Способ получения топливных фракций

Изобретение относится к способу получения топливных фракций путем однократного испарения углеводородного сырья по одноколонной схеме. Способ включает разделение газового конденсата путем однократного испарения в одной ректификационной колонне, вывод топливных фракций и отвод избытка тепла промежуточным циркуляционным орошением (ПЦО), отведение паров бензиновой фракции в верхней части ректификационной колонны. Часть сконденсированных паров подают на орошение верхней части ректификационной колонны, а избыток бензиновой фракции направляют на блок компаундирования. По предложенному уравнению рассчитываются основные параметры режима перегонки газового конденсата: минимальное R_м и оптимальное R_опт флегмовые числа и числа теоретических тарелок. Острое орошение подают на верх ректификационной колонны в количестве, рассчитанном по формуле:

где G_op - количество острого орошения, кг/ч; q_i - скрытая теплота испарения паров, кДж/кг; G_n и q_n - количество и энтальпия паров ректификата, кг/ч и кДж/кг; q_ж - энтальпия холодного орошения, кДж/кг; R_опт - расчетное оптимальное флегмовое число. Далее перераспределяют материальные и тепловые потоки топливных фракций и промежуточного циркулирующего орошения в материальном балансе установки в соответствии с расчетными оптимальными параметрами перегонки R_опт и N_опт. Технический результат - оптимизация технологического режима перегонки газового конденсата по одноколонной схеме. 8 табл.

 

Изобретение относится к способу получения топливных фракций путем однократного испарения углеводородного сырья по одноколонной схеме.

Известен способ получения топливных фракций путем однократного испарения углеводородного сырья в одной ректификационной колонне (см. Багиров И.Т. Современные установки первичной переработки нефти. М.: Химия, 1974; см. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. М.: Химия, 2001).

В известном способе отсутствует постановка задачи, обуславливающая оптимальный режим технологии перегонки углеводородной смеси.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ получения топливных фракций путем однократного испарения газового конденсата в одной ректификационной колонне (см. Майоров В.И., Павлова С.П., Пак Д.А. Установка получения дизельных топлив из газового конденсата Уренгойского месторождения. Серия "Подготовка и переработка газа и газового конденсата". ВНИИЭгазпром, №12, 1980, с.15-21; см. Глазов Г.И., Гараиев А.М., Тимерханов Р.В. Малотоннажные модульные установки. Химия и технология топлив и масел. №1-2, 2003 год, с.25-47).

Установка УПКМ-50 разработана институтом ВНИИгаз и введена в эксплуатацию на Крайнем Севере для переработки 50 тыс. тонн в год стабильного газового конденсата валанжинской залежи Уренгойского ГКМ. Пределы выкипания этого сырья 32 - 300÷340°С.

В известном способе газовый конденсат нагревается в трубчатой печи до 300°С и поступает на разделение в ректификационную колонну.

С верха ректификационной колонны выводится головной погон (пары бензиновой фракции), которые конденсируют и охлаждают, часть потока головного погона подают в качестве острого орошения верхней части ректификационной колонны, а избыток выводят с установки. Боковым погоном в отпарную колонну выводится фракция дизельного топлива, а с низа колонны выводится остаток - фракция котельного топлива. Паровой отгон отпарной колонны возвращается в ректификационную колонну. Тепловой баланс ректификационной колонны в связи с избытком поступающего в колонну тепла регулируется промежуточным циркулирующим орошением (ПЦО) путем его регенерации потоком холодного сырья.

В прототипе вопрос определения оптимальных параметров технологии перегонки газового конденсата не рассматривается.

Оптимальный расчет процесса ректификации в проектных разработках выполняется на основе анализа приведенных затрат. Вместе с тем на практике в связи с конъюнктурными условиями производства, изменением поставок сырья и ассортимента вырабатываемой продукции, а также в связи с модернизацией оборудования и реконструкцией технологической схемы все установки обычно работают на режиме, значительно отличающемся от проектного и оптимального. Это ухудшает конечные результаты производства, поэтому оптимизация технологическою режима в рабочей постановке задачи является наиболее актуальной.

