Деасфальтизация гудрона

 

Содержание

Введение 3

1.Литературный  обзор 5

2.Технологическая часть 10

2.1 Выбор и обоснование технологической  схемы производства. 10

2.2 Характеристика сырья и готовой  продукции. 12

2.3 Описание принципиальной технологической схемы. 14

2.4 Материальный баланс производства. 17

2.4.1 Материальный баланс процесса  деасфальтизации 17

2.4.2 Материальный баланс аппарата ( колонны  деасфальтизации) 18

2.5 Технологический расчёт основного  и вспомогательного оборудования. 21

2.5.1 Тепловой баланс колонны 21

2.5.2 Расчет давления в колонне. 24

2.5.3 Расчет процесса отгонки растворителя от раствора деасфальтизата 25

2.5.4 Определение элементов ректификации 27

2.5.5 Доля отгона сырья в питательной секции колонны 32

2.5.6 Энтальпия и температура сырья на входе в колонну 32

2.5.7 Расчет диаметра колонны 34

2.5.8 Расчет высоты колонны 35

2.5.9 Расчет процесса доохлаждения  пропана 36

Заключение 37

Список  Литературы 39

 

 

 

Введение

В последние годы в России в связи с формированием рыночных отношений наблюдается тенденция  к повышению стоимости всех видов  энергоресурсов. Особенно сильно выросли  цены на электроэнергию и водяной  пар. Высокая стоимость энергоносителей  в сочетании с большой изношенностью  оборудования и значительным отставанием  уровня технологического оформления процессов  приводит к удорожанию продукции  нефтепереработки и снижению её конкурентоспособности  на мировом и отечественном рынках.

Технология процесса деасфальтизации гудронов была разработана ещё в 50-60-х годах и до настоящего времени не претерпела существенных изменений. В качестве растворителя используется пропан, целевым продуктом процесса является деасфальтизат - базовый продукт для выпуска моторных масел. Выход побочного продукта процесса - асфальта достигает 64-85% на исходное сырьё. Асфальт пропановой деасфальтизации на сегодня большей частью используется крайне неэффективно. По удельным энергозатратам отечественные установки пропановой деасфальтизации гудрона значительно уступают зарубежным аналогам.

В связи с общим сокращением  объемов производства минеральных  масел число действующих установок  пропановой деасфальтизации гудронов в России постоянно сокращается. В настоящее время эксплуатируются только 19 из имеющихся 24-х установок пропановой деасфальтизации гудрона.

Все эти обстоятельства требуют  проведения исследовательских работ  по созданию современных энергосберегающих  технологий процесса деасфальтизации гудрона, направленных на расширение сырьевой базы процесса и ассортимента выпускаемой продукции и разработке новых направлений применения процесса деасфальтизации нефтяных остатков.

Цель курсового проекта: Изучение назначения процесса одноступенчатой деасфальтизации гудрона жидким пропаном, его технологический режим, нормы технологического режима, требования к сырью и готовой продукции. Рассчитать материальный и тепловой балансы установки..

Объект проекта курсового  проектирования  технологические установки переработки нефти, газа и газового конденсата.

 

1. Литературный обзор

Деасфальтизация гудрона пропаном предназначена для удаления асфальтосмолистых веществ и части полициклических ароматических углеводородов с целью подготовки сырья к дальнейшей очистке и депарафинизации. В результате деасфальтизации значительно снижаются коксуемость, вязкость, плотность, показатель преломления, содержание никеля и ванадия.

Продукцией являются деасфальтизат, используемый для выработки остаточных масел и асфальт, служащий сырьем для производства битумов, процесса коксования или компонентом котельного топлива.  
Процесс деасфальтизации обычно осуществляют в противоточных колоннах с решетчатыми тарелками типа «жалюзи». Значительно реже применяют роторно-дисковые контакторы (РДК). В колонне с жалюзийными тарелками для равномерного распределения по горизонтальному сечению сырья и растворителя имеются трубчатые коллекторы с большим числом отверстий. Для создания заданного температурного режима колонны оснащены внутренними подогревателями.

