Вопрос № 13. Основы процесса ректификации. Ректификационные колонны. Назначение, устройства, классификация, принцип работы. Простые и сложные колонны.

Перегонка (дистилляция) - это тепловой процесс физического разделения сложной смеси углеводородов нефти, конденсатов и газов на отдельные фракции (компоненты), отличающиеся друг от друг и от исходной смеси по температурным пределам (или температуре) кипения путем испарения нефти (конденсата) с последующей дробной конденсацией образовавшихся паров. По способу проведения процесса различают простую и сложную перегонку.

Перегонка с ректификацией — наиболее распространенный в нефтегазовой и химической технологии массообменный процесс, осуществляемый в аппаратах — ректификационных колоннах. Ректификация заключается в разделении фракций, различающихся температурами кипения, путем многократного контактирования поднимающихся в колонне низкокипящих паров с опускающейся в колонне более высококипящей жидкостью, при котором происходят процессы массо- и теплообмена: облегчение паров низкокипящими компонентами и насыщение жидкости высококипящими компонентами.

Применяемые в нефте и газопереработке ректификационные колонны подразделяются:

1) по назначению:

— для атмосферной и вакуумной перегонки нефти и мазута;

— вторичной перегонки бензина;

— стабилизации нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов;

— фракционирования нефтезаводских, нефтей и природных газов;

— отгонки растворителей в процессах очистки масел;

— разделения продуктов трубчатой печи и каталитических процессов переработки нефтяного сырья и газов и т. д.;

2) по способу межступенчатой передачи жидкости:

— с переточными устройствами (с одним, двумя или более);

— без переточных устройств (провального типа);

3) по способу организации контакта парогазовой и жидкой фаз:

— тарельчатые; — насадочные; — роторные.

По типу применяемых контактных устройств наибольшее распространение получили тарельчатые, а также насадочные ректификационные колонны.

В ректификационных колоннах применяются сотни различных конструкций контактных устройств, существенно различающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. При выборе типа контактного устройства обычно руководствуются следующими показателями: производительностью; гидравлическим сопротивлением; коэффициентом полезного действия; диапазоном рабочих нагрузок; возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых или др. отложений; материалоемкостью; простотой конструкции, удобством изготовления, монтажа и ремонта.

Контактирование потоков пара и жидкости может производиться либо непрерывно (в насадочных колоннах), либо ступенчато (в тарельчатых ректификационных колоннах). При взаимодействии встречных потоков пара и жидкости на каждой ступени контактирования (тарелке или слое насадки) между ними происходит тепло- и массообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящими, а жидкость — высококипящими компонентами. При достаточно длительном контакте и высокой эффективности контактного устройства пар и жидкость, уходящие из тарелки или слоя насадки, могут достичь состояния равновесия, то есть температуры потоков станут одинаковыми и при этом их составы будут связаны уравнениями равновесия. Такой контакт жидкости и пара, завершающийся достижением фазового равновесия, принято называть равновесной ступенью, или теоретической тарелкой. Подбирая число контактных ступеней и параметры процесса (температурный режим, давление, соотношение потоков, флегмовое число и др.), можно обеспечить требуемую четкость фракционирования нефтяных смесей.

Место ввода, в ректификационную колонну нагретого перегоняемого сырья называют питательной (эвапорационной) секцией или зоной. Здесь осуществляется однократное испарение. Часть колонны, расположенная выше питательной секции, служит для ректификации парового потока и называется концентрационной (укрепляющей), а другая — нижняя часть в которой осуществляется ректификация жидкого потока, — отгонной, или исчерпывающей, секциями.

Различают простые и сложные колонны. Простые колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят), выводимый с верха колонны в парообразном состоянии, и остаток — нижний жидкий продукт ректификации. Сложные ректификационные колонны разделяют исходную смесь более чем на два продукта. Различают сложные колонны с отбором дополнительных фракций непосредственно из колонны в виде боковых погонов и колонны, у которых дополнительные продукты отбирают из специальных колонн, именуемых отпарными колоннами или стриппингами. Последний тип колонн нашел широкое применение на установках первичной перегонки нефти.

На установках атмосферных трубчатых осуществляют неглубокую перегонку нефти с получением топливных (бензиновых, керосиновых, дизельных) фракций и мазута. Установки вакуумные трубчатые предназначены для перегонки мазута. Получаемые на них газойлевые, масляные фракции и гудрон используют в качестве сырья процессов последующей (вторичной) переработки их с получением топлив, смазочных масел, кокса, битумов и др. нефтепродуктов. Современные процессы перегонки нефти являются комбинированными с процессами обезвоживания и обессоливания, вторичной перегонки и стабилизации бензиновой фракции: электрообессоливающие установки – атмосферной трубчатки, электрообессоливающие установки - атмосферно-вакуумной трубчатки, электрообессоливающие установки - атмосферно-вакуумной трубчатки - вторичная перегонка и т. д.