Задачей изобретения является оптимизация технологии перегонки газового конденсата по одноколонной схеме.

Решение поставленной задачи и технический результат изобретения достигается тем, что в известном способе получения топливных фракций из газового конденсата, включающем разделение газового конденсата путем однократного испарения в одной ректификационной колонне, вывод топливных фракций и отвод избытка тепла ПЦО, отведение паров бензиновой фракции в верхней части ректификационной колонны, конденсацию и подачу части сконденсированных паров на орошение верхней части ректификационной колонны, а избытка бензиновой фракции на блок компаундирования - по методике авторов рассчитываются основные параметры технологии перегонки газового конденсата: минимальное R_м и оптимальное R_опт флегмовые числа и числа теоретических тарелок N_м, N_т и N_опт.

Острое орошение подают на верх ректификационной колонны в количестве, рассчитанном по формуле:

где G_ор - количество острого орошения, кг/ч;

q_i - скрытая теплота испарения паров, кДж/кг;

G_n и q_n - количество и энтальпия паров ректификата, кг/ч и кДж/кг;

q_ж - энтальпия холодного орошения, кДж/кг;

R_опт - расчетное оптимальное флегмовое число,

и перераспределяют материальные и тепловые потоки топливных фракций и ПЦО в материальном балансе установки.

Заявляемый способ соответствует критерию "существенные отличия" и имеет все признаки новизны.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Для расчета оптимальных параметров перегонки газового конденсата необходимо располагать мольным составом ИТК ректификата Х_{i, D} и флегмы X_{i, W}. На практике отбор ректификата не представляет трудности, но для отбора флегмы необходимо дополнительное устройство на перетоке флегмы в отпарную колонну.

За исходную информацию для расчета наряду с массовым составом ИТК ректификата и флегмы принимают основные показатели технологического режима бензиновой секции колонны: температуры t_cp, t_F, Т_ср, Т_F, давления р_ср, р_F; флегмовые числа R_cp и R_F.

Для известного способа рассчитывают материальный и тепловой баланс установки (табл.1) и гидродинамическую характеристику работы ректификационной колонны (табл.2).

Затем рассчитывают основные параметры технологии перегонки газового конденсата (табл.3). Из приведенных в табл.3 данных следует, что расчетные оптимальные флегмовые числа R_опт и числа теоретических тарелок N_опт в известном способе отличаются от рабочих R и N. Последние меньше соответственно на 15,4 и 26,5% оптимальных показателей.

В предлагаемом изобретении это различие нивелируется путем изменения рабочих параметров R и N до пределов оптимальности в зависимости от количества флегмы, поступающей в качестве острого орошения данной секции, которое определяется по формуле (1).

На основании полученного материального потока флегмы, острого орошения перераспределяют все материальные и тепловые потоки в материальном балансе предлагаемого способа. Затем рассчитывают основные параметры перегонки газового конденсата: минимальное R_м и оптимальное R_опт флегмовые числа и числа теоретических тарелок N_м, N_т и N_опт.

Сопоставительная оценка данных, приведенных в табл.1 для известного и предлагаемого способов, позволяет отметить следующее.

Количество потока острого орошения ректификационной колонны, рассчитанного по формуле (1), на 18,4% больше в предлагаемом способе по сравнению с известным способом. Вместе с тем, это позволило сократить расход потока ПЦО ректификационной колонны в предлагаемом способе на 32%; снизить затраты тепла на переработку газового конденсата на 0,423091 млн. кДж/ч и уменьшить расход топлива на 115,5 тонн в год по сравнению с известным способом.

В связи с перераспределением материальных и тепловых потоков топливных фракций изменяется их выход и качество. Бензиновая фракция по предлагаемому способу получается более высокого качества, ее детонационная стойкость составляет 68 пунктов по моторному методу (ММ).

