Содержание к диссертации
Введение
1. Основные тенденции по совершенствованию технологии и оборудования масляных производств. литературный обзор 12
1.1. Деасфальтизация гудрона пропаном 15
1.2. Селективная очистка масел избирательными растворителями 22
1.3. Получение окисленных битумов 26
1.4. Влияние массообменных процессов на эффективность экстракционной очистки сырья 27
1.5. Математическое моделирование процесса экстракции 33
1.6. Лабораторное моделирование процесса экстракции 37
1.7. Выводы 40
2. Методические основы исследований 41
2.1. Общая характеристика маслоблока ЗАО «РНПК» 41
2.2. Методика экспериментальных исследований 45
2.3. Методика математического моделирования процесса многоступенчатой противоточной экстракции 50
2.4. Методика исследования эффективности экстрактора 52
2.5. Методы исследования химического состава получаемых продуктов с целью оценки их экологической безопасности
2.6. Выводы 57
3. Повышение эффективности процесса деасфальтизации гудрона за счёт интенсификации массообменных процессов 59
3.1. Модернизация блока экстракции установки деасфальтизации 36/5 59
3.1.1. Характеристика блока экстракции установки 36/5 до модернизации 59
3.1.2. Характеристика новых технических и технологических решений, использованных при модернизации блока экстракции установки 36/5
3.2. Опытно-промышленное исследование эффективности модернизации блока экстракции на установке деасфальтизации гудрона 36/5
ЗАО «Рязанская НПК»
3.2.1. Программа опытно-промышленных испытаний 69
3.2.2. Анализ технологических показателей работы блока экстрактов до и после модернизации
3.3. Опытно-промышленные исследования по оптимизации режима работы блока экстрактов после модернизации в зависимости от тех нологических параметров
3.3.1. Влияние кратности растворителя к сырью на отбор деасфальтизата при работе установки на разных производительностях по сырью
3.3.2. Влияние качества сырья на отбор деасфальтизата 78
3.3.3. Определение потенциала отбора деасфальтизата по расчетным методикам
3.4. Выводы 86
4. Повышение эффективности процесса селективной очистки масел за счет интенсификации массообмена фаз и технологических решений 88
4.1. Исследования процесса селективной очистки в лабораторных условиях
4.1.1. Лабораторное моделирование процесса однократной экстракции 89
4.1.2. Лабораторное моделирование процесса противоточной многоступенчатой экстракции дистиллятного сырья N- метилпирролидоном 92
4.1.3. Лабораторное моделирование противоточной многоступенчатой экстракции деасфальтизата N-метилпирролидоном с применением рециркуляции экстрактного раствора 95
4.2. Математическое моделирование процесса селективной очистки масел 101
4.2.1. Групповой химический состав сырья и продуктов процесса селективной очистки 101
4.2.2. Сравнительное математическое моделирование процесса экстракционной очистки масляной фракции фенолом и N-метилпирролидоном 104
4.2.3. Математическое моделирование процесса селективной очистки де-асфальтизата N-метилпирролидоном по различным технологическим схемам 108
4.2.4. Оценка влияния эффективности массообмена фаз в экстракторе на содержание сероорганических соединений в рафинате и технологические показатели процесса 116
4.3. Модернизация внутренних устройств экстракторов К-1, К-1А установки селективной очистки масел А-37/3 ЗАО «РНПК» 118
4.4. Опытно-промышленное исследование эффективности модернизации внутренних устройств экстракционной колонны установки селективной очистки 125
4.4.1. Опытно-промышленный пробег на установке А-37/3 ЗАО «РНПК» в 2001 г. после завершения первого этапа модернизации установки 125
4.4.2. Опытно-промышленный пробег на установке А-37/3 ЗАО «РНПК» в 2004 г. после завершения работ по модернизации внутренних устройств колонны К-1А 128
4.5. Включение в состав блока экстракции нового узла подготовки сырья перед экстрактором 138
4.6. Выводы 145
5. Совершенствование технологии процессов производства масел, направленное на квалифицированное использование побочной продукции 151
5.1. Получение окисленных битумов улучшенного качества за счет ин-жекционной подачи сырья и воздуха в реактор окисления 151
5.2. Совершенствование системы инжекционной подачи сырья и воздуха в реактор окисления с целью обеспечения его эффективности в широком диапазоне производительности по сырью 166
5.3. Разработка технологии получения экологически безопасных масел-мягчителей каучука и резины на основе экстрактов селективной очистки минеральных масел 174
5.4. Схема интеграции нового процесса селективной очистки масел в технологическую схему производства минеральных масел на ЗАО «РНПК» 184
