Технологических установок НПЗ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
151000 «Технологические машины и оборудование»

 

УФА 2013

УДК

ББК

О

 

Рецензенты:

Заведующийкафедрой МАХП Казанского национального исследовательского технологического университета, д.т.н., профессор	С.И. Поникаров
Доцент кафедры материаловедения и технологии металлов Орского гуманитарно-технологического института (филиала) Оренбургского государственного университета, к.т.н.	Е.В. Пояркова

 

Кузеев И.Р., Тукаева Р.Б., Баязитов М.И., Абызгильдина С.Ш.

О??Основное оборудование технологических установок НПЗ: учебное пособие / И.Р. Кузеев[и др.]. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. – 129 с.

 

ISBN

 

В учебном пособии приведена краткая характеристика и классификация нефтеперерабатывающего завода.Рассмотрено четыре типа наиболее распространенного оборудования нефтеперерабатывающего завода, которые были выбраны в качестве реальных объектов: вертикальных колонных массообменных аппаратов, теплообменных аппаратов, центробежных насосов и трубчатых печей: изложена классификация данных типов оборудования, приведено описание конструкций и принципа их работы.

Данное пособие разработано для студентов специальностей151000 «Технологические машины и оборудование».

Учебное пособие также будет полезно для преподавателей дисциплин, входящих в соответствии с Государственным образовательным стандартом специальности 130603 «Оборудование нефтегазопереработки».

 

УДК

ББК

 

©КузеевИ.Р.,

©ТукаеваР.Б.,

©М.И. Баязитов,

©АбызгильдинаС.Ш., 2013

©Уфимский государственный нефтяной технический университет

ISBN

Оглавление

Введение. 5

1 Краткая характеристика и классификация нефтеперерабатывающих заводов. 6

1.1 Мощность и ассортимент НПЗ. 8

1.2 Глубина переработки нефти. 11

1.3 Современное состояние и тенденции развития нефтеперерабатывающей промышленности мира и России. 17

2 Описание основного оборудования, выбранного в качестве реальных объектов расчета и проектирования. 24

2.1 Вертикальные колонные массообменные аппараты.. 26

2.1.1 Устройство колонных аппаратов. 26

2.1.2 Классификация колонных аппаратов. 29

2.1.3 Массообменные контактные устройства. 33

2.1.4 Тарельчатые массообменные устройства. 34

2.1.5 Насадочные контактные элементы.. 53

2.1.6 Устройства для ввода жидкости и пара в колонну. 58

2.1.7 Устройства для сепарации газожидкостных потоков. 62

2.2 Теплообменные аппараты.. 64

2.2.1 Классификация теплообменных аппаратов. 65

2.2.2 Кожухотрубчатые теплообменные аппараты, их типы и конструктивное исполнение 69

2.3 Технологические печи. 80

2.3.1 Назначение и принцип работы трубчатых печей. 80

2.3.2 Классификация печей. 83

2.3.3 Конструктивные элементы печей. 89

2.3.4 Показатели работы печей. 101

2.4 Центробежные насосы.. 102

2.4.1. Общие сведения о насосах. 102

2.4.2 Классификация насосов. 104

2.4.3 Центробежные насосы.. 108

Библиографический список. 128

 

Введение

Современные химические, нефтеперерабатывающие предприятия – это сложные комплексы машин и аппаратов, оснащенные оборудованием, способные функционировать в условиях низких температур и высоких давлений, в глубоком вакууме и в агрессивных средах. Процесс нефтепереработки постоянно совершенствуется, происходит техническое перевооружение на уровне технологий и аппаратной конфигурации, разрабатываются и внедряются высокоинтенсивные энерго- и ресурсосберегающие технологии, цель которых – решение вопросов, связанных с углублением переработки нефти и оптимизации качества получаемых нефтепродуктов.

В учебном пособии приводится описание нефтеперерабатывающего завода (НПЗ), на котором в большинстве случаев осуществляется деятельность выпускников вузов данной специальности; дается обоснование выборав качестве реальных объектов и описание четырех наиболее распространенных типов оборудования НПЗ: колонного массообменного аппарата, теплообменного аппарата, центробежного насоса и трубчатой печи.

