Лабораторная работа № 1
ПРОИЗВОДСТВО ЭТИЛЕНА
Производство этилена в России по объемам выпускаемой продукции занимает первое место. На основе этилена вырабатываются полиэтилен, оксид этилена, синтетический этиловый спирт, этиленпропиленовый каучук, винил-хлорид, винилацетат и др.
В состав крупных нефтехимических комбинатов повсеместно включаются установки пиролиза углеводородов, позволяющие получить этилен, пропилен и попутные полупродукты – углеводороды, которые являются исходными компонентами при производстве других видов нефтехимической продукции.
Принципиальная схема отделения пиролиза представлена на рис. 3.1. Углеводородное сырье – прямогонный бензин – подается в реактор, который представляет собой многопоточную трубчатую градиентную печь повышенной теплонапряженности (до 100 кВт/м2). Производительность пиролизной установки – 40 т/ч. Годовое число часов использования установленной мощности – 8000 ч/год.
Температура проведения реакции пиролиза поддерживается на уровне 840–860 °С при условии продолжительности пребывания углеводородов в зоне реакции в течение 0,3–0,5 с.
Для подавления процессов коксообразования и регулирования продолжительности пребывания углеводородов в зоне реакции к сырью подмешивается водяной пар, который поступает от испарительного аппарата.
Рис. 3.1. Принципиальная схема отделения пиролиза этиленовой установки: 1 – ЗИА; 2 – печь пиролиза; 3 – пароперегреватель; 4 – паровая турбина; 5 – пятиступенчатый компрессор (I–V – ступени компрессора); 6, 9, 14 – теплообменники; 7 – испарительный аппарат; 8, 12, 13 – отпарные колонны; 10 – колонна выделения бензиновой фракции; 11 – разделитель; 15 – отмывная колонна.
В закалочно-испарительном аппарате (ЗИА) происходит быстрое охлаждение реакционной парогазовой смеси до температуры 350–400 °С за счет испарения питательной воды. Более глубокое охлаждение не рекомендуется, так как именно этот режим позволяет достичь температуры более 250 °С на стенке теплопередающих трубок со стороны пиролизного газа в целях предотвращения отложений углеводородов на поверхности теплообмена. Термическое сопротивление таких отложений очень высоко, способно значительно уменьшить теплопроизводительность ЗИА и сократить межремонтный период.
Питательная вода, направляемая в ЗИА, предварительно нагревается до 102–104 °С в конвективной части печи пиролиза 2 за счет охлаждения отходящих дымовых газов.
Пиролизный газ после ЗИА поступает в отмывную колонну 15, где из него удаляются кокс и высококипящие углеводороды. В верхней части колонны отмывка производится орошением рабочей области бензиновой фракцией, а в нижней части колонны – орошением поглотительным маслом. В нижней части колонны поддерживается температура на уровне 175–180 °С посредством охлаждения орошающей жидкости во внешних теплообменниках 14, в которых охлаждающей средой являются подогреваемые технологические потоки или промышленная вода.
С охлаждаемой тарелки отмывной колонны конденсат высококипящих углеводородов отводится и вместе с избытком поглотителя направляется в колонну 13 для отделения отпариванием компонентов, кипящих при низких температурах.
Из колонны 15 пиролизный газ, имеющий температуру приблизительно 100 °С, отводится в колонну 10 для отделения компонентов бензиновой фракции и конденсации водяного пара. Охлаждение газа организовано за счет циркуляции воды, которая, в свою очередь, охлаждается в системе теплообменников 9, отдавая теплоту нагреваемым технологическим потокам отделения пиролиза. Доохлаждение циркулирующей жидкости до расчетной температуры производится в одном из теплообменников 9 оборотной водой из градирни. В нижней части колонн 10 поддерживается температура 80 °С, в верхней части – 30–35 °С.
Отделенный в колонне 10 конденсат водяного пара направляется в испарительный аппарат 7 и подается в печь 2 для разбавления сырья. Бензиновые фракции возвращаются на орошение в колонну 15 или после очистки в отпарной колонне 12 отправляются на склад.
Пиролизный газ из колонны 10 поступает в турбокомпрессор 5, имеющий пять ступеней сжатия. Привод компрессора осуществляется от турбины 4. Рабочим телом турбины является пар из ЗИА, перегретый в пароперегревательной печи 3. Давление пара достигает 13 МПа. Турбина имеет один регулируемый отбор пара среднего давления для потребностей предприятия.
Структура теплового баланса пиролизной печи представлена в табл. 3.1. Потери теплоты составляют 63,8%. Основные статьи потерь – с уходящими дымовыми газами и неиспользуемая физическая теплота продуктов реакции.
