Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание

Аннотация

Нормативные ссылки

Определения

Введение

1. Описание технологического процесса

1.1 Характеристика сырья

1.2 Основные показатели и факторы промышленного процесса

1.3 Свойства и механизм процесса образования кокса

1.4 Характеристика получаемой продукции

1.5 Технологическая схема установки

2. Постановка задачи

3. Выбор и обоснование параметров регулирования контроля и сигнализации

4. Выбор и обоснование технических средств автоматизации

Заключение

Литература

Аннотация

Целью данной курсовой работы является изучение роли автоматизации в процессе производства нефтяного кокса. Актуальность избранной темы вызвана тем, что внедрение специальных автоматических устройств приводит к увеличению количества продукции и улучшению его качества, росту производительности труда, снижению себестоимости продукции, улучшению условий работы, удлинению сроков эксплуатации оборудования и т. д.

Первая часть работы посвящена описанию технологического процесса, здесь же описывается характеристики сырья и получаемой продукции, основные факторы процесса и описание технологической схемы.

Во второй части приводятся основные задачи и цели по изучению роли автоматизации в процессе производства.

В третьей части содержится обоснование основных контуров процесса, которые необходимо автоматизировать.

Выбор и обоснование технических средств автоматизации, а также характеристика всех технических средств автоматизации приводится в четвертой части.

В заключении представлены основные выводы и результаты проделанной работы.

Нормативные ссылки

В настоящем курсовом проекте использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 2.102 - 68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.

ГОСТ 2.104 - 68 ЕСКД. Основные надписи.

ГОСТ 2.201 - 80 ЕСКД. Обозначение изделии и конструкторских документов.

ГОСТ 2.301 - 68 ЕСКД. Форматы.

ГОСТ 2.601 - 95 ЕСКД. Эксплуатационная документация.

ГОСТ 2.304 - 81 ЕСКД. Шрифты чертёжные.

ФС ЮКГУ 4.6 - 002 - 2005 СМК. Правила оформления учебной документации. Общие требования к графически документам.

ГК РК 04 - 99 «классификатор продукции по видам экономической деятельности» (КПВЭД)

Определения

Автоматизация - применение технических, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.

Измерительный прибор - средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Контроллер - электрический многопозиционный переключающий аппарат низкого напряжения, с помощью которого изменяют режим работы приемников электрической энергии.

Преобразователь - электрическое, гидравлическое ил пневматическое устройство, формирующее выходной сигал, который связан с одним либо с несколькими сигналами заданной функциональной зависимостью.

Термопара - термочувствительный элемент в устройствах для измерения температуры, системах управления и контроля. Состоит из двух последовательно соединенных между собой разнородных проводников ил полупроводников.

Регулирующие органы - по конструкции представляют собой устройства, монтируемые непосредственно в технологические трубопроводы. Это различные клапаны, заслонки шибера и т. п.

Кокс - целевой продукт коксования , представляет собой твердый остаток с содержание углерода более 96%.

Коксование - промышленный метод переработки тяжелых нефтяных остатков, осуществляют с целью получения кокса.

Гудрон - основное сырьё для процесса коксования, продукт вакуумной перегонки мазута.

Легкий и тяжелый газойли - побочные продукты коксования, первый направляется на смешение с дизельным топливом, последний направляется на установки термического крекинга (используется для получения сажи).

Смолы и асфальтены - высокомолекулярные компоненты тяжелых нефтей и нефтяных остатков сложного строения.

Фаза - термодинамически равновесное состояние вещества.

Мезофаза - промежуточная фаза.

Введение

Образование кокса при термическом крекинге ограничивает возможности дальнейшего углубления процесса. Однако, если не опасаться образования кокса, не считать его вредным побочным продуктом, то выход светлых дистиллятов можно значительно повысить.

Такой термический процесс, при котором наряду с дистиллятами получают в качестве конечного продукта нефтяной кокс, называется коксованием. В настоящее время коксование служит как для увеличения выхода светлых нефтепродуктов из тяжёлого сырья, так и для производства пользующегося большим спросом нефтяного электродного кокса.

Замедленное коксование, относится к вторичной перегонке и играет значительную роль в переработке нефти. На сегодняшний день потребность в нефтяном коксе, как более дешевым и высококачественном материале, чем кокс, получаемый на основе угля (пековый), весьма значительна и непрерывно возрастает. Основной потребитель кокса - алюминиевая промышленность: кокс служит восстановителем при выплавке алюминия из алюминиевых руд. Из других областей применения кокса следует назвать использования его в качестве сырья для изготовления графитированных электродов для сталеплавильных печей, для получения карбидов (кальция, кремния) и сероуглерода. Специальные сорта применяют как конструкционный материал для изготовления химической аппаратуры, работающей в условиях агрессивных сред.

1. Описание технологического процесса

1.1 Характеристика сырья

Нефть Охинского месторождения относится к нефтям острова Сахалин. В геологическом строении о. Сахалин принимают участие мезакайнозойские и палеозойские отложения. В Восточно-Сахалинском антиклинории выделяют семь антиклинальных зон: Эхабинская (I), Приморская (II), Cабинская (III), Некрасовская (IV), Гыргыланьинская (V), Паромайская (VI), Катанглийская (VII), к которым приурочены все открытые нефтяные и газовые месторождения. В Эхабинской антиклинальной зоне исследованы нефти пяти месторождений: Южно-Колендинского, Колендинского, Охинского, Северо-Охинского, Эхабинского и Тунгорского.

Сахалинские нефти имеют весьма разнородный состав, они значительно различаются между собой и в пределах одного месторождения. Нефти близки лишь по содержанию серы. Подавляющее большинство нефтей малосернистые и относятся к I классу.

Содержание смолистых веществ в отдельных нефтях невысокое: в некрасовской нефти смол селикагеливых 1,61%; в паромайской 2,70%. Наибольшим содержанием смолистых веществ отличаются Катанглийская (14,90%) и охинская нефти(17,20%). Сахалинские нефти значительно различаются по содержанию парафина и выходу светлых фракции. Наименьшим содержанием парафина и светлых фракции отличатся нефти катанглийкой и гыргыланьинской зон. Наиболее высоким содержанием парафина отличаются тунгорская нефть - 4,87% при температуре плавления парафина 500С.

