Разработка методов интенсификации процессов первичной перегонки углеводородного сырья

На правах рукописи

ПИКАЛОВ Илья Сергеевич

Разработка методов интенсификации процессов ПЕРВИЧНОЙ перегонки углеводородного сырья

Специальность 05.17.07 – Химическая технология топлива
и высокоэнергетических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Астрахань – 2010 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский государственный технический университет» (СевКавГТУ, г. Ставрополь)

Научный руководитель: кандидат химических наук,

доцент Овчаров Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Каратун Ольга Николаевна

кандидат технических наук

Попадин Николай Владимирович

Ведущая организация: Российский государственный университет

нефти и газа им. И.М. Губкина

Защита состоится 08 октября 2010 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета ДМ 307.001.04 при Астраханском государственном техническом университете по адресу:

414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, 2-ой учебный корпус АГТУ, ауд. 201

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке АГТУ

(г. Астрахань, ул. Татищева, 16, главный учебный корпус АГТУ)

Автореферат разослан 07 сентября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат химических наук, доцент Е.В. Шинкарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В настоящее время практически все нефтеперерабатывающие заводы работают на сырье, состав и свойства которого отличаются от проектного. На производстве имеет место изменение как качества, так и количества сырья, поступающего на переработку. Причинами изменения состава сырья являются истощение крупных нефтяных и газоконденсатных месторождений, вследствие чего для обеспечения проектной производительности в сырьё вовлекают дополнительные потоки нефти или газового конденсата; ретроградные изменения в пластах по мере разработки месторождений; отбор на переработку нефтяной смеси переменного состава из единой транспортной трубопроводной сети.

Анализ работы действующих установок и научных данных показывает, что выходы целевых фракций при изменении состава сырья меняются неаддитивно. Однако отсутствуют какие-либо общие выявленные закономерности и конкретные рекомендации по определению количественных и качественных изменений в процессе совместной перегонки различных видов сырья.

Современная тенденция переработки смесевого сырья (нефтяного, газоконденсатного и нефтегазоконденсатного) обуславливает важность изучения влияния состава сырья и основных параметров фракционирования на результаты первичной перегонки и использования выявленных закономерностей для интенсификации процесса ректификации.

Изучение этих вопросов будет способствовать созданию нового подхода к первичной переработке, гарантирующего заданную глубину отбора целевых фракций и четкость погоноразделения при значительных колебаниях состава сырья, что является важной и весьма актуальной научно-прикладной задачей.

Цель работы Исследование закономерностей изменения потенциального содержания узких фракций при изменении состава смесевого сырья, разработка нового подхода к представлению фракционного состава сложных углеводородных смесей, разработка метода расчета оптимального соотношения компонентов смесевого сырья и путей интенсификации процесса первичной перегонки.

Основные задачи исследования

Научная новизна работы

1. Для оценки потенциального содержания узких целевых фракций разработана и научно обоснована принципиально новая форма графического представления фракционного состава углеводородного сырья с помощью осцилляторов интенсивности кипения.
2. Разработаны и научно обоснованы теоретические основы интенсификации перегонки углеводородного сырья как за счет его внутреннего потенциала, так и за счет смешения разных видов сырья.
3. Разработан алгоритм расчета определяющих параметров ректификации – флегмовых чисел и чисел теоретических тарелок – с использованием экономических критериев, позволяющий обосновать оптимальный режим перегонки как на стадии проектирования, так и для действующей установки.
4. Разработан метод расчета оптимального состава смесевого сырья, позволяющий создать максимальный потенциал целевых фракций в смеси и увеличить их выход при ректификации.

Защищаемые положения

1. Результаты исследований и выявленные закономерности неаддитивного изменения фракционного состава смесевого сырья.
2. Результаты исследований и выявленные закономерности интенсификации процесса перегонки добавками к сырью узких фракций.
3. Графоаналитический метод определения оптимального соотношения компонентов в смесевом сырье с целью формирования максимального потенциала целевых фракций.
4. Технологические приемы интенсификации и схемы перегонки смесевого сырья, допускающие значительные колебания его фракционного состава.
5. Рекомендации по эксплуатации двухколонной установки ректификации при поступлении разнородного сырья в непрогнозируемых соотношениях.

