Основные принципы построения технологических схем ГФУ, характеристика продуктов

Технологические схемы газофракционирующих установок (ГФУ) зави­сят от состава и давления исходного сырья и качества и ассортимента полу­чаемых продуктов. При выборе оптимальной схемы разделения сырья на ГФУ придерживаются следующих правил:

1. Исходное сырье делят на такие фракции, для ректификационного выделения которых при заданном хладагенте и исходных термодинамиче­ских параметрах состояния требуются минимальные затраты на сжатие этого сырья до давления конденсации ректификата.

2. Для высокой четкости разделения ректификата и остатка колонны предпочтительно, чтобы они были примерно равны по мольному расходу (правило деления сырья пополам).

3. Близкокипящие компоненты при требуемой высокой чистоте полу­чаемых продуктов в технологической схеме разделяют последними.

С учетом этих правил применяются следующие технологические схемы ГФУ (рис. 8.3): с нисходящим (а), восходящим (б) и смешанным (в) давлением. В качестве сырья этих установок исследована деметанизированная ШФЛУ. По схеме а давление снижается в ряду колонн 1-2-3; по схеме б - повышает­ся в ряду колонн 7-2-5; по схеме в давление в колонне 2 выше, чем в колон­нах I и 3.

Для упрощения технологических схем, приведенных на рис. 8.3, на них не показаны системы создания жидкостного и парового орошений, нагрева и охлаждения продуктов и др.

Статьи затрат	Выделяемые компоненты
С2	С3	С4	С5	i-C4 н-С4	i-С5 н-С5
Эксплуатационные расходы	5-12	15-20	15-25	7-12	20-30	15-20
Капитальные вложения на ректификационное оборудование	2-8	7-10	10-16	5-10	25-35	25-25

В целом на ГФУ применяется от 3 до 10 ректификационных колонн, соединенных между собой по разным технологическим схемам. Суммарное число тарелок во всех колоннах колеблется от 390 до 720 штук, а число тарелок в изобутановой и изопентановой колоннах (колонны имеют то же название, что и их ректификат) - от 97 до 180 штук. Оптимальная схема соединения колонн между собой в каждом конкретном случае определяется ни минимальной себестоимости готовой продукции.

Распределение затрат на выделение отдельных фракций на ГФУ приведено в табл. 8.1, из которой видно, что максимальные затраты приходятся на разделение близкокипящих компонентов.

Табл. 8.1. Затраты на выделение различных компонентов на ГФУ (% от общей суммы затрат на установке)

Широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ) получают при отбензинивании природных и нефтяных газов различными методами, а также при стабилизации газовых конденсатов. В состав ШФЛУ входят C₂H₆ (2-8 %), C₃H₈ (10-15 %), i-C₄H₁₀ (8-18 %), н-C₄H₁₀ (20-40%) и УВ С₅₊ (11-25 %), а также примеси соединений серы, включая меркаптаны и сероводород. ШФЛУ подвергают переработке с разделением на более ценные узкие фракции и индивидуальные УВ на специальных ГФУ, входящих в структуру ГПЗ И НПЗ.

ШФЛУ, а также головку стабилизации газового конденсата разделяют на ГПЗ по 4 основным вариантам:

а) для производства стабильного газового бензина (УВ С₅₊) и топливного газа (УВ С₁-C₂);

б) для производства стабильного газового бензина (УВ С₅₊), топливного газа (УВ С₁-С₂) и сжиженной пропан-бутановой фракции;

в) для производства стабильного газового бензина (УВ С₅₊), топливного газа (метан с примесями этана) и индивидуальных углеводородов (этан, пропан, изобутан, нормальный бутан и др.);

г) для производства индивидуальных углеводородов и их смесей (при переработке ШФЛУ, практически не содержащих С₅₊).

Для коммунально-бытового потребления выпускается 3 марки сжиженных углеводородных газов: СПБТЗ - смесь пропан-бутановая техническая зимняя, СПБТЛ - то же, летняя, БТ - бутан технический. В составе сжиженных газов предусматривается содержание не только пропана и бутана (насыщенных углеводородов), но также олефинов от этиленов и выше, т. е. в их состав вовлекаются как пропан-бутановая фракция ШФЛУ из природных газов, так и из вторичных газов, содержащих олефины.