Бензиновые фракции большинства сахалинских нефтей имеют высокие октановые числа, что объясняется значительным содержанием нафтеновых и ароматических углеводородов. Эти фракции являются прекрасным сырьем для каталитического риформинга. Содержание нафтеновых углеводородов во всех бензиновых фракциях превышает 30%, для большинства бензиновых фракций оно составляет 40-50%. Сера в бензиновых фракциях большинства нефтей практически отсутствует.

Керосиновые дистилляты отличаются плохими фотометрическими свойствами и повышенной против технических норм кислотностью.

Низкие цетановые числа, высокие показатели вязкости, а также утяжеленный фракционный состав при низких температурах застывания не позволяют получать из большинства нефтей зимних и арктических дизельных топлив.

Из многих сахалинских нефтей могут быть получены топочные и флотские мазуты. Дистиллятные масленые фракции отличаются большим содержанием ароматических углеводородов(41-69%).

Согласно технологической классификации все изученные сахалинские нефти относятся к I классу. Среди нефтей преобладают нефти типа Т1, по содержанию парафина большинства нефтей относятся к виду П2.

Таблица 1 - Характеристика Охинской нефти

№	Наименование	Ед. изм.	Показатели
1	2	3	4
1	Плотность d204 по ГОСТ 3900-47	кг/м3	0,9206
2	Молекулярная масса, М	-	236
3	Вязкость кинематическая при 200С по ГОСТ 33-66	сСТ	72,77
4	Вязкость кинематическая при 500С по ГОСТ 33-66	сСТ	20,48
5	Температура вспышки, Твс по ГОСТ 6356-52	Ок	34
6	Температура застывания с обработкой по ГОСТ 20287-74	Ок	-44
7	Содержание парафина	%	0,92
8	Содержание серы	%	0,3
9	Содержание смол сернокислотных по ГОСТ 2550-44	%	37
10	Содержание смол силикагелевых	%	17,20
11	Содержание асфальтенов	%	1,33
12	Коксуемость по ГОСТ 5987-51	%	3,65
13	Зольность по ГОСТ 1461-59	%	-
14	Кислотное число по ГОСТ 5985-59	мгКОН /100 г	0,72
15	Выход фракций от начала кипение /Н.К./ до 2000С	%	7,2
16	Выход фракций н.к. до 3500С	%	40,5
17	Нафтеновые кислоты и фенолы	%	-
18	Давление насыщенных паров При 380С При 500С	мм.рт.ст	- -
19	Глубина перфорации	м	-
20	Скважина № -

Таблица 2 - Разгонка нефти по ГОСТу 2177-66

Нк	1200С	1400С	1500С	1600С	1800С	2000С	2200С	2400С	2600С	2800С	3000С
140	-	-	-	2	4	7	12	15	17	24	34

Таблица 3 - Элементный состав

C	H	O	S	N
87,15	11,85	0,27	0,30	0,43

Таблица 4 - Потенциальное содержание (в вес.%) фракций в нефти

Фракция, 0С	Выход в %	Фракция, 0С	Выход в %
95	0,7	390	51,2
100	0,8	400	54,0
105	1	410	56,6
110	1,2	420	58,8
120	1,6	430	60,9
122	1,8	440	62,6
130	2,0	450	64,5
140	2,6	460	66,1
145	2,9	470	68,0
150	3,2	480	70,0
160	3,8	490	73,0
170	4,3	500	-
180	5,1	Остаток	27,0
190	6,0
200	7,2
210	8,3
220	10
230	11,8
240	14
250	16
260	18,3
270	20,8
280	23,2
290	25,3
300	28,7
310	30,7
320	33,1
330	36
340	38,3
350	40,5
360	43,2
370	46,0

1.2 Основные показатели и факторы промышленного процесса

Предусмотрена возможность работы камеры при двух давлениях: ? 0,4 МПа при переработке малосмолистого сырья и при ? 0.18 МПа в случае высокосмолистого сырья. Малосмолистое сырье дает меньше кокса и больше продуктов разложения, поэтому во избежание чрезмерно большой скорости паров и переброса части содержимого, камеры в колонне поддерживают давление более высоким. Так, при работе на малосернистой жирновской нефти выход кокса, составляет всего 12,5%, а при работе на крекинг-остатке ромашкинской нефти он равен 33%; соответственно, суммарный выход газа, бензина и легкого газойля, составляет 60,3% из малосмолистого сырья и 37,0 % из смолистого.

При коксовании тяжелых газойлей термического или каталитического крекинга повышенное давление играет решающую роль, так как сырье при 495-510 оС на входе в камеру и при 440-460 оС на выходе и при давлении, близком к атмосферному, будет находиться в основном в газовой фазе, и выход кокса будет низкий. Например, при коксовании утяжеленного газойля термического происхождения в автоклаве при атмосферном давлении получено 7,9% кокса и 82,6% дистиллята; 9,5% приходилось на газ и потери; та же сырье, прококсованное при ~0,3 МПа, дало 15,9% кокса, 70,2% дистиллята и 13,9% газа.

Большое влияние на выход и, качество кокса оказывает коэффициент рециркуляции сырья. Обычно он составляет от 0,2 да 0,6. Более низкие значения соответствуют остаточному сырью (гудроны, остатки вис6рекинга) при получении «рядового» кокса. При получении высококачественного «игольчатого» кокса используют ароматизированное дистиллятное сырье и разбавление его рециркулятом благоприятно влияет на качество кокса, так как рециркулят, побывавший в зоне коксования, содержит даже больше тяжелых ароматических углеводородов, чем исходное сырье.

Качества кокса заметна зависит от температуры нагрева сырья в печи. Чем выше температура на входе в камеры, тем меньше содержание летучих в коксе и тем выше его механическая прочность. Однако эта температура ограничена возможностью закоксовывания труб, а также образованием в камере некондиционного «гроздьевидного» кокса.

Прокаливание кокса. Некоторые установки замедленного коксования снабжены прокалочными агрегатами для удаления из кокса основной части так называемых летучих.

