Введение к работе
Актуальность темы. В связи с уменьшением объёма переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) и увеличением потребности в высококачественных маслах перед нефтеперерабатывающей промышленностью поставлена важная народнохозяйственная задача - углубление переработки нефти. В решении этой актуальной задачи важную роль призваны сыграть процессы селективной очистки масляных фракций и деас-фальтизации гудроноп.
В известных монографиях Трейбала, Шервуда и Пигфорда, Зюлков-ского, Кафарова, Ягодина и других учёных представлены базовые аспекты теории и практики процессов жидкостной экстракции. Большой вклад в изучение теории избирательного растворения углеводородов в ряде растворителей и разработку промышленных процессов внесли отечественные учёные Н.И.Черножуков, И.Л.Гуревич, А.З.Биккулов, А.А.Карасёва, Д.О.Голь-дберг и другие. В промышленных экстракционных колоннах, в основном гравитационного типа, используются малоэффективные контактные и распределительные устройства, несовершенные технологии процесса жидкостной экстракцпи. Несовершенство технологий связано с недостаточно обоснованными методами аналитического расчёта жидкостной экстракцпи. Проблема углубления переработки масляных фракций и деасфальтизатов может быть решена на основе более эффективных массообменных контактных и распределительных устройств и новых технологий процесса жидкостной экстракции с сохранением гравитационных сил при взаимодействии потоков. К такому оборудовашно относятся: контактные устройства плёночного типа (КУПТ), представляющие собой насадки с регулярной гидродинамической структурой взаимодействующих потоков, совмещённых с общим противотоком и локальным перскрёстноточным взаимодействием фаз; распределительные устройства для жидкостей в виде сочетания высо-конапорпых и низконапорных распределителей. Такого типа оборудование до начала наших исследований не было известно в отечественной и зарубежной практике в области жидкостной экстракции. Предлагаемые КУПТ обладают рядом преимуществ: высокой эффективностью, повышенным диапазоном устойчивой работы, возможностью регулирования сечения для движения взаимодействующих фаз по высоте экстрактора, большой гибко-
стыо конструктивного оформления, высокой надёжностью в работе и др.
На основе этих контактных и распределительных устройств нами были разработаны и реализованы новые технологии жидкостной экстракции.
Новые технологии жидкостной экстракции позволяют увеличить выход ценных масляных компонентов, получить рафинаты с высоким индексом вязкости, обеспечить эффективную работу экстракторов при низких загрузках по сырью н реализовать схемы с получением нескольких рафинатов и экстрактов, которые могут быть использованы не только в масляном производстве, но и в других технологических процессах.
Поэтому научно-техническое совершенствование технологии жидкостной экстракции на основе новых контактных и распределительных устройств решает важную народнохозяйственную задачу - углубление переработки нефти.
Работа проводилась в соответствии с координационными планами: Миннефтехимпрома СССР по проблеме "Интенсификация массообменного оборудования для систем газ-жидкость, жидкость-жидкость"; АН СССР на 1981-1985 гг. по проблеме "Теоретические основы химической технологии" п.п. 2.27.2.7 "ИЕїтенспфикация процессов разделения многокомпонентных систем в крупнотоннажных производствах за счёт использования высокоэффективной аппаратуры"; Проблемного Совета АТН РФ "Интенсификация массообменного оборудования в процессах нефтепереработки и нефтехимии" с 1993 - 1996 г.г. этап 9 "Интенсификация массо-теплообмена в процессе жидкостной экстракции применительно к нефтепереработке, нефтехимии и химической промышленности" и других отраслевых ведомств.
Цель работы: теоретическое обоснование, разработка и внедрение новых контактных устройств плёночного типа и комбинированных распределительных устройств, и на их основе - новых технологий жидкостной экстракции, предназначенных для интенсификации процессов селективной очистки масляных фракций и деасфальтизации гудронов.
Из всех известных методов интенсификации в данной работе рассматриваются технологический и конструктивный.