Учебное пособие предназначено в помощь при выполнении курсовых и квалификационных работ для студентов всех форм подготовки, обучающихся по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование»

Пособие является иллюстративным материалом к таким учебным дисциплинам, как «Основы профессиональной деятельности», «Основные технологии и технологические комплексы нефтегазового производства», «Тепло- и массообменные процессы и аппараты технологических систем», «Основы конструирования и расчета технологического оборудования», «Технологическое оборудование».

 

1 Краткая характеристика и классификация
нефтеперерабатывающих заводов

На нефтеперерабатывающих заводах осуществляется большое число разнообразных процессов, предназначенных для получения из исходного сырья (нефти или газа) целевых продуктов: бензина, керосина, дизельного топлива, масла, парафина, битумов, сульфокислот, деэмульгаторов, кокса, сажи и др., включая сырье для химической промышленности. Такими процессами являются: транспортирование газов, жидкостей и твердых материалов; нагревание, охлаждение, перемешивание и сушка веществ; разделение жидких и газовых неоднородных смесей; измельчение и классификация твердых материалов и другие физические и физико-химические процессы. В последние годы в нефтеперерабатывающей промышленности все больший объем занимают химические процессы как основа глубокой переработки нефтяного сырья.

Однотипные физические, физико-химические и химические процессы характеризуются общими закономерностями и в различных производствах осуществляются в машинах и аппаратах, работающих по одному принципу.

Общие для различных производств нефтепереработки процессы в зависимости от основных законов, определяющих их, подразделяют на [1, 2, 3]:

- гидромеханические процессы (перемещение жидкостей и газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем, перемешивание жидкостей);

- тепловые процессы (нагревание, охлаждение, выпаривание, конденсация);

- массообменные процессы (они объединены законами массопередачи и включают перегонку, ректификацию, абсорбцию, адсорбцию, экстракцию, кристаллизацию и сушку);

- механические процессы (измельчение, транспортирование, сортировка и смешение твердых веществ);

- химические процессы (они объединены законами химической кинетики и включают разнообразные химические реакции).

Все названные процессы осуществляются в соответствующих аппаратах и машинах, конструкция которых определяется наиболее целесообразным способом и конкретными условиями осуществления данного процесса.

Оборудование нефтеперерабатывающих заводов разнообразно как по назначению, так и по конструктивному оформлению. Далее рассмотрены только четыре наиболее распространенных типа оборудования, выбранных в качестве реальных объектов для разработки различных видов СРС, в которых обеспечивается преемственность в изучении дисциплин: колонные аппараты, теплообменные аппараты, центробежные насосы и печи.

Нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) (рисунок 1.1) представляет собой совокупность основных нефтетехнологических процессов, состоящих из цехов, установок (рисунок 1.2), блоков, а также вспомогательных и обслуживающих служб, обеспечивающих нормальное функционирование промышленного предприятия (товарно-сырьевые, ремонтно-механические цеха, цеха КИПиА, паро-, водо- и электроснабжения, цеховые и заводские лаборатории, транспортные, пожаро- и газоспасательные подразделения, медпункты, столовые, диспетчерская, дирекция, отделы кадров, финансов, снабжения, бухгалтерия и т.д.). [1]

 

Рисунок 1.1 – Общий вид НПЗ

 

Целевое назначение НПЗ – производство в требуемых объеме и ассортименте высококачественных нефтепродуктов и сырья для нефтехимии (в последние годы – и товаров народного потребления) [2].

Технологические процессы, при помощи которых осуществляется переработка нефти на НПЗ, условно можно разделить на первичные и вторичные.

К первичным относится первичная переработка нефти: обессоливание и обезвоживание, атмосферная и атмосферно-вакуумная перегонка; вторичная перегонка бензинов, дизельных и масляных фракций.

Вторичные процессы условно можно разделить на следующие группы:

1) термические процессы (термический крекинг, висбрекинг, коксование, пирполиз);

2) термокаталитические процессы (каталитический крекинг и риформинг, гидроочистка, гидрокрегинг, селектоформинг);

3) процессы переработки нефтяных газов (алкилирование, полимеризация, изомеризация);

4) процессы производства масел и парафинов (деасфальтизация, депарафинизация, селективная очистка, адсорбционная и гидрогенизационная доочистка);

5) процессы производства битумов, пластических смазок, присадок, нефтяных кислот, сырья для получения технического углерода;

6) процессы производства ароматических углеводородов (экстракция, гидроалкелирование, диспропорционирование) [2].