Выход летучих определяется количеством паров и газов, выделяющихся при нагревании и выдерживании кокса при определенных стандартных условиях (по ГОСТ 3929-65 прокаливание кокса ведут в течение 7 мин при 850 оС). Максимально допустимое содержание летучих 7% (масс.) для кокса l-го сорта и 9% (масс.) для кокса 2-го сорта. Так как кокс замедленного коксования откладывается в камерах при относительно низких температурах, то указанное содержание летучих не всегда удается выдержать. Частичного снижения летучих (на 1-1,5%) можно достигнуть, подавая после заполнения камеры коксом горячие (500 оС и выше) пары газойля, смешанные с водяным паром-турбулизатором. Однако для последующей подготовки кокса к использованию в производстве анодной массы или графитированных электродов его необходимо прокалить при 1200-1300 оС. В результате прокаливания повышается относительное содержание углерода в коксе, увеличивается его истинная плотность и снижается электрическое сопротивление.

Иногда прокаливание проводят на заводе-изготовителе электродной продукции, однако в последние годы все более широко начинают применять прокалочные печи на нефтеперерабатывающих заводах - при установках коксования. При этом можно на 5-10% снизить количество кокса, транспортируемого с НПЗ, и облегчить его дальнейшее использование, так как при повышенном содержании летучих приходится сжигать их на месте производства продукции, что осложняет технологию и повышает загазованность прокалочных цехов. Прокалочные агрегаты размещают на нефтеперерабатывающих заводах на открытом воздухе.

1.3 Свойства и механизм процесса образования кокса

При рассмотрении вопроса коксообразования долгое время за основу его механизма были приняты параллельно-последовательные реакции деструкции и уплотнения, которые в основном сводятся к следующему:

масла смолы асфальтены карбены карбоиды, с различными модификациями.

На основе такой схемы, рассматривая реакции как чисто химические, М. Левинтер с сотрудниками попытался разработать математическую модель, определив экспериментально константы реакций.

Фактически система уравнений описывает процесс крекинга, а не коксообразования, поэтому не позволяет получить количественные данные по выходу кокса, сравниваемые с экспериментальными. В дальнейших исследованиях появляются попытки на основании схемы агрегирования по П. Ребиндеру коксообразование представить как результат изменения дисперсной системы.

Р. Магарил, тщательно изучая химизм процесса коксообразования, пришел к окончательному выводу, что в рамках представлений о параллельно-последовательных реакциях деструкции и конденсации невозможно описать все характерные особенности процесса. Основанием для такого вывода послужило образование кокса, только лишь при достижении определенного состояния жидкой фазы - застудневания.

Указанные результаты, а также основополагающая работа Г. Брукса и Г. Тейлора о мезофазных превращениях при термической обработке нефтепродуктов, послужили толчком для развития физических идей фазового перехода. В основном эти идеи заключались в рассмотрении возникающих при термообработке структур, напоминающих по ряду свойств традиционные жидкие кристаллы. В концентрированном виде исследование мезофазных превращений изложено в работах Р. Гимаева.

Экспериментально показано, что кокс преимущественно волокнистой (игольчатой) структуры получается только из высокоароматизированных продуктов с низким содержанием гетероэлементов (кислорода, серы, металлов и т.д.) и асфальто-смолистых веществ разветвленного строения. Поэтому не случайно сферы мезофазы впервые были обнаружены и наиболее полно изучены при карбонизации пеков каменноугольного и нефтяного происхождения, отличающихся от обычных нефтяных остатков прежде всего высокой степенью ароматичности.

Суть теории мезофазных превращений заключается в следующем. На первой стадии процесса происходит накопление в жидкой фазе полициклических ароматических углеводородов, смол и асфальтенов. Кокс образуется только при наличии в карбонизирующейся массе отдельной фазы асфальтенов. Причем концентрация и фазовое состояние асфальтенов существенным образом влияют на кинетику коксообразования и на качество получаемого кокса. В случае высокоароматизированного сырья, в котором асфальтены хорошо растворяются, выделение асфальтеновой фазы наступает только при достижении концентрации, соответствующей застудневанию. Длительная термообработка при концентрациях ниже концентрации застудневания способствует более полному отщеплению боковых углеводородных цепочек и повышению содержания голоядерных ароматических структур, что в свою очередь приводит к улучшению структуры кокса. Мезофаза зарождается и растет в асфальтеновой фазе. Наиболее вероятно, что образуется так называемая дискотическая жидкокристаллическая фаза.

Поскольку такой подход к описанию коксообразования не дал объяснения всей совокупности известных фактов, акцент в исследованиях стал смещаться в сторону изучения коллоидных свойств нефтепродуктов, процессов структурирования в жидкой фазе.

В полной мере процесс структурирования в жидкой фазе при фазовых превращениях в нефтяных дисперсных системах осознан З. Сюняевым и развит в работах его школы и др. Здесь же постулируются образование сложных структурных единиц (ССЕ), состоящих из ядра и сольватной оболочки, которая окружает ядро, и их развитие. Это означает, что при определенных условиях различные составляющие нефтепродуктов, как жидкие, твердые, так и газообразные, могут служить ядром ССЕ, которая изменяет структуру окружающего пространства, создавая тем самым оболочку толщиной, изменяющейся в широких пределах в зависимости от внешних факторов и растворяющей способности среды.

Представления о структурировании в жидкой фазе фактически определили ступенчатость фазового перехода при термообработке нефтяных остатков и позволили разработать модель для описания студнеобразного состояния системы.

Наиболее уязвимым местом физико-химической механики нефтяных дисперсных систем является то, что в ее рамках нет обоснованного ответа на вопрос, какова природа сил, ответственных за структурирование столь разнородных по химическому строению веществ.

Попытки найти причины агрегирования так или иначе связываются со структурами, объединенными под названием асфальтены. Это обусловлено тем, что коксообразование начинается только при достижении определенной концентрации асфальтенов.

До последнего времени классическим было определение асфальтенов как порошка от темно-коричневого до черного цвета, растворимого в бензоле, четыреххлористом углероде (тетрахлоруглероде) и сероуглероде, но не растворимого в парафиновых углеводородах.

Природа возникновения и строение асфальтенов, а также сил, ответственных за их агрегирование, длительное время изучается и накоплен определенный опыт в этом направлении.

