумная колонна со всем сопутствующим оборудо­ванием и вакуумсоздающей системой;

­ температура нагрева мазута на входе в ПНК ниже на 10-15°С; расход водяного пара меньше в 2 раза;

­ масляные дистилляты имеют более узкий фракционный состав: 100-110 вместо 130-140 °С;

­ отбор масляных дистиллятов увеличивается с 18,5 до 25 % на нефть