В соответствии с поставленной целью в задачи исследований входило:
- поиск и анализ производственных проблем - "узких мест" в работе промышленных экстракционных систем на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) с целью выбора стратегии базовых исследований в области жид-
костной экстракции, направленной на ускоренное и эффективное внедрение результатов научно-технических разработок;
разработка новых методов лабораторных исследований однократной, многократной и. многоступенчатой псевдопротивоточной экстракции для гетерогенных систем жидкость - жидкость;
проведение лабораторных исследований на примере селективной очистки масляных фракций фенолом процесса жидкостной экстракции для изучения закономерностей его статики и динамики, получения данных для описания фазового равновесия, воспроизведения процессов, протекающих в промышленных экстракторах, определения эффективности контактных устройств, отработки новых элементов технологии, получения распределения но ступеням (высоте) экстрактора температуры, внутренних потоков, физико-химических свойств потоков и др.
формирование теоретических предпосылок, обоснование и разработка способов создания рисайкла (потока рафинатной фазы, создаваемого в отгонной части экстракционной колонны), новых элементов технологии (схем) жидкостной экстракции, направленных на улучшение технико-экономических показателей работы узла экстракции промышленных установок, получение высокоиндексных рафинатов, производство нескольких рафинатов или экстрактов.
разработка алгоритма' и программы расчёта на ЭВМ процесса жидкостной экстракции для сложных многокомпонентных систем применительно к очистке нефтяных масел для ускорения синтеза новых технологий и анализа многопараметрического процесса;
разработка на базе теоретических и экспериментальных исследований новых контактных устройств плёночного типа, представляющих собой регулярные насадки, позволяющие упорядочить гидродинамическую структуру потоков, и распределителей жидкости, представляющих собой сочетание высоконапорных и низконапорных распределителей;
внедрение и проведение промышленных испытаний контактных и распределительных устройств и новых технологий с целью углубления переработки масляных фракций; оценка перспектив совершенствования технологии жидкостной экстракции на основе новых контактных и распределительных устройств.
Научная новизна.
-
При разработке методологических основ экспериментальных исследований процесса однократной и многоступенчатой жидкостной экстракции введены новые понятия температурной стационарности, эталонных кривых как информационного поля процесса жидкостной экстракции и "меченых" индивидуальных компонентов при расчётном исследовании процесса на ЭВМ.
-
Разработан общий принцип разгрузки внутренних потоков основного экстракционного аппарата за счёт перераспределения массы и энергии внешних потоков экстрактора или вывода дополнительного промежуточного рафинатпого раствора.
-
Проведён системный анализ методов создания рисайкла в экстракционных аппаратах и сформулирована теоретическая база разработки и исследования новых перспективных, в основном, комбинированных способов создания рисайкла, повышающих эффективность работы аппарата.
-
Впервые предложены и доказаны моделированием на ЭВМ инварианты комбинированных технологий жидкостной экстракции и дистилляции в производстве нефтяных масел с получением промежуточных фракций ра-финатов и экстрактов многоцелевого назначения.
-
Впервые предложены и исследованы процессы экстракционной очистки масляных фракций двумя растворителями, одним из которых является, как обычно, полярный растворитель, а в качестве второго слабополярного растворителя используется рафинат или рафинатный раствор.
-
На основе теорий массопередачи и вихревого движения двухфазных потоков сформулированы теоретические предпосылки создания эффективного экстракционного оборудования гравитационного типа.
-
Впервые изучена интенсивность массообмена в системе деасфаль-тизат — фенол при непрерывной изотермической экстракции для локальных зон экстрактора, соответствующих условиям распыления дисперсной фазы и контактных устройств плёночного типа, и подтверждены теоретические предпосылки высокой эффективности массообмена в этих зонах.
-
Впервые предложено для проведения экстракционного процесса реализовать его в плёночном режиме со свободной развитой двусторонней турбулентной поверхностью дисперсной фазы в противоточном или локально-перекрёстном токе сплошной фазы.
5 Практическая ценность. Решена важная народнохозяйственная задача по совершенствованию технологии жидкостной экстракции в масляном производстве НПЗ с использованием новых контактных и распределительных устройств, позволяющая интенсифицировать тепло-массообмен-ные процессы на действующем экстракционном оборудовании, обеспечивая увеличение выхода ценных компонентов минеральных масел, рост производительности экстракторов по сырью при соответствующем снижении кратности растворителя, реализацию устойчивой, надёжной и эффективной эксплуатации экстракционного оборудования в шнрокігх диапазонах загрузки по сырью и улучшение других технико-экономических показателей. Большая часть новых разработок, защищенных 19 патентами РФ и 4 авторскими свидетельствами СССР, внедрены и успешно прошли промышленные испытания на 10 установках пяти НПЗ России:
- на ПО "Пермьнефтеоргсинтез" (г. Пермь) реконструировано три
промышленных экстрактора на установках 37-50, 37-10 и 37-40 фенолыюй
очистки масляных фракций с использованием КУПТ и распределителей
жидкости, внедрены две технологические схемы узла экстракции, что по
зволило увеличить производительность по сырью на 15-20% и выработку
товарных масел. Фактический экономический эффект составил 0,99 млн.