Полученные в деасфальтизационной колонне раствор деасфальтизата и асфальтовый поток подаются на регенерацию растворителя.  
Со времени разработки и внедрения процесса деасфальтизации конструкция деасфальтизационных колонн и технология процесса не претерпели принципиальных изменений, а предложенные способы интенсификации процесса, как правило, не дают существенных улучшений или связаны со значителными затратами на внедрение или эксплуатацию.  
Характерной особенностью процесса является низкая эффективность работы деасфальтизационных колонн, обусловленная несовершенством конструкции узлов ввода реагентов и контактных устройств аппарата. Недостаточная эффективность массообмена в деасфальтизационных колоннах приводит к низким отборам целевого продукта (деасфальтизата) при неоправданно завышенных кратностях пропана к сырью. Следствием этого является потеря компонентов остаточных масел, попадающих в асфальтовую фазу, и повышенные энергозатраты на регенерацию пропана из продуктов разделения сырья.

Эффективность очистки остатков нефти от смолистых веществ индивидуальными  избирательными растворителями невысока даже при их кратности к сырью. Объясняется это тем, что не все  компоненты асфальтено-смолистых веществ хорошо растворяются в избирательных растворителях. Для удаления асфальтено-смолистых веществ используют растворители типа сжиженного пропана.

В процессе деасфальтизации идут одновременно два процесса:

- коагуляция и осаждение  асфальтено-смолистых веществ (уходящих с асфальтом);

- экстракция углеводородов  (уходящих с деасфальтизатом);

Область температур, в которой  смолы легко отделяются от раствора углеводородов масла в пропане, лежит в пределах 50 - 85°С.

Верхний предел температур ограничен критической температурой сжижения пропана (98,6°С). Чем ближе  температура процесса к критической, тем меньше растворяющая способность жидкого пропана и тем хуже растворяются в нем углеводороды масла, частично осаждаясь вместе со смолами. Происходит это потому, что с приближением температуры раствора к области критического состояния данного растворителя резко снижается его плотность и, следовательно, резко увеличивается мольный объем. В результате изменяются силы притяжения между молекулами растворителя и углеводородов, что приводит к снижению растворимости. Выход масла вследствие этого снижается. Зависимость выделения наиболее высокомолекулярных компонентов концентрата нефти из раствора в пропане от его плотности (рис. 1) прямолинейна при обычных температурных условиях процесса деасфальтизации.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Зависимость выхода асфальта из концентрата нефти от плотности пропана; кратность пропана 8:1.

Растворимость углеводородов  масляного сырья в пропане  в области повышенных температур (75 - 90°С) уменьшается с увеличением  их плотности и молекулярной массы. Наоборот, при понижении температуры  растворяющая способность жидкого  пропана растет, и уже к 40°С смолы частично растворяются в пропане, отчего качество очищенного масла ухудшается. Смолы и особенно асфальтены – наименее растворимые в жидком пропане компоненты сырья; на этом основано использование пропана как деасфальтизирующего растворителя.

Вблизи критической температуры  образуются два раствора: насыщенный раствор углеводородов в пропане  и насыщенный раствор пропана  в углеводородах. За счет разделения этих растворов и осуществляется очистка исходного сырья. В пропане, прежде всего, растворяются желательные  компоненты, а в смеси нежелательных  компонентов остается небольшое  количество растворителя.

При смешении гудрона с  пропаном первые порции его полностью  растворяются в сырье. Количество растворителя, требуемое для насыщения растворяемого  сырья, зависит от состава исходного  продукта и температуры. Чем больше исходный продукт содержит асфальтено-смолистых веществ и углеводородов высокой молекулярной массы и плотности, тем меньше растворителя требуется для насыщения. Чем ниже температура, тем больше растворителя расходуется на достижение насыщения.

Взаимодействие растворителя и сырья происходит в колонном аппарате, причем пропан подается в  них колонны и поднимается  вверх противотоком к более тяжелому сырью, подаваемому вверх и спускающемуся  вниз. В верхней части колонны  поддерживается температура 75 - 85°С, в нижней – 50 - 60°С. Создание разности температур между верхом и низом колонны позволяет более тщательно отделить смолы и асфальтены от масла. Эта разность температур получила название градиент деасфальтизации, обычно равно 15-20°С.

Для поддержания пропана  в сжиженном состоянии процесс  деасфальтизации осуществляется под давлением 4,0 – 4,5МПа.