Предполагается, что все силы, действующие в асфальтеновом комплексе, можно разделить на близкодействующие (проявляющиеся на расстоянии 3-4 Е) и дальнодействующие. В качестве близкодействующих сил рассматриваются ориентационные, деформационные, возникающие между полярными и неполярными. Здесь же к дальнодействующим силам отнесены:

- взаимодействия за счет обобществленных электронов ароматических фрагментов (р-взаимодействия) асфальтенов и других углеводородных молекул, содержащих ароматические структуры;

- радикальное взаимодействие между двумя неспаренными электронами;

- водородные связи.

Однако есть основание полагать, что не все из указанных сил могут быть ответственны за агрегирование. В этом отношении изящные эксперименты с применением модельных радиоактивных индикаторов и метода ступенчатой экстракции асфальтеновых фракций однозначно показали, что ни р-взаимодействия, ни водородные связи не могут отвечать за агрегирование в нефтяных дисперсных системах. Указанные силы носят вспомогательный характер. Какое место они занимают в процессе агрегирования, будет показано ниже.

Фундаментальные исследования, проведенные Ф.Г.Унгером методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), позволили установить, что понятия парамагнетизм и асфальтены неразделимы, и тем самым выявить при роду сил, ответственных за структурирование. Это спин-спиновое взаимодействие свободных нейтральных радикалов.

Структурирование в ассоциаты начинается при достижении определенной концентрации свободных радикалов, т.е. стадия их образования определят скорость всего процесса. При этом асфальтенами, очевидно, следует считать все соединения и компоненты нефтяных остатков, которые обладают парамагнетизмом независимо от строения.

В связи с этим возникает вопрос, почему другим характерным свойством асфальтенов является наличие ароматических структур? Возможно, за счет комбинирования сил различной природы. Так, установлено влияние водородных связей и р-комплексов на реакционную способность радикалов. Существует мнение, что неспаренные электроны ассоциированы с делокализованными р-электронами конденсированной ароматической системы. С другой стороны, ароматические структуры могут создавать существенные пространственные затруднения для рекомбинации радикалов, делая их стабильными.

Существует также предположение, что парамагнетизм в нефтяных системах обусловливается спин-спиновым взаимодействием стабильных радикалов, которые, видимо, ассоциируются с системой ароматических колец, содержащих нечетное число атомов углерода, и могут существовать как полная структурная ароматическая единица только в состоянии свободного радикала. Например, при пиролизе нафталина образуется полимер, в котором 29 атомов углерода имеют общую р-систему электронов и один атом углерода с другим. распределением валентных электронов и не скомпенсированным спином электрона - так называемый нафтантриловый радикал.

Такой взгляд на парамагнетизм наиболее полно суммирует известные факты и дает объяснение, почему при термообработке и поликонденсации индивидуальных ароматических углеводородов близкого строения одни дают выход кокса, а другие нет, и почему асфальтены имеют ароматическую природу.

В ассоциированных комплексах на основе неспаренных электронов образуются прочные связи. Энергия взаимодействия близка к энергии ковалентных связей и составляет 400-4000 кДж/моль. Достаточно велика также и энергия взаимодействия между парамагнитными и диамагнитными молекулами, которая на 2-3 порядка больше ван-дер-ваальсовых взаимодействий.

При образовании асфальтенов решающую роль играют процессы разрыва химических связей и образования более крупных молекул. Поэтому наблюдается генетическое родство ароматических фракций мальтенов и асфальтенов, которое заключается в единстве принциповструктурно -молекулярнойорганизации соответствующих характеристических фрагментов. Не удивительно, что при крекинге, например, смол пиролиза в образовании асфальтенов активное участие принимают полициклические ароматические углеводороды, которые в свою очередь образуются при пиролизе этана или ацетилена.

Асфальтены обладают значительной способностью притягивать не только ароматические углеводороды, но и гетероциклические соединения. Это можно объяснить тем, что наблюдается стремление молекул ориентироваться таким образом, чтобы во взаимный контакт с другими молекулами вступало наибольшее число атомов, поэтому взаимодействующие ароматические молекулы ориентируются в параллельных плоскостях.

Совокупность известных фактов позволяет сделать вывод, что асфальтены - это парамагнитные молекулы сложного нафтеноароматического пачечного строения. Реологические исследования показали, что асфальтены ведут себя аналогично компактным ассоциированным полимерам. Они способны к ассоциированию в основном за счет спин-спинового взаимодействия свободных радикалов.

При коксовании в изотермических условиях при температуре 418-420.С гудрона, который содержал радиоактивные алкилфенантрены, за 4 ч коксования удельная радиоактивность образующихся асфальтенов проходит через минимум, радиоактивность карбоидов возрастает.

Таким образом, приведенные результаты доказывают наличие процессов полимеризации в ассоциатах. Размеры ядра могут изменяться в сторону увеличения только в пределах сольватной оболочки, а размеры последней зависят от концентрации парамагнитных центров в ядре и состава среды.

Возникновение асфальтеновых ассоциатов и их эволюция до карбенов отражают вторую ступень структурирования в жидкой фазе при термической обработке тяжелых нефтепродуктов, а любой процесс получения углеродистых веществ из жидкой фазы будет проходить через стадию образования жидкого пека.

Дальнейшее изменение может произойти в двух направлениях. Если после образования структуры жидкого пека начинается съем тепла, то образуется структура твердого пека. Если продолжается процесс температурного воздействия, то сольватная оболочка вырождается и образуется кокс.

Продолжение термолиза после формирования пековой фазы вызывает два параллельно реализующихся процесса: разложение и переход асфальтенов из сольватной оболочки в ядро ассоциата. Видимо, также имеет место процесс образования асфальтенов и возникновения дополнительного количества неспаренных электронов в уже существующих парамагнитных молекулах. Совокупность процессов ведет к образованию карбенов и газовых пузырей. Последние фиксируются в пековой матрице в результате резкого увеличения вязкости.

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о том, что в реакторе коксования происходят события не менее значительные, чем в нагревательной печи, где происходит крекинг сырья. До сих пор это понято не всеми, и, как результат, - невысокое качество кокса на многих установках, трудности при получении специальных видов кокса методом замедленного коксования. Практически отсутствуют системы специальной подготовки сырья, без которых, видимо, не удастся существенно повысить качество кокса.