Практическая ценность и реализация работы

1. Разработана новая графическая форма представления фракционного состава с помощью осцилляторов интенсивности кипения, позволяющая прогнозировать изменение выхода целевых фракций при колебаниях состава сырья.
2. Предложен и научно обоснован способ регулирования материального баланса атмосферного блока за счет изменения кратности орошения отбензинивающей колонны, позволяющий перераспределять до 3% масс. товарных потоков.
3. Предложен алгоритм расчета определяющих параметров ректификации с использованием экономических критериев, позволяющий обосновать оптимальные параметры на стадии проектирования, оценить отклонения и внести необходимые коррективы в работу действующих установок. Метод расчета оптимального состава смесевого сырья и алгоритм расчета определяющих параметров ректификации используются в ЗАО «НИПИ НГХ» при проектировании установок и блоков первичной перегонки, ожидаемое увеличение рентабельности спроектированных объектов составляет 1,6%.
4. Предложена принципиальная схема модернизации двухколонной типовой установки перегонки нефти, позволяющая за счёт внутреннего потенциала сырья интенсифицировать процесс, увеличить глубину отбора целевых фракций и четкость погоноразделения.
5. Разработаны решения по рациональной эксплуатации двухколонной установки при поступлении на переработку разнородного сырья в непрогнозируемых соотношениях. Годовой экономический эффект от увеличения на 2,61% масс. выхода целевой дизельной фракции на установке МНПУ–25 Бобровского НПЗ, перерабатывающей смесь среднетрубной нефти КТК и западносибирской нефти, составляет 1377, 6 тыс. рублей.
6. Основные положения и результаты диссертационной работы используются в Северо-Кавказском государственном техническом университете в курсе «Химическая технология топлива и углеродных материалов», в курсовом и дипломном проектировании студентов специальности 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

Апробация работы Материалы диссертационной работы в 2003–2010 г.г. докладывались на XXXIV, XXXVII и XXXVIII научно-технических конференциях Северо-Кавказского государственного технического университета, на VII, VIII, X, XII и XIII региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону», на V межрегиональной научной конференции «Студенческая наука – экономике России», на Всероссийской и II международной научных студенческих конференциях «Научный потенциал студенчества – будущему России» в Ставрополе, на международных научно-практических конференциях «Нефтегазопереработка и нефтехимия» в 2006 и 2010 г. в Уфе.

Публикации По результатам диссертации опубликовано 29 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК, 18 тезисов докладов на конференциях, получено 6 патентов на изобретения.

Объем и структура работы Диссертация изложена на 150 страницах, включает 23 таблицы, 51 иллюстрацию и состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников из 126 наименований и приложения.

содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, определены задачи исследования.

В первой главе рассмотрено современное состояние процессов первичной перегонки нефти, методов анализа и представления фракционного состава. Показана недостаточная информативность существующих способов представления фракционного состава для целей проектирования и эксплуатации ректификационных установок при колебаниях состава сырья. На основе имеющихся в литературе данных показано, что целью технологического расчета ректификационных колонн является определение оптимальных показателей фракционирования: числа теоретических тарелок, флегмовых и паровых чисел. Показаны многовариантность оптимизации технологического режима перегонки углеводородных смесей и необходимость введения экономического критерия. Рассмотрены опубликованные работы, касающиеся исследования изменения фракционного состава при смешении нескольких видов сырья. Обсуждена возможность интенсификации процессов первичной перегонки различными способами: ректификацией на более эффективных контактных устройствах, влиянием на структурно-механические свойства дисперсных систем, изменением фазового равновесия системы.

Анализ литературных данных позволил определить перспективные направления исследования, сформулировать цель и задачи работы.

Во второй главе описаны лабораторные эксперименты и обоснованы теоретические основы новой формы представления фракционного состава и способов интенсификации перегонки смесевого сырья.

Поставленные в диссертации задачи решались лабораторным методом перегонки с ректификацией путем:

– изучения и обобщения закономерностей изменения фракционного состава при компаундировании сильно отличающихся по составу видов сырья.

– исследования изменения потенциального содержания целевых фракций при интенсификации процесса перегонки добавками к сырью светлых фракций.

Для изучения изменения фракционного состава при смешении в качестве исходных компонентов были приняты нефти грозненская (Гр), тихорецкая (Тр), оренбургская (Ор) и ставропольская (Ст).

Перегонку сырья осуществляли в лабораторных условиях методом постепенного испарения с ректификацией. Основной частью установки являлась круглодонная колба ёмкостью 250 мл. Колба с сырьём постепенно нагревалась на электрическом нагревателе до температуры 220–240°С. Для повышения четкости погоноразделения колба была снабжена стеклянной колонкой с регулярной насадкой и изолирована асбестовой тканью для уменьшения теплопотерь. Замерялась температура паров нефтепродуктов, выводимых с верха колонки в водяной холодильник. По появлению первой капли ректификата отмечали начало кипения смеси. Перегонку заканчивали при падении столбика ртути в термометре на 1°С. Кривые разгонки исходного сырья представлены на рисунке 1.

Зависимость выхода ректификата при перегонке углеводородной смеси от температуры можно представить в виде функции G=f(t). Кривая ИТК на промежутке от н.к. до к.к. определена, и каждому значению t соответствует единственное значение G. Кроме того, функция G=f(t) непрерывна, значит, её можно продифференцировать по аргументу.

Для анализа потенциального содержания узких целевых фракций предложено ввести понятие равномерно выкипающего сырья, под которым понимается углеводородная смесь, имеющая постоянную скорость выкипания бесконечно узких фракций. Кривая ИТК такого сырья является прямой линией, и изменение выхода узких фракций с изменением температуры носит постоянный характер. Для такой углеводородной смеси справедливо:

,

где dG – бесконечно малое изменение выхода узкой фракции сырья за соответствующий бесконечно малый интервал температур кипения dt.