Современные нефтеперерабатывающие предприятия характеризуются большой мощностью как НПЗ (исчисляемой миллионами тонн в год), так и составляющих их технологических процессов.

Мощность и ассортимент НПЗ

Мощность зависит от многих факторов, прежде всего от востребованности тех или иных нефтепродуктов экономического района их потребления, наличия ресурсов сырья и энергии, дальности транспортных перевозок и близости соседних аналогичных предприятий.

Общеизвестно, что крупные предприятия экономически эффективнее, чем мелкие. На крупных НПЗ имеются благоприятные предпосылки для сооружения мощных высокоавтоматизированных технологических установок и комбинированных производств на базе крупнотоннажных аппаратов и оборудования для более эффективного использования сырьевых, водных, земельных ресурсов,а так же значительного снижения удельных капитальных и эксплуатационных расходов. Но при чрезмерной концентрации нефтеперерабатывающих (и нефтехимических) предприятий пропорционально росту мощности возрастает радиус перевозок, увеличивается продолжительность строительства и, что особенно недопустимо, ухудшается экологическая ситуация внутри и вокруг НПЗ.

По мощности НПЗ условно можно подразделить на мини заводы, заводы малой, средней и большой мощности (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Технологическая установка

НПЗ

мини-заводы (500 тыс.т./год)

малой мощности (до 1,5 млн.т/год)

средней мощности (5–7 млн. т/год)

большой мощности (10–15 млн. т/год)

Рисунок 1.3 – Классификация НПЗ по мощности

 

Оптимальной считается мощность НПЗ, равная 12 млн. т/год. При этом для НПЗ топливного профиля оптимальная мощность головной установки АВТ составляет 6 млн. т/год.

Отличительной особенностью НПЗ является получение разнообразной продукции из одного исходного нефтяного сырья. При этом необходимо учитывать, что на нефтеперерабатывающих заводах могут перерабатываться нефти трех сортов:

1) высокосортные, к которым можно отнести малосернистые с высоким или повышенным содержанием светлых типа бакинских, грозненских нефтей;

2) среднесортные, к которым следует отнести сернистые с умеренным содержанием светлых типа смесей западно-сибирских нефтей;

3) низкосортные высокосернистых с низким содержанием светлых типа нефтей «Большого Арлана».

Ассортимент нефтепродуктов НПЗ исчисляется обычно сотнями наименований. Характерно, что в большинстве технологических процессов производят преимущественно только компоненты или полупродукты. Конечные товарные нефтепродукты получают, как правило, путем компаундирования нескольких компонентов, производимых на данном НПЗ, а также добавок и присадок. Это обусловливает необходимость иметь в составе НПЗ разнообразный набор технологических процессов с исключительно сложной взаимосвязью по сырьевым, продуктовым и энергетическим потокам.

Ни один НПЗ не может вырабатывать все виды нефтепродуктов, в которых нуждаются потребители, и одинаково эффективно перерабатывать все типы добываемых в стране нефтей, весьма существенно различающихся между собой по качеству. Следовательно, не может быть единого стандартного (типового) НПЗ.

По ассортименту выпускаемых нефтепродуктов нефтеперерабатывающие предприятия принято классифицировать на следующие группы (профили), (рисунок 1.4):

· НПЗ топливного профиля;

· НПЗ топливно-масляного профиля;

· НПЗ топливно-нефтехимического профиля (нефтехимкомбинаты);

· НПЗ топливно-масляно-нефтехимического профиля.

Среди перечисленных выше нефтеперерабатывающих предприятий наибольшее распространение имеют НПЗ топливного профиля, поскольку по объемам потребления и производства моторные топлива значительно превосходят как смазочные масла, так и продукцию нефтехимического синтеза. Естественно, комплексная переработка нефтяного сырья (т.е. топливно-масляно-нефтехимическая) экономически более эффективна по сравнению с узк

НПЗ

топливного профиля

топливно-масляного профиля

топливно-нефтехимического профиля (нефтехимкомбинаты)

нефтехимкомбинаты топливно-масляно-нефтехимического профиля.

оспециализированной переработкой, например чисто топливной.

 

Рисунок 1.4 – Классификация НПЗ по ассортименту

Выпускаемой продукции

 

При этом желательно, чтобы каждый НПЗ имел оптимальную технологическую схему (структуру). Оптимизация технологической структуры заключается в расчетном выборе наиболее экономически целесообразного варианта набора технологических установок. Выбранный набор технологических процессов должен обеспечить оптимальную глубину переработки данной нефти и выпуск заводом заданного ассортимента нефтепродуктов высокого качества с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами.