Крекинг углеводородного сырья. Поскольку для образовании кокса необходимо создать пековую фазу - расплав асфальтеновых ассоциатов, то становится понятно, что предварительно в системе должно накапливаться определенное количество асфальтенов. Для этого сырье коксования подвергается крекингу в нагревательной печи.

Термический крекинг даже простейших углеводородов является достаточно сложным процессом последовательно-параллельных реакций, включающих множество элементарных химических реакций и промежуточных взаимных переходов одних компонентов в другие. Поэтому, несмотря на целый ряд исследований механизма и кинетики крекинга как индивидуальных углеводородов, так и их смесей и нефтяных фракций, в настоящее время отсутствуют обобщенные кинетические зависимости, которые позволили бы описать весь комплекс реакций и прогнозировать подбор сырья, оптимальные условия его превращения.

Однако понятен общий принцип подготовки сырья с учетом представлений о механизме коксообразования. Дело в том, что на каждом этапе переработки нефти с утяжелением остаточных продуктов происходит не только накопление асфальтенов, но и их дифференциация по размерам и степени ассоциации. Система становится весьма неоднородной, и эта неоднородность в конечном счете полностью отражается на свойствах получаемого кокса. Поэтому, когда нужно получить коксы типа игольчатых, стремятся в качестве сырья взять менее структурированные продукты типа газойлевых фракций вторичных процессов. Есть другой путь, которому отдают предпочтение за рубежом. Он связан с использованием процесса избирательной деасфальтизации после каждого акта термического воздействия. В этом случае идет накопление асфальтенов определенной узкой фракции. И этот путь, очевидно, будет приоритетным в ближайшем будущем, если удастся разработать экономичный способ деасфальтизации.

В настоящее время накопление нужного количества асфальтенов в системе происходит в основном за счет рециркуляции части сырья или отдельных фракций в процессе крекинга.

Результаты экспериментов показывают, что с увеличением коэффициента рециркуляции (К) в расчете на исходное сырье растут выход газа, бензина, крекинг-остатка и плотность последнего. При переходе с легкого рециркулята на более тяжелый происходит аналогичный процесс, но здесь имеется максимум, поскольку применение фракции 350-4500С ведет к снижению выхода газа и бензина.

1.4 Характеристика получаемой продукции

Газ по составу аналогичен газу термического крекинга, т.е. содержит алканы, алкены, водород и сероводород, и большее количество предельных углеводородов, чем в термокрекинге. Повышение температуры коксования приводит к увеличению содержания в газе непредельных углеводородов.

Бензин содержит много непредельных углеводородов и серы, что затрудняет его вовлечения в товарные бензины без предварительного облагораживания. Наиболее перспективными вариантами улучшения качества бензинов являются: глубокое гидрирование в чистом виде или в смеси с прямогонным бензином с последующим риформированием гидрогенизата; гидрооблагораживанием в смеси с прямогонными дизельными фракциями.

Легкий газойль используется в производстве печного и газотурбинного топлив, может после гидроочистки, направлен в дизельное топливо.

Тяжелый газойль направляется на установки термического крекинга, вырабатывающие сырье для производства технического углерода (сажи) или в котельное топливо.

Нефтяной кокс является целевым продуктом коксования. Кокс представляет собой твердый пористый продукт черного цвета. Он используется для получения анодной массы в алюминиевой промышленности, графитированных электродов для сталеплавильного производства, в производстве сероуглерода, карбидов кальция и кремния.

Специальные сорта кокса применяются как материал для изготовления химической аппаратуры, эксплуатирующейся в условиях воздействия агрессивных сред.

Основные показатели качества кокса - содержание серы, золы, влаги, летучих, гранулометрический состав, механическая прочность. По содержанию серы коксы делят на малосернистые (до 1,0 %), среднесернистые (до 1,5 %), сернистые (до 4 %), высокосернистые (выше 4 %); по гранулометрическому составу - на кусковой (фракция с размером кусков выше 25 мм), «орешек» (фракция 6-25 мм), мелочь (менее 6 мм); по содержанию золы - на малозольные (до 0,5 % золы), среднезольные (0,5-08%), высокозольные (более 0,8 %).

В таблице 5 приведены сведения о требованиях, предъявляемых к нефтяным коксам замедленного коксования. На установках замедленного коксования вырабатываются коксы марок КЗ-25, КЗ-6, КЗ-0.

Таблица 5- Требования, предъявляемые к нефтяным коксам замедленного коксования

Показатели	КЗ-25 более 25мм	КЗ-6 6-25 мм	КЗ-0 до 6 мм
Содержание рабочей влаги, % не более	3,0	3,0	3,0
Зольность, % не более	0,5-0,6	0,7	0,8
Содержание серы, % не более	1,3-1,5	1,5	1,5
Выход летучих, % не более	7,0-9,0	9,5	10
Истираемость, % не более	-	-	-
Содержание кусков размером менее 25 мм, % не более	10	-	-

Качество кокса, особенно по таким показателям, как содержание серы, летучих, золы, зависит от свойств подвергаемого коксованию сырья. В таблице 6 представлены данные о влиянии качества сырья на технические характеристики кокса, полученного замедленным коксованием.

Таблица 6- Влияние качества сырья на технические характеристики кокса полученного замедленным коксованием

Показатели	Гудрон котуртепинской нефти	Крекинг-остаток волгоградской нефти	Крекинг-остаток татарских нефтей	Гудрон и асфальт ферганских нефтей
Сырье
Плотность	0,958	0,920	1,026	0,993
Коксуемость, %	9,2	6,5	21,2	14,3
Содержание , %
серы	0,47	0,55	2,92	0,62
золы	0,08	0,10	0,12	0,10
Групповой состав, %
масла всего	68,6	83,0	58,5	67,0
в том числе:
Парафины	5,9	-	-	-
Смолы	5,9	14,0	26,9	25,5
Асфальтены	29,9	2,5	14,4	7,5
Карбены и карбоиды	-	0,3	0,2	-
Кокс
Выход фракций, %
Выше 25 мм	41,5	35,7	45,0	45,0
Ниже 25 мм	58,5	64,3	55,0	55,0
Содержание, %
Серы	0,52	0,56	4,0	0,92
Золы	0,43	0,25	0,46	0,38
Летучих	8,7	8,0	6,8	6,8
Механическая прочность, МПа	4,0	3,5	5,3	9,0

1.5 Технологическая схема установки

Установка имеет четыре коксовых камеры и две трубчатых нагревательных печи.

