Проектирование процесса вторичнойперегонки нефти

     Содержание 

Введение

1 Литературный  обзор

2 Основная  часть

2.1 Технология  производства

2.1.1  Выбор и обоснование метода  производства

2.1.2 Описание  технологической схемы

2.1.3 Характеристика  сырья, материалов, полупродуктов,  энергоресурсов и готовой продукции

2.1.4 Физико-химические  основы технологического процесса

2.1.5 Описание  работы основного оборудования

2.6  Расчет  материального баланса

2.2 Расчетная  часть

2.2.1 Расчет  теплового баланса

2.2.2 Технологический  расчет основного аппарата

3 Производственная безопасность и охрана труда

Выводы

Список  использованных источников

Приложение  А – Технологическая схема процесса

Приложение Б  – Чертёж основного аппарата 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Различные виды горючих ископаемых – уголь, нефть и природный газ –  известные человечеству с доисторических времён. До настоящего времени горючие ископаемые использовали и продолжают использовать главным образом, как энергетическое топливо, т.е. как первичные энергоресурсы. В ХХ в. К источникам энергоресурсов добавились ещё и гидроресурсы и ядерное топливо. Совокупность отраслей промышленности, занятых добычей, транспортировкой и переработкой различных видов различных ископаемых, а также выработкой, преобразованием и распределением различных видов энергии (тепловой, электрической и др.), называют топливно-энергетическим комплексом (ТЭК). ТЭК включает топливную (нефтяную, газовую, угольную, торфяную, сланцевую), нефтеперерабатывающую, нефтехимическую и энергетическую (тепло-, гидро- и атомную) промышленности.

     ТЭК является основой современной мировой экономики. Уровень развития ТЭК отражает социальный и научно-технический прогресс в стране. Действительно, трудно представить жизнь современного человека без топлива, энергии, света, тепла, связи, радио, телевидения, транспорта и бытовой техники и т.д. Без энергии невозможно развитие кибернетики, средств автоматизации, вычислительной и космической техники.

     Особенно  велико современное экономическое  значение нефти и газа. Нефть и  газ – уникальные и исключительно  полезные ископаемые. Продукты их переработки применяют практически во всех отраслях промышленности, на всех видах транспорта, в военном и гражданском строительстве, сельском хозяйстве, энергетики в быту и т.д. За последние несколько десятилетий из нефти и газа стали вырабатывать в больших количествах разнообразные химические материалы, такие, как пластмассы, синтетические волокна, каучуки, лаки, краски, моющие средства, минеральные удобрения, и многое другое. Не зря называют нефть «чёрным золотом», а ХХ в. – веком нефти и газа. Нефть и газ определяют не только экономику и технический потенциал, но часто и политику государства.

     Нефтеперерабатывающая промышленность – отрасль тяжёлой  промышленности, охватывающая переработку  нефти и газовых конденсатов  и производство высококачественных товарных нефтепродуктов: моторных и энергетических топлив, смазочных масел, битумов, нефтяного кокса, парафинов, растворителей, элементной серы, термогазойля, нефтехимического сырья и товаров народного потребления.

     Промышленная  переработка нефти и газовых  конденсатов на современных нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) осуществляется путём сложной многоступенчатой физической и химической переработки на отдельных или комбинированных крупнотоннажных технологических процессов (установках, цехах) предназначенных для получения различных компонентов или ассортиментов товарных нефтепродуктов.

     В ХХI в. нефтеперерабатывающая отрасль России вступила со значительным отставанием высокоразвитых стран по глубине переработки нефти и насыщенности НПЗ вторичными процессами. Снижение научно-инновационного потенциала в отрасли обусловлено сокращением государственного финансирования на развитие исследований области создания наукоёмких технологий, включая фундаментальную и прикладную науку. Это в свою очередь, привело к ориентации нефтяного комплекса России на зарубежные технологии.

     Сегодня в России мощности по первичной переработки  составляют около 315 млн. т/год. Суммарная  мощность Российских НПЗ по первичной  переработки нефти в 3 раза ниже, чем в США. В тоже время средняя  мощность одного Российского завода превышает мощность среднего завода США в 2,4 раза. Однако общая технологическая оснащённость отечественных заводов процессами, углубляющими переработку нефти, крайне низка. 

1. Литературный  обзор

1. Процессы переработки нефти 
   

     Процесс переработки нефти можно разделить на 3 основных этапа:

      1. Разделение нефтяного сырья  на фракции, различающиеся по  интервалам температур кипения  (первичная переработка);

      2. Переработка полученных фракций  путем химических превращений  содержащихся в них углеводородов и выработка компонентов товарных нефтепродуктов (вторичная переработка);

      3. Смешение компонентов с вовлечением,  при необходимости, различных  присадок, с получением товарных  нефтепродуктов с заданными показателями  качества (товарное производство).