5.5. Выводы 188
Основные выводы 190
Список использованных источников 193
Приложения 223
- Влияние массообменных процессов на эффективность экстракционной очистки сырья
- Влияние качества сырья на отбор деасфальтизата
- Лабораторное моделирование процесса противоточной многоступенчатой экстракции дистиллятного сырья N- метилпирролидоном
- Совершенствование системы инжекционной подачи сырья и воздуха в реактор окисления с целью обеспечения его эффективности в широком диапазоне производительности по сырью
Введение к работе
Актуальность темы исследований и степень её разработанности
Многие крупные нефтеперерабатывающие заводы Российской Федерации, в том числе и ЗАО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания» (ЗАО «РНПК»), были построены и пущены в эксплуатацию ещё в 50 – 60 г.г. прошлого столетия. Высокая изношенность оборудования, устаревшая технология процессов повышает себестоимость производимой продукции, отрицательно сказывается на её качестве. Всё это в конечном итоге снижает конкурентоспособность отечественных нефтепродуктов по сравнению с зарубежными. Поэтому в настоящее время отечественная нефтепереработка остро нуждается в обновлении мощностей.
Диссертационная работа посвящена решению актуальных для отечественной нефтепереработки проблем по внедрению новых технологий и модернизации существующих установок, направленных на повышение глубины переработки нефти, снижение энергоемкости и повышение экологической безопасности технологических процессов, расширение ассортимента и повышение качества выпускаемой продукции. В работе приводятся результаты исследования новых технологических и аппаратурных решений, разработанных для процессов деасфальтизации гудрона, селективной очистки масел, получения битумов и производства экологический безопасных масел-мягчителей, выполненных методами математического моделирования и экспериментов в лабораторных и опытно-промышленных условиях.
Целью работы является повышение эффективности и экологической безопасности процессов масляных производств, увеличение отбора и улучшение качества получаемой продукции за счет интенсификации межфазного тепло-массообмена и совершенствования технологии процессов.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Выбор и обоснование современных технических решений для совершенствования процессов и аппаратов масляных производств –
деасфальтизации гудрона, селективной очистки масел и окисления битумов.
-
Модернизация блока экстракции установки деасфальтизации гудрона с использованием узла подготовки сырья и новых контактных устройств РН-ИМПА-01, разработанных ООО “ИМПА Инжиниринг”. Опытно-промышленное исследование эффективности массообменных устройств и оптимизация технологического режима работы установки после модернизации.
-
Реконструкция установки селективной очистки масел с заменой фенола на экологически безопасный растворитель N-метилпирролидон и применение контактных устройств РН-ИМПА-02 в экстракторах. Проведение исследований, включающих лабораторное и математическое моделирование, опытно-промышленные испытания, направленных на улучшение технологических показателей установки селективной очистки масел.
-
Разработка и внедрение в производство новой технологии получения окисленных битумов улучшенного качества за счет инжекционной подачи сырья и воздуха в реактор окисления;
-
Разработка технологической схемы масляного производства с интеграцией технологии получения экологически безопасных масел-мягчителей.
Научная новизна:
-
Разработано технологическое решение по интенсификации процесса селективной очистки масел, заключающееся в создании вне экстракционного аппарата дополнительных ступеней контакта внешних потоков (сырья, растворителя, рафинатного раствора, инертного газа) с экстрактным раствором и направленное на доизвлечение ценных сырьевых компонентов из экстрактного раствора за счёт эффективного контакта взаимодействующих фаз и селективного перераспределения сырьевых компонентов, связанного с их различной растворимостью во взаимодействующих между собой потоках, и показано, что данное решение позволяет увеличить отбор целевого продукта (рафината) и снизить кратность растворителя к сырью.
-
В результате лабораторных исследований технологии экстракцион-
ного разделения нефтяного масляного сырья с выводом промежуточного экстракта получен экстракт с пониженным содержанием полициклических ароматических углеводородов, исследования которого показали его соответствие экологическим требованиям и требованиям производителей каучуков и резины к экологически безопасным маслам-мягчителям.