Исходное сырье насосами 5 падают двумя параллельными потоками в трубы подовых и потолочных экранов печей 3 и 4, нагревают там до 350-380 оС и направляют в нижнюю часть ректификационной колонны 6. В этой секции сырье встречается с потоком, парообразных продуктов коксования из двух параллельно работающих камер 1. В результате этого контакта наиболее тяжелая часть паров конденсируется и, смешивается с сырьем; в нижней части колонны образуется таким образом смесь сырья с рециркулятом, обычно называемая вторичным сырьем. Если сырье содержало некоторое количество легких фракций, они в результате, контакта с парами из камер испаряются и уходят в верхнюю часть колонны 6.

Вторичное сырье с низа колонны 6 насосами 7 возвращают в печи 3 и 4 - в верхнюю часть конвекционных труб и правые подовые, и потолочные экраны. Эта часть труб относится к «реакционному» змеевику, вторичное сырье: нагревается там да 490-510 оС. Во избежание Закоксовывания труб этой секции в трубы потолочного экрана падают перегретый водяной пар-турбулизатор (~3% на вторичное сырье), который увеличивает, скорость прохождения потока через реакционный змеевик. Паро-жидкостная смесь вводится параллельными потоками через четырехходовые краны в две работающие камеры 1 (остальные две камеры в этот период подготавливают к рабочей части цикла). Входя в низ камер, горячее сырье постепенно заполняет их; так как объем камер большой, время пребывания сырья в них также значительно, и там происходит крекинг сырья. Пары продуктов разложения непрерывно уходят из камер в колонну, а утяжеленный остаток задерживается в камере.

Практика эксплуатации установок замедленного коксования показала, что процесс протекает постадийно. Вначале тепло затрачивается на прогрев камер и испарение образующегося конденсата, что замедляет разложение. В этот период вследствие преобладания испарения над крекингом образуются дистилляты, более тяжелые па фракционному составу. Продолжительность первого периода тем меньше, чем тяжелее и смолистее сырье и чем выше температура его подогрева в печи. Так, для полугудрона первый период при 475 оС длится 8-9 ч, а при 500-510 оС всего 5,4 ч; для крекинг-остатков, богатых асфальтенами, он составляет соответственно 5 и 2 ч. Именно в этот период наблюдаются «перебросы», сырья в колонну, так как уровень в камере возрастает, а постепенное повышение концентрации асфальтенов в жидком, содержимом камеры вызывает вспучивание асфальтенов образующимися газами. В результате постепенного накопления коксообразующих веществ в жидком остатке он превращается в кокс.

Вторая, стадия коксования, сопровождается равномерным нарастанием коксового, слоя и постоянными (в течение некоторого времени) выходом и качеством продуктов разложения. По мере заполнения камеры коксом свободный реакционный объем уменьшается и одновременно увеличивается средняя температура коксования; при этом качество дистиллятов снова может колебаться, а коксовый слой получается более платным и с меньшим, содержанием летучих.

Из сказанного следует, что чем выше температура нагрева сырья, в печи, тем меньше опасность «переброса» остатка из камеры в колонну и тем лучше качество получаемого кокса (вследствие снижения в нем летучих). Процессы поликонденсации, свойственные коксованию, протекают с выделением тепла, но, поскольку коксование сопровождается и реакциями разложения, суммарный тепловой эффект отрицателен; в итоге пары, выходящие из камер, имеют температуру на 30-50 оС ниже, чем температура ввода сырья в камеры.

Пары из камер, как упоминалось выше, проходят в колонну 6, отгонная секция отсутствует, нижняя часть работает как конденсатор-смешения и отделена от верхней части сборной тарелкой с горловиной. Предусмотрен отбор трех боковых погонов. Тарелки с S -образными элементами. В результате ректификации с верха колонны уходят пары бензина и воды и газ коксования, которые после конденсатора-холодильника 8 разделяются в водогазоотделителе 10 на водный конденсат, стекающий в сборник 13, на откачиваемый насосом 11 нестабильный бензин и жирный газ. Нестабильный бензин частично подается насосом 11 на орошение колонны 6, а балансовое количество, как и жирный газ, поступает во фракционирующий абсорбер 16, где происходит отделение сухого газа, т. е. частичная, стабилизация бензина. Бензин с низа абсорбера 16 направляют на стабилизацию в колонну 18, с верха которой выводится отгон стабилизации (бутан-бутиленовая и частично пропан-пропиленовая фракции), а с низа - стабильный бензин коксования. Боковые погоны выводят из колонны 6 через секции отпарной колонны; с низа этих секций насосами 12 и 14 откачивают соответственно фракции дистиллята коксования - керосин, легкий и тяжелый газойли. Тепло отходящих потоков используют в теплообменниках 13 и 16 (нагрев нестабильного бензина и пара-турбулизатора) и рибойлере 15 фракционирующего абсорбера 20. Водяной конденсат из емкости 12 используют для производства водяного пара (в нижней части конвекционных труб печей 3 и 4).

Внешний вид подобной установки показан на рис. 2. коксовые камеры представляют собой цилиндрические вертикальные аппараты (рис. 3.), рассчитанные на давление от 0,18 до 0,6 МПа. Они имеют внутренний диаметр 4,6-5,5 м и высоту 27-28 м. Камера состоит из цилиндрического корпуса и двух днищ - сферического и нижнего конического, снабженных горловинами и штуцерами. Изготовлена камера из двухслойной стали; внутренняя легированная облицовка имеет толщину 2-4 мм. Камеры заполняют коксом попарно, на 4/5 высоты; продолжительность заполнения зависит от коксуемости исходного сырья и составляет от 24 до 36 ч. После заполнения коксом двух работающих камер их отключают от системы четырехходовыми кранами, позволяющими переключать поток сырья из печей без нарушения его непрерывности.