     Прямая  перегонка нефти представляет собой  процесс разделения ее на отдельные  фракции, отличающиеся между собой  в первую очередь температурой кипения. Для этого нефть нагревают, а  образующиеся пары отбирают и конденсируют по частям. В результате перегонки получают топливные дистилляты и остаток, называемый мазутом, который в дальнейшем может быть использован для химической переработки или получения смазочных масел.

     Процесс прямой перегонки нефти проводят на установках непрерывного действия, позволяющих в едином технологическом процессе осуществить испарение и фракционирование дистиллятов. Процесс разделения нефти на топливные дистилляты и затем мазута на масляные дистилляты происходит следующим образом.

     Прямая  перегонка нефти позволяет получить лишь 10—15 % бензина, и только отдельные сорта нефти обеспечивают выход бензина до 20—25 %. Поэтому для того, чтобы обеспечить, например, работу автомобиля ЗИЛ-130 на прямогонном бензине в течение года, нужно переработать около 75—100 тыс. л нефти. Для увеличения выхода бензина и других светлых нефтепродуктов применяют деструктивные (химические) методы переработки нефти, с помощью которых можно также улучшать качество нефтепродуктов.

     Целью вторичной перегонки является разделение фракций, полученных при первичной  перегонке, на более узкие погоны, каждый из которых затем используется по собственному назначения. На НПЗ вторичной перегонке подвергаются широкая бензиновая фракция, дизельная фракция (при получении сырья установки адсорбционного извлечения парафинов), масляные фракции, гачи и т.п. Процесс проводится на отдельных установках или блоках, входящих в состав установок АТ и АВТ.

     По  своим направлениям, все вторичные  процессы можно разделить на 3 вида:

     -углубляющие:  каталитический крекинг, термический  крекинг, висбрекинг, замедленное коксование, гидрокрекинг, производство битумов и т.д.

     -облагораживающие: риформинг, гидроочистка, изомеризация  и т.д.

     -прочие: процессы по производству масел,  МТБЭ, алкилирования, производство  ароматических углеводородов и  т.д.

     Ранее рассмотрены основные технологические процессы топливного производства, применяемые на НПЗ России.

       Однако, в ходе указанных процессов  вырабатываются только компоненты  моторных, авиационных и котельных  топлив с различными показателями  качества. Например, октановое число прямогонного бензина составляет около 65, риформата - 95-100, бензина коксования - 60. Другие показатели качества (например, фракционный состав, содержание серы) у компонентов также различаются. Для получения же товарных нефтепродуктов организуется смешение полученных компонентов в соответствующих емкостях НПЗ в соотношениях, которые обеспечивают нормируемые показатели качества.

       Расчёт рецептуры смешения (компаундирования) компонентов осуществляется при  помощи соответствующих модулей  математических моделей, используемых для планирования производства по НПЗ в целом. Исходными данными для моделирования являются прогнозные остатки сырья, компонентов и товарной продукции, план реализации нефтепродуктов в разрезе ассортимента, плановый объём поставок нефти. Таким образом возможно рассчитать наиболее эффективные соотношения между компонентами при смешении.

       Зачастую на заводах используются  устоявшиеся рецептуры смешения, которые корректируются при изменении  технологической схемы.

       Компоненты нефтепродуктов в заданном соотношении закачиваются в ёмкость для смешения, куда также могут подаваться присадки. Полученные товарные нефтепродукты проходят контроль качества и откачиваются в соответствующие ёмкости товарно-сырьевой базы, откуда отгружаются потребителю.

       Основной способ доставки нефтепродуктов  в России - перевозка железнодорожным  транспортом. Для погрузки продукции  в цистерны используются наливные  эстакады. Поставки нефтепродуктов  по России и на экспорт осуществляются  также по системе магистральных  нефтепродуктопроводов АК "Транснефтепродукт", речным и морским транспортом.  

     1.2 Первичная переработка нефти

     1.2.1 Вторичная перегонка бензиновой и дизельной фракции 

     Вторичная перегонка - разделение фракций, полученных при первичной перегонке, на более  узкие погоны, каждый из которых затем используется по собственному назначению.

     На  НПЗ вторичной перегонке подвергаются широкая бензиновая фракция, дизельная  фракция (при получении сырья  установки адсорбционного извлечения парафинов), масляные фракции и т.п. Процесс проводится на отдельных установках или блоках, входящих в состав установок АТ и АВТ.

     Перегонка нефти - процесс разделения ее на фракции  по температурам кипения (отсюда термин «фракционирование») - лежит в основе переработки нефти и получения  при этом моторного топлива, смазочных масел и различных других ценных химических продуктов. Первичная перегонка нефти является первой стадией изучения ее химического состава.

