Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ВЛИЯНИЕ ГЛУБИНЫ ОТБЕНЗИНИВАНИЯ НЕФТИ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Савченков А.Л. 1 Мозырев А.Г. 1 Маслов А.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
Настоящая статья посвящена исследованию взаимосвязи между глубиной отбензинивания при перегонке нефти и основными параметрами работы ректификационной колонны. Применение предварительного отбензинивания нефти на установках атмосферной перегонки нефти влияет на режим работы всей установки, приводит к увеличению выхода светлых фракций. Выявление характера зависимости основных показателей работы колонны при изменении режима её работы является актульной задачей. Глубина отбензинивания в работе оценивалась по увеличению температуры конца кипения дистиллята колонны (или утяжеления получаемой бензиновой фракции). В зависимости от глубины отбензинивания авторами проанализировано изменение минимального и оптимального флегмового числа, минимального и оптимального числа теоретических тарелок. В работе выявлен характер изменения необходимого количества рабочих тарелок в концентрационной и отгонной частях отбензинивающей колонны, установлена зависимость температурного режима ректификационной колонны от степени утяжеления дистиллята. Показана взаимосвязь необходимого количества подводимого тепла в куб и необходимого диаметра колонны от утяжеления дистиллята. В статье впервые установлены зависимости между основными параметрами работы колонны, глубиной отбензинивания и чёткостью ректификации. Результаты данной работы будут полезны инженерно-техническим работникам при изменении технологического режима ректификационной колонны и оптимизации работы установок атмосферной перегонки нефти.
перегонка нефти
глубина отбензинивания
минимальное флегмовое число
оптимальное флегмовое число
число теоретических тарелок
диаметр колонны
1. Асатрян А.А., Ясьян Ю.П. Обзор технологических аспектов режима работы АВТ с учетом особенностей планирования производственной деятельности // Успехи современной науки. 2017. Т. 2. № 5. С. 78–81.
2. Зиятдинов Н.Н., Богула Н.Ю., Островский Г.М. О подходе к решению задачи оптимального проектирования системы ректификационных колонн методом ветвей и границ // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2010. Т. 2. № 10 (44). С. 13–16.
3. Башаров М.М., Афанасьев Е.П. Решение задач по модернизации и повышению эффективности установок в нефтегазопереработке // Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире. 2015. № 11–1. С. 62–66.
4. Пикалов И.С., Овчаров С.Н., Алференко С.В. Влияние глубины предварительного отбензинивания нефти на показатели атмосферной перегонки // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2010. № 4. С. 78–85.
5. Савченков А.Л., Мозырев А.Г., Маслов А.А. Влияние степени извлечения ключевой фракции на показатели процесса ректификации при отбензинивании нефти // Фундаментальные исследования. 2018. № 2. С. 34–38.

Переработка нефти основана в первую очередь на процессе ректификации. Оптимизация установок первичной переработки нефти всегда оставалась и остаётся непростой задачей. Это связано со сложностью ректификации непрерывных смесей, к которым относится нефть. Установки перегонки нефти являются первыми в цепочке многоступенчатой переработки и перерабатывают весь колоссальный объём сырой нефти, поступающей на нефтеперерабатывающие заводы [1].

Современные и наиболее технологичные схемы установок первичной перегонки нефти обязательно включают в себя первую отбензинивающую колонну. Применение предварительного отбензинивания положительно сказывается на работе всей установки, приводит к повышению степени извлечения основных топливных фракций из нефти [2]. Исследованию влияния режима работы отбензинивающей и атмосферной колонн на показатели процесса перегонки посвящено немалое число работ [3, 4].

В предыдущей работе авторами было исследовано влияние степени извлечения ключевой фракции в дистиллят при постоянной глубине отбензинивания на основные показатели работы колонны [5].

Цель исследования: исследование глубины отбензинивания нефти на следующие параметры процесса ректификации: минимальное число теоретических тарелок Nmin, минимальное Rmin и оптимальное Rопт флегмовое число, число рабочих тарелок в верхней концентрационной Nв и нижней отгонной Nн частях колонны, температуры верха tв и низа tн колонны, количество подводимого тепла в куб колонны Qв, необходимый диаметр колонны D.

