Установка селективной очистки масел 37/1 предназначена для удаления из масляных фракций смолистых веществ, полициклических ароматических и нафтено-ароматических углеводородов с короткими боковыми цепями, сернистых соединений с целью повышения индекса вязкости, снижения коксуемости, улучшения цвета и вязкостно-температурных свойств смазочных масел.

На установке осуществляется очистка N-метил--пирролидоном (метилпирролидоном) дистиллятных фракций (фр.350-420 ^оС, 420-500 ^оС, 450-550 ^оС) и деасфальтизата.

Установка состоит из:

блока экстракции;

блока регенерации рафинатного раствора;

блока регенерации экстрактного раствора и осушки растворителя.

1.2 Описание процесса селективной очистки масел

Назначение процесса селективной очистки - удаление смолистых веществ и полициклических ароматических углеводородов из масел с целью повышения их индекса вязкости и снижения коксуемости (по признаку извлечения нежелательного компонента его можно назвать процессом деароматизации масел).

Сырье - масляные дистилляты, получаемые при вакуумной перегонке мазутов, и деасфальтизаты гудронов.

Целевые продукты - рафинаты - направляются на депарафинизацию с целью улучшения низкотемпературных свойств масел. Побочные продукты селективной очистки - экстракты - используются как сырье для производства битумов, технического углерода, нефтяных коксов, пластификаторов каучуков в резиновой и шинной промышленности, как компонент котельного топлива.

В качестве растворителей на ранних этапах развития процессов селективной очистки масел использовались анилин, нитробензол, жидкий сернистый ангидрид, хлорекс (в, в'-дихлорэтиловый эфир) и др. Основными промышленными растворителями в настоящее время являются фенол, фурфурол и находящий все большее применение N-метилпирролидон (NMП).

1.2.2 Влияние оперативных параметров на эффективность процессов очистки масел селективными растворителями

Процесс экстракции углеводородов избирательными растворителями является многофакторным: на результаты очистки влияют химический состав и качество сырья, природа и количество растворителя, температурный режим и эффективность экстракционного аппарата [1].

1.2.2.1 Качество сырья

Поскольку целевым назначением процесса очистки масел избирательными растворителями является повышение индекса вязкости, то качество сырья следует рассматривать в первую очередь с точки зрения содержания в нем высокоиндексных компонентов.

Известно, что в масляных фракциях нефтей парафино-нафтенового основания содержится больше углеводородов, обеспечивающих высокий индекс вязкости, чем в соответствующих фракциях тяжелых высокоароматизированных нефтей. Поэтому, с точки зрения производства масел с хорошими вязкостно-температурными свойствами, первые нефти являются более предпочтительным исходным сырьем, чем вторые. Наоборот, высокая концентрация в исходном сырье смолистых и гетероорганических соединений, а также полициклических ароматических углеводородов, характеризующихся отрицательным индексом вязкости и подлежащих удалению при очистке, делает нецелесообразным использование такого сырья.

Существенное влияние на качество базовых масел и на техникоэкономические показатели процессов селективной очистки оказывает фракционный состав сырья. При очистке масляных фракций, выкипающих в широком интервале температур, вместе с низкоиндексными компонентами удаляются и приближающиеся к ним по растворимости низкокипящие ценные углеводороды сырья. В то же время часть полициклических углеводородов, имеющих высокие КТР, остается в рафинате. Влияние фракционного состава масляных дистиллятов из сернистой нефти на эффективность очистки фенолом показано в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние фракционного состава масляных дистиллятов из сернистой нефти на эффективность очистки фенолом

Чем уже температуры выкипания дистиллятных фракций, тем более эффективно проходит их очистка селективным растворителем.

При очистке деасфальтизатов важную роль играет глубина деасфальтизации, оцениваемая коксуемостью. Очевидно, что легче "деароматизировать" деасфальтизат с низким содержанием полициклических ароматических углеводородов, то есть деасфальтизат с меньшей коксуемостью. Поэтому коксуемость деасфальтизатов не должна превышать 1,2 % (предпочтительно около 1,0 %) [1,2].

1.2.2.2 Природа растворителя

В настоящее время в мировой нефтепереработке для селективной очистки масел применяются в основном следующие три избирательных растворителя: фенол, фурфурол и N-метилпирролидон.

Фенол как избирательный растворитель для очистки масел известен давно. Еще в 1922 г. был взят патент на применение фенола для очистки нефтепродуктов. В 1930 г. в Канаде была построена первая промышленная установка селективной очистки масел фенолом.

По растворяющей способности фенол значительно превосходит фурфурол, поэтому очистка масел фенолом производится при меньшем расходе растворителя и при более низких температурах.

При очистке масел фенолом достаточно полно извлекаются полициклические углеводороды с короткими боковыми цепями. В значительно меньшей степени извлекаются фенолом смолистые соединения. Практически совсем не растворимы в феноле асфальтены, поэтому остаточные продукты (гудроны, полугудроны) должны быть предварительно деасфальтизированы.

При фенольной очистке масляные фракции одновременно обессериваются и деазотируются в результате их удаления в составе полициклических углеводородов и смол.