Рисунок 1 – Кривые разгонок нефтей на экспериментальной установке

Для реального сырья функция соответствует кривой ИТК в дифференциальной форме. Зависимость предлагается назвать интенсивностью кипения (ИК) сырья.

На рисунке 2 представлена кривая ИК тихорецкой нефти или осциллятор интенсивности кипения (от лат. oscillo – колебаться). Осцилляторы ИК, в отличие от кривых ИТК, более полно характеризуют поведение сырья в процессе его испарения. Положительное значение интенсивности кипения говорит об ускорении процесса кипения при повышении температуры, отрицательные значения – о снижении темпов выкипания смеси.

Такой подход дает возможность оценить относительное содержание узких фракций в сырье, а также определить температурные пределы наиболее энергетически выгодного разделения смеси ректификацией (области локальных минимумов осциллятора ИК).

С помощью осцилляторов ИК изучали закономерности изменения фракционного состава при смешении нескольких видов сырья, либо при добавлении к основному сырью узких фракций. Для исследования влияния углеводородных добавок на потенциальное содержание узких фракций были приготовлены и разогнаны несколько углеводородных смесей, построены их экспериментальные и рассчитанные по правилу аддитивности кривые ИТК, построены осцилляторы ИК сырья, рассчитанные по правилу аддитивности.

Рисунок 2 – Осциллятор ИК тихорецкой нефти

Для оценки отклонения фактического потенциального содержания узких фракций сырья от рассчитанного по правилу аддитивности использовалось понятие изменения скорости выхода (ИСВ), определяемого по формуле:

,

где dGэкс – фактическое бесконечно малое изменение выхода узкой фракции;

dGрасч – рассчитанное по правилу аддитивности бесконечно малое изменение выхода узкой фракции за соответствующий бесконечно малый интервал температур кипения dt.

В качестве иллюстрации на рисунках 3 и 4 приведены результаты перегонки смеси 70% масс. ставропольской, 20% масс. тихорецкой и 10% масс. оренбургской нефтей. Сплошная линия на рисунке 3 – фактическая кривая ИТК, пунктирная – кривая ИТК смеси, рассчитанная по правилу аддитивности. На рисунке 4 черная кривая – рассчитанный по правилу аддитивности осциллятор ИК смеси, серая – кривая ИСВ. Как видно из рисунка 4, кривая ИСВ по характеру противоположна расчетному осциллятору ИК.

Предлагаемый способ представления фракционного состава позволяет точнее оценить потенциальное содержание узких фракций в смесевом сырье. Если добавка к основному компоненту сырья увеличивает относительное содержание узкой фракции, в процессе перегонки часть «избытка» этой фракции перераспределяется в соседние фракции. Соответственно, при уменьшении удельного содержания компонента в смеси фактический его выход увеличится за счет соседних фракций.

Рисунок 3 – Сопоставление расчетной и экспериментальной кривых ИТК смесевого сырья

Рисунок 4 – Сопоставление кривых ИК и ИСВ смесевого сырья

При увеличении доли углеводородов в узкой фракции увеличивается парциальное давление этих углеводородов в смеси. Так как технологический режим перегонки не изменяется (р и Т остаются постоянными), согласно закону Дальтона, парциальные давления смежных углеводородных компонентов в смеси снижаются для поддержания состояния равновесия. Система саморегулируется, в результате выход узкой фракции уменьшается, а соседних с ней фракций увеличивается. Таким образом, увеличение или снижение выхода узких фракций смесевого сырья происходит в тех местах, в которых создается соответственно пониженное или повышенное удельное содержание углеводородов.

При рациональном подборе соотношения компонентов можно добиться увеличения выхода целевых фракций за счет интенсификации процессов испарения при перегонке смесевого сырья. Можно также уменьшить затраты на разделение граничных целевых фракций.

В третьей главе представлен разработанный алгоритм расчета оптимальных параметров фракционирования – флегмовых чисел и чисел теоретических тарелок в секциях колонны, учитывающий экономические критерии. Так как для заданной четкости разделения сырья область оптимальных решений представляет собой множество (кривая опт на рисунке 5), то задача оптимизации определяющих параметров фракционирования сводится к выбору точки на этой кривой.

Рисунок 5 – Область оптимальных значений параметров ректификации

Критерий оптимальности, или минимум приведенных затрат, предлагается выразить зависимостью затрат S от основных параметров фракционирования:

.

Полученную функцию можно представить в виде суммы двух выражений, а именно приведенных затрат на организацию орошения и приведенных затрат на создание теоретических тарелок:

,

,

где S – приведённые затраты на заданное разделение углеводородного сырья;

MR – удельные приведённые затраты на организацию единицы орошения;

R – рабочее флегмовое число;

MN – удельные приведённые затраты на создание теоретической тарелки;

N – число теоретических тарелок.

Для заданной четкости разделения исходной смеси числа теоретических тарелок и флегмовые числа определены на интервалах: