Технологический расчет ректификационных колонн установок АТ-АВТ
Как уже отмечалось выше, обоснованное проектирование сложных колонн в сегодняшних условиях должно проводиться только с использование универсальных моделирующих программ (УМП). Однако и в этом случае задача расчета остается весьма сложной. В современных УМП строгие модели расчета процесса ректификации выполнены в поверочной постановке задачи: проектировщик закрепляет число теоретических тарелок в РК, распределение тарелок по секциям колонны, расход, состав и температуру сырьевых потоков на входе в колонну, основные характеристики потоков ЦО, распределение давлений по всем тарелкам РК и ряд других параметров, определяющих процесс разделения. Априорное знание значений этих параметров, конечно, невозможно. Поэтому задача проектирования решается методом приближений, причем значительная часть требуемой информации принимается на основе анализа известных решений и уточняется после этапа конструктивного расчета.
Учитывая, что состав нефти и нефтепродуктов в УМП задается путем приведения непрерывной смеси (определена кривой ИТК) к многокомпонентной с использованием концепции псевдокомпонентов, проектировщик должен также закрепить модели расчета ФХС псевдокомпонентов (в первую очередь констант фазового равновесия и энтальпий для жидкой и паровой фаз). В некоторых случаях приходится задавать и приемы (модели), обеспечивающие сходимость и заданную точность решения.
Не проводя глубокого анализа математического описания процесса разделения, можно отметить, что в рассматриваемом случае истинное число степеней свободы проектирования процесса ректификации (разность между общим числом уравнений математического описания и числом независимых переменных) равно [54]:
| Cпр = 2k , | (4.1) |
где k – число продуктов разделения, включая боковые отборы, и циркуляционные орошения. Именно это количество параметров математического описания должно быть закреплено проектировщиком для обеспечения сходимости решения.
После завершения каждого варианта расчета результаты должны быть подвергнуты анализу для оценки эффективности принятого решения, после чего исходные данные корректируются, а сам расчет повторяется.
Основную сложность при использовании УМП представляет выбор независимых переменных для модельного модуля и их закрепление в области физической реализуемости. Так для колонны К-2 атмосферного блока установки АВТ (рис. 2.1) число степеней свободы составит 16. Обычно в этом случае задаются расходы боковых отборов и циркуляционных орошений (или их доли от расхода сырья) и номера тарелок отбора и возврата материальных потоков (определены разбивкой высоты РК но отдельные секции). Кроме того, необходимо также закрепить и расходы тепловых потоков: подвод и отвод тепла в узлы нагрева сырья (теплообменники, печь, холодильники ЦО). Если в расчетную схему вводятся узлы рекуперации тепла, задача ещё более усложняется.
Для назначения и закрепления требуемых исходных данных до начала расчета составляется предварительный материальный баланс процесса, основанный на требованиях, которые предъявляются к конечной продукции (заложены в техническое задание на проектирование). При назначении другой части информации (число тарелок, их распределение по секциям, начальные профили давления) в качестве приближения могут быть использованы эксплуатационные данные по родственным установкам.
4.1.1. Назначение величин отбора целевых фракций и распределение тарелок по секциям сложной колонны
Как уже отмечалось выше, для назначения величин отбора целевых фракций проектировщик должен составить предварительный покомпонентный материальный баланс процесса, причем в его распоряжении имеется кривая ИТК исходного сырья и требования по отбору целевых продуктов, заложенные в ТЗ на проектирование. В соответствии с этими документами производится разбивка кривой ИТК на фракции, которые предполагается выделять в проектируемой колонне. Пример такой разбивки представлен на рис. 1.5 для вакуумной колонны АВТ. При этом следует учесть, что процесс разделения в рассматриваемом случае проводится достаточно грубо из за ограничений, накладываемых размерами РК. Действительно, поскольку в рассматриваемом случае диаметры основных колонн достигают 6-10 м, число реальных тарелок в РК должно ограничиваться числом 45-50. В противном случае габариты и масса колонны чрезмерно возрастают, что создает сложности при монтаже и эксплуатации аппаратов. Эти обстоятельства следует учитывать и при назначении величины отбора целевых фракций. В особой мере это относится к последней (нижней) фракции, выделяемой в РК в качестве бокового погона (фракция IV на рис. 1.5).