Остаточная фракция ШФЛУ - газовый бензин, содержащий в основном углеводороды от пентана и выше. Для него нормами установлены два основных показателя - температура начала кипения (не ниже 30 °С) и давление насыщенных паров, характеризующее наличие в нем легких углеводородов (не более 67 кПа летом и не более 93 кПа зимой).

Газовый бензин является также источником получения одоранта - концентрата легких меркаптанов.

Этан (этановая фракция) применяется как сырье пиролиза, в качестве хладагента на установках НТК, сжижения газов, депарафинизации масел, выделения п-ксилола и др.

Пропановая фракция (технический пропан) используется как сырье пиролиза, коммунально-бытовое и автомобильное топливо, хладагент для технологических установок переработки нефти и газа, растворитель.

Изобутановая фракция является сырьем установок алкилирования и производства синтетического каучука.

Бутановая фракция используется для получения бутадиена-1,3, а также как коммунально-бытовое топливо, добавка к автомобильным бензинам для повышения давления насыщенных паров.

Изопентановая фракция служит сырьем для производства изопренового каучука, является компонентом высокооктановых бензинов.

Пентановая фракция служит сырьем для процессов изомеризации, пиролиза, получения амиловых спиртов.

При использовании этих фракций легких углеводородов как сырья для нефтехимии содержание основных компонентов в них должно быть не менее 96-98 %.

16. Определение фракционного состава нефти и нефтепродуктов

Фракционный состав - зависимость количества выкипающего продукта от повышения температуры ки­пения. Такая зависимость имеет место для любых смесей разнокипящих веществ. Для индивидуальных веществ с определенной температурой кипения такой зависимости нет, так как вещество начинает кипеть и полностью выкипает при одной и той же температуре, называемой температурой кипения.

В основе всех методов определения фракционного состава нефти лежит дистилляция - тепловой процесс разделения слож­ной смеси углеводородов нефти на отдельные фракции с раз­личными температурными интервалами кипения путем испаре­ния нефти с последующей дробной конденсацией образо­вавшихся паров.

В зависимости от числа ступеней конденсации паров разли­чают три варианта дистилляции нефти:

простая дистилляция, когда образующиеся при испарении нефти пары полностью конденсируют;(наим. четкость разделения)

дистилляция с дефлегмацией, когда из образовавшихся при испарении нефти паров конденсируют часть высоко*сипящих

фракций, возвращая их в виде жидкой флегмы в кипящую нефть, а оставшиеся пары, обогащенные низкокипящими ком­понентами, полностью конденсируют;

ректификация - дистилляция с многократно повторяющейся дефлегмацией паров и одновременным испарением низкокипящих компонентов из образующейся флегмы, чем достигают мак­симальной концентрации низкокипящих фракций в парах до их полной конденсации.(наиб. четкость разделения).

1. Методы простой дистилляции. Эти методы могут быть периодическими и непрерывными, а получаемые результаты имеют самостоятельное значение.

Периодическая простая дистилляция (рис. 2.3) Россия - ГОСТ 2177-85, США - ASTM D-8

Для ее проведения в колбу 1 помещают V нефти (100-200 мл) и постепенным нагреванием испа­ряют эту нефть, конденсируя образующиеся пары в холодильнике 3. Сконден­сированные пары собирают в приемнике 5. Интенсивность испарения ("ско­рость перегонки") регулируют интенсивностью подогрева колбы.

В процессе дистилляции фиксируют t и V в приемнике в следующие моменты:

в момент падения первой капли в приемник t_нк, V=0;

V_{10, 20, 30…90} и t_{10,20,30…90} соответственно;

Когда температура по термометру достигнет максимума (после t₉₀) и начнет снижаться - температура конца кипения (t_кк). После этого нагрев колбы прекращают и через некоторое время фиксируют общий выход фракций в мл - V_к.

Полученные результаты измерений представляют в виде таб­лицы или кривой 1 (рис. 2.4) фракционного состава, где по оси абсцисс откладывают выход фракций в % (об.): 0, 10, 20, 30 и т. д. до 90% (об.), а по оси ординат - температуры t _нк, t₁₀ и т. д.

Этим методом состав нефти может быть определен от начала кипения (обычно 30-35°С) до температуры кипения не выше 320-340°С, поскольку при атмосферном давлении более высококипящие углеводороды нефти подвергаются терми­ческой деструкции и нарушается природный химический состав нефти.

Непрерывная простая дистилляция - однократным испарением (ОИ), реализуется сле­дующим образом (рис. 2.8).

