Способ перегонки жидкой углеводородной смеси

Изобретение относится к производству углеводородного топлива в нефтеперерабатывающей промышленности. Способ предусматривает проведение процесса простой перегонки, в котором используется непосредственный контакт нагреваемой жидкой углеводородной смеси и теплоносителя, предварительно нагретого в печи. В качестве теплоносителя используют остаток от разделения той же смеси, который выводят из зоны разделения, нагревают и смешивают с исходным сырьем с одновременным дросселированием и диспергированием смеси при подаче в зону разделения. Для отделения паров низкокипящего компонента смесь подают в зону разделения с резким понижением давления. Предпочтительно процесс перегонки совмещают с термическим крекингом. Продукты разложения выводят из зоны разделения совместно с низкокипящими компонентами. Технический результат - повышение эффективности теплообмена с улучшением экономических показателей процесса. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к химической технологии. Преимущественная область применения: производство углеводородного топлива в нефтеперерабатывающей промышленности.

Одним из наиболее распространенных способов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка: дистилляция и ректификация (А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1971, с.496). Перегонка представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси, осуществляемое однократно или многократно. В результате конденсации паров получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси. То есть посредством перегонки разделяют смеси, все компоненты которых летучи и обладают разным давлением паров при одной и той же температуре.

Получаемый при перегонке пар содержит большее количество по отношению к исходной смеси низкокипящего компонента (НК). Неиспарившаяся жидкость имеет состав с большим количеством высококипящего компонента (ВК). Эта жидкость называется остатком, а жидкость, полученная в результате конденсации паров в зависимости от способа перегонки, - дистиллятом или ректификатом.

Известен способ перегонки, применяющийся в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, называемый равновесной перегонкой (там же, с.508). Он используется для предварительного разделения сложных смесей (например, нефти). Исходная смесь нагревается и однократно испаряется в трубчатой печи. При движении по змеевику печи пары, соприкасаясь с неиспарившейся жидкостью, приходят в относительное равновесие с ней. Время контакта составляет до десятков секунд. Оно рассчитывается исходя из рабочей длины радиантных труб и скорости движения сырья, которая составляет 0,5-2 м/с. (Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М., Химия, 1987, с.9, 96). После достижения конечной температуры смесь пара и жидкости через дроссельный вентиль направляется в сепаратор для отделения паров от жидкости. Для нагрева и испарения части жидкости в змеевике трубчатой печи используется тепло, выделяющееся при сгорании топлива: газа или мазута. Исходную жидкость вводят в змеевик печи, а из сепаратора выводят пары НК и остаток (ВК). Таким образом, по этому способу в печи осуществляют нагрев всей смеси. С повышением температуры возрастает давление, так как давление паров НК связано с температурой нагрева смеси в змеевике печи. Соответственно насос для перекачивания смеси должен поддерживать более высокое давление на выходе. Поэтому в заводских технологических схемах первичной перегонки наиболее часто используется предварительное испарение НК (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., «Химия», 1988, с.41). Температура подогрева сырья в этом случае составляет 200-230°С. Эта операция называется предварительным «отбензиниванием». Затем остальной поток нагревают до температуры 350-370°С. В приведенных выше примерах используется способ нагрева смеси через разделяющую твердую стенку. Например, в трубчатой печи - это стенка змеевика.

Если для нагревания жидкости используется теплоноситель, с ней не смешивающийся, то возможно применение непосредственного их контакта. Для углеводородных смесей это могут быть, например, расплавленные металлы (А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1971, с.337). Несмотря на то, что по эффективности теплообмена непосредственный контакт сред значительно лучше теплопередачи через разделяющую стенку, тем не менее все же существует поверхность раздела этих двух фаз. Площадь поверхности раздела, то есть площадь теплообмена, зависит от размера капель дисперсной фазы и от содержания этой среды в системе: нагреваемая среда - теплоноситель. Температура теплоносителя, выводимого из зоны нагревания, остается всегда выше, чем температура нагреваемой жидкости. Равновесие температуры может наступить только после продолжительного их контакта (увеличение времени пребывания теплоносителя в зоне нагрева, то есть увеличение его объема). В техническом плане это ведет к увеличению габаритов оборудования, что в реальном заводском технологическом процессе снижает технико-экономические показатели этого оборудования. Кроме того, непосредственный контакт ведет к загрязнению теплоносителя и ухудшению его свойств.