Сравнительно низкая плотность и высокая температура плавления, вязкость и поверхностное натяжение фенола при температурах очистки, относящиеся к его недостаткам, затрудняют массообмен и способствуют образованию эмульсии. В результате при очистке масел фенолом не могут быть использованы высокоэффективные экстракционные аппараты, в частности роторно-дисковые контакторы, хорошо зарекомендовавшие себя при очистке фурфуролом.

Фурфурол - гетероциклический альдегид фуранового ряда. Фурфурол относится к числу избирательных растворителей с высокой селективностью и сравнительно низкой растворяющей способностью. При фурфурольной очистке масел достигается четкое экстрагирование низкоиндексных компонентов из сырья и, как следствие, высокие выходы рафината, однако процесс требует повышенного расхода растворителя по сравнению с фенольной очисткой.

Фурфурол обладает более высокой плотностью, и в этой связи сепарация рафинатной и экстрактной фаз по высоте экстракционной колонны будет осуществляться более полно при очистке масел фурфуролом. Для улучшения разделения фаз при фенольной очистке масел приходится несколько снижать производительность установки по сырью.

Фурфурол имеет более низкую температуру плавления, а это в свою очередь обеспечивает более широкий диапазон рабочих температур в экстракционной колонне при фурфурольной очистке масел. Температура низа экстракционной колонны при фенольной очистке ограничена температурой плавления фенола.

Фурфурол имеет и более низкую температуру кипения, что снижает тепловые затраты при регенерации растворителей из фаз.

Из-за пониженной растворяющей способности фурфурол применяется при очистке преимущественно дистиллятных масляных фракций.

Основным недостатком фурфурола являются его низкие термическая и окислительная способности. По этой причине в технологическую схему фурфурольной очистки масел приходится ввести дополнительную стадию деаэрации сырья, где под вакуумом с подачей перегретого водяного пара из сырьевого потока удаляются воздух и влага. Кроме того, для предотвращения окисления фурфурола его вынуждены хранить под защитным слоем масла или инертного газа.

N-метилпирролидон имеет более высокую по сравнению с фурфуролом и несколько меньшую по сравнению с фенолом растворяющую способность. От фенола N-метилпирролидон (NMП) отличается большей избирательностью по отношению к углеводородам ароматического ряда, нетоксичностью и более низкой температурой плавления. При экстракции масел NMП обеспечивает больший (на 5-7 %) выход и лучшее качество рафината при в 1,5 раза меньшей кратности растворителя по сравнению с фенолом. Кроме того, NMП не образует азеотропа с водой, что практически исключает необходимость водного контура в блоке регенерации растворителя, при этом достигается снижение энергозатрат примерно на 25-30 %.

В структуре мощностей селективной очистки масел за рубежом, особенно в США, преобладают процессы с использованием NMП (~45 %) и фурфурола (~35 %), а в бывшем СССР - главным образом фенола (более 70 %) [1,2].

1.2.2.3 Кратность растворителя

Количество растворителя подбирается в зависимости от качества сырья и требуемого качества рафината. Чем выше содержание низкоиндексных компонентов в сырье, тем выше должна быть кратность растворителя к сырью. Аналогично, ужесточение требований к качеству рафината требует увеличения расхода растворителя. При прочих равных условиях деароматизация дистиллятного сырья широкого фракционного состава, по сравнению с сырьем более узкого фракционного состава, требует большей кратности растворителя. При селективной очистке деасфальтизатов требуемая кратность растворителя симбатно возрастает с повышением их коксуемости. В таблице 2 приведены сравнительные характеристики деасфальтизатов с разным процентом коксуемости.

Таблица 2 - Сравнительные характеристики деасфальтизатов с разным процентом коксуемости

Увеличение кратности растворителя к сырью сопровождается дополнительным растворением компонентов сырья и переходом их в экстрактный раствор. Поэтому выход рафината с увеличением кратности растворителя монотонно снижается, а его индекс вязкости и стабильность против окисления повышаются. Однако улучшение качества масел наблюдается лишь до определенного момента, после которого как индекс вязкости, так и стабильность против окисления ухудшаются.

Снижение индекса вязкости происходит в результате ухудшения избирательности растворения в области предкритического растворения (то есть вблизи КТР), а ухудшение стабильности против окисления связано с эффектом переочистки, то есть чрезмерным удалением из масел полициклических ароматических углеводородов и смол, являющихся естественными ингибиторами окисления. Поэтому в тех случаях, когда к индексу вязкости предъявляются ординарные требования, процесс очистки следует проводить с получением рафината с наиболее высокой стабильностью против окисления. Установлено, что расход фенола в этом случае составляет 200 % для дистиллятного и 300 - 400 % для остаточного сырья. В тех же случаях, когда к индексу вязкости предъявляются повышенные требования, рафинат следует переочищать, а стабильность против окисления повысить введением антиокислительных присадок [2].

1.2.2.4 Температурный режим экстракции

Температурный режим экстракции подбирается в зависимости от КТР сырья и требуемого качества рафината.

Чем выше температура кипения сырья, тем выше величина его КТР и тем при более высокой температуре можно его очищать. Повышенное содержание асфальто-смолистых веществ и полициклических ароматических углеводородов понижает КТР и требует более низкой температуры экстракции. Практически температура очистки поддерживается на 10-25°С ниже КТР сырья в зависимости от требуемого качества рафината и составляет 55-70°С для дистиллятного сырья, 75-95°С для деасфальтизатов при очистке фенолом, 60-90 и 95-115°С соответственно при использовании фурфурола.