Обессоливание. Производственный цикл переработки нефти начинается с ЭЛОУ. Это сокращение означает «электрообессоливающая установка». В нефти есть минеральные примеси, в том числе и соли: хлориды, сульфаты и другие. В некоторых сортах нефти содержатся и минеральные кислоты. Все эти соединения необходимо выделить из нефти, так как они, во-первых, вызывают коррозию аппаратуры, а, во-вторых, являются каталитическими ядами, то есть ухудшают протекание многих химических процессов последующей переработки нефти.

Обессоливание начинают с того, что нефть забирают из заводского резервуара, смешивают ее с промывной водой, деэмульгаторами, щелочью (если в сырой нефти есть кислоты). Затем смесь нагревают до 80 –120°С и подают в электродегидратор. Здесь под воздействием переменного электрического поля и температуры капли воды и рас творенные в ней неорганические соединения укрупняются и отделяются от нефти. Требования к процессу обессоливания жесткие – в нефти должно остаться не более 3 –4 мг/л солей и около 0,1% воды. Поэтому чаще всего в производстве применяют двухступенчатый процесс, и нефть после первого попадает во второй электродегидратор.

Атмосферная перегонка. Установки перегонки нефти составляют основу всех НПЗ и вместе с ЭЛОУ являются головными процессами переработки нефти. От их работы зависят ассортимент и качество получаемых компонентов и технико—экономические показатели последующих процессов переработки нефтяного сырья. Перегонку осуществляют на атмосферных трубчатых (АТ), вакуумных трубчатых (ВТ) или атмосферно — вакуумных трубчатых (АВТ) установках. В зависимости от направления использования фракций нефти установки принято именовать топливными и масляными. На установках АТ осуществляют перегонку нефти с получением топливных (бензиновых, керосиновых, дизельных) фракций и мазута. Установки ВТ предназначены для перегонки мазута. Получаемые на них вакуумные фракции и гудрон используют в качестве сырья для последующей переработки с получением топлив, смазочных масел, кокса, битумов и других нефтепродуктов.

 

Непрерывная ректификация. Для непрерывного протекания про­цесса ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с большей концентрацией труднолетучего (высококипящего) компонента, чем в смеси.

Поэтому в установках для непрерывной ректификации (рис. 387) колонны выполняют из двух частей: нижней (исчерпьпвающей) и верхней 3 (укрепляющей). В исчерпывающей части колонны проис­ходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, а в верхней—обогащение под­нимающихся вверх паров легко­летучим компонентом.

Начальная жидкая смесь не­прерывно поступает из напорного резервуара 4 на верхнюю тарел­ку исчерпывающей части колон­ны (так называемую питатель­ную тарелку). Проходя до ко­лонны через подогреватель 2, смесь подогревается обычно до температуры кипения на питатель­ной тарелке. На питательной та­релке жидкость смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны и, стекая по тарелкам, взаимодействует с поднимающим­ся навстречу паром, более бога­тым труднолетучим (высококипящим) компонентом; при этом из жидкости удаляется легколету­чий (низкокипящий) компонент. Таким образом, в исчерпывающей части колонны происходит про­цесс ректификации (исчерпывания) жидкости. В нижний эле­мент колонны стекает жидкость, состоящая почти целиком из труднолетучего компонента. Часть ее, так называемый кубовый остаток, непрерывно отводится, а остальная часть испаряется за счет тепла глухого греющего пара, под­водимого в нижний элемент колонны (кипятильник).

Пар поднимается по всей колонне снизу вверх, обогащается легко­летучим компонентом и поступает в дефлегматор 5. Здесь часть пара конденсируется и возвращается в колонну, где стекает в виде флегмы сверху вниз. Другая часть пара поступает в холодильник-конденсатор 6, где происходят его конденсация и охлаждение полученного дистиллята; дистиллят направляется в сборник 7. Греющий пар подводитскв зме­евик, установленный в кубе колонны; из куба непрерывно стекает в сборник 8 остаток от перегонки, т. е. почти чистый менее летучий компонент.

В некоторых случаях в дефлегматоре производится конденсация всех паров, поднимающихся из колонны. Полученный конденсат делится на две части: одна часть по­ступает в виде флегмы обратно в колонну, другая же направляется в холодильник, где охлаждается до заданной температуры дистиллята.