Необходимое соотношение  растворителя и сырья определяется опытным путем и зависит от содержания в сырье углеводородов. Чем выше их содержание, тем больше должно быть соотношение между объемом  пропана и объемом сырью от 4:1 до 8:1. Увеличение количества пропана  до определенного предела улучшает осаждение асфальтено-смолистых веществ, а это, в свою очередь, благотворно отражается на качестве деасфальтизата. С какого-то значения соотношения, разного для каждого вида гудрона (в зависимости от его происхождения), избыток пропана частично растворяет нежелательные компоненты, при этом выход деасфальтизата растет, но качество его ухудшается. (рис.2)

 

Рисунок 2. Зависимость выхода (1), коксуемости (2), и вязкости (3) деасфальтизата от объемного соотношения пропан: сырье.

 

С повышением соотношения  пропан: сырье повышается и выход  деасфальтизата, но качество его ухудшается так как с повышением соотношения увеличивается вязкость деасфальтизата и его коксуемость, что отрицательно влияет на чистоту деасфальтизата, и в последующем на остаточные масла, что не допустимо в моторных, авиационных и компрессионных маслах.

 

 

2. Технологическая часть

 
2.1 Выбор и обоснование  технологической схемы производства.

Раствор деасфальтизата с основным количеством пропана нагревается в зоне парового подогревателя, отстаивается и выводится сверху колонны. После снижения давления при помощи регулятора давления РД примерно до 2,4 МПа (24 кгс/см2) этот раствор поступает в горизонтальный испаритель, обогреваемый водяным паром низкого давления, а затем в испаритель, обогреваемый паром повышенного давления. Давление в аппарате ниже, а температура выше, чем в аппарате. Часть пропана переходит в парообразное состояние вследствие снижения давления. Деасфальтизат, выходящий из испарителя и содержащий относительно небольшое количество пропана (обычно не более 6%) обрабатывается в отпарной колонне открытым водяным паром. Сверху этой колонны уходит смесь пропановых и водяных паров, а снизу - готовый деасфальтизат, который насосом откачивается через холодильник в резервуар. Полноту удаления пропана контролируют по температуре вспышки деасфальтизата.

Битумный раствор по выходе снизу  колонны нагревается в змеевиках  печи, где испаряется значительная часть пропана. Пары отделяются от жидкости в сепараторе, работающем под тем  же давлением, что и испаритель. Остатки  пропана отпаривают открытым водяным  паром в битумной отпарной колонне. Битум деасфальтизации откачивают снизу этой колонны насосом. На некоторых установках битумный раствор до поступления в змеевики печи подогревают в теплообменнике.

Пары пропана высокого давления из испарителей  и сепаратора поступают (на многих установках через отбойник) в конденсаторы-холодильники. Сжиженный пропан собирается в приемнике. Отбойник служит для отделения от паров пропана увлеченных капелек жидкости. В конденсаторе-холодильнике пары пропана конденсируются под давлением, близким к рабочему давлению в аппаратах. т.е. при 1,7-1,8 МПа (17-18 кгс/см2). Этим достигается без применения компрессора необходимый температурный перепад между теплоотдающей и охлаждающей средами. На некоторых установках пары пропана, выходящие из сепаратора, после прохождения каплеотбойника являются теплоносителем для одного из испарителей. Пары пропана низкого давления, выходящие в смеси с водяным паром из отпарных колонн, освобождаются от водяного пара в конденсаторе смешения, после чего, пройдя каплеотбойник, они сжимаются компрессором и направляются в конденсатор-холодильник. Потери пропана восполняют подачей его извне в приемник.

Если пропан вводится в колонну  через два распределителя, то порцию пропана. направляемую в вышерасположеный распределитель, предварительно нагревают до более высокой температуры (например, до 75С), чем порцию, подаваемую через клапан части сжатых паров пропана в верхнюю зону конденсатора, чтобы не допустить понижения давления в нем ниже атмосферного тем самым избежать проникания в него воздуха и образования взрывоопасной смеси. На многих установках имеется колонна щелочной очистки пропана. Удаляя щелочным раствором сероводород из циркулирующего на установке пропана, уменьшают коррозионный износ аппаратов и трубопроводов. Нередко на линии отвода битумного раствора из колонны располагают регулятор расхода. Во избежание прогара труб змеевиков печи очень важно обеспечить непрерывное поступление в них достаточного количества этого раствора. Трубчатая печь ограждена противопожарной стеной (браидмауэром).