Повышение температуры очистки приводит к улучшению качества рафината и снижению его выхода вследствие увеличения растворяющей способности растворителя и соответственно более полного извлечения низкоиндексных компонентов сырья. Однако избирательность разделения при этом ухудшается, особенно в области предкритических температур. Поэтому на практике целесообразно избегать применения температур, близких к КТР, а регулирование качества осуществлять путем увеличения кратности растворителя, подбором оптимального температурного градиента экстракции, методом возбуждения рисайкла и другими приемами.

Как и в процессе деасфальтизации, для улучшения четкости разделения процесс селективной очистки масел целесообразно вести при высоком температурном градиенте. На установках фурфурольной очистки масел градиент экстракции поддерживают на уровне 30 - 40°С, а на фенольной - всего 10 - 20°С.

Различие в температурных условиях экстракции предопределяется плотностью применяемости растворителя. При фенольной очистке из-за низкой разности плотностей растворителя и исходного сырья градиент экстракции снижают до минимума, так как при смешении вторичных потоков с близкими удельными массами сепарация фаз происходит гораздо медленнее и даже при сравнительно невысоких скоростях в экстракционных колоннах приходится принимать конкретные меры к снижению степени внутренней циркуляции промежуточных масляных фракций. Повышение градиента экстракции приводит к заметному повышению относительных скоростей контактирующихся фаз, в результате на отдельных участках по высоте экстракционной колонны не достигается фазового равновесия. Кроме того, эмульгируемость системы фенол - углеводороды еще более ухудшает фазовое равновесие в потоках. Более высокая плотность фурфурола позволяет вести процесс очистки с высоким градиентом экстракции.

Если температура верха экстракционной колонны ограничивается критической температурой растворения, то температура низа - вязкостными свойствами экстрактного раствора.

В таблице 3 показано влияние температуры верха на выход и качество рафинатов фенольной очистки деасфальтизата [1].

Таблица 3 - Влияние температуры верха на выход и качество рафинатов фенольной очистки деасфальтизата

1.2.3 Особенности процесса

Наличие блока предварительной деаэрации сырья. Фурфурол обладает низкой термостабильностью и осмоляется при контакте с кислородом воздуха. Деаэрация - удаление воздуха из сырья с помощью водяного пара под вакуумом при температуре 130 ^оС в аппаратах колонного типа (деаэраторах).

Регенерация растворителя из рафинатного раствора и последние ступени регенерации растворителя из экстрактного раствора осуществляется под вакуумом. Это связано с тем, что фурфурол имеет низкую термостабильность, что не позволяет нагревать его выше 220-230 ^оС.

В качестве экстрактных аппаратов используются роторнодисковые контакторы [3].

1.3 Аппаратурное оформление блока регенерации экстрактного раствора и осушки растворителя

На многих химических предприятиях колонная массообменная аппаратура является основным видом оборудования, от режима работы которого существенно зависит экономическая эффективность всего технологического процесса. Как правило, массообменные колонны используются для выделения целевого компонента из реакционной смеси, образованной после химического превращения исходных компонентов в реакционном блоке. Массообменные колонны - крупногабаритное, металлоемкое оборудование, часто размещаемое на открытых площадках и определяющее внешний вид химического предприятия. Правильное проектирование и эксплуатация массообменных колонн представляет важную инженерно-техническую задачу, решение которой требует привлечения современных научных разработок и исследований.

Ввиду большого многообразия колонной аппаратуры не представляется возможным провести её классификацию, используя какой-либо один классифицирующий признак. Поэтому, как и во многих других случаях, колонное массообменное оборудование классифицируется по нескольким основным признакам:

по виду массообменного процесса аппараты подразделяются на ректификационные и дистилляционные (разделение систем пар-жидкость); абсорбционные и десорбционные (разделение систем газ-жидкость); экстракционные (разделение систем жидкость-жидкость) и адсорбционные (поглощение газа или жидкости твердым адсорбентом);

в зависимости от давления, создаваемого в аппарате, аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением (низким, средним, высоким);

в зависимости от режима аппараты делятся на колонны с периодическим и непрерывным режимом работы;

в зависимости от направления движения фаз оборудование подразделяется на прямоточные, противоточные, с перекрестным и смешанным током массообменные колонны;

в зависимости от типа контактного устройства распространены насадочные, тарельчатые и роторные массообменные колонны.

В химической, нефтехимической и газовой промышленности наиболее широкое применение получили тарельчатые и насадочные колонны с различными типами тарелок и насадочных тел. Причем насадочные колонны используются преимущественно в процессах абсорбции, а тарельчатые - ректификации. Роторные массообменные колонны применяются, как правило, для осуществления процессов дистилляции и экстракции [2]. На рисунке 1.1 показаны схемы основных типов колонных аппаратов.