     Основные  фракции, выделяемые при первичной  перегонке нефти:

     1. Бензиновая фракция - нефтяной погон с температурой кипения от н.к. (начала кипения, индивидуального для каждой нефти) до 150-205 0С (в зависимости от технологической цели получения авто-, авиа-, или другого специального бензина).

     Эта фракция представляет собой смесь  алканов, нафтенов и ароматических углеводородов. Во всех этих углеводородах содержится от 5 до 10 атомов С.

     2. Керосиновая фракция - нефтяной  погон с температурой кипения  от 150-180 0С до 270-280 0С. В этой фракции  содержатся углеводороды С10-С15.

     Используется  в качестве моторного топлива (тракторный керосин, компонент дизельного топлива), для бытовых нужд (осветительный керосин) и др.

     3. Газойлевая фракция - температура  кипения от 270-280 0С до 320-3500С. В  этой фракции содержатся углеводороды  С14-С20. Используется в качестве дизельного топлива.

     4. Мазут - остаток после отгона  выше перечисленных фракций с  температурой кипения выше 320-350 0С.

     Мазут может использоваться как котельное  топливо, или подвергаться дальнейшей переработке - либо перегонке при  пониженном давлении (в вакууме) с отбором масляных фракций или широкой фракции вакуумного газойля (в свою очередь, служащего сырьем для каталитического крекинга сцелью получения высокооктанового компонента бензина), либо крекингу.

     5. Гудрон - почти твердый остаток  после отгона от мазута масляных фракций. Из него получают так называемые остаточные масла и битум, из которого путем окисления получают асфальт, используемый при строительстве дорог и т.п. Из гудрона и других остатков вторичного происхождения может быть получен путем коксования кокс, применяемый в металлургической промышленности. 

     1.2.1.1  Вторичная перегонка бензиновой  фракции 

     Вторичная перегонка бензинового дистиллята представляет собой либо самостоятельный  процесс, либо является частью комбинированной  установки входящей в состав нефтеперерабатывающего завода. На современных заводах установки вторичной перегонки бензинового дистиллята предназначены для получения из него узких фракций. Эти фракции используют в дальнейшем как сырье каталитического риформинга -- процесса, в результате которого получают индивидуальные ароматические углеводороды -- бензол, толуол, ксилолы, либо бензин с более высоким октановым числом. При производстве ароматических углеводородов исходный бензиновый дистиллят разделяют на фракции с температурами выкипания: 62--85°С (бензольную), 85--115 (120) °С (толуольную) и 115 (120)--140 °С (ксилольную).

     Бензиновая  фракция используется для получения  различных сортов моторного топлива. Она представляет собой смесь  различных углеводородов, в том  числе неразветвленных и разветвленных алканов. Особенности горения неразветвленных алканов не идеально соответствуют двигателям внутреннего сгорания. Поэтому бензиновую фракцию нередко подвергают термическому риформингу, чтобы превратить неразветвленные молекулы в разветвленные. Перед употреблением эту фракцию обычно смешивают с разветвленными алканами, циклоалканами и ароматическими соединениями, получаемыми из других фракций, путем каталитического крекинга либо риформинга.

     Качество  бензина как моторного топлива  определяется его октановым числом. Оно указывает процентное объемное содержание 2,2,4-триметилпентана (изооктана) в смеси 2,2,4-триметилпентана и гептана (алкан с неразветвленной цепью), которая обладает такими же детонационными характеристиками горения, как и испытуемый бензин.

     Плохое  моторное топливо имеет нулевое  октановое число, а хорошее топливо-октановое  число 100. Октановое число бензиновой фракции, получаемой из сырой нефти, обычно не превышает 60. Характеристики горения бензина улучшаются при  добавлении в него антидетонаторной присадки, в качестве которой используется тетраэтилсвинец (IV), Рb(С2Н5)4. Тетраэтилсвинец представляет собой бесцветную жидкость, которую получают при нагревании хлорэтана со сплавом натрия и свинца:

     При горении бензина, содержащего эту присадку, образуются частицы свинца и оксида свинца (II). Они замедляют определенные стадии горения бензинового топлива и тем самым препятствуют его детонации. Вместе с тетраэтилсвинцом в бензин добавляют еще 1,2-дибромоэтан. Он реагирует со свинцом и свинцом (II), образуя бромид свинца (II). Поскольку бромид свинца (II) представляет собой летучее соединение, он удаляется из автомобильного двигателя с выхлопными газами. Бензиновый дистиллят широкого фракционного состава, например от температуры начала кипения и до 180 °С, насосом прокачивается через теплообменники и подается в первый змеевик печи, а затем в ректификационную колонну. Головной продукт этой колонны -- фракция н. к. -- 85 °С, пройдя аппарат воздушного охлаждения и холодильник, поступает в приемник. Часть конденсата насосом подается как орошение на верх колонны, а остальное количество -- в другую колонну. Снабжение теплом нижней части колонны осуществляется циркулирующей флегмой (фракция 85-- 180 °С), прокачиваемой насосом через второй змеевик печи и подается в низ колонны, Остаток с низа колонны направляется насосом в другую колонну.