При минимизации капитальных и эксплуатационных затрат наиболее значительный эффект достигается, когда в проекте предусматривается строительство НПЗ на базе крупнотоннажных технологических процессов и комбинированных установок.

Наиболее часто комбинируют следующие процессы: ЭЛОУ-АВТ (AT), гидроочистка бензина – каталитический риформинг, гидроочистка вакуумного газойля – каталитический крекинг – газоразделение, серо-очистка газов – производство серы; вакуумная перегонка – гидроочистка – каталитический крекинг –газофракционирование; деасфальтизация– селективная очистка, депарафинизация–обезмасливание и др.

В отечественной нефтепереработке разработаны следующие модели комбинированных установок (таблица 1.1):

1) неглубокой переработки нефти ЛК-6у – производительностью 6 млн. т/год;

2) углубленной переработки нефти ГК-3 – производительностью 3 млн. т/год;

3) переработки вакуумного газойля Г-43-107 – производительностью 2 млн. т/год;

4) переработки мазута КТ-1, включающая в свой состав комбинированную установку Г-43-107 и секции вакуумной перегонки мазута и висбрекинга гудрона;

5) переработки мазута КТ-1y, отличающаяся от КТ-1 использованием процесса легкого гидрокрекинга вместо гидроочистки вакуумного газойля;

6) переработки мазута КТ-2, которая отличается от КТ-1y использованием вместо обычной вакуумной перегонки глубоковакуумной перегонки с отбором фракции 350…540 °С (и отсутствием процесса висбрекинга).

Глубина переработки нефти

Наряду с мощностью и ассортиментом нефтепродуктов важным показателем НПЗ является глубина переработки нефти.

Глубина переработки нефти (ГПН) – показатель, характеризующий эффективность использования сырья. По величине ГПН можно косвенно судить о насыщенности НПЗ вторичными процессами и структуре выпуска нефтепродуктов.

Таблица 1.1 – Набор технологических установок, входящих в состав отечественных комбинированных установок

Технологическийпроцесс	ЛК-6у	ГК-3	Г-43-107	КТ-1	КТ-1у	КТ-2
ЭЛОУ-АТ	+	-	-	-	-	-
ЭЛОУ-АВТ	-	+	-	-	-	-
Вакуумная перегонка мазута	-	-	-	+	+	-
Глубоковакуумная перегонка мазута	-	-	-	-	-	+
Вторичная перегонка бензина	-	+	-	-	-	-
Гидроочистка бензина	+	+	-	-	-	-
Гидроочистка керосина	+	-	-	-	-	-
Гидроочистка дизельноготоплива	+	-	-	-	-	-
Гидроочистка вакуумногогазойля	-	-	+	+	-	-
Легкий гидрокрекинг вакуумного газойля	-	-	-	-	+	+
Каталитическийриформинг бензина	+	-	-	-	-	-
Каталитический крекинг вакуумного газойля	-	+	+	+	+	+
Газофракционирование	+	+	+	+	+	+
Висбрекинг гудрона	-	+	-	+	+	-

Разумеется, что НПЗ с высокой долей вторичных процессов располагает большей возможностью для производства из каждой тонны сырья большего количества более ценных, чем нефтяной остаток, нефтепродуктов и, следовательно, для более углубленной переработки нефти.

В мировой нефтепереработке до сих пор нет общепринятого и однозначного определения этого показателя. В отечественной нефтепереработке под глубиной переработки нефти подразумевается суммарный выход в процентах на нефть всех нефтепродуктов, кроме не превращенного остатка, используемого в качестве котельного топлива (КТ):

ГПН = 100 – КТ – (Т + П),

где Г и П – соответственно удельные затраты топлива на переработку и потери нефти на НПЗ в процентах на сырье.

За рубежом глубину переработки нефти определяют преимущественно как суммарный выход светлых нефтепродуктов от нефти, т. е. имеется в виду глубина топливной переработки нефти.

Понятие глубины переработки нефти, выраженное в виде вышеприведенного уравнения, несколько условно, так как выход непревращенного остатка, в том числе котельного топлива, зависит не только от технологии нефтепереработки, но и, с одной стороны, от качества нефти и, с другой – как будет использоваться нефтяной остаток: как котельное топливо или как сырье для производства битума, как нефтяной пек, судовое или газотурбинное топлива и т.д.