а - тарельчатый; б - насадочный; в - пленочный; 1 - корпус колонны; 2 - полотно тарелки; 3 - переточное устройство; 4 - опорная решетка; 5 - насадка; 6 - распределитель; 7 - трубная решетка; 8 - трубка

Рисунок 1.1 - Схемы основных типов колонных аппаратов

1.3.1.1 Тарельчатые массообменные аппараты

Тарельчатыми называют колонные аппараты, у которых внутренними устройствами в рабочей зоне являются тарелки. Тарельчатые колонные аппараты состоят из вертикального корпуса, сферической или эллиптической крышки, днища и жестко скрепленной с корпусом опорной обечайки цилиндрической или конической формы. Использование конических опор для высоких колонн небольшого диаметра способствует повышению их устойчивости и уменьшению нагрузки на опорную поверхность фундаментального кольца. Внутри корпуса колонны смонтированы тарелки, устройство для ввода сырья, отбойное устройство и штуцера для жидкости и пара.

На корпусе колонны предусматриваются штуцера для ввода продукта и вывода пара, ввода флегмы и пара из кипятильника, вывода кубового остатка и циркулирующей кубовой жидкости в кипятильник. Кроме того, аппарат снабжают штуцерами для измерения давления и температуры по высоте аппарата, уровня жидкости, отбора проб и др.

Корпуса аппаратов, работающих при больших рабочих давлениях, а также аппаратов диаметром более 1200 мм выполняют цельносварными. Аппараты диаметром 400-1000 мм изготавливают в царговом исполнении, если рабочее давление в них не превышает 1,6 МПа. Аппараты в царговом исполнении снабжают неразъемными тарелками, представляющими собой отбортованный металлический диск с устройствами (отверстиями, колпачками, клапанами и пр.) для ввода пара на тарелку и слива жидкости. Для создания необходимого уровня жидкости на тарелке установлены сливная и переливная перегородки. Высота переливной перегородки постоянна; она образует так называемый переливной карман, в который погружена сливная труба расположенной выше тарелки. Высоту сливной перегородки можно регулировать для поддержания необходимого уровня жидкости на тарелке.

В аппаратах диаметром 1200 мм и более используют тарелки разборной конструкции. Тарелки собирают из отдельных полотен, ширина которых позволяет заносить их в колонну через люки. Полотна размещают на опорных балках. Для соединения полотен используют прижимные планки, струбцины, клиновые соединения. Вертикальная полка уголка и ребро, полученное отгибом одной из кромок полотна, увеличивают жесткость полотна тарелок. Герметичность соединений обеспечивают установкой прокладок [1].

1.3.1.2 Экстракционные аппараты для систем жидкость-жидкость

Экстракция - массообменный процесс извлечения компонента из жидких смесей или твердых веществ жидким растворителем (экстрагентом), избирательно растворяющим только извлекаемые компоненты.

В соответствии е агрегатным состоянием взаимодействующих фаз различают жидкостную экстракцию, характеризующуюся извлечением компонента, растворенного в одной жидкости другой жидкостью, не растворимой и не смешивающейся с первой, и экстрагирование (выщелачивание), заключающееся в растворении компонента, находящегося в твердой фазе, жидкостью с последующим удалением его вместе с ней.

Движущей силой процесса экстракции является разность концентраций извлекаемого компонента в исходной смеси и в растворителе [3].

Экстракторы подразделяются на гравитационные, в которых взаимное движение фаз осуществляется за счет сил гравитации и центробежные, где взаимодействие и сепарация фаз обусловлены полем центробежных сил.

Колонные экстракторы для системы жидкость-жидкость разделяют на аппараты без подвода энергии и с подводом энергии. К первым относятся распылительные, насадочные, ситчатые экстракторы; ко вторым - смесительно-отстойные, роторные, пульсационные, вибрационные и др.

Распылительные экстракционные аппараты представляют собой полые колонны, в которых одна из фаз движется сплошным потоком, а другая - в виде капель. Эти аппараты просты по конструкции, но малоэффективны.

Насадочные колонны по конструкции аналогичны насадочным колоннам для процессов ректификации и абсорбции. В качестве насадки в них используют преимущественно кольца Рашига.

Ситчатая экстракционная колонна показана на рисунке 1.3 Она имеет вертикальный цилиндрический корпус 1 и перфорированные (ситчатые) тарелки 2, снабженные переливными устройствами 3. Колонна работает следующим образом. Тяжелая фаза ТФ через штуцер 4 подается непрерывно в колонну, сплошным потоком опускается по колонне и удаляется через штуцер 7. Легкая фаза ЛФ непрерывно поступает через штуцер 6 в колонну под нижнюю тарелку 2. Пройдя через отверстия тарелки, эта фаза диспергируется и в виде капель поднимается на следующую тарелку. В верхней части дисперсная фаза коалесцирует в сплошной слой, образуя уровень раздела фаз а и удаляется через штуцер 5. В процессе образования капель и их движения осуществляется процесс массообмена [4].

Рисунок 1.3 - Ситчатая экстракционная колонна

В данном блоке используется экстрактная испарительная колонна К-5. Технические характеристики экстрактной испарительной колонны К-5 приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Технические характеристики испарительной колонны К-5

В испарительной колонне К-5 установлены клапанные тарелки.

Клапанные тарелки широко применяют в нефтехимической промышленности, их изготавливают с дисковыми и прямоугольными клапанами. Они представляют собой цельные или собранные из нескольких секций диски, в которых имеются продолговатые щели либо круглые отверстия. Щели прикрываются пластинчатыми, а отверстия - круглыми клапанами. Клапаны установлены свободно и удерживаются скобами, приваренными к поверхности тарелки. Устройство и работа клапанов показана на рисунке 1.4.