     Уходящие  с верха колонны, пары головной фракции (н. к. -- 62 °С) конденсируются в аппарате воздушного охлаждения; конденсат, охлажденный  в водяном холодильнике, собирается в приемнике. Отсюда конденсат насосом направляется в резервуар, а часть фракции служит орошением для колонны. Остаточный продукт -- фракция 62-- 85 °С -- по выходе из колонны снизу направляется насосом через теплообменник и холодильники в резервуар. В качестве верхнего продукта колонны получают фракцию 85--120 °С, которая, пройдя аппараты, поступает в приемник. Часть конденсата возвращается на вверх колонны в качестве орошения, а балансовое его количество отводится с установки насосом в резервуар.

     Фракция 120--140°С отбирается из внешней отпарной колонны, снизу насосом. Эта фракция  после охлаждения в теплообменнике и аппаратах поступает в резервуар.

     Нижний  продукт колонны -- фракция 140-- 180 °С -- также направляется в резервуар  насосом через теплообменник и аппараты.

     Тепло, необходимое для работы отгонных секций ректификационных колонн, сообщается соответственно кипятильниками. Внешняя  отпарная секция обслуживается кипятильником. В кипятильники соответствующие  рециркуляты подаются насосами. Теплоносителем для кипятильников является водяной пар.

     В каждой ректификационной колонне по 60 тарелок.

     Материальный  баланс установки зависит от потенциального содержания узких фракций в бензиновом дистилляте, а также от четкости ректификации. 

     1.2.1.2  Вторичная перегонка дизельной фракции 

     Эта фракция переработки нефти известна под названием дизельного топлива. Часть ее подвергают крекингу для  получения нефтезаводского газа и бензина. Однако главным образом  газойль используют в качестве горючего для дизельных двигателей. В дизельном двигателе зажигание топлива производится в результате повышения давления. Поэтому они обходятся без свечей зажигания. Газойль используется также как топливо для промышленных печей.

     Газойлевые  фракции - используются в производстве технического углерода (сажи), как компонент котельного топлива, а после гидроочнстки - для приготовления дизельных и газотурбинных топлив. Крекинг-остаток - направляется на установки замедленного коксования для производства кокса, применяется как компонент котельного топлива.

     Фракции, полученные из малосернистого сырья, могут  быть использованы как тяжелое котельное  топливо (мазут Ml00 малосернистый), другие фракции - как компоненты котельных  топлив. Газойлевая фракция с глухой тарелки колонны откачивается горячим насосом ( производительностью до 50 м3 / ч) в печь легкого сырья для глубокого крекинга, где нагревается до более высоких температур, чем тяжелое сырье в печи. Далее продукты крекинга из обеих печей входят в верхнюю часть выносной реакционной камеры, где поддерживается давление 2 - 2 5 МПа. Продукты реакции снизу камеры направляются в испаритель высокого давления, работающий при давлении 0 8 - 1 0 МПа, где производится разделение продуктов крекинга на паровую и жидкую фазы. Регулировка давления и его снижение производится с помощью редукционного клапана, установленного на линии перетока продуктов крекинга из выносной реакционной камеры в испаритель высокого давления. Жидкая фаза в виде тяжелого крекинг-остатка самотеком поступает в испаритель низкого давления, где за счет уменьшения давления из него происходит выделение паров газойлевых фракций, которые через проход в глухой тарелке попадают в верхнюю часть колонны и вступают в контакт с исходным сырьем, подаваемым в верхнюю часть. Некоторое количество несконденсировавшихся в колонне паров и газов конденсируется и охлаждается в холодильнике, затем собираются в сборнике-газосепараторе, откуда насосом возвращается в верхнюю часть колонны в виде орошения.

     Газойлевая  фракция 195 - 270 С может быть использована (с учетом ее химического состава) как компонент низкозастывающего дизельного топлива. Фракция 270 - 420 С используется как сырье для технического углерода, а остаточная фракция, выкипающая выше 420 С - в качестве компонента сырья коксования или котельного топлива. 

     1.3 Устройство простых и сложных  колонн 

     Для осуществления процесса перегонки  используют ректификационные колонны. Различают колонны простые, для  разделения