Материалы и методы исследования

В качестве сырья отбензинивающей колонны использовалась товарная нефть Западно-Сибирских месторождений. Температура ввода нефти в колонну составляла 220 °С, среднее абсолютное давление в колонне 0,45 МПа, производительность колонны по сырью 3,5 млн т/год. Глубина отбензинивания в работе оценивалась по увеличению температуры конца кипения отбираемого дистиллята в колонне. В качестве дистиллята отбензинивающей колонны был исследован отбор следующих фракций: н.к.-120 °С, н.к.-140 °С, н.к.-160 °С и н.к.-180 °С. Кроме этого, для каждого варианта дистиллята в колонне исследовалось влияние чёткости ректификации (степени извлечения ключевой фракции) φ в пределах от 0,7 до 0,95.

Исследуемые параметры процесса ректификации определяли методом температурной границы деления смеси. Сырьё колонны разделялось на узкие фракции с долями X′Fi. В зависимости от глубины отбензинивания изменялось и количество отбираемых в дистиллят узких фракций – мольная доля отбора E′. Чёткость ректификации φ оценивалась по доле извлечения самой тяжёлой узкой фракции, отбираемой в дистиллят. При каждом значении E′ и j мольная доля этой фракции в дистилляте X′Di и в остатке X′Wi составляла соответственно

savc01.wmf savc02.wmf

При заданных параметрах работы колонны определялись температуры кипения узких фракций, располагающихся по разные стороны границы деления сырья. Истинная температурная граница деления смеси ТЕ, находящаяся в этом интервале, соответствует условию

savc03.wmf savc04.wmf

Фракционный состав дистиллята и остатка определялся, исходя из значений коэффициентов летучести узких фракций αi и значений параметров распределения ψi.

Минимальное число теоретических ступеней в колонне Nmin:

savc05.wmf

Параметры распределения узких фракций:

savc06.wmf

Значения температур верха колонны tв и низа tн определялись из уравнений изотерм паровой и жидкой фаз. Минимальное флегмовое число Rmin:

savc07.wmf

где Θ – параметр, значение его находится между величинами коффициентов летучести узких фракций по разные стороны границы деления смеси. По методу Джиллиленда определялось оптимальное Rопт флегмовое число. Исходя из Rопт определялись значения оптимального числа контактных ступеней в колонне Nопт и рабочее число этих ступеней Nраб. Необходимое количество тепла для подвода в низ колонны QB следовало из теплового баланса. По объёмному расходу паровой фазы в колонне определялся необходимый диаметр DK колонны.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 1–4 и на рис. 1–5 приведены основные результаты работы.