Нефть или нефтепродукт дозатором 2 с постоянным расходом подается через на­греватель 3 в испарительную камеру 4. Вся эта система термостатируется при опреде­ленной температуре t₁ Испарившаяся при этой температуре часть нефти после кон­денсации поступает в приемник 7, а охлажденная жидкая фаза - в приемник 8.

Выход [в % (мас.)] паровой фазы (долю отгона) определяют по формуле: e₁ = g₁/G_н*100%

Где e₁- доля отгона при температуре t₁; G_H и g₁ - количество пропущенной нефти и полученной паровой фазы, в г, за определенный отрезок времени (время опыта).

Аналогичным образом проводят опыт при температурах t₂, t₃, t₄ и т. д., определяя при этом значения e₂, е₃, и т. д. Нанесе­нием этих величин в систему координат "t-e" получают кривую ОИ (кривая 2 на рис. 2.4). Кривая ОИ всегда более пологая, чем кривая фракционного состава, полученная простой перегонкой из колбы, и пересекает ее вблизи точки 50% (на несколько гра­дусов выше или ниже). Связано это с тем, что при разовом (однократном) испарении нефти в паровую фазу переходит од­новременно большее число углеводородов, чем при постепен­ном испарении из колбы, и поэтому температура паров при ма­лой доле их отгона при ОИ фиксируется большей, чем по кри­вой 7. Соответственно при е > 50% температура паров ниже, чем при перегонке из колбы, где испаряется более концентрирован­ный по высококипящим углеводородам остаток.

Таким образом, для одного и того же выхода паровой фазы при ОИ имеет место менее четкое распределение углеводородов между паровой и жидкой фазами, чем при простой перегонке из колбы. Об этом свидетельствует также наклон кривой к оси абс­цисс: чем он больше, тем более четко разделяются углеводороды при дистилляции.

1. Дистилляция с дефлегмацией Схема аппарата с дефлегматором приведена на рис. 2.9.

Пары из колбы 1 до выхода их на конденсацию проходят охлаждаемый участок гор­ловины (дефлегматор), где в первую очередь частично конденсируются высококипящие углеводороды, и образовавшаяся жидкость - флегма II - стекает об­ратно в колбу. За счет этого покидающие колбу пары III обогащаются легкокипящими компонентами, что повышает в целом четкость разделения углеводо­родов при таком способе дистилляции.

Методика дистилляции и интерпретация ее результатов ана­логичны описанным для рис. 2.3, однако получаемая кривая фракционного состава будет иметь несколько больший уклон по сравнению с кривой, полученной простой перегонкой (кривая 3 на рис. 2.4).

Четкость разделения зависит от высоты дефлегматора: чем она больше, тем больше доля паров II и тем больше обогащение паров III легкокипяшими компонентами.

Ректификация. Методы лабораторной ректификации могут быть периодические и непрерывные, каждый из них имеет свое назначение.

При периодической ректификации, так же как и при простой периодической перегонке, разовая загрузка куба постепенно испаряется при нагревании, но образующиеся при этом пары многоступенчатой дефлегмацией обогащаются легкокипящими для данного момента испарения углеводородами. В отличие от дистилляции с дефлегмацией, где это обогаще­ние идет только за счет конденсации высококипящих компо­нентов пара внешним источником охлаждения, при ректификации (рис. 2.10) этот процесс идет интенсивнее и потому эффек­тивнее (рис. 2.10, б).

Описанный метод определения состава нефти по ИТК стан­дартизован (ГОСТ 11011-85) и выполняется в аппарате для рек­тификации нефти АРН-2. Аналогичный стандарт США - ASTM D-2892.

Непрерывная ректификация нефти в своей основе имеет ОИ, но с той разницей, что как паровая, так и жидкая фаза ОИ подвергаются обогащению соответствующими компонентами (паровая - легкокипящими, а жидкая - высококипящими).

Имитированная дистилляция спомощью газовой хроматографии.

Хроматография дает возмож­ность исследовать малые дозы вещества (до 1 мл) и получить информацию о его составе за 5-30 мин. Метод имитированной дистилляции получил широкое рас­пространение, а в США он в 1970 г. стандартизован (ASTM D-2887-70). Высокая воспроизводимость метода обеспе­чивается применением капиллярных хроматографических коло­нок, хорошей их обработкой и строгим соблюдением стабиль­ности режима хроматографического анализа.