Выход целевой фракции - фракции дизельного топлива - в предлагаемом способе увеличивается по сравнению с известным способом на 0,65% и по всем своим характеристикам отвечает требованиям ГОСТ. Ректификационная колонна в предлагаемом способе работает с максимальной нагрузкой по парам - 100% от допустимой.

Оптимальные условия перегонки газового конденсата оказывают значительное влияние на конструктивное оформление установки. По известному способу флегма целевой фракции арктического дизельного топлива отбирается из кармана 10-й тарелки, считая от верха колонны, а в предлагаемом способе из кармана 6-й тарелки при одинаковой четкости погоноразделения (η_т=26%). Следовательно, затраты на конструктивное оформление ректификационной колонны и системы теплообмена (ПЦО) в предлагаемом способе меньше по сравнению с известным способом.

Таким образом, по предлагаемому способу установка работает в оптимальном технологическом режиме по сравнению с известным способом. Об этом свидетельствуют и расчетные оптимальные флегмовые числа R_опт и числа теоретических тарелок N_опт, которые в предлагаемом способе практически одинаковы с рабочими R и N.

Ниже приводится методика расчета параметров многокомпонентной ректификации минимального R_м и оптимального R_опт флегмовых чисел и чисел теоретических тарелок N_м, N_т, и N_опт.

Для простоты и наглядности вместо программы и блок-схемы расчета на ЭВМ в таблице приведены основные уравнения алгоритма: их последовательность и условия расчета, не требующие дополнительных пояснений.

Расчетные уравнения для определения основных параметров ректификации при оптимизации технологии перегонки нефтяных и газоконденсатных смесей.
Последовательность выполнения работы	Уравнения	Назначения индекса уравнения и условия расчета
Доля отгона в дистиллят, ε		RF - флегмовое число для низа секции
Мольный состав парового питания секции, Yi, F		xi, D и хi, W - мольный состав ректификата и флегмы секции
Относительный коэффициент летучести lgαi, t		Δt - разность температур кипения смеси и компонента, °С.
		Т - температура кипения смеси, К
Р - парциальное давление нефтяных паров, кПа
Минимальное число теоретических тарелок, Nm		lgαi, j, t - рассчитываются при средней температуре кипения смеси tcp и парциальном давлении нефтяных паров Рср в секции
Корень уравнения Андервуда, θ		αi, F - рассчитывается при температуре tF и парциальном давлении РF для низа секции
Минимальное флегмовое число, Rm
Коэффициент распределения k-тых компонентов в ректификате и флегме, ψK		хK, D и хK, W - мольный состав k-тых компонентов в ректификате и флегме
Коэффициент распределения компонентов при рабочем орошении, n
Относительная летучесть начала разделения парового питания на ректификат и флегму	lgαHK(YK, F)	lgαHK(YK, F) - рассчитывается по уравнению (3) при средней температуре и давлении в секции
Δt - разность температур кипения смеси и начала разделения парового питания YK, F на ректификат хK, D и флегму хK, W
Число теоретических тарелок, NT	если n>1, то
Оптимальное флегмовое число, Rопт
Оптимальное число тарелок, Nопт
Коэффициент полезного действия тарелки, θ Rm		Nф - фактическое число тарелок в секции

Таблица 1 Материальный и тепловой баланс переработки газового конденсата валанжинской залежи
Статьи баланса	Известный способ	Предлагаемый способ
Выход, мас.%	Температура, °С	Количество, кг/ч	Энтальпия, млн. кДж/ч	Выход, мас.%	Температура, °С	Количество, кг/ч	Энтальпия, млн. кДж/ч
ПОСТУПИЛО:
Газовый конденсат в том числе:
- паровая фаза	91,3	300	5706	5,562800	91,3	300	5706	5,562800
- жидкая фаза	8,7	300	544	0,386622	8,7	300	544	0,386022
Острое орошение		40	3483	0,284038		40	4124	0,336312
Итого				6,232859				6,285134
ПЦО		150	4633	1,487097		150	3152	1,011792
Всего	100		6250	7,719956	100		6250	7,296926
ПОЛУЧЕНО:
Бензиновая фракция	37,15	130	2322	1,394036	36,5	125	2280	1,357330
Острое орошение		130	3483	2,091054		125	4124	2,455099
Фракция дизельного топлива	51,18	200	3198	1,436494	51,83	196	3240	1,425600
Котельное топливо	11,67	280	730	0,484559	11,67	280	730	0,484559
Итого				5,406143				5,722588
ПЦО		220	4633	2,313802		220	3152	1,574266
Всего	100		6250	7,719945	100		6250	7,296854