а - круглый клапан, б - пластинчатый клапан, в - клапан с упорными рожками разной длины.

Рисунок 1.4 - Устройство и работа клапанов клапанной тарелки

В отличие от тарелок, работающих в статическом режиме, т.е. при неизменном расстоянии между конструктивными элементами (например, между желобом и колпачком), клапанные тарелки работают в динамическом режиме. В зависимости от напора восходящих по колонне паров клапаны поднимаются на соответствующую величину (обычно на 4-10 мм), регулируя тем самым площадь свободного сечения тарелки. Это позволяет поддерживать скорость паров примерно постоянной при изменении общей нагрузки на колонну [4].

Основные преимущества клапанных тарелок: способность обеспечить эффективный массообмен в большом интервале рабочих нагрузок, несложность конструкции, низкая металлоемкость и невысокая стоимость [5].

Основной недостаток всех клапанных тарелок - возможность засорения и закоксовывания клапанов, в результате чего они "прихватываются" и не работают в динамическом режиме [4].

Колонна К-5 сделана из стали углеродистой, спокойной, группы "В", содержание углерода - от 0,14 % до 0,22 %; категория - 5.

Стали углеродистые группы "В" применяются для изготовления сварных конструкций, так как их свариваемость определяется химическим составом, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки [6].

1.3.2 Теплообменное оборудование

В большинстве процессов нефтегазопереработки используется нагрев исходного сырья, а также применяемых при его переработке растворителей, реагентов, катализаторов и др. Полученные в результате того или иного технологического процесса целевые продукты или полуфабрикаты обычно требуется охлаждать до температуры, при которой возможны их хранение и транспорт.

На современном нефтеперерабатывающем заводе, где осуществляется глубокая переработка нефти, на изготовление аппаратов, предназначенных для нагрева и охлаждения, затрачивается до 30 % общего расхода металла на все технологические установки. Высокая эффективность работы подобных аппаратов позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, затрачиваемой на тот или иной технологический процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели. Поэтому изучению устройства и работы этих аппаратов, а также освоению, методов их расчета необходимо уделять особое внимание.

В аппаратах, где идет нагрев или охлаждение, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, другой охлаждается. Поэтому их называют теплообменными аппаратами вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата - нагрев или охлаждение, какие потоки обмениваются теплом, происходит ли при этом только нагрев и охлаждение или же теплообмен сопровождается испарением или конденсацией.

Применительно к нефтеперерабатывающей промышленности, теплообменные аппараты классифицируются по следующим основным признакам:

в зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды и аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит путем их соприкосновения;

в зависимости от назначения аппараты делятся на теплообменники, в которых один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в процессе и подлежащего охлаждению; нагреватели, испарители, кипятильники, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляются за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей; холодильники и конденсаторы, предназначенные для охлаждения жидкого потока или конденсации и охлаждения паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.)

При регенерации тепла того или иного продукта его окончательное охлаждение до температуры, требуемой для безопасного транспорта и хранения, обычно завершается в холодильниках.

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. По ГОСТ 9929 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН - с неподвижными трубными решетками; ТК - с температурным компенсатором на кожухе; ТП - с плавающей головкой; ТУ - с U-образными трубами; ТПК - с плавающей головкой и компенсатором на ней. Основные виды кожухотрубчатых теплообменных аппаратов представлены на рисунке 1.5.

а) - с неподвижными решетками (ТН) или с компенсатором на кожухе (ТК); б) - с плавающей головкой; в) - с U-образной трубкой

Рисунок 1.5 - Основные виды кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно - и многоходовыми.

Одноходовой теплообменный аппарат типа ТН представлен на рисунке 1.6. Такие аппараты имеют цилиндрический кожух 1, в котором расположен трубный пучок 2; трубные решетки 3 с развальцованными трубками крепятся к корпусу аппарата. С обоих концов теплообменный аппарат закрыт крышками 4. Аппарат оборудован штуцерами 5 для теплообменивающихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство.

1 - кожух; 2 - трубки; 3 - трубная решетка; 4 - крышки; 5 - штуцера

Рисунок 1.6 - Одноходовой теплообменный аппарата типа ТН

Теплообменники этой группы изготовляют на условное давление 0,6-4,0 МПа, диаметром 159-1200 мм, с поверхностью теплообмена до 960 м²; длина их до 10 м, масса до 20 т. Теплообменники этого типа применяют до температуры 350°С.

Предусмотрены различные варианты материального исполнения конструктивных элементов теплообменных аппаратов. Корпус аппарата изготовляют из сталей ВСтЗсп, 16ГС или биметаллическим с защитным слоем из сталей 08X13, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т. Для трубного пучка применяют трубы из сталей 10,20 и Х8 с размерами 25x2, 25x2,5 и 20x2 мм, из высоколегированных сталей 08X13, 08Х22Н6Т, 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т с размерами 25x1,8 и 20x1,6 мм, а также трубы из алюминиевых сплавов и латуни. Трубные решетки изготовляют из сталей 16ГС, 15Х5М, 12Х18Н10Т, а также биметаллическими с наплавкой высоколегированного хромоникелевого сплава или слоя латуни толщиной до 10 мм.