-
Для процесса деасфальтизации гудрона сжиженным пропаном получены корреляционные уравнения, определяющие зависимость оптимальной кратности растворителя от производительности установки по сырью, зависимости выхода деасфальтизата от коксуемости гудрона и от объёмной скорости фаз в экстракторе с регулярной насадкой РН-ИМПА-01.
-
Разработаны реактор для окисления нефтепродуктов и технологическое решение по применению инжекционной системы подачи сырья и воздуха, которые позволяют повысить производительность, получать окисленные битумы улучшенного качества, снизить энергоемкость процесса за счёт снижения удельного расхода воздуха и повысить безопасность процесса в результате снижения содержания кислорода в газах окисления.
Теоретическая и практическая значимость:
1. Теоретическая ценность работы заключается: в предложенном принципе по интенсификации процесса селективной очистки масел за счёт создания вне экстракционного аппарата дополнительных ступеней контакта внешних потоков с экстрактным раствором для доизвлечения из него ценных сырьевых компонентов; в изучении нового продукта – экологически безопасного масла-мягчителя с пониженным содержанием полициклических ароматических углеводородов, полученного по технологии экстракционного разделения нефтяного масляного сырья с выводом промежуточного экстракта; применении инжекционной системы подачи сырья и воздуха для процесса окисления битумов; получении зависимостей качества сырья и продуктов, производительности и технологических показателей процесса деасфальтиза-ции гудрона сжиженным пропаном для регулярной насадки РН-ИМПА-01.
-
Результаты исследования использованы при реконструкции блока экстракции установки деасфальтизации гудрона пропаном 36/5 ЗАО «РНПК», в ходе которой в двух экстракционных колоннах установки были применены контактные устройства РН-ИМПА-01, использованы новые распределительные устройства и каплеотбойники, в состав блока экстракции включен новый узел подготовки сырья. Проведённые опытно-промышленные исследования на установке деасфальтизации гудрона 36/5 показали надежность и эффективность предложенных решений. Анализ работы блока экстракции до и после модернизации показал повышение эффективности процесса экстракции – увеличен отбор деасфальтизата на 1,5 – 2,0 % масс., снижена на 15 – 20 % оптимальная объёмная кратность растворителя к сырью с 6,8 – 7,0:1 до 5,8 – 6,0:1, увеличена доля извлечения целевых компонентов к потенциалу на 7 – 8 % (с 87 – 89 % до 94 – 96 % масс.), увеличена производительность экстрактора по сырью на 32 % масс.
-
Результаты исследований, выбора растворителя и оптимизации процесса селективной очистки масел были использованы при реконструкции установки селективной очистки масел А-37/3 ЗАО «РНПК», в ходе которой была проведена замена растворителя с фенола на экологически безопасный растворитель N-метилпирролидон, в экстракционных колоннах К-1 и К-1А были использованы контактные устройства РН-ИМПА-02. Опытно-промышленные пробеги, проведенные на установке А-37/3, показали, что применение контактных устройств РН-ИМПА-02 позволило снизить оптимальную кратность растворителя на 20 – 30 %, увеличить средний отбор ра-фината на 2,5 – 3,0 % масс. и расширить диапазон стабильной работы экстракционной колонны по производительности. Расчет экономического эффекта от внедрения новой насадки на установке А-37/3 ЗАО «РНПК» показал, что ежемесячная экономия составляет 2,4 млн. руб. в ценах марта 2003 г.
-
Внедрение реактора для окисления нефтепродуктов и технологического решения по применению инжекционной системы подачи сырья и воз-
духа на установке получения битума 19/5 ЗАО «РНПК» позволило получить окисленные битумы улучшенного качества, повысить производительность установки, снизить энергоемкость и повысить безопасность процесса снижением удельного расхода воздуха и содержания кислорода в газах окисления.
