Расчёт и проектирование колонны-дебутанизатор

Следовательно, для нижней части колонны, работающей без кипятильника и с вводом водяного пара, характерным является уменьшение массы паров от тарелки к тарелке в направлении сверху вниз, что приводит к снижению эффекта ректификации в нижней части колонны. Вследствие этого только верхние тарелки отгонной части колонны эффективно ректифицируют остаток и даже значительное увеличение числа тарелок не позволяет существенно снизить содержание НКК в остатке. Возможность же повышения четкости ректификации в нижней части колонны лимитируется расходом водяного пара. Чем больше вводится водяного пара для образования потока углеводородных паров, тем до более низкой температуры охлаждается остаток и соответственно возрастает расход водяного пара. Поэтому расход водяного пара быстро достигает своего оптимального значения [1].

Практикой работы установок на нефтеперерабатывающих заводах установлено, что доля паров, образованных при помощи водяного пара, не должна превышать 25-35% массы остатка.

Поскольку в колонну обычно подается перегретый водяной пар, его расход обычно невелик и составляет 1,5-3% массы исходного сырья. Поэтому вносимое водяным паром тепло также мало и заметной роли в образовании потока паров в нижней части колонны не играет. По этой же причине начальная температура водяного пара, поступающего в нижнюю часть колонны, на тепловом балансе сказывается мало, причем она может быть, как выше, так и ниже температуры получаемого остатка. Однако важно, чтобы водяной пар был перегретым или сухим насыщенным, так как вследствие значительной теплоты испарения влаги наличие даже небольшого ее количества приведет к сильному охлаждению остатка и уменьшению массы паров.

При малом расходе водяного пара масса углеводородных паров будет мала, рабочая линия будет крутой, а необходимое число тарелок значительно возрастет. С увеличением расхода водяного пара число тарелок уменьшится, однако при этом возрастет диаметр колонны вследствие увеличения общего объема паров. Кроме того, увеличится поверхность конденсатора и расход хладагента.

Рассмотрим особенности работы верхней части колонны при вводе водяного пара. Водяной пар в концентрационной части колонны снижает парциальное давление углеводородов. Поэтому при общем давлении в колонне температура системы снижается по сравнению со случаем работы колонны без водяного пара.

Если в отгонной части колонны парциальное давление углеводородов значительно изменяется по высоте, то в концентрационной части это изменение сравнительно невелико, так как обычно масса флегмы, а следовательно, и паров по высоте концентрационной части колонны меняется мало. Все расчеты температур и числа тарелок при парциальном давлении углеводородов выполняются так же, как в отсутствие водяного пара.

Ведение процесса с водяным паром увеличивает общий объем паров и приводит к необходимости иметь колонну большего диаметра.

Особенности работы колонны с вводом водяного пара остаются справедливыми, если вместо водяного пара использовать газ, который при условиях ведения процесса не содержится в жидкой фазе, например азот, двуокись углерода, метан и др. [1].

 

1.5 Ректификация многокомпонентных смесей

 

При разделении бинарной смеси путем ректификации обычно достаточно одной простой колонны, чтобы получить заданные составы ректификата и остатка. Лишь в специальных случаях (получение чистых веществ и др.) приходится применять более сложные варианты колонн.

При разделении многокомпонентной смеси приходится выделять несколько целевых продуктов (фракций), к составу которых предъявляются определенные требования. Это обусловливает необходимость применения нескольких простых колонн, соединенных определенным образом, что определяет последовательность выделения компонентов или соответствующих фракций из смеси. Поскольку каждая простая колонна делит смесь на два продукта, то для разделения смеси, (состоящей из n компонентов (фракций), необходимо иметь n – 1 простых колонн. С увеличением числа компонентов системы возможное число вариантов взаимного соединения простых колонн быстро возрастает.

Последовательное соединение колонн может осуществляться как по потокам ректификатов, когда ректификат данной колонны направляется в следующую и только из последней колонны ректификат выводится в качестве готового продукта, так и по потокам остатков, когда остаток данной колонны поступает на ректификацию в следующую, а остаток в виде готового продукта получают только в последней колонне [1].

Последовательно-параллельное соединение колонн состоит в том, что колонны соединены последовательно: часть по потокам ректификатов, другая часть – по потокам остатков. В некоторых случаях применяют рециркуляцию одного или нескольких продуктов из последующих колонн схемы в предыдущие, если рециркулируемые потоки не являются товарными продуктами для данной технологической схемы.