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки с корпусом. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоносителей: для газов 8-30 м/с, для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость теплоносителей обеспечивают при проектировании соответствующим подбором площади сечения трубного и межтрубного пространства.

Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК отличается от теплообменника типа ТН наличием вваренного между двумя частями кожуха линзового компенсатора и обтекателя. Обтекатель уменьшает гидравлическое сопротивление межтрубного пространства такого аппарата; обтекатель приваривают к кожуху со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство.

Наиболее часто в аппаратах типа ТК используют одно - и многоэлементные линзовые компенсаторы, изготовляемые обкаткой из коротких цилиндрических обечаек. Компенсирующая способность линзового компенсатора примерно пропорциональна числу линзовых элементов в нем, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется, так как резко снижается сопротивление кожуха изгибу. Для увеличения компенсирующей способности линзового компенсатора он может быть при сборке кожуха предварительно сжат (если предназначен для работы на растяжение) или растянут (при работе на сжатие).

Теплообменники с U-образными трубками типа ТУ имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба конца U-образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней поверхности труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистых продуктов.

Теплообменник с U-образными трубками показан на рисунке 1.7 Такие аппараты состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку 3 и U-образные трубы 1. Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце.

Теплообменники этого типа могут быть в горизонтальном и вертикальном исполнении. Их изготовляют диаметром 325-1400 мм с трубами длиной 6-9 м, на условное давление до 6,4 МПа и для рабочих температур до 450°С. Масса теплообменников до 30 т.

Рисунок 1.7 - Теплообменник с U-образными трубами

Для обеспечения раздельного ввода и вывода теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка 5.

Теплообменники типа ТУ являются двухходовыми по трубному пространству и одно - или двухходовыми по межтрубному пространству. Двухходовой теплообменник с U-образными трубками показан на рисунке 1.8 В этом аппарате установлена продольная перегородка 2, извлекаемая из кожуха 1 вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата и перегородкой 2 у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины или прокладку из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки.

Рисунок 1.8 - Двухходовой теплообменник с U-образными трубками

В аппаратах типа ТУ обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соседних труб. Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100°С. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей [1].

В данном блоке используется ребойлер Т-9. Технические характеристики ребойлера Т-9 приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Технические характеристики ребойлера Т-9

Ребойлеры применяются в холодильных установках для испарения низкокипящих хладоагентов при охлаждении нагретых рабочих сред до низких температур, а также в ректификационных и десорбционных установках как парогенерирующее оборудование для обогрева нижней части колонны потоками пара кипящего компонента. Схема ребойлера с U-образными трубками представлена на рисунке 1.9 [8].

1 - распределительная камера: 2 - трубная доска: 3 - корпус: 4 - трубчатка; 5 - крышка эллиптическая; 6 - переливная планка; 7 - днище; 8 - опора

Рисунок 1.9 - Ребойлер с коническим днищем и U - образными трубками

Ребойлер изготовлен из стали 17Г1 СУ.

17Г1 СУ - Сталь конструкционная низколегированная, содержание углерода - примерно 0,17 %, марганца - примерно 0,01 % [6].

Низколегированные конструкционные стали содержат недорогие и недефицитные легирующие элементы (до 2,5%) и обладающие повышенной прочностью и пониженной склонностью к хрупким разрушениям по сравнению с углеродистыми сталями. Применяются для изготовления труб магистральных газопроводов, металлоконструкций машин и механизмов [4].

1.3.3 Насосное оборудование

Насос - машина, предназначенная для преобразования механической энергии привода в гидравлическую энергию потока перекачиваемой жидкой среды (жидкости) с целью ее перемещения.

Насосный агрегат типа К показан на рисунке 1.10 Он состоит из насос и приводного двигателя, соединенных между собой контрольно-измерительными приборамми и аппаратурой автоматического регулирования и контроля. Насосный агрегат и комплектующее оборудование с подводящим и напорным трубопроводами и арматурой называется насосной установкой. Общий вид насосной установки представлен на рисунке 1.11.

Рисунок 1.10 - Насосный агрегат типа К

Рисунок 1.11 - Общий вид насосной установки

На нефтеперерабатывающих заводах насосы служат для перекачивания нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, щелочей, кислот и работают в широких диапазонах производительности, напора и температуры. Поэтому обычные требования, предъявляемые к насосам (надежность и долговечность в эксплуатации, герметичность соединений и безупречная работа сальниковых или торцовых уплотнений), в условиях указанных предприятий приобретают чрезвычайно важное значение, поскольку неисправности в насосах и их узлах приводят к нарушениям технологического режима установок, а иногда и к авариям.

Требования надежности и долговечности насосов повышаются, особенно сейчас, когда в проектах новых технологических установок резко сокращается количество резервного насосного оборудования.

На рисунке 1.12 представлено устройство центробежного насоса, состоящего из рабочего колеса 1, корпуса насоса 2, подводящего канала 5 (входная часть корпуса от приемного патрубка насоса до рабочего колеса), отводящего канала 9 (часть корпуса, по которому жидкость, выброшенная из рабочего колеса, отводится к напорному патрубку 7).