5. Разработана перспективная технологическая схема масляного производства с интеграцией технологии экстракционного разделения нефтяного масляного сырья с выводом промежуточного экстракта, являющегося экологически безопасным масло-мягчителем, позволяющая работать технологических установкам масляного производства как по масляному направлению переработки нефти, так и по топливному направлению переработки нефти. Реализация схемы позволит расширить ассортимент высококачественной продукции и повысить глубину переработки нефти на 0,7 %.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на VI Международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов “Нефтехимия–2002” (г. Нижнекамск, 2002 г.), на Международных научно-практических конференциях «Нефтегазопереработка и нефтехимия– 2005», «Нефтегазопереработка–2009», «Нефтегазопереработка–2010», «Нефтегазопереработка–2011», «Нефтегазопереработка–2012», «Нефтегазо-переработка–2013» (г. Уфа, 2005, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 г.г.), на III, IV международных конференциях “Экстракция органических соединений” (г. Воронеж, 2005, 2010 г.г.), на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (г. Уфа, 2009 г.), на V Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды “Экоаналитика–2002” (г. Краснодар, 2002), на Всероссийской научной конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения)» (г. Уфа, 2006, 2011г.г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные технологии в области химии и биотехнологии» (г. Уфа, 2012 г.), на науч-
но-практических конференциях «Нефтепереработка и нефтехимия–2002», «Нефтепереработка и нефтехимия–2003» (г. Уфа, 2002 г., 2003 г.).
Публикации
Основное содержание диссертации изложено в 33 публикациях, включая 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ, и 3 патента Российской Федерации.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 294 наименования, и приложения. Материал диссертации изложен на 233 страницах машинописного текста, содержит 45 таблиц, 41 рисунок и приложения на 10 страницах.
Влияние массообменных процессов на эффективность экстракционной очистки сырья
Степень очистки масляных дистиллятов избирательными растворителями в значительной мере определяется эффективностью работы контактирующих устройств экстракционной колонны. Поэтому выбору наиболее совершенных аппаратов для экстракции нефтяного сырья посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов [68, 69, 70, 76, 77, 98, 117, 122, 146, 176, 187, 198, 244, 245, 248, 250, 253, 254, 256 – 258, 261, 262, 264, 270, 267, 269, 276, 279, 291– 294]. В соответствии с традиционной классификацией массообменных процессов [123] жидкостная экстракция, используемая для очистки масел, относится к группе процессов I с непосредственным соприкосновением фаз, обменивающихся компонентами, и подгруппе IA процессов с изменяющимися границами раздела фаз. Как указывается в [123], недостатком традиционной классификации является её неоднозначность, с одной стороны, и, с другой стороны, эта классификация не выявляет в должной мере общности в реализации и описании рассматриваемых технологических процессов. В связи с этим в [123] продолжена как более обоснованная с позиции методов анализа и расчета классификация массообменных процессов по числу фаз и компонентов, в том числе перенесенных из фазы в фазу. Такую классификацию массообменных процессов авторы назвали компонентно-фазной, или КФ-классификацией.
По КФ-классификации жидкостная экстракция в наиболее простом виде относится к группе 3 (2-2) 1, в которой первая цифра указывает общее число компонентов в системе (рафинат, экстракт и растворитель в случае селективной очистки масел), цифры в скобках обозначают числа компонентов в каждой фазе (отдающий и получающий компонент), третья группа – число компонентов, переходящих из фазы в фазу. В данной классификации компонента – это не обязательно индивидуальное вещество; это может быть и группа веществ, выполняющих одинаковую роль. В частности, в экстракционной очистке масел – это желательные масляные компоненты и нежелательные компоненты.
Следует подчеркнуть, что многие технологические процессы, обособленные в традиционной классификации, здесь объединены в общие группы, для которых могут быть использованы сходные подходы к анализу и расчету. Так, в КФ-классификации жидкостная экстракция отнесена к общей группе с другими процессами: абсорбция, десорбция, адсорбция.
В литературе предложены различные критерии оценки эффективности экстракционного аппарата. Наиболее часто для оценки эффективности экстрактора используется число ступеней контакта (ЧСК), фактор эффективности Ф и число теоретических тарелок [111]. Для оценки эффективности массообменных устройств в экстракционной колонне используют также параметр ВЭТС, равный высоте колонны, эквивалентной одной теоретической ступени контакта [1, 15, 16].
Число теоретических ступеней определяется по кривой зависимости разности показателя преломления или плотности сырья и рафината от числа ступеней контакта, полученной в лабораторных условиях методом имитации процесса непрерывной многоступенчатой противоточной экстракции [96].