Путем комбинирования приведенных основных вариантов соединения простых колонн можно получать различные схемы для ректификации многокомпонентной смеси, изменяя последовательность выделения тех или иных компонентов, а также их отбор в виде ректификата или в виде остатка.

Выбор конкретного варианта соединения колонн обусловлен технологическими требованиями к перерабатываемым продуктам и экономическими показателями, определяющими затраты на ректификацию.

Если смесь разделяют на меньшее число продуктов, чем содержится компонентов в смеси (некоторые компоненты могут быть выделены в виде фракций), то число колонн будет меньше, чем в случае выделения каждого компонента в отдельности. Это характерно для установок АВТ, вторичной перегонки бензинов, ректификации продуктов гидрокрекинга и др., где целевыми являются фракции, кипящие в сравнительно широком интервале температур.

На нефтеперерабатывающих заводах нашли применение сложные колонны, представляющие собой систему простых колонн, определенным образом соединенных в один агрегат.

Такая сложная колонна отвечает схеме последовательного соединения простых колонн по потокам ректификатов. Она представляет собой колонну, на которой как бы установлены концентрационные части других колонн. Таким образом, получилась одна основная колонна, включающая концентрационные части, например трех колонн и отгонную часть основной колонны. Кроме того, для такой колонны характерно наличие отдельно расположенных аппаратов, называемых отпарными колоннами или стриппингами. Стриппинг секции связаны с основной колонной потоками жидкости и пара [1].

Такая сложная колонна требует меньше места для своей установки и меньшее количество металла для ее изготовления. Однако при такой конструкции увеличивается высота колонны и обслуживающих ее металлоконструкций. Кроме того, потоки всех секций колонны жестко взаимосвязаны, что осложняет четкое разделение продуктов и одновременное обеспечение их качества.

При отводе всего тепла только сверху сложной колонны поток орошения должен быть достаточным, чтобы обеспечить необходимое флегмовое число во всех нижерасположенных секциях колонны. Однако вследствие отбора боковых погонов в сложной колонне масса паров увеличивается сверху вниз, а масса орошения – снизу вверх. Для обеспечения более равномерного распределения потоков паров и флегмы по высоте сложной колонны, разгрузки вышележащих сечений и регенерации тепла съем части тепла с целью образования дополнительного потока флегмы производят промежуточным циркуляционным орошением в одном-двух сечениях по высоте верхней части колонны. Поток промежуточного циркуляционного орошения прокачивается через регенеративный теплообменник, где отдает некоторое количество тепла, например, нефти и при более низкой температуре поступает на вышележащую тарелку. Поднимающиеся снизу пары контактируют с более холодной циркулирующей флегмой и частично конденсируются, образуя дополнительный поток флегмы, который присоединяется к потоку флегмы и создает поток орошения.

Каждую секцию сложной колонны рассчитывают как соответствующую часть простой колонны, имея в виду, что пары дистиллята секции, расположенной ниже, поступают на ректификацию в секцию, расположенную выше.

Применение сложных колонн оправдано в основном в тех случаях, когда требуется относительно невысокая четкость разделения, например при выделении широких по температурам кипения фракций [1].

 

1.6 Очистка газов от сероводорода

 

Процесс очистки газов посредством абсорбции сероводорода водным раствором абсорбента основан на следующих обратимых реакциях:

1. При очистке моноэтаноламином:

 

H2N¾ C2H4¾ OH + H2S     {H2N¾ C2H4¾ OH} H2S;

 

2. При очистке триэтаноламином:

 

N¾ {C2H4¾ OH}3 + H2S    [N{C2H4¾ OH}3] H2S

 

Абсорбция газа зависит от температуры: с повышением температуры абсорбция ухудшается, увеличиваются равновесные потери моноэтаноламина (триэтаноламина).

Температура водного раствора абсорбента должна быть на 5оС выше температуры газа для уменьшения возможности попадания конденсата газа в систему абсорбента [1].

 

1.7 Технологическая схема установки деэтанизации конденсата

 

Установка деэтанизации конденсата представленная на рисунке 1.1 состоит из четырех ниток производительностью по нестабильному конденсату 1,54 млн. т в год каждая. Оборудование технологических ниток идентично [2].

Технологические нитки работают по одноколонной схеме. Деэтанизация конденсата производится в две ступени: частичная дегазация в сепараторах-выветривателях и полная деэтанизация в ректификационной колонне.

 

1 – сепаратор; 2, 3 – теплообменник; 4 – колонна-деэтанизатор; 5 – насос; 6 – печь; 7, 8, 9 – воздушный холодильник.