Таблица 1

Показатели работы отбензинивающей колонны с дистиллятом н.к.-120 °С

φ

Nmin

Rmin

Rопт

D, м

Qв, МВт

tв, °С

tн, °С

Nраб

0,70

4,38

0,50

3,02

10

8

3,33

40,7

128

312

18

0,75

5,62

0,60

2,76

13

9

3,17

39,9

126

314

22

0,80

6,98

0,68

2,60

16

12

3,07

39,4

125

315

28

0,85

8,62

0,76

2,49

20

14

3,00

39,0

124

315

34

0,90

10,81

0,84

2,39

24

18

2,94

38,6

123

315

42

0,95

14,40

0,91

2,32

31

23

2,90

38,4

122

316

54

Таблица 2

Показатели работы отбензинивающей колонны с дистиллятом н.к.-140 °С

φ

Nmin

Rmin

Rопт

D, м

Qв, МВт

tв, °С

tн, °С

Nраб

0,70

4,32

0,34

3,66

10

8

4,18

51,6

146

331

18

0,75

5,60

0,43

3,19

12

10

3,84

49,6

143

333

22

0,80

7,05

0,51

2,92

15

13

3,65

48,4

142

334

28

0,85

8,80

0,59

2,73

18

16

3,51

47,6

141

334

34

0,90

11,11

0,66

2,60

22

20

3,42

47,0

140

335

42

0,95

14,83

0,73

2,49

30

26

3,34

46,5

139

335

56

Таблица 3

Показатели работы отбензинивающей колонны с дистиллятом н.к.-160 °С

φ

Nmin

Rmin

Rопт

D, м

Qв, МВт

tв, °С

tн, °С

Nраб

0,70

4,35

0,22

4,72

9

9

5,56

66,1

163

351

18

0,75

5,71

0,31

3,79

11

11

4,76

61,1

161

352

22

0,80

7,24

0,38

3,30

14

14

4,36

58,4

159

353

28

0,85

9,06

0,45

3,05

18

18

4,16

57,1

158

354

36

0,90

11,46

0,52

2,85

21

23

3,99

56,0

157

354

44

0,95

15,32

0,58

2,70

28

30

3,87

55,2

157

355

58

Таблица 4

Показатели работы отбензинивающей колонны с дистиллятом н.к.-180 °С

φ

Nmin

Rmin

Rопт

D, м

Qв, МВт

tв, °С

tн, °С

Nраб

0,70

4,28

0,12

7,43

8

10

9,69

93,2

181

370

18

0,75

5,72

0,20

4,91

10

12

6,47

77,0

178

372

22

0,80

7,33

0,28

4,00

13

15

5,53

71,2

176

373

28

0,85

9,25

0,34

3,51

16

20

5,05

68,1

175

374

36

0,90

11,75

0,41

3,20

21

25

4,76

66,2

175

374

46

0,95

15,76

0,47

2,97

27

33

4,54

64,7

174

374

60

savch1.wmf

Рис. 1. Влияние глубины отбензинивания и чёткости ректификации на минимальное число теоретических тарелок (Nmin) при отборе дистиллята: 1 – н.к.-120 °С, 2 – н.к.-140 °С, 3 – н.к.-160 °С, 4 – н.к.-180 °С

savch2.wmf

Рис. 2. Влияние глубины отбензинивания и чёткости ректификации на минимальное флегмовое число (Rmin) при отборе дистиллята: 1 – н.к.-120 °С, 2 – н.к.-140 °С, 3 – н.к.-160 °С, 4 – н.к.-180 °С

savch3.wmf

Рис. 3. Влияние глубины отбензинивания и чёткости ректификации на оптимальное флегмовое число (Rопт) при отборе дистиллята: 1 – н.к.-120 °С, 2 – н.к.-140 °С, 3 – н.к.-160 °С, 4 – н.к.-180 °С

savch4.wmf

Рис. 4. Влияние глубины отбензинивания на флегмовое число при чёткости ректификации φ = 0,8: 1 – минимальное флегмовое число (Rmin), 2 – оптимальное флегмовое число (Rопт)

savch5.wmf

Рис. 5. Влияние глубины отбензинивания на число тарелок при чёткости ректификации φ = 0,8: 1 – число тарелок в верхней части колонны (Nв), 2 – число тарелок в нижней части колонны (Nн), 3 – общее число тарелок (Nраб)

Результаты исследования показали, что увеличение температуры конца кипения дистиллята отбензинивающей колонны, то есть повышение глубины отбензинивания, влияет на все основные показатели работы ректификационной колонны.

Минимальное Rmin и оптимальное Rопт флегмовые числа в колонне с увеличением чёткости ректификации изменяются разнонаправленно. Например, при отборе дистиллята н.к.-140 °С Rmin увеличивается с 0,3 до 0,7, а Rопт снижается от 3,7 до 2,5 (табл. 2). Снижение оптимального флегмового числа связано с уменьшением количества отбираемого более чистого дистиллята. При этом также снижаются эксплуатационные затраты на создание необходимого количества флегмы на верху колонны. С повышением глубины отбензинивания нефти и неизменной чёткости ректификации наблюдается обратная картина. Так, при j = 0,9 Rmin уменьшается с 0,8 до 0,4, а Rопт повышается от 2,4 до 3,2 (рис. 2, 3). Рост величины оптимального флегмового числа в этом случае связан с увеличением температуры конца кипения дистиллята и, следовательно, массового расхода верхнего продукта.

Необходимое минимальное число теоретических тарелок Nmin в колонне с повышением чёткости ректификации с 0,7 до 0,95 увеличивается более чем в три раза, независимо от состава дистиллята. Так, при отборе дистиллята н.к.-120 °С Nmin увеличивается с 4 до 14 (табл. 1). Но при неизменной чёткости ректификации минимальное число тарелок остаётся практически на одном уровне независимо от состава дистиллята. Например, Nmin при чёткости ректификации j = 0,8 с увеличением глубины отбензинивания составляет соответственно 6,98; 7,05; 7,24 и 7,33 (рис. 1). Рабочее число тарелок в колонне, так же как и минимальное число тарелок, неизменно увеличивается с повышением чёткости ректификации. Это относится и к концентрационнной и к отгонной части колонны. Например, число тарелок в верхней части колонны увеличивается с 8 до 27 с повышеним чёткости ректификации от 0,7 до 0,95 и отборе дистиллята н.к.-180 °С (табл. 4).