В производстве нефтяных масел наибольшее распространение получили экстракты колонного типа [1, 8, 93, 198]. В колонных аппаратах движение экстра-гентов относительно друг друга осуществляется под действием гравитации. Легкая фаза поступает в колонну снизу и движется вверх, а тяжелая фаза подается сверху и движется вниз под действием силы тяжести противотоком к легкой фазе.
Аппараты колонного типа различаются по типу применяемых контактных устройств: насадок или тарелок различных конструкций. В экстракционных колоннах на многих установках селективной очистки масел в России и за рубежом контакт фаз осуществляется в объеме насадки из колец Рашига размером 25х25 мм [14]. Насадки укладываются секциями высотой от 1,2 до 3 м, число секций 8 – 10. Между секциями насадки имеются распределительные тарелки, способствующие более равномерному распределению потоков по сечению колонны. Ввод растворителя, сырья и рециркулята, в качестве которого обычно используют экстрактный раствор, осуществляют через специальные маточники.
В экстракционных колоннах первых установок пропановой деасфальтиза-ции также в качестве контактных устройств были установлены кольца Рашига [14]. Первые годы эксплуатации таких установок выявили ряд существенных недостатков таких насадок, главными из которых являются склонность к «закоксо-выванию» и сложность их очистки от коксовых отложений. Поэтому вскоре на всех установках пропановой деасфальтизации насадки из колец Рашига были заменены на жалюзийные тарелки.
Большое распространение получили также тарельчатые экстракционные колонны с ситчатыми и жалюзийными тарелками. В экстракционных колоннах большинства установок деасфальтизации пропаном на НПЗ России применяются жалюзийные тарелки [14, 38]. Жалюзийная тарелка состоит из наклонно поставленных пластин шириной 8 – 10 см с промежутком между пластинами 5 – 7 см. Эффективность жалюзийных тарелок низкая по сравнению с эффективностью тарелок и насадок других типов, однако конструкция их очень простая. Главными их достоинствами по сравнению с кольцами Рашига являются их меньшая склонность к «закоксовыванию» и простота очистки от коксовых отложений при профилактических остановках установки.
На большинстве установок селективной очистки процесс экстракции осуществляется в колоннах, оснащенных насадками из колец Рашига, которые из-за низкой эффективности контакта фаз не обеспечивают требуемой глубины извлечения низкоиндексных компонентов из очищаемого сырья. Глубина извлечения масляных компонентов при использовании экстракционных колонн с насадками из колец Рашига при одноступенчатой экстракции по данным работы [96] составляет всего 85 – 90 % масс. от их потенциала в сырье.
В последние годы на установках деасфальтизации гудрона и селективной очистки на Российских НПЗ наметилась тенденция по усовершенствованию мас-сообменных устройств. При этом наиболее широкое применение нашли новые контактные устройства – регулярные насадки пленочного типа, разработанные специалистами ООО «ИМПА Инжиниринг» под руководством профессора Зи-ганшина Г.К. [77, 81 – 86, 124, 125, 147, 216, 217, 243]. Разработаны контактные устройства нескольких типов, при этом каждый тип имеет несколько модификаций, отличающихся схемой движения потоков, пропускной способностью по каждой из взаимодействующих фаз.
Основные преимущества регулярных насадок РН-ИМПА заключаются в следующем [82]:
- высокая эффективность массообмена (ВЭТС составляет 1,0 – 1,4 м);
- повышение производительности колонны до 2-х раз;
- высокие эксплуатационные характеристики и низкое гидравлическое сопротивление; - обладает эффектом самоочищения насадки;
- устойчивость к динамическим колебаниям загрузок в связи с малой задержкой и отсутствием застойных зон.
Контактные устройства РН-ИМПА установлены на многих экстракционных колоннах установок селективной очистки масел и пропановой деасфальтизации гудронов Российских НПЗ.
В работах [77, 81, 84, 124, 147, 217] представлены результаты модернизации экстракционных колонн установок селективной очистки на нефтеперерабатывающих заводах ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» и ОАО «Славнефть-Ярославнефтеоргсинтез». В результате замены старых насадок на регулярные насадки пленочного типа отборы рафи-натов увеличились от 4 % при сохранении их качества, снижена кратность растворителя к сырью не менее чем на 7 % и расширен диапазон устойчивой работы экстракционных колонн.