Таблица 2 Гидродинамическая характеристика работы бензиновой секции ректификационных колонн
Показатель	Способы
Известный	Предлагаемый
Диаметр колонны, м	1,0	1,0
Флегмовое число	2,47	2,92
Давление, МПа	0,3	0,3
Объемная скорость паров, м3/с	0,242	0,290
Плотность, кг/м3:
- паров	9,23	8,26
- жидкости	642,7	638,0
Линейная скорость паров, м/с:
- рабочая	0,309	0,369
- допустимая	0,351	0,369
Паровая нагрузка в верхней части ректификационной колонны, %	88	100

Таблица 3 Расчет оптимальных параметров перегонки газового конденсата по известному способу (бензиновая секция) tср=165°С; Тср=438 К; Рср=307,4 кПа; Rср=1,91; ε=0,4237; Nф=10; tF=200°C; ТF=473 К, РF=310,7 кПа; RF=1,36; θ=7,2145.
Температура выкипания фракции, °С	Мольный состав, доли	lgαi, t (3)	Nm (4)	lgαi, F (3)	θ (5)	Rm (6)	ψK (7)	n (8)	lgαHK (YK, F) (3)	Nт (9)	Rопт (10)	Nопт (11)	η (12)
xi, D	xi, W	Yi, F
32-60	0,07617	-	0,03226			1,098370	0,07598	0,17932
60-90	0,26032	-	0,11029	0,71000	0,71	0,89154	1,49301	3,52383	1,862	1,369	0,5917	2,6	2,93	1,91	26,0
90-120	0,31917	0,11112	0,19927	0,47336		0,67757	-0,38635	-0,61881
120-150	0,18481	0,12963	0,15301			0,46360	-0,10332	-0,12480
150-180	0,15962	0,11562	0,13426			0,24963	-0,04387	-0,05216
180-210	-	0,18049	0,10401			0,03566	-0,01842
210-240	-	0,14515	0,08365			-0,17831	-0,00847
240-270	-	0,16112	0,09285			-0,40180	-0,00540
270-300	-	0,15687	0,09040			-0,60624	-0,00321
Всего	1,00000	1,00000	1,00000				0,999950	Rm=1,91

Таблица 4 Расчет оптимальных параметров перегонки газового конденсата по предлагаемому способу (бензиновая секция) tср=160,5°С; Тср=433,5 К; Рср=307,4 кПа; Rср=2,16; ε=0,415; Nф=6; tф=196°С; Тф=469 К; РF=310,7 кПа; RF=1,41; θ=6,79215.
Температура выкипания фракции, °С	Мольный состав, доли	lgαi, t (3)	Nm (4)	lgαi, F (3)	θ (5)	Rm (6)	ψK (7)	n (8)	lgαHK (YK, F) (3)	Nт (9)	Rопт (10)	Nопт (11)	η (12)
xi, D	xi, W	Yi, F
32-60	0,09063	-	0,03761			1,078970	0,08672	0,20897
60-90	0,30973	-	0,12854	0,68154	0,57	0,87037	1,52042	3,66367	2,806	1,99	0,562	1,567	3,00	1,67	26,1
90-120	0,37997	0,09868	0,21532	0,44240		0,65457	-0,42669	-0,75252
120-150	0,21988	0,11508	0,15858			0,43878	-0,10766	-0,14928
150-180	-	0,21467	0,12558			0,22298	-0,04098
180-210	-	0,16028	0,09376			0,00719	-0,01651
210-240	-	0,12890	0,07541			-0,20860	-0,00756
240-270	-	0,14308	0,08370			-0,42439	0,00491
270-300	-	0,13931	0,08150			-0,64019	0,00283
Всего	1,00000	1,00000	1,00000				1,000000	Rm=1,97