В результате деасфальтизации указанных видов сырья вязкость деасфальтизата уменьшается в 5-6 раз по сравнению с вакуумным остатком.

 

2.2 Характеристика сырья и готовой  продукции.

Требуемое качество деасфальтизата обеспечивается регулированием технологических параметров процесса и фракционного состава сырья деасфальтизации на стадии вакуумной перегонки мазута.

При недостаточно четкой вакуумной  перегонке мазута получающийся гудрон содержит большое количество фракций, выкипающих до 500°С. Низкомолекулярные углеводороды, содержащиеся в остаточном сырье, более растворимы в пропане в области предкритических температур, чем высокомолекулярные фракции. Растворяясь в пропане, они действуют как промежуточный растворитель, повышая благодаря наличию в их молекулах длинных парафиновых цепей дисперсионную составляющую Ван-дер-Ваальсовых сил и тем самым растворяющую способность растворителя по отношению к высокомолекулярным и полициклическим углеводородам и смолам. Кроме того, при деасфальтизации облегченного маловязкого остатка возрастает температура образования двухфазной системы, приближаясь к критической температуре пропана. В результате ухудшаются показатели деасфальтизата по коксуемости и вязкости. При деасфальтизации более концентрированных остатков получающийся деасфальтизат характеризуется более низкой коксуемостью, лучшим цветом, меньшим содержанием металлов (ванадия и никеля), серы и т.д. При этом в силу низкого потенциального содержания ценных масляных фракций выход деасфальтизата, естественно, ниже, чем при переработке облегченных остатков. Однако чрезмерная концентрация остатка вакуумной перегонки также нецелесообразна, поскольку при этом помимо снижения отбора целевого продукта значительно повышается вязкость деасфальтизата, что не всегда допустимо.

На выбор фракционного состава сырья деасфальтизации влияет и химический состав остаточных фракций перерабатываемой нефти. При деасфальтизации остатков нефтей с высоким содержанием смолисто-асфальтеновых соединений целесообразно оставлять в гудроне до определенного предела низкомолекулярные фракции, повышающие растворяющую способность пропана. При переработке малосмолистых нефтей целесообразна, наоборот, более высокая концентрация гудронов.

Таким образом, для получения  оптимального выхода деасфальтизата с заданными свойствами в зависимости от качества сырья необходимо подбирать оптимальные фракционный состав гудрона и режим его деасфальтизации.

 

2.3 Описание принципиальной технологической схемы.

Сжиженный пропан, забираемый из приемника  насосом, направляется через паровой подогреватель  в нижнюю зону колонны. В средней  части колонны пропан в восходящем потоке контактирует с опускающимися более нагретым гудроном и внутренним циркулятором. В зоне контактирования расположены тарелки жалюзийного или насадочного типа. Для равномерного распределения по поперечному сечению колонны гудрон и пропан вводятся в нее через распределители трубчатой конструкции с большим числом отверстий, обращенных вниз – для сырья, и вверх – для пропана.

Раствор деасфальтизата до выхода из колонны нагревается в верхнем встроенном подогревателе, и далее отстаивается в самой верхней зоне колонны от выделившихся при нагреве тяжелых фракций, так называемых «смол».

Пройдя регулятор  давления, раствор деасфальтизата поступает в испаритель, обогреваемый водяным паром низкого давления, а затем в испаритель, обогреваемый паром повышенного давления.

Водяной пар вводится в трубные печки испарителей. Температура кипящего раствора в  первом из них менее высокая чем во втором. По пути из колонны в испаритель часть пропана переходит в парообразное состояние вследствие вскипания при снижении давления примерно с 0,4 до 2,4МПа.

Выходящий из испарителя раствор деасфальтизата, содержащий относительно небольшое количество пропана, обрабатывается в отпарной колонне открытым водяным паром. С верха этой колонны уходит смесь пропановых и водяных паров, а с низа – готовый деасфальтизат, направляемый насосом через холодильник в резервуар. Полноту удавления пропана контролирует по температуре вспышки деасфальтизата.