Влияние качества сырья на отбор деасфальтизата
Исследование проб сырья и продуктов установки деасфальтизации 36/5
Проведён анализ основных характеристических показателей сырья и продуктов процесса деасфальтизации, позволяющих судить об эффективности протекания процесса. Анализы коксуемости проводились по ГОСТ-1993.2-74 «Нефтепродукты. Метод определения коксуемости по Конрадсону». Для определения группового состава использовали жидкостно-адсорбционную хроматографию по методике ГУП ИНХП РБ.
Коксуемость образцов сырья и продуктов, отобранных в разное время, приводится в табл. 3.7, групповой химический состав образцов - в табл. 3.8.
Видно, что коксуемость гудрона колеблется в широких пределах 13,1 -17,5%, соответственно в большом диапазоне колеблется отбор деасфальтизата. Фактические среднемесячные отборы деасфальтизата с февраля по декабрь 2008 г. (коммерческий учет) приводятся в табл. 3.9.
В сентябре 2008 г. коксуемость гудрона увеличилась до 15,5-16,5% сред 82 ний выход деасфальтизата за месяц снизился до 23,6%.
В октябре этого же года коксуемость гудрона находилась в среднем на уровне 15,0-15,5%, при этом отбор деасфальтизата за месяц составил 25,9%. В ноябре 2008 г. коксуемость гудрона держалась в пределах 15,5-15,9% (в среднем), при этом отбор деасфальтизата — 24,3%. В декабре того же года коксуемость гудрона составляла в среднем 15,8-16,5%, при этом отбор деасфальтизата за месяц составил 23,9%.
Таким образом, между коксуемостью сырья и выходом деасфальтизата имеется четкая обратно-пропорциональная зависимость. Статистическая обработка данных табл. 3.10 методом регрессионного анализа дает следующую корреляционную зависимость: где Сr – коксуемость гудрона, %; D – отбор деасфальтизата, % масс.
График этой корреляционной зависимости приводится на рис.3.5. Видно, что при увеличении коксуемости с 14,0% до 16,5% выход деасфальтизата с коксуемостью не выше 1,3% снижается с 26,6% до 23,6%, т.е. снижается на 3,0%.
С целью оценки эффективности работы блока экстракции установки были определены потенциалы отбора деасфальтизата на основе характеристик сырья установки. Потенциал отбора деасфальтизата требуемого качества рассчитан по методике ГУП ИНХП РБ (на основе коксуемости сырья и деасфальтизата с корректировкой по групповому составу), которая с достаточно высокой степенью точности позволяет прогнозировать максимальный выход деасфальтизата из остаточного сырья. Результаты приведены в табл. 3.11. График зависимости потенциала отбора от коксуемости гудрона приведен на рис. 3.6.
При оценке эффективности работы экстракционной колонны по методике ГУП ИНХП РБ принимается, что расчетный выход деасфальтизата соответствует 100 % эффективности. Результаты расчета эффективности (процента отбора от потенциала) колонн также представлены в табл. 3.11.
По данным табл. 3.11 построены графики зависимостей фактического (до и после модернизации) и потенциального отбора деасфальтизата от коксуемости гудрона, представленные на рис.3.6.
Из приведенных в табл. 3.11 данных видно, что в среднем фактический отбор деасфальтизата после модернизации установки вырос на 0,8%, а эффективность процесса деасфальтизации выросла на 7,6%.
Если же сравнивать результаты деасфальтизации до модернизации установки в феврале, когда коксуемость гудрона была 15,2-15,4%, с результатами деасфальтизации после модернизации в ноябре и декабре, когда коксуемость гудрона была на том же уровне 15,4-15,94%, то видим, что среднемесячный отбор деасфальтизата повысился с 22,3% до 23,9-24,3%.
Лабораторное моделирование процесса противоточной многоступенчатой экстракции дистиллятного сырья N- метилпирролидоном
Из графиков рис. 4.4 видно, что показатели преломления рафинатов, полученных с одинаковым выходом, но при разной кратности растворителя, существенно отличаются. Например, рафинат с выходом 47,5 %, полученный при кратности растворителя 3,0, имеет показатель преломления 1,4742, тогда как ра-финат с таким же выходом, полученный при более низкой кратности растворителя 2,5, имеет значительно более высокую рефракцию 1,4759. Таким образом, с увеличением кратности растворителя повышается селективность процесса экстракции.