При переключении подачи сырья с одной камеры на другую необходимо предварительно прогреть включаемую камеру. Для этого ее вначале прогревают водяным парам, а затем направляют некоторое количество паров продуктов коксования из действующей камеры в верхнюю часть камеры, подготовленной к включению; пары проходят ее сверху вниз и в виде конденсата или паро-жидкостной, смеси поступают в емкость, откуда жидкость откачивают в колонну. По мере прогрева камеры в емкости появляются пары, которые начинают поступать в колонну. При прогреве верхняя задвижка камеры полностью открыта для, сообщения этой камеры с работающей, а долю паров, поступающих на прогрев, регулируют нижней задвижкой, сообщающей камеру с колонной. Когда работающая камера заполнилась коксом (камера, подготавливаемая к включению, должна к этому времени прогреться до 350-360 ОС), поток сырья переключают. При этом камеру, заполненную коксом, подготавливают к разгрузке: ее в течение 30-60 мин. продувают паром, чтобы из коксовой массы удалить нефтяные пары. Эти пары направляют в колонну, а к концу продувки через емкость с газоотводящей трубой выводят в атмосферу. После охлаждения верхней части камеры до 200-250 ОС в нее для охлаждения кокса падают воду до тех пор, пока не прекратится испарение воды в нагретой камере (об этом судят па появлению воды в сливной трубе емкости).

Для выгрузки кокса применяют гидравлический метод, заключающийся в использовании режущей силы водяных струй, подаваемых под давлением 10-15 МПа. Для этого над камерами установлены буровые вышки высотой ? 40 м. для укрепления бурового оборудования. После охлаждения камер открывают верхний и нижний люки и приступают к удалению кокса:

1) высверливают гидродолотом центральную, скважину в толще кокса (рис. 3.) и затем расширяют ее для свободного прохода гидрорезака;

2) удаляют основную массу кокса, перемещая по камере гидрорезак - приспособление, сна6женное соплами (как и гидродолото), направляющими сильные струи воды на стенки камеры, покрытые коксом.

Продолжительность цикла рабаты двух камер (или четырех при двух параллельно работающих) зависит от вида сырья (тем короче, чем больше выход кокса) и составляет от 48 да 60 ч. В первом случае на подачу сырья в камеру затрачивают 24 ч (сернистое смолистое сырье), а во втором 36 ч (малосернистое сырье). Ниже приводится примерный график (в часах) работы камер при 48-часовом цикле:

Переключение камер… 0,5 Съем крышек…………………….2,0

Охлаждение камер Выгрузка кокса…………………..6,0

Водяным паром……….2,0 Подготовка (разогрев) камеры….8,0

Водой…………………..2,0 Подача сырья……………………24,0

Слив воды………………...3,0

Для удаления кокса и воды из-под днища камер предусмотрен железобетонный скат, облицованный листовой сталью и расположенный под углом ? 30о. На площадке воду дренируют, а кокс загружают в самосвалы или вагонетки и вывозят с установки. Воду после отстоя и фильтрования можно использовать повторно. По более совершенной системе предусмотрено комбинировать удаление кокса с дренажем воды, сортировкой кусков по размерам (>25 мм, 25-6 и 6-0 мм) и дроблением особо крупных кусков (>250 мм).

При системе транспортирования кокса на установке замедленного коксования поток воды и кокса поступает через нижние люки камер 1 в дробильный агрегат 2, где дробятся наиболее крупные куски, чтобы максимальный их размер не превышал 250 мм. Из бункера-накопителя 3 кокс ссыпается на ленточные конвейеры 4, 5, 7 и 8, снабженные дренирующими устройствами, и далее элеватором подается в грохот 6, где сортируется на целевую фракцию (>25 мм), среднюю фракцию (25-6 мм) и мелочь (6-0 мм). Вода, дренированная с конвейеров, отстаивается в фильтре-отстойнике 14. Со склада 9 кокс через питатель 10 разгружается конвейером 11 в вагон 2.

Установка замедленного коксования мощностью 1,5 млн. т сырья в год, отличается от описанной, следующими, особенностями. Она имеет шесть коксовых, камер и три трубчатых печи, каждая из которых обслуживает две камеры. Одновременно работают, таким образом, три камеры. Диаметр камер 7,0 м, высота 30 м. Температура нагрева сырья до 510 ОС, избыточное давление ? 0,33 МПа. Вторичное, сырье поступает в камеру из печей четырьмя потоками. Между камерами и колонной установлен эвапоратор-отбойник, чтобы предотвратить попадание в колонну мелких коксовых частиц, которые могут нарушить нормальную работу горячих насосов. На установке имеется еще одна, печь - для циркулирующего газойля; он нагревается до 530 ОС и вносит тепло в камеру во время коксования и в первый период после отключения (с целью снижения содержания летучих в коксе). На установке используют конденсаторы- холодильники воздушного типа. Избыточное тепло направляют на производство водяного пара, а также в систему регенерации тепла в теплообменных аппаратах.

2. Постановка задачи

Автоматизация производства объясняется сложностью и высокой скоростью протекания технологических процессов, чувствительностью их к нарушению режима, вредностью работы, взрыво - и пожароопасностью перерабатываемых веществ, ограниченными возможностями человека и т. д. Внедрение специальных автоматических устройств приводит к увеличению количества продукции и улучшению его качества, росту производительности труда, снижению себестоимости продукции, улучшению условий работы, удлинению сроков эксплуатации оборудования и т. д.

Комплексная автоматизация процессом обеспечивает нормальный ход процессов с использованием автоматических устройств (контроля, регулирования, сигнализации и т.д.) и автоматическое управление пуском и остановкой аппаратов. Ещё больший эффект достигается при применении мощных персональных компьютеров, оснащенных процессами последнего поколения и специальными программами, которые самостоятельно осуществляют регулирование параметров и позволяет увеличивать возможности централизацию управления производства.

Оценка общего состояния, анализ факторов и опыт показывают, что внедрение новых автоматических схем только за последние два десятилетия позволило немного интенсифицировать технологический процесс. В то же время состояние автоматизации управления технологическими процессами замедленного коксования не в полной мере реализует потенциал этого направления развития техники. Для обеспечения нормальной работы установок замедленного коксования в процессе эксплуатации необходимо предусмотреть такие мероприятия, которые бы обеспечили лучшие условия эксплуатации систем контроля и регулирования режима коксования.