Из-за неизбежного наложения соседних фракций друг на друга, назначение высоких отборов, близких к потенциальному содержанию данных фракций в сырье, будет сопровождаться ухудшением качества этих фракций (увеличением пределов выкипания). В первом приближении рекомендуется назначать отбор последней фракции на уровне 70-75 % от потенциала, а более легких фракций, выделяемых боковыми погонами, на уровне 90-95%. Наложение соседних фракций друг на друга также в качестве первого приближения может быть задано из следующих соображений: содержание основной фракции (псевдокомпонентов содержащихся в ней) должно составлять 85-90%, а содержание псевдокомпонентов из соседних фракций (как более легкой, так и более тяжелой) находиться на уровне 5-8%. В дальнейшем распределение псевдокомпонентов по фракциям будет уточняться. На величину отбора целевых фракций оказывает существенное влияние и расход острого водяного пара, вводимого в РК. При назначении расхода следует руководствоваться опытными данными (см. табл. 2.1). Наибольший эффект от использования водяного пара достигается при его расходе 1,2-3,5 % мас. для колонн атмосферного блока и 5-8 % мас. для колонн вакуумного блока в расчете на сырье блока [55].
Число фракций, намеченных для выделения в РК, определяет и количество секций, необходимых для обеспечения заданного разделения. Число теоретических тарелок в каждой секции рекомендуется назначать по производственным данным для наиболее успешно работающих установок. Суммарное число теоретических тарелок при этом должно находиться на уровне 30-40.
4.1.2. Назначение профиля давлений в РК
Давление верха ректификационной колонны является одним из основных параметров технологического режима, поскольку оно существенно влияет на процесс разделения. Так, повышение давления Pв способствует улучшению условий конденсации дистиллятных паров в дефлегматорах, но одновременно при прочих равных условиях (сохранение общего перепада давления в колонне) ухудшает условия создания парового орошения в исчерпывающей секции колонны. Одновременно с ростом давления снижается и относительная летучесть разделяемых компонентов, что может потребовать увеличения числа теоретических тарелок. Таким образом, даже относительно простая процедура назначения давления верха РК предполагает проведение достаточно сложного анализа, который должен решаться с учетом потребных затрат на проведение процесса. Для колонн атмосферного блока К-1 и К-2 (рис. 2.1) на основе обобщения эксплуатационного опыта [54] можно утверждать, что оптимальным оказывается давление верха, при котором обеспечивается достаточно глубокая конденсация дистиллятных паров при использовании водяного (система оборотного водоснабжения НПЗ) или воздушного охлаждения.
Одновременно следует отметить, что в сырье АВТ содержится достаточно большое количество (3-5 %) легких углеводородных газов (этан, пропан, бутаны, пентаны). Обеспечить полную конденсацию этих углеводородов в колоннах К-1 и К-2 атмосферного блока невозможно, поскольку в этом случае возникнет необходимость существенного повышения давления в колоннах. Поэтому в конденсационных узлах атмосферного блока поддерживается режим парциальной конденсации, при котором значительная часть газов остается несконденсированной и отделяется от жидкой фазы (нестабильного бензина) в сепараторах. Несконденсированные газы поступают на узел компримирования, где их давление повышается до величины 1,5 МПа, что позволяет сконденсировать их при последующем охлаждении до температуры 35-40 оС.