Поэтому с точки зрения повышения отбора рафината требуемого качества желательно увеличить кратность растворителя при одновременном снижении температуры процесса экстракции. Однако, увеличение кратности циркулирующего растворителя приводит к росту удельных энергозатрат на производство про 93 дукции. Оптимальная кратность растворителя будет зависеть от количества ступеней контакта в экстракторе, от эффективности массообменных устройств и принятой технологической схемы проведения процесса.
Лабораторное моделирование процесса противоточной многоступенчатой экстракции дистиллятного сырья N-метилпирролидоном
Лабораторное моделирование процесса многоступенчатой экстракции дистиллята И-40 проводили без применения рециркуляции экстрактного раствора по четырехступенчатой схеме, приведенной на рис. 2.1, при кратности растворителя 2,5. Общее количество операций составило 9.
В табл. 4.2 приводятся количества входящих и выходящих из экстрактора потоков по каждой операции. В табл. 4.3 приводятся количества рафинатного и экстрактного растворов по ступеням. Температуры на ступенях приводятся в табл. 4.4. Видно, что температура по ступеням на всех операциях выдерживается одинаковой и равна 47С на первой ступени, 50С – на второй, 53С – на третьей и 56С – на четвертой ступени экстракции (табл. 4.4).
Наибольшее значение потоков как рафинатного так и экстрактного растворов наблюдается на первой ступени (табл. 4.3). Общий массовый расход потоков на первой ступени составляет 790,5 г. С ростом номера ступени, что соответствует увеличению высоты уровня экстракционной колонне, количество потоков снижается. На последней четвертой ступени общий массовый расход потоков через экстрактор составляет 656,2 г., что на 20,5 % ниже, чем на первой.
Расхождение в общем балансе экстрактора в последней операции составило всего 9,9 г или 1,4 %.
Разница между выходами рафинатного и экстрактного растворов в операциях 8 и 9 составляет 1,8 %, что свидетельствует о достижении стационара. Выход рафината составил 51,4 %, показатель преломления полученного ра-фината – 1,4670. При сравнении полученных результатов с данными, приведенными на рис. 4.2, видно что, показатель преломления рафината, полученного в процессе четырехступенчатой экстракции, значительно ниже аналогичного показателя для рафината, полученного при однократной экстракции того же сырья с одинаковым отбором даже при повышенной кратности растворителя 3. Для однократной экстракции дистиллята И-40 N-метилпирролидоном при кратности 2,5:1 рафинат, получаемый с выходом 51,4 %, имеет рефракцию 1,4760, рафинат, получаемый при кратности растворителя 3,0:1 с тем же выходом, имеет рефракцию 1,4744, тогда как рефракция рафината, получаемого при четырехступенчатой экстракции с кратностью растворителя 2,5 с таким же выходом 51,4 %, составляет всего 1,4670.
Таким образом, результаты проведенных лабораторных исследований показывают, что с увеличением ступеней контакта улучшаются технологические показатели процесса селективной очистки, а именно:
- снижается показатель преломления рафината при сохранении его выхода на заданном уровне;
- увеличивается отбор рафината заданного качества;
- снижается оптимальная кратность растворителя для получения рафината заданного качества и с высоким выходом.
Лабораторное моделирование противоточной многоступенчатой экстракции деасфальтизата N-метилпирролидоном с применением рециркуляции экстрактного раствора
В проводимых исследованиях за основу принята промышленная схема многоступенчатого противоточного экстрактора с подачей растворителя на верхнюю ступень, сырья в одну из нижних ступеней и рециркуляцией экстрактного раствора в низ колонны (рис. 4.5)
Совершенствование системы инжекционной подачи сырья и воздуха в реактор окисления с целью обеспечения его эффективности в широком диапазоне производительности по сырью
Как показывают результаты опытного пробега на битумной установке 19/5 ЗАО «РНПК» по испытанию разработанной системы инжекционной подачи сырья и воздуха в окислительный реактор оптимальный диапазон производительности установки по сырью составляет 25-35 м/ч. При сезонном сокращении потребления битумов возникает необходимость снижения производительности реактора по сырью до 20 м/ч и более. Как видно из рис. 5.3, 5.4 при этом повышается удельный расход воздуха, температурный режим работы реактора становится менее стабильным. Это происходит из-за снижения эффективности работы сырьевого и воздушного инжекторов при уменьшении их загрузки по рабочим потокам – сырью и воздуху.