Битумный раствор, выходящий из деасфальтизационной колонны снизу, непрерывно поступает через регулятор расхода в змеевик печи. На выходе из этого змеевика значительная часть пропана находится в парообразном состоянии. Пары отделяются от жидкости в горизонтальном сепараторе, работающем под давлением, что и испаритель. Остатки пропана отпариваются открытым водяным паром в битумной отпарной колонне. Битум деасфальтизации откачивается с низа этой колонны поршневым насосом, за которым следует холодильник.

Пары пропана  высокого давления по выходе из аппаратов  поступают через каплеотбойник в конденсаторы-холодильники. Сжиженный пропан отбирается в приемнике. В конденсаторах-холодильниках пары пропана конденсируются по давлением, близком к рабочему давлению в аппаратах, то есть при 1,7 – 1,8 МПа. Этим достигается необходимый температурный перепад между теплоотдающей и охлаждающей средами без применения компрессора.

Пары пропана  низкого давления, выходящие в  смеси с водяным паром из отпарных колонн, освобождаются от водяного пара в конденсаторе смешения и затем, пройдя каплеуловитель, сжимаются компрессором и направляются в конденсатор-холодильник. Потери пропана восполняются подачей его извне в приемник. Если пропан вводится в деасфальтизационную колонну через два внутренних распределителя, то пропан, направляемый в расположенный выше распределитель, предварительно нагревают до более высокой температуры по сравнению с пропаном, подаваемым через нижний распределитель.

 

Рисунок 3. Схема  установки одноступенчатой деасфальтизации гудрона сжиженным пропаном.  

2.4 Материальный баланс производства.

2.4.1 Материальный  баланс процесса деасфальтизации

Материальный баланс составляется с целью определения превращения  сырья в целевой продукт (деасфальтизат, битум деасфальтизации) с учетом потерь, и сравнения приходной и расходной частей материального баланса.

Данные для расчета  материального баланса.

Производительность установки  деасфальтизации по сырью: 450 тыс. т/г.

Время работы установки в  год составляет 8000 часов.

В расчет внесены временные  затраты на ремонтные работы: - КР – 400 часов;

- ППР – 263 часа;

- ТР – 97 часов.

Состав конечных продуктов: - деасфальтизат – 54,4%, масс.

- битум деасфальтизации – 45,6%, масс.

Расчет материального  баланса.

Таблица 1. Материальный баланс процесса деасфальтизации

Компонент	% масс	тыс. т/год	кг/ч
Приход
Сырье- гудрон	100	510	63 750
Итого:	100	510	63 750
Расход
Деасфальтизат	54.4	277,7	34712,5
Битум деасфальтизации	45.6	232,6	29 070
Итого:	100	510	6 3750

 

Расчет прихода:

Массу сырья принимаем  за 100%. Производительность по сырью  равна 510 тыс.т/г, переводим ее в массу кг/ч. Производительность делим на количество часов работы установки в год.

510000000/8000 = 63 750кг/ч.

Данные сводим в таблицу  материального баланса.

Расчет расхода:

Так как состав конечных продуктов дан по заданию в %, масс рассчитываем их массу исходя из производительности составляя пропорцию:

Пр:54,4 - m_{деасфальтизата}

100 – 6 375 _{(масса гудрона)}; m_{деасфальтизата} = 34712,5кг/ч

Переводим массу деасфальтизата из кг/ч в тыс. т/г: 34712,5*8000 = 277,7 тыс. т/г

По аналогии рассчитываем массу битума деасфальтизации

2.4.2 Материальный баланс аппарата ( колонны деасфальтизации)

Данные для расчета  материального баланса

Расчет материального  баланса

Таблица 2. Материальный баланс колонны деасфальтизации

Компонент	% масс	Состав р-ра, % масс	кг/ч
Приход
Сырье - гудрон	100	25	63 750
Сырье - пропан	300	75	191250
Итого:	400	100	255000
Расход
Р-р деасфальтизата	340.0	100	161250
деасфальтизат	54.4	16	25800
пропан	285.6	84	135450
Р-р асфальта	60.0	100.0	135000
асфальт	45.6	76.0	102 600
пропан	14.4	24.0	32400
Итого:	400.0		225000

 

 

 

Производительность колонны  по гудрону составляет 63 750кг/ч.