Под действием высокой температуры (свыше 360°С) происходит расщепление молекул нефтяного сырья, или термический крекинг (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., «Химия», 1988, с.47). В процессе крекинга протекают и вторичные реакции укрупнения молекул первоначальных продуктов разложения. Реакции распада при термическом крекинге являются основными, они приводят к образованию целевого продукта - бензина. Легче всего при нагревании разлагаются тяжелые нефтяные остатки: мазут, гудрон. Для этой части нефти процесс интенсивного термического крекинга начинается при температуре 415-425°С. Далее скорость реакции крекинга продолжает возрастать с повышением температуры. С увеличением продолжительности процесса повышается выход продуктов крекинга. Повышение давления влияет на протекание вторичных реакций. При повышении давления снижается газообразование, и бензина получается больше. Крекинг тяжелого остатка проводят при давлении до 2 МПа (там же, с.48). Несмотря на развитие каталитических процессов, значение термического крекинга по-прежнему велико.

Целью изобретения является повышение эффективности теплообмена при проведении процесса перегонки, в котором используется непосредственный контакт нагреваемой жидкой смеси и теплоносителя, предварительно нагретого в печи.

Для достижения поставленной цели в качестве теплоносителя используют непосредственный контакт с остатком разделения той же жидкой смеси. Остаток в необходимом количестве предварительно выводят из зоны разделения. Он имеет температуру, которая установилась в зоне разделения. Затем его насосом, то есть при более высоком давлении, чем в зоне разделения, подают в печь нагрева. В качестве печи нагрева можно использовать, например, трубчатую печь. Если процесс перегонки не совмещают с термическим крекингом, то остаток нагревают до температуры, при которой еще не происходит массового термического разложения смеси. В другом варианте - с термическим крекингом - нагрев осуществляют до более высокой температуры, например 430-450°С. При этом давление, как указывалось выше, оптимально составляет 2 МПа. Нагретый теплоноситель-остаток подают в зону смешивания с исходной смесью. После смешивания жидкая система остается однородной. Так как отсутствует поверхность раздела теплоносителя и нагреваемой жидкости, то отсутствует поверхность, через которую происходит теплообмен между ними. Средняя температура жидкой смеси устанавливается за время, составляющее доли секунды, и зависит только от интенсивности смешивания. Важной характеристикой является соотношение расходов теплоносителя-остатка и исходной смеси. Увеличивая расход теплоносителя, увеличивают температуру системы после смешивания и в объеме сепаратора. Для эффективного отделения паров НК смесь подают в зону сепарации с резким понижением давления. Стадию дросселирования совмещают с диспергированием смеси. Выделение паровой фазы при диспергировании значительно увеличивает объемные скорости движения смеси и улучшает условие создания значительной поверхности жидкой фазы, то есть получение мелкодисперсных капель.

Несмотря на сложность описания процесса массоотдачи (в нашем случае это переход из жидкой в паровую фазу), скорость массоотдачи пропорциональна движущейся силе и площади контакта фаз (А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1971, с.420). Развивая поверхность контакта фаз, можно уменьшить время, за которое пар приходит в равновесие с жидкостью. Несложный расчет суммарной поверхности капель показывает, что, диспергируя жидкую фазу на капли размером десятые доли миллиметра, можно получить поверхность раздела фаз в десятки тысяч раз больше, чем аналогичная поверхность в змеевике трубчатой печи (при сравнимых расходах смеси). Соответственно, время достижения равновесия сокращается с десятков секунд, необходимых в трубчатой печи, до времени в тысячные доли секунды.

Остаток из зоны разделения выводят на последующую переработку в количестве, остающемся после удаления НК из исходной смеси. Остаток для осуществления теплообмена так же выводят из зоны разделения и используют в качестве теплоносителя. Первоначальный объем теплоносителя-остатка нарабатывают в период пуска установки в необходимом объеме для заполнения системы его циркуляции.

Новые существенные признаки заявляемого изобретения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенные решения не следуют явным образом из уровня техники, а совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.

На фиг.1 представлена принципиальная схема установки для реализации способа перегонки нефти.

На фиг.2 представлены результаты одного из процессов перегонки нефти на установке.