1 - рабочее колесо; 2 - корпус, 3 - всасывающий трубопровод; 4 - обратный клапан, 5 - подводящий канал; 6, 7 - напорный патрубок, 8 - воронка, 9 - отводящий канал

Рисунок 1.12 - Устройство центробежного насоса

Центробежные насосы обычно располагают выше уровня жидкости в приемном резервуаре, поэтому насос перед пуском необходимо заполнить этой жидкостью.

Заливать насос при наличии обратного клапана 4 с сеткой можно через воронку 8 до полного вытеснения воздуха из всасывающего трубопровода 3 и корпуса насоса 2. Если нет обратного клапана, то для заливки воды нужно отсасывать воздух из корпуса насоса (при закрытой задвижке) специальным вакуумом-насосом. Схема центробежного насоса показана на рисунке 1.13. Он состоит из рабочего колеса, снабженного лопастями и установленного на валу в спиральном корпусе. Жидкость в рабочее колесо поступает в осевом направлении. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса, жидкость прижимается к стенке корпуса и выталкивается в нагнетательное отверстие по касательной к рабочему колесу. При этом на входе в насос давление падает, и в рабочее колесо устремляется жидкость, находящаяся под более высоким давлением, например под атмосферным давлением при выкачивании жидкости из открытого резервуара.

1 - вал; 2 - нагнетательный патрубок; 3 - лопасть; 4 - рабочее колесо; 5 - лопасть

Рисунок 1.13 - Схема центробежного насоса

Наиболее распространены в нефтеперерабатывающей промышленности насосы типа К (консольные) Они предназначены для перекачки воды и других чистых жидкостей, вязкость и химическая активность которых близки к показателям воды. Название "консольный" насос получил по способу закрепления рабочего колеса на конце вала, который на участке от переднего подшипника до колеса работает как консоль. Корпус насоса имеет торцовый разъем. Крепится насос на фундаментной плите совместно с электродвигателем, с которым имеет непосредственное соединение.

Количество лопастей обычно от шести до восьми, но для насосов, предназначенных для перекачки загрязненных жидкостей, число их уменьшают до двух или четырех. Этим увеличивают сечение каналов для прохода взвешенных частиц. Форму и размеры проточной части колеса определяют расчетом. При этом учитывают его механическую прочность и технологичность изготовления.

Зазор между колесом и крышкой должен быть минимальным, но обеспечивающим свободное (без трения) вращение колеса. Обычно его выбирают в пределах 0,4-0,6 мм. С увеличением зазора возрастает количество жидкости, перетекающей из напорной полости во всасывающую под влиянием разности давлений. Такое перетекание нежелательно, так как оно снижает КПД насоса.

Колеса изготовляют путем литья, материалы для них выбирают с учетом агрессивности перекачиваемой среды. Большинство насосов имеют чугунные колеса. Для перекачивания агрессивных сред применяют колеса из бронзы, нержавеющей стали, керамики, пластмасс и др. Колеса крупных насосов, испытывающие большие напряжения, изготавливают из углеродистой или марганцовистой стали.

Передний диск колеса имеет обточенную цилиндрическую поверхность, которой он входит в крышку корпуса насоса. В крышке, в свою очередь, запрессовано уплотнительное кольцо [1].

В данном блоке используется насос для подачи экстрактного раствора из К-1, К-8 в К-5 Н-4А. Технические характеристики насоса для подачи экстрактного раствора из К-1, К-8 в К-5 Н-4А приведены в таблице 6.

Таблица 6 Технические характеристики насоса для подачи экстрактного раствора из К-1, К-8 в К-5 Н-4А

СЧ 28-48 - серый чугун; предел прочности при растяжении - 280 МПа, при изгибе - 480 МПа.

Из серого чугуна допускается изготавливать детали аппаратов, работающих под давлением до 1МПа при температуре от минус 15 ^оС до плюс 250^оС. Серые чугуны используют преимущественно для деталей относительно сложной конфигурации, требующих литой заготовки. Из него изготавливают: стойки опор, крышки, колпачки и тарелки ректификационных колонн, гарнитуру печей (шиберы, заслонки, задвижки, дверцы), элементы погружных конденсаторов, корпусы, втулки и порции для компрессоров и насосов, и т.д.

Серый чугун не применяют для изготовления деталей, подверженных значительным динамическим нагрузкам из-за низкой ударной вязкости [1].

2. Технологический раздел

2.1 Описание принципиальной технологической схемы блока регенерации экстрактного раствора и осушки растворителя

2.1.1 Регенерация растворителя из экстрактного раствора

Экстрактный раствор с низа колонны К-1, К-8 забирается насосами Н-4, Н-23 (Н-4А), прокачивается через теплообменники Т-8Г, Т-8Б, Т-8В, Т-8А, Т-8 и направляется на третью тарелку испарительной колонны К-5. В колонне К-5 смонтированы семь тарелок клапанного типа. Нагрев экстрактного раствора в Т-8, Т-8А, Т-8Б, Т-8В осуществляется за счет тепла парожидкостной смеси метилпирролидона после параллельно включенных по всем потокам ребойлеров Т-9, Т-9А, Т-9Б, Т-9В, поступающей из колонны К-4 под давлением до 0,3 МПа и с температурой не выше 240 ^оС, а в Т-8Г за счёт тепла растворителя, откачиваемого из К-9 в АВО-1, АВО-2, Т-7 с температурой 170-200 ^оС.