Нами были проведены расчеты с использованием различных конфигураций инжекторов для создания условий эффективной работы реактора в широком диапазоне производительности по сырью. Были рассмотрены два варианта расположения сырьевых инжекторов: одного внутри реактора (рис. 5.5 (а)) и двух – вне реактора (рис. 5.5 (б)). В обоих вариантах расчетов конфигурация воздушных инжекторов была неизменна.
Подача воздуха в окислительную колонну осуществлялась с помощью двух инжекторов, расположенных внутри колонны.
Расчеты инжекторов проводили при следующих предельных значениях основных режимных параметров работы реактора: производительность по сырью – 15-40 м/ч, расход воздуха – 1500-3500 нм/ч, давление в газовом пространстве 5-45 кПа.
Результаты расчетов приведены на рис. 5.6-5.9. Как видно из рис. 5.6, при установке сырьевого инжектора внутри реактора, его эффективность, оцениваемая по величине коэффициента инжекции k0, резко возрастает при увеличении производительности по рабочему потоку от 15 м3/ч до 20 м3/ч, затем при дальнейшем увеличении подачи сырья в сопло инжектора меняется незначительно Таким образом, расположенный внутри реактора сырьевой инжектор работает наиболее эффективно, когда производительность по сырью составляет около 20 м3/ч и более. Зависимости давления сырья перед инжектором (на входе в сопло) и объёмного расхода инжектируемых газов окисления от производительности реактора по сырью близки к линейным.
При максимальной производительности по сырью – 40 м/ч требуемое давление сырья не превышает 500 кПа, т.е находится в допустимых пределах. Анализ возможностей оборудования ряда битумных производств показал, что применяемые насосы способны развить такое давление перед инжектором с учетом всех потерь напора в линии подачи сырья.
Объемный расход инжектируемых газов окисления при этом достигает максимума.
Приведенные на рис. 5.6 значения давления сырья соответствуют принятым пределам давления в газовом пространстве реактора. Снижение этого давления будет сопровождаться увеличением коэффициента инжекции (при данном расходе сырья) и, как следствие, объемного расхода инжектируемых газов окисления, однако требуемое давление сырья перед инжектором, соответствующее данной производительности реактора по сырью, будет уменьшаться.
При внешнем расположении сырьевого инжектора возникновение дополнительных гидравлических сопротивлений (как в линии газов окисления, поступающих в инжектор, так и в линии подачи газожидкостного потока в реактор) приводит к снижению эффективной работы инжекционной системы. Требуемая эффективность может быть достигнута при установке двух инжекторов, один из которых будет работать при малой (до 25 м3/ч), а другой при большой (более 25 м3/ч) производительности реактора по сырью.
Как видно из рис. 5.7, объемный коэффициент инжекции при значениях производительности, соответствующих применению того или иного инжектора, изменяется незначительно. Зависимости объемного расхода инжектируемых газов окисления от производительности реактора по сырью в соответствующем диапазоне носят линейный характер (рис. 5.8). Максимальное требуемое давление сырья перед входом в инжектор находится в пределах 530-580 кПа.
Давление сырья перед инжектором было рассчитано с учетом потери напора в линии подачи газожидкостной смеси в реактор. Потеря напора из-за сложности её расчета была принята по результатам внедрения инжекционной системы в битумном производстве ЗАО «РНПК».
Из сравнения данных рис. 5.8 и рис. 5.9 с данными рис. 5.7 следует, что при внешней установке двух сырьевых инжекторов стабильность работы ин-жекционной системы повышается: практически во всем диапазоне значений производительности реактора по сырью коэффициент инжекции изменяется незначительно. Некоторое снижение эффективности работы инжекционной системы наблюдается при наиболее низкой производительности аппарата – 15-17,5 м3/ч и при работе системы с высокой потерей напора в линии подачи газожидкостной смеси от инжектора в реактор.
При внешнем расположении инжекторов снижение объемного коэффициента инжекции обусловлено необходимостью преодоления дополнительных гидравлических сопротивлений как в линии газов окисления, поступающих из реактора и инжектор, так и в линии подачи газожидкостного потока от инжектора в аппарат.
Результаты внедрения инжекционной системы и расчеты показали, что один воздушный инжектор не обеспечивает заданной эффективности работы в широком диапазоне расходов воздуха.