Таблица 5 Основные параметры фракционирования бензиновой секции ректификационных колонн
Показатели	Способы
Известный	Предлагаемый
Флегмовые числа:
- минимальное	1,91	1,97
- оптимальное	2,47	2,92
- рабочее	2,92	3,00
Число теоретических тарелок:
- минимальное	0,71	0,57
- рабочее	2,6	1,57
- оптимальное	1,91	1,67
Фактическое число тарелок	10	6
КПД тарелки, %	26	26,1

Таблица 6 Физико-химическая характеристика бензиновых фракций
Показатель	Способы	ГОСТ 2084-77 на бензин марки А-76
Известный	Предлагаемый
Выход, мас.%	37,15	36,5	-
Плотность при 20°С, кг/м3	730	716	-
Фракционный состав по ГОСТ 2177-99, °С, об.%:
НК	38	36	не <35
10	64	58	не >70
50	100	92	не >115
90	145	128	не >180
КК	164	144	не >195
Выход, об.%	98	98
Давление насыщенных паров, Па	40000	50600	не >66661
Октановое число по моторному методу	65,8	68,0	не <76
Содержание: серы, мас.%
фактические смолы,	0,001	0,001	не >0,1
мг/100 мл	0,02	0,02	не >5,0
Кислотность, мгКОН/100 мл	0,05	0,03	не >3,0
Групповой углеводородный состав, мас.%:
алканов	54	54	-
нафтенов	35	40
аренов	11	6,0

Таблица 7 Физико-химическая характеристика фракций дизельного топлива
Показатель	Способы	ГОСТ 305-82 для марки (А)
Известный	Предлагаемый
Выход, мас.%	51,18	51,83	-
Плотность при 20°С, кг/м3	790	785	-
Фракционный состав по ГОСТ 2177-99, °С, об.%:
НК	120	122	-
10	144	146	-
50	188	187	не >255
96	300	295	не >330
Выход, об.%	96	96
Вязкость кинематическая при 20°С, мм2/с	1,65	1,55	не <1,5
Температура, °С:
застывания	-56	-58	не >55
вспышки	38	36	не <30
Содержание:
серы, мас.%	0,08	0,004	не >0,2
фактических смол, мг/100 мл	1,0	2,0	не >3,0
Кислотность, мг КОН/100 мл	0,08	0,004	не >5,0
Цетановое число	48	46	не <45

Способ получения топливных фракций из газового конденсата, включающий разделение газового конденсата путем однократного испарения в одной ректификационной колонне, вывод топливных фракций и отвод избытка тепла промежуточным циркулирующим орошением, отведение паров бензиновой фракции в верхней части ректификационной колонны, конденсацию и подачу части сконденсированных паров на орошение верхней части ректификационной колонны, а избытка бензиновой фракции - на блок компаундирования, отличающийся тем, что по методике авторов рассчитывают основные параметры технологии перегонки газового конденсата: минимальное R_м и оптимальное R_опт флегмовые числа и числа теоретических тарелок N_м, N_т и N_опт, острое орошение подают на верх ректификационной колонны в количестве, рассчитанном по формуле

где G_op - количество острого орошения, кг/ч;

q_i - скрытая теплота испарения паров, кДж/кг;

G_n и q_n - количество и энтальпия паров ректификата, кг/ч и кДж/кг;

q_ж - энтальпия холодного орошения, кДж/кг;

R_опт - расчетное оптимальное флегмовое число,

и перераспределяют материальные и тепловые потоки топливных фракций и промежуточного циркулирующего орошения в материальном балансе установки, согласно оптимальных параметров перегонки R_опт и N_опт.