Экстрактный раствор в К-5 стекает вниз на глухую тарелку, с которой перетекает в межтрубное пространство параллельно включенных ребойлеров Т-9, Т-9А, Т-9Б, Т-9В. Нагрев в ребойлерах до 215 - 245 осуществляется за счет скрытой теплоты конденсации паров растворителя из испарительной колонны К-4. Образовавшиеся пары метилпирролидона из межтрубного пространства ребойлеров отводятся под глухую тарелку колонны К-5. Жидкая часть экстрактного раствора из ребойлеров, нагретая до температуры 215-245 ^оС поступает вниз колонны К-5. Для поддержания температуры низа колоны в пределах 215-245 ⁰С часть экстрактного раствора с первого и второго потока после печи П-2, направляется в колонну К-5 ("горячая струя").

Обезвоженный экстрактный раствор с низа колонны К-5 с температурой 215-245 ^оС забирается насосом Н-17 (Н-16А) и двумя потоками прокачивается через печь П-2. Расход по потокам регулируется в зависимости от уровня в К-5 и температуры их выхода после печи П-2

Нагретые потоки объединяются и направляются на вверх (шестая тарелка) испарительной колонны К-4. В колонне К-4 смонтированы десять тарелок клапанного типа.

Пары метилпирролидона с верха К-5 с температурой в пределах 200-205 ^oС направляются на третью тарелку осушительной колонны К-9. В колонне К-9 смонтированы двадцать шесть тарелок ситчатого типа.

С верха колонны К-9 пары воды и небольшого количества растворителя с температурой 105 - 115 ^оС и давлением до 0,07 МПа направляются через АВО-3, АВО-4, Т-10 в емкость Е-4 (Е-6) с температурой 30-60 ^oС.

Экстрактный раствор с верхней части колонны К-4 стекает вниз на прием насоса Н-16 (Н-16А, Н-19А), откуда прокачивается через печь П-3, нагревается до температуры не более 300 ^оС и поступает в нижний "аккумулятор" колонны К-4.

Далее экстракт с содержанием растворителя около 6 % под действием избыточного давления К-4 с нижнего "аккумулятора" колонны перетекает в отпарную колонну К-6.

Парожидкостная смесь растворителя на выходе из трубных ребойлеров Т-9, Т-9А, Т-9Б, Т-9В объединяется и проходит по межтрубному пространству попарно-параллельно включенных теплообменников Т-8, Т-8А и Т-8Б, Т-8В, поступает в АВО-1, АВО-2, Т-7 и далее в емкость сухого растворителя Е-3 (Е-3А) с температурой 55-98 ^оС. Часть паров растворителя из К-4 подается вниз колонны К-9.

Окончательная отпарка растворителя из экстрактного раствора осуществляется в отпарной колонне К-6, которая работает под остаточным давлением не более 0,09 МПа или вакуумом не менее 0,01 МПа (остаточное давление не более 684 мм. рт. ст.). Пары с верха К-6 отводятся вниз баромконденсатора А-1 и далее по схеме регенерации рафинатного раствора.

В низ колонны К-6 подается водяной пар в количестве не менее 200 кг/час. Экстракт с низа К-6 с температурой не менее 220 ^оС (которая регистрируется прибором TR 110-7), откачивается насосом Н-19 (Н-19А, Н-10) через теплообменник Т-13А, холодильник АВО-9 и с температурой не более 120 ^оС откачивается в резервуары ППМД.

Для уменьшения уноса масла с верху отпарной колонны К-6 предусмотрена подача орошения (легкого масла из Е-0 (Е-6), подаваемого насосом Н-5 (Н-14А) или обводнённого растворителя от насоса Н-9 (Н-9А)) наверх колонны.

2.1.2 Осушка растворителя

В колонне К-9 осуществляется смешение паров растворителя с водным раствором растворителя. За счет теплоты конденсации паров испаряется вода и часть растворителя. Далее в колонне происходит ректификация, т.е. теплообменный процесс на контактирующих устройствах.

В нижнюю часть колонны К-9, на третью тарелку, поступают пары растворителя с верха испарительной колонны К-5 с температурой 200 ^оС.

Температура низа колонны К-9 устанавливается автоматически по равновесию жидкости и паров при определенном давлении. Пары с верха колонны К-9 направляются в аппараты воздушного охлаждения АВО-3, АВО-4, Т-10 где конденсируются и направляется в емкость Е-4 (Е-6).

Из емкости Е-4 (Е-6) обводненный растворитель насосом Н-14 (Н-14А) подается на орошение на верхнюю тарелку К-9 для поддержания температуры 105-115 ^оС.

С низа осушительной колонны К-9 растворитель забирается насосом Н-7 (Н-8А), прокачивается через межтрубное пространство теплообменника Т-8Г (в трубном пространстве нагревается экстрактный раствор) через АВО-1, АВО-2, Т-7 и поступает в емкость Е-3 (Е-3А).

Для поддержания температуры низа К-9 в пределах 190-220 ^оС часть паров растворителя из колонны К-4 подается вниз колонны К-9.

На колоннах К-4, К-5, К-9 установлены предохранительные клапаны, сброс с которых осуществляется через погружной холодильник Х-11 в емкость Е-6 [3].