рублен в цепах 1989-1990 гг. (патент РФ №1510850, а. с. СССР
№ 1623683);
на ЛО "Ново-Уфимский НПЗ" (г. Уфа) внедрение новых элементов технологии узла экстракции двух установок 36-1/1 и 36-1/2 деасфальтиза-ции гудрона жидким пропаном и на установке 37-1/1 фенольной очистки масляных фракций позволило получать более качественные рафинат и экстракт, увеличить массовые выхода деасфальтизата и рафината до 4-5 % на сырьё, увеличить выработку масла ПН-6 до 13 % (патенты РФ № 1281586, №1148860);
на АО "Уфанефтехим" (г. Уфа) успешно функционируют два экстрактора с КУПТ на двух установках фенолыюй очистки масляных фракций (патенты РФ № 1510850, № 2028366);
на АО "Ангарская нефтехимическая компания" (г. Ангарск) реконструирован узел экстракции на блоке установки А-37/3 фенольной очистки с использованием КУПТ, новых распределителей и новых технологических схем (патенты РФ № 1510850, №2028366, №2064960, №2107710,
№ 2076764, № 2065475, № 2070215, а. с. СССР № 1308347). Испытания показали увеличение массового выхода рафината от 7 до 15 %, улучшение качества рафииата и других показателей. Экономический эффект за 1995 -1996 г. составил 9 360,138 млн. рублей.
Всего внедрено изобретений по 11 патентам и авторским свидетельствам. С учётом их использования на разных заводах общее число внедрений 17.
Апробация работы. Результаты работы докладывались:
на Международных: конференциях ISEC90, Япония, г. Киото, 1990 г.; ISECOS'92, Россия, г. Воронеж, 1992 г.; ICHM'92, Китай, г. Чангша, 1992г.; "Нефтехимия-96", Россия, г.Нижнекамск, 1996г.; "Математические методы в химии и химической технологии", Россия, г.Новомосковск, 1997г.; Экологическом конгрессе, Россия, г.Воронеж, 1996 г.; Симпозиуме "Проблемы селективности в экстракции", Россия, г. Москва, 1998 г.;
на Всесоюзных конференциях: "Интенсификация тепло-массообменных процессов в химической технологии", г.Казань, 1987г.; "Экстракция органических соединений", г. Воронеж, 1989 г.; "Термодинамика органических соединений", г.Минск, 1990г.; г.Ижевск, 1991 г.; конференция по экстракции, АН СССР, г. Адлер, 1991 г.;
на Всероссийских конференциях: "Экоаналитика" -94, -96, г. Краснодар, 1994 г., 1996 г.; "Проблемы нефтегазового комплекса России", г. Уфа, 1995 г.; "Теория и практика массообменных процессов химической технологии" (Марушкинские чтения), г. Уфа, УГНТУ, 1996 г.; XI Российская конференция по экстракции, г. Москва, 1998 г.;
на республиканских конференциях: г.Уфа, УНИ, УГНТУ, 1982г., 1984 г., 1987 г., 1990 г., 1994 - 1998 г.г..
Тезис защиты. Автор защищает совокупность результатов исследований научно-технических основ технологии жидкостной экстракции и нового поколения массообменного оборудования - экстракционные насадоч-ные колонны с регулярными насадками и комбинированными распределителями жидкости, позволяющими решить важную народно-хозяйственную задачу углубления переработки масляных фракций на установках селективной очистки масляных фракций и деасфальтизации гудропов жидким пропаном при улучшении технико-экономических показателей этих произ-
водств.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 74 научные работы, в том числе 20 статей, получено 19 патентов Российской Федерации и 4 авторских свидетельства СССР на изобретения.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложеніш. Работа изложена на 326 страницах машинописного текста, содержит 114 рисунков, 82 таблицы, 391 наименований использованных литературных источников и 66 страниц приложения.