Предлагаемый способ осуществлен на установке по перегонки нефти производительностью до 100 л/ч. Схема установки перегонки приведена на фиг.1. Установка состоит из следующих основных устройств: сепаратора 1, диспергатора 2, регулируемого электрического нагревателя 3 с полной мощностью 40 кВт, насоса 4 с производительностью до 1,25 м³/ч. Кроме того, установка оснащена различным емкостным оборудованием для хранения нефти и сбора получаемых продуктов; теплообменным оборудованием для нагрева нефти и охлаждения продуктов перегонки; контрольно-измерительными приборами. В качестве исходного сырья использовалась нефть месторождения Вишенское Ульяновской области (Ратов А.Н., Немировская Г.Б. и др. Проблемы освоения нефтей Ульяновской области. "Химия и технология топлив и масел", №4, 1995 г.). Последовательность операций следующая. На стадии пуска и разогрева установки нарабатывают необходимый объем остатка с температурой начала кипения, соответствующей рабочей температуре в сепараторе. Применительно для нашей установки, в которой полный объем сепаратора составляет 400 л, объем остатка составляет 40-50 л. Это количество является буферным для насоса создания циркуляции. Для этого нефть подают в сепаратор 1 и начинают ее циркуляцию по контуру движения теплоносителя-остатка: сепаратор 1 → насос 4 → нагреватель 3 → диспергатор 2. При этом медленно повышают температуру ее нагрева до необходимой рабочей из диапазона 380-450°С. В этот период отводят пары НК, а остаток не выводят. После разогрева установки до рабочей температуры работу ее переводят в штатный режим. Суммарный массовый расход НК и ВК должен соответствовать расходу подаваемой нефти. Расход теплоносителя-остатка превышает расход нефти оптимально в 8-12 раз. При этом температура остатка в сепараторе 1 после выделения паров НК ниже температуры теплоносителя-остатка перед диспергатором 2 на 30-40°С (при условии подогрева исходной нефти до 100-120°С). Таким образом, в нагревателе с учетом потерь необходимо подогреть теплоноситель на 35-45°С. Для сравнения: при нагреве в операции «отбензинивания» нагрев сырья производят с Δt≈200°С. Расход теплоносителя, который поддерживали до 0,8-1,2 м³/ч, позволял поддерживать линейную скорость движения теплоносителя в нагревателе 2-2,5 м/с. В результате коксовые отложения на стенке нагревателя, даже в случае использования «тяжелой» смолистой нефти Ульяновского месторождения Вишенское, невелики. Ресурс работы нагревателя достаточно продолжителен. Давление теплоносителя на участке трубопроводной линии от насоса 4 до диспергатора 2 оптимально составляет, как отмечалось, около 2,0 МПа. Давление в сепараторе 1 было близко к атмосферному. Таким образом, давление несколько менее 2,0 МПа использовали для диспергирования смеси: исходная нефть + теплоноситель. Диспергатор по конструкции может быть аналогом форсунки, например, паромеханической. Только вместо водяного пара в устройство подают теплоноситель-остаток (Артемьев В.П., Штейнер И.Н. Газомазутные горелки с паромеханическими и низконапорными форсунками для котлов малой и средней производительности. Ленинград, 1964, с.21).

Если в исходной нефти содержится вода, то водяной пар выводят и конденсируют совместно с дистиллятом. Далее воду в капельном виде удаляют простым отстаиванием до уровня растворимости.

Результаты одного из процессов перегонки нефти месторождения Вишенское Ульяновской области представлены на фиг.2. Исходная нефть обозначена на графике (1). Низкокипящий компонент - (2), а высококипящий компонент или остаток - (3). Ограничение разгонки температурой 370°С определялось возможностью оборудования для анализа. Температура теплоносителя-остатка в этом процессе на входе в диспергатор была 435°С, а в сепараторе 390°С. Из графика видно, что в НК увеличилось содержание легких фракций по сравнению с исходной нефтью. Это обусловлено процессом термического крекинга. Плотность исходной нефти составляла 940 кг/м³, а плотность НК после перегонки 770 кг/м³.

Таким образом, на примере перегонки нефти показано, что предложенный способ перегонки однородной жидкой смеси осуществим. Теплообмен между теплоносителем-остатком и исходной нефтью эффективно проводили за счет их смешивания в компактном объеме непосредственно перед диспергированием. Теплоноситель-остаток после нагревателя имел температуру до 430°С (предел возможности использованной конструкции нагревателя). Прямой нагрев исходной нефти до этой температуры представляет сложную техническую задачу из-за повышенного давления паров и неэффективной теплопередачи от твердой стенки к парожидкостной смеси. Состав и количество НК можно регулировать температурой и расходом теплоносителя.

1. Способ перегонки жидкой углеводородной смеси на низкокипящие компоненты и остаток при нагревании путем непосредственного контакта с теплоносителем, отличающийся тем, что перегонку ведут с использованием в качестве теплоносителя нагретого остатка после отделения низкокипящих компонентов, для чего остаток в необходимом избыточном количестве по отношению к сырью выводят из зоны разделения, нагревают при повышенном относительно зоны разделения давлении, затем осуществляют смешивание нагретого остатка с сырьем и одновременно дросселирование и диспергирование полученной смеси при ее подаче в зону разделения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перегонку жидкой углеводородной смеси совмещают с процессом термического крекинга, для чего остаток нагревают выше температуры его термического разложения, и продукты крекинга выводят из зоны разделения совместно с низкокипящими компонентами.