Таблица 3.1
Структура теплового баланса
печной секции пиролизной установки
| Приход теплоты, % | Расход теплоты, % | ||
| Теплота сгорания топлива | 96,3 | Теплота пиролизного газа, всего | 61,4 |
| Теплота сырья | В том числе, утилизируемая в ЗИА | ||
| Теплота пара, введенного для разбавления сырья | 1,7 | Теплота продуктов сгорания топлива, затраченная на подогрев питательной воды | 6,2 |
| Потери с уходящими дымовыми газами | |||
| Потери в окружающую среду | 7,4 | ||
| Всего | Всего |
За счет установки дополнительных поверхностей нагрева в конвективной части печи достигается повышение энергетической эффективности работы пиролизной установки. Температура уходящих из печи дымовых газов снижается до 180 °С и, как следствие, уменьшаются потери теплоты. Нагрузка пароперегревательной печи вытесняется, что приводит к экономии топочного газа.
Более глубокая степень утилизации ВЭР дымовых газов может быть достигнута дополнительным подогревом питательной воды перед подачей ее в ЗИА и установкой котла-утилизатора для получения пара среднего давления.
Наиболее эффективным является второе направление, так как первое направление ограничено количеством утилизируемой теплоты. Температура питательной воды на выходе из экономайзера пароперегревательной печи достаточно высока, а ее нагрев перед ЗИА допустим только до значения 
°С. Здесь 
– температура насыщения, °С.
Пиролизный газ представляет собой смесь компонентов газов и углеводородных фракций, которые выделяются на стадиях разделения и очистки. Принципиальная схема газоразделения абсорбционно-ректификационным методом представлена на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Принципиальная схема разделения продуктов пиролиза абсорбционно-ректификационным методом.
Выделение фракций происходит ступенчато. Пиролизный газ перед поступлением в абсорбционно-отпарную колонну 3 предварительно охлаждается в теплообменнике, где хладагентом является аммиак. В колонне 3 содержащиеся в пиролизном газе углеводороды СnHm поглощаются абсорбентом. Абсорбентом является бутан-бутиленовая фракция, остатком – метано-водородная фракция (МВФ). Верхняя часть колонны охлаждается аммиаком, нижняя часть обогревается водяным паром давлением 0,8–1,2 МПа (табл. 3.2).
Насыщенный абсорбент последовательно проходит колонну 4, где выделяется этан-этиленовая фракция, и колонну 5, где выделяется пропан-пропиленовая фракция (ППФ).
Верхняя часть колонны 4, откуда отводятся пары этан-этиленовой фракции, охлаждается аммиаком. После этого пары перегреваются в выносном теплообменнике греющим паром и осушаются в колонне 2. В колонне 1 происходит разделение этан-этиленовой фракции на компоненты – этан и этилен.
Таблица 3.2
Рабочие параметры колонн системы газоразделения
абсорбционно-ректификационным методом
| Параметр | Колонна | |||
| Температура верхней части, °С | –16 | –20 | ||
| Температура куба, °С | –3 | |||
| Давление, МПа | 2,2–2,4 | 3,5 | 2,8–3,3 |
Дефлегматор колонны 5 охлаждается оборотной водой. Из нижней части этой колонны отводится абсорбент, который после ступенчатого охлаждения в водяном и аммиачном теплообменниках возвращается в колонну 3.
В процессах газоразделения используются следующие энергоносители:
– водяной пар для обогрева нижних частей колонн 5, 4, 5;
– холод температурой –20 °С; –16 °С; 0 °С; для поддержания которой используются аммиак и ППФ;
– охлаждающая вода из системы оборотного водоснабжения;
– электроэнергия для поддержания требуемого давления в аппаратах и восполнения гидравлических потерь в системе при транспортировке технологических потоков и энергоносителей.
Контрольные вопросы
1. Сырье, используемое для производства этилена и пропилена.
2. Пиролизная печь: назначение и характеристики. Продукты реакции пиролиза. Подавление процессов коксообразования.
3. Характеристика процессов в закалочно-испарительном аппарате. Устранение отложений углеводородов на поверхности теплообмена.
4. Удаление кокса и высококипящих углеводородов из пиролизного газа.
5. Отделение низкокипящих компонентов из конденсата высококипящих углеводородов.
6. Отделение компонентов бензиновой фракции и конденсация компонентов водяного пара из пиролизного газа.
7. Использование конденсата водяного пара, отделенного из пирлизного газа.
8. Турбокомпрессор, привод турбокомпрессора, рабочее тело турбины.
9. Структура теплового баланса печной секции пиролизной установки. Составляющие потерь теплоты в пиролизной печи.
10. Способы повышения эффективности пиролизной установки.
11. Разделение продуктов пиролиза. Рабочие параметры колонн системы газоразделения абсорбционно-ректификационным методом.
12. Выделение этан-этиленовой и пропан-пропиленовой фракции.
13. Разделение этан-этиленовой фракции на этан и этилен.
14. Энергоносители, используемые в процессах газоразделения.