Основными задачами автоматизации процесса замедленного коксования являются:

1.Блок печей. Основными параметрами, определяющими процесс коксования, являются характеристика самого сырья, температура на выходе из печи, расход вторичного сырья, концентрация турбулизатора и давление в системе.

2.Реакторный блок. Для нормальной работы реактора в процессе его заполнения необходим контроль следующих параметров:

температура загружаемого сырья;

величины загрузки;

плотность сырья;

температура верха реактора;

давление в реакторе;

уровня реакционной массы внутри реактора;

толщины слоя пены над реакционной массой.

3. Выбор и обоснование параметров регулирования контроля и сигнализации

коксование нефтяной установка

Блок печей

Качество кокса во многом зависит от температуры нагрева сырья. Для этого используют трубчатые печи, где сырье нагревают до 490-510оС. чем выше температура на входе в камеры, тем меньше содержания летучих в коксе и тем выше его механическая прочность. Однако эта температура (490-510оС) ограничена возможностью закоксовывания труб, а также образованием в камере некондиционного «гроздьевидного» кокса.

Реакторный блок

Для нормальной работы реактора в процессе его заполнения необходим контроль следующих параметров:

- температура загружаемого сырья;

- величины загрузки;

- температура верха реактора;

- давление в реакторе;

- уровня реакционной массы внутри реактора;

- толщины слоя пены над реакционной массой.

Перечисленные параметры можно разделить на две группы: это контроль внешних потоков - первые четыре параметров и вторая группа - контроль реакционной массы внутри реактора. Контроль параметров первой группы реализуется с помощью серийных средств. Более сложные задачи встают при контроле параметров второй группы. Их сложность определяется особенностями технологи замедленного коксования, исключающей возможность использования средств контроля внутреннего монтажа. Как объект регулирования реакторный блок представляет большой практический интерес, а такие параметры, как уровень коксообразования, плотность и масса кокса весьма актуальны.

1. Сырье, прежде чем попасть в печь, предварительно нагревается в теплообменниках, это делается для экономии энергоресурсов. В теплообменниках измеряют температуру, которая должна быть равной 170 0С, если температуру повысить, то произойдет закоксовывания труб, что приведет к прекращению подачи сырья.

2. Температура загружаемого сырья должна быть равной 490-510оС, при повышении температуры как уже говорилось выше, возникает возможность закоксовывания труб, т. е. если закоксуются трубы не будет возможности загрузить сырье в камеры коксования, значит, может произойти сбой работы установки замедленного коксования.

3. Также качество кокса зависит от величины загрузки сырья 37 т/ч, расчет этой величины ведётся исходя из режима полного цикла (48 часов) установки замедленного коксования. При увеличении расхода сырья может произойти сбой работы установки замедленного коксования, из-за того, что сырьё не будет в полной мере накоксовано.

4. Температура верха реактора 450-460оС, зависит от температуры загружаемого сырья, при уменьшении этой температуры возникает опасность «переброса» остатка из камеры коксования в ректификационную колонну, т.е. поддержание температуры верха камеры нужно для того, чтобы процесс протекал нормально, и сырье коксовалось в большей степени.

5. Давление в реакторе составляет 04,-0,6МПа. При коксовании тяжелых нефтяных остатков повышенное давление играет решающую роль, так как температура в реакторе высокая необходимо поддерживать соответствующее давление. Если сырьё малосмолистое, то оно дает меньше кокса и больше продуктов разложения, поэтому во избежания чрезмерно большой скорости паров и переброса части содержимого камеры в колонну поддерживают давление более высоким.

6. Уровень реакционной массы внутри реактора зависит от мощности установок замедленного коксования, в нашем случае он будет равен 17,5 метров. При уменьшении высоты данного слоя, выход готового продукта уменьшается, а при увеличении высоты может произойти авария в камере, так как камера рассчитана на определенную высоту заполнения коксом. Толщина слоя пены над реакционной массой зависит от физико-химического состава сырья. Контроль уровней кокса и пены в верхней зоне реакторов дает возможность максимально заполнить камеры и обеспечить повышенный выход более качественного кокса, сэкономить энергоресурсы и время на вспомогательных операциях.

Ректификационная колонна

1. Здесь необходимо поддерживать высокую температуру 280 - 4000С, так как поступающее сырье должно реагировать с парами продуктов коксования, для получения вторичного сырья лучшего качества, т.е. содержащего меньше летучих веществ и легких фракций. В связи с этим предусмотрено регулирование температуры в колонне, если температуру понизить или повысить, то качество вторичного сырья станет худшим, поэтому появляется необходимость измерения качества (плотность) вторичного сырья на выходе из колонны.

2 Отпарные колонны. Здесь измеряют температуру139 - 140 0С и давление 0,37 МПа. Так как в этих колоннах идет отпаривание острым водяным паром, очень важно поддерживать высокую температуру, это делается путем поддержания высокого давления.

4. Выбор и обоснование технических средств автоматизации

Измерительные преобразователи давления

Для измерения давления, выбирают преобразователи давления - ректификационной колонне 16а, реакторах коксования 24а,29а, датчики давления фирмы Siemens типа Z-7 MF 1560.

Датчики абсолютного и относительного давления серии Z - простое и дешевое решение для задач, не требующих высокой точности (ошибка 0,25% и 0,5%), а также перестройки диапазона измерения.

Принцип измерения - пьезорезистивный. Диапазон измерения - от 0 до 400 Bar. Выходной сигнал - от 0 до 20 мА. Нагрузка - (UB - 10V) / 0.02 A. Характеристика - линейно-возрастающая. Внешние условия: внешняя температура - от -25 до +85 0С, температура хранения - от -50 до +100 0С, степень защищенности - IP65. Исполнение: вес (без опций) - 0.3 кг, корпус - нерж. сталь, мат. №1.4571, подсоединение к процессу - G 1/2 A - наружная резьба (DIN 16 288), разделительная мембрана по запросу. Источник питания - от 10 до 40 В, постоянный ток.