Соотношение пропана к  гудрону 3:1

Состав конечных продуктов: - деасфальтизат – 340%, масс.

- асфальт – 60%, масс.

В свою очередь каждый из продуктов процесса делятся на составные  части. Деасфальтизат состоит на 54,4% из деасфальтизата и на 285% из пропана, асфальт состоит на 45,6% из асфальта и на 14,4% из пропана

Расчет прихода:

Кратность пропана к гудрону  составляет 3:1, массу гудрона принимаем  за 100%, тогда масса пропана составляет 300%(100*3 = 300%).

Для того чтоб рассчитать массу  каждого компонента в кг/ч, принимаем массу раствора сырья (гудрона и пропана) за 100%, следовательно массу гудрона составляет 25% раствора, а масса пропана 75% раствора. Исходя из данных для расчета производительность колонны по гудрону равна 56250кг/ч, следовательно масса пропана в кг/ч будет в 3 раза больше (соотношение пропан: гудрон = 3:1);

M_{пропана} = 63 750*3 = 191250кг/ч

Расчет расхода:

Масса в % растворов деасфальтизата и асфальта равна 400%. Рассчитаем массу деасфальтизата в кг/ч:

Пр:340 – m_{р-ра деасфальтизата}

400 – 255000m_{р-ра деасфальтизата} = 161250кг/ч.

Исходя из состава раствора деасфальтизата можем рассчитать массу каждого компонента в растворе:

Пр:340%_{(масса раствора)} – 161250

54,4 – m_{деасфальтизата в растворе деасфальтизата} m_{деасфальтизата} = 25800кг/ч

По аналогии рассчитываем массу пропана в растворе деасфальтизата.

Масса раствора деасфальтизата составляет 191250 кг/ч. Раствор деасфальтизата принимаем за 100% для того, чтобы рассчитать процент содержания каждого компонента в растворе деасфальтизата.

Пр:100 –161250

m_{деасфальтизата в растворе деасфальтизата} – 25800; m_{деасфальтизата} = 16%

Аналогично рассчитываем массу пропана в %, масс в растворе деасфальтизата. По примеру расчета раствора деасфальтизата рассчитываем массу раствора асфальта. Сводим все данные в таблицу материального баланса колонны деасфальтизации.

 

2.5 Технологический  расчёт основного и вспомогательного  оборудования.

2.5.1 Тепловой баланс  колонны

Тепловой баланс колонны  составляется с целью определения  тепловой грузки подогревателя раствора деасфальтизата, которая находится по разности приходных и расходных статей теплового баланса.

Уравнение теплового баланса  колонны:

Qприх = Qpacx,

где Qприх — общее количество приходящего тепла, кДж/ч; Qpacx — общее количество уходящего тепла, кДж/ч.

Тепловые потоки компонентов  найдем по формуле:

,

где G — количество, кг/ч; J^ж - энтальпия жидкой фазы при соответствующей температуре, кДж/кг.

Энтальпии веществ найдем по формуле Крэга

Относительную плотность  найдем по формуле

Относительная плотность  сырья:

Энтальпия сырья:

Относительная плотность  деасфальтизата:

Энтальпия деасфальтизата:

Относительная плотность  битума:

Энтальпия битума:

Энтальпии жидкости пропана [5, с. 95]:

при 50°С: Jж = 136,18 кДж/кг;

при 60°С: Jж = 169,70 кДж/кг;

при 80°С: Jж = 246,37 кДж/кг.

Тепловая нагрузка подогревателя  составляет:

Qn = 81762579– 45164325= 36598254 кДж/ч

или

36598254 /3600 =10 166 кВт

 

 

Таблица 3.Тепловой баланс колонны  деасфальтизации

Поток	G, кг/ч	t, C	J, кДж/кг	Q, кДж/ч
Приход
Сырье	63 750	150	299.92	19119900
Пропан	191250	50	136.18	26044425
Тепло пологревателя				Qп
Всего:	255000			45164325+Qп
Расход
Раствор деасфальтизата	161250
а) деасфальтизат	25800	80	151.23	3901734
б) пропан	135450	80	246.37	33370816,5
Раствор битума	33750
а) битум деасфальтизации	25650	60	109.56	2810214
б) пропан	8100	60	169.7	1374570
Всего:	255000			81762579