Также необходимо учесть, что в колонны К-1 и К-2 вводится значительное количество водяных паров. Поэтому давление в колоннах должно назначаться таким образом, чтобы была исключена возможность конденсации водяных паров на тарелках РК, поскольку наличие водной фазы, которая практически нерастворима в углеводородной фазе, нарушит работу переливных устройств тарелок. В конденсационных узлах РК углеводородный и водный конденсаты расслаиваются, поэтому конструкции конденсаторов должны обеспечивать условия сепарации этих фаз.
По опытным данным при переработке смеси западно-сибирских нефтей давление верха К-1 целесообразно назначать на уровне около 0,5 МПа, а в К-2 – на уровне 0,25 МПа. В случае переработки нефтей других месторождений [56] эти значения могут корректироваться как в сторону увеличения, так и в сторону снижения давления.
Перепад давления на КУ в пределах отдельных секций принимается постоянными и в качестве приближения также задается по опытным данным с учетом предполагаемого типа тарелок, которые будут заложены в проект.
В вакуумном блоке основное влияние на назначение профиля давлений помимо условий конденсации верхнего продукта оказывает требование максимального снижения эффекта термодеструкции тяжелых углеводородов в узлах нагрева нефти. Интенсивность разложения тяжелых углеводородов определяется температурой нагрева нефти (а значит и величиной давления в узлах нагрева нефти).
В соответствии с технологическими особенностями организации процесса разделения мазута (см. рис. 2.2) видим, что практически все тепло на организацию парового орошения в вакуумной колонне, которое определяет количество отбираемых масляных фракций, подводится к сырью в печи 2. Поэтому заданная в техническом задании величина отбора целевых масляных фракций будет определять и глубину (долю) отгона паровой фазы в печи. Принципиально эта величина доли отгона сырья и принятая в качестве допустимой температура нагрева нефти и будут определять давление в зоне ввода сырья в вакуумную колонну. Некоторое увеличение величины допускаемого давления может быть достигнуто за счет ввода в систему водяного пара, однако это решение связано с возрастанием энергозатрат на проведение процесса и должно использоваться с определенной осторожностью.
Тогда давление верха РК будет определяться уравнением:
 | (4.2) |
В дальнейшем полученное значение давления верха РК используется для подбора (проектирования ВСС).
4.1.3. Назначение количеств подводимого и отводимого тепла
Задача задания количеств подводимого и отводимого в системы ректификации тепла является весьма сложной. Обычно на практике эта проблема обходится за счет использования косвенных параметров, влияющих на процесс формирования теплового баланса. Так для простых ректификационных колонн (k=4) в качестве независимых начальных параметров используют: распределение числа тарелок по секциям колонны (N1 и N2), величину отбора дистиллята (абсолютную – D или косвенную – D/F) и флегмовое число ®. Поскольку R определяет условия формирования внутренних циркуляционных потоков пара и жидкости, задача формирования теплового баланса при этих условиях решается.
Для сложных колонн также используются определенные варианты закрепления исходных данных, позволяющие обойти сложности закрепления тепловых потоков:
· Для входного потока питания, вводимого в РК через печь, могут быть заданы или температура нагрева сырья, или доля отгона сырья в печи. Эти параметры могут быть заданы с приемлемой точностью исходя, например, из условия начала термодеструкции сырья, или требуемой величины отгона целевых фракций.
· Для верхних конденсационных узлов помимо флегмового числа закрепляется величина отбора дистиллята и температура конденсации верхнего продукта. При этом условии решается задача определения доли сконденсировавшихся дистиллятных паров и определения тепловой нагрузки на конденсатор.
· Для узлов холодных или горячих циркуляционных орошений закрепляется расход потока ЦО и его температура (энтальпия) в точке возврата в РК. Как это следует из уравнения (3.1), этот прием эквивалентен непосредственному заданию величины теплового потока.
В целом процедура технологического расчета сложных ректификационных блоков представляет самостоятельную сложную задачу. В данном пособии освещены лишь общие вопросы постановки задачи технологического расчета в УМП. В целом эта задача не может рассматриваться в отрыве от возможностей и специфики конкретных УМП [57-60].