Увеличение глубины отбензинивания при неизменной чёткости ректификации приводит с снижению необходимого числа тарелок в верхней части колонны и к повышению этого числа в нижней части. Так, при чёткости ректификации 0,95 число тарелок в верхней части колонны снижается с 31 до 27, а в нижней – увеличивается с 23 до 33. Из этого следует, что с утяжелением дистиллята место ввода сырья должно больше смещаться вверх по высоте колонны. Общее число тарелок в колонне Nраб при невысоких значениях чёткости ректификации (0,7…0,8) практически не зависит от глубины отбензинивания и составляет 18; 22; 28 соответственно для j = 0,7; 0,75; 0,8. Для высоких значений j общее число тарелок увеличивается с глубиной отбензинивания. Так, Nраб повышается в этом случае с 54 до 60 при чёткости ректификации 0,95. Необходимый диаметр колонны неизменно снижается с повышением чёткости ректификации. Например, с дистиллятом н.к.-160 °С диаметр уменьшается с 5,6 до 3,9 м, что связано с уменьшением объёмного расхода паровой фазы в колонне, который, в свою очередь, зависит от расхода дистиллята. С повышением глубины отбензинивания при постоянном значении j необходимый диаметр колонны увеличивается, так как повышается массовое количество отбираемого дистиллята и, следовательно, количество паров в верхнем сечении колонны. Так, с утяжелением дистиллята при j = 0,85 необходимый диаметр колонны увеличивается с 3 до 5 м.

Расход тепла на обогрев куба колонны Qв неизменно снижается с повышением чёткости ректификации (например, с 40,7 до 38,4 МВт при дистилляте н.к.-120 °С), что связано со снижением количества дистиллята и объёмного расхода паровой фазы в колонне. С увеличением глубины отбензинивания расход тепла повышается, так как повышается массовый расход отбираемого дистиллята и необходимо создать больший расход паров в колонне. Например, в этом случае Qв увеличивается с 39 до 68,1 МВт при чёткости ректификации j = 0,85. Увеличение Qв при утяжелении дистиллята приводит к росту энергозатрат на процесс перегонки. Необходимые температуры верха tв и низа tн колонны с повышением чёткости ректификации меняются разнонаправленно: tв неизменно снижается, а tн повышается. Так, при отборе дистиллята н.к.-160 °С температура верха снижается от 163 до 157 °С, а температура низа колонны повышается с 351 до 355 °С. Увеличение глубины отбензинивания при прочих равных условиях требует повышения и температуры верха и температуры низа колонны. При данных условиях и постоянной чёткости ректификации j = 0,85 необходимая температура верха повышается от 124 до 175 °С, а температура низа – с 315 до 374 °С.

Выводы

В работе установлено, что с увеличением глубины отбензинивания нефти изменяются следующие параметры работы ректификационной колонны: снижается минимальное флегмовое число и число рабочих тарелок в концентрационной части колонны. При этих же условиях, но в сторону увеличения изменяются следующие параметры: оптимальное флегмовое число, число рабочих тарелок в отгонной части колонны, необходимый диаметр обечайки, температуры верха и низа колонны, количество подводимого тепла в куб колонны. Установлено, что общее число тарелок в колонне остаётся на одном уровне при невысоких значениях чёткости ректификации независимо от глубины отбензинивания. При высокой чёткости ректификации суммарное количество тарелок увеличивается с утяжелением отбираемого дистиллята. В работе показано, что при неизменной чёткости ректификации с увеличением глубины отбензинивания точка ввода сырья в колонну должна смещаться вверх по высоте колонны.


Библиографическая ссылка

Савченков А.Л., Мозырев А.Г., Маслов А.А. ВЛИЯНИЕ ГЛУБИНЫ ОТБЕНЗИНИВАНИЯ НЕФТИ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ // Фундаментальные исследования. – 2018. – № 12-1. – С. 31-36;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=42347 (дата обращения: 10.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074