I – нестабильный конденсат; II – газ выветривания; III – частично дегазированный конденсат; IV – газ деэтанизации; V – стабильный конденсат

Рисунок 1.1 – Технологическая схема установки деэтанизации конденсата

 

Газы сепарации и деэтанизации смешиваются и сжимаются до 75 кгс/см2 охлаждаются и смешиваются с товарным газом высокого давления. Предусмотрена подача части газов выветривания и деэтанизации на эжектирование.

Деэтанизированный конденсат выводится в резервуарный парк головной насосной станции (ГНС) с последующей откачкой в конденсатопровод.

Потоки нестабильных конденсатов из промысловых УКПГ поступают в общий коллектор Ду 700, оттуда направляются параллельными линиями в входной сепаратор-выветриватель 1 установки деэтанизации конденсата. Давление в сепараторе 1 поддерживается на уровне 245-30 кгс/см2. После сепаратора 1 выветренный конденсат с температурой -1 ...-10 С разделяется на два потока. Первый поток последовательно проходит трубчатое пространство теплообменников 2, 3, где нагревается до 90-140 °С за счет тепла встречного потока деэтанизированного конденсата, поступающего в межтрубное пространство теплообменников с температурой 140-170 С. Нагретый до температуры 90-140 °С конденсат газа поступает в деэтанизатор 4, в качестве питания колонны на 20; 22 или 24-ю тарелки (считая сверху) [2].

Для получения тепла и создания паровой фазы в колонне циркулирующая жидкость из холодной зоны куба забирается насосом 5 и подается в печь 6, где нагревается до температуры не более 180 С и снова подается в верхнюю часть куба деэтанизатора (под нижнюю тарелку).

Деэтанизированный конденсат с куба 4 с температурой не более 170 С, пройдя межтрубное пространство теплообменников 2, 3, охлаждается за счет нагрева нестабильного конденсата, проходящего по трубам теплообменника. Затем деэтанизированный конденсат охлаждается в воздушных холодильниках 7, 8, 9 до температуры не выше 40 С и направляется по трубопроводу на ГНС с давлением 0,5- 1,2 МПа [2].

 

1.8 Способ стабилизации конденсата по полной схеме

 

Способ стабилизации конденсата по полной схеме с получением стабильного конденсата представлен на рисунке 1.2.

 

1, 2 – сепаратор; 3, 7, 15 – теплообменник; 4, 8 – колонна-деэтанизатор; 5, 14 – печь; 6, 11, 13 – насос; 9, 12, 16 – воздушный холодильник; 10 – рефлюксная ёмость.

I – нестабильный конденсат; II – газ выветривания; III – частично дегазированный конденсат; IV – газ деэтанизации; V – стабильный конденсат

Рисунок 1.2 – Полная схема стабилизации конденсата

 

Нестабильный конденсат с температурой – 10 С и давлением 3,7 МПа поступает в два параллельно работающих сепаратора 1, 2. Этот аппарат представляет собой горизонтальную емкость объемом 50 м3, разделенную вертикальной перегородкой на две зоны: зону отстоя и вывода метанольной воды и зону вывода конденсата.

Газ сепарации нагревается в теплообменнике 3 за счет тепла стабильного конденсата и подается под 3-ю тарелку колонны 4. Температура в кубе колонны поддерживается циркуляцией через параллельно работающие печи 5.

Выветренный конденсат из сепараторов 1, 2 объединяется в один поток, затем делится на два потока. Один поток проходит рекуперативный теплообменник 3, где нагревается до 80 С, и поступает на 15; 17 или 19-ю тарелки. Другой поток в качестве холодного орошения подается на 40-ю тарелку деэтанизатора. Колонна 4 представляет собой вертикальный аппарат сечением в нижней части 2200 мм, в верхней части – 1400 мм. Имеется 40 ситовых тарелок. Газ деэтанизации с верха колонны подается на ДКС [2].

Жидкая фаза с низа колонны поступает на прием насосов 6, которые прокачивают жидкость через змеевики двух параллельно работающих печей 5 (в каждой печи по два потока). Все четыре потока жидкости на выходе из печей объединяются в один и поступают в кубовую часть колонны 4 для поддержания температуры низа.

Режим работы 4: давление не более 2,6 МПа, температура верха и низа соответственно не выше +10 и 165 С. Деэтанизированный конденсат с температурой 165 С из кубовой части деэтанизатора поступает в межтрубное пространство теплообменника 7, где нагревается за счет тепла встречного потока стабильного конденсата из 8. Деэтанизированный конденсат, нагретый в теплообменнике 7, поступает на загрузку в колонну 8 на 18; 20 или 22-ю тарелки.