Так, даже при неглубокой переработке путем только атмосферной перегонки легкой марковской нефти, содержащей 95,7% суммы светлых нефтепродуктов, ГПН составит более 90%, в то время как при углубленной переработке до гудрона арланской нефти с содержанием суммы светлыхнефтепродуктов43% этот показатель составит менее 70%.

Исходя из этих соображений были предложения характеризовать ГПН по величине отбора светлых нефтепродуктов только вторичными процессами (гидрокрекингом, каталитическим крекингом и т.д.) из фракций нефти, выкипающих при температуре выше 350 °С (т.е. из мазута).

В соответствии с этой методикой переработка нефти атмосферной перегонкой будет соответствовать нулевой глубине переработки.

В современной нефтепереработке принято НПЗ подразделять (без указания разграничивающих пределов ГПН) на два типа: с неглубокой и глубокой переработкой нефти. Такая классификация недостаточно информативна, особенно относительно НПЗ типа глубокой переработки нефти: неясно, какие именно вторичные процессы могут входить в его состав.

По способу углубления переработки нефти нефтеперерабатывающему заводу можно дать следующее определение: НПЗ – совокупность технологических процессов, в которых осуществляется последовательное (ступенчатое) извлечение, облагораживание и физико-химическая переработка дистиллятных фракций нефти и, соответственно, концентрирование остатков (до мазута, гудрона, тяжелого гудрона глубоковакуумной перегонки, асфальта, кокса и т.д.).

По этому признаку удобно классифицировать НПЗ на следующие четыре типа (рисунок 1.5):

· НПЗ неглубокой переработки (НГП);

· НПЗ углубленной переработки (УПН);

· НПЗ глубокой переработки (ГПН);

· НПЗ без остаточной переработки (БОП).

НПЗ

неглубокой переработки (НГП)

углубленной переработки (УПН)

глубокой переработки (ГПН)

без остаточной переработки (БОП)

Рисунок 1.5 – Классификация НПЗ по способу углубления

Переработки нефти

Нефтеперерабатывающие заводы неглубокой переработки нефти (НПЗ НГП) характеризуются наиболее простой технологической структурой, низкими капитальными и эксплуатационными затратами по сравнению с НПЗ углубленной или глубокой нефтепереработки.

Основной недостаток НПЗ НГП – большой удельный расход ценного и дефицитного нефтяного сырья и ограниченный ассортимент нефтепродуктов. Наиболее типичный нефтепродукт такого типа НПЗ – котельное топливо, дизельное топливо, автобензин (при необходимости печное топливо), сухойи сжиженные газы. Глубина отбора моторных топлив ограничивается потенциальным содержанием их в исходной нефти. Строительство НПЗ НГП могут позволить себе лишь страны, располагающие неограниченными ресурсами нефти, такие как Саудовская Аравия, Иран, Ирак или Кувейт. Очевидно, нефтепереработка России, обладающая скромными запасами нефти (менее 5 % от мировых), должна ориентироваться только на глубокую или безостаточную переработку нефти. Типовая блок-схема НПЗ неглубокой переработки сернистой нефти представлена на рисунке 1.6.

Осуществление технологии следующей ступени нефтепереработки – углубленной переработки нефти с получением моторных топлив в количествах, превышающих потенциальное их содержание в исходном сырье, связано с физико-химической переработкой остатка от атмосферной перегонки – мазута.

В мировой практике при углубленной и глубокой переработке нефти исключительно широкое распространение получили схемы переработки мазута посредством вакуумной или глубоковакуумной перегонки с последующей каталитической переработкой вакуумного (или глубоковакуумного) газойля в компоненты моторных топлив.

Количество трудноперерабатываемого тяжелого нефтяного остатка – гудрона – при этом примерно вдвое меньше по сравнению с мазутом.

На рисунке 1.6 приведена блок-схема НПЗ, наиболее широко применяемая при углубленной переработке сернистых нефтей.

 

ВПБ – вторичная перегонка бензина, АО – аминная очистка, ГФУ – газофракционная установка, ГО – гидроочистка, КР – каталитический риформинг, СГК – селективный гидрокрекинг, КГДМ – каталитическая гидродепарафинизация

Рисунок 1.6 – Блок-схема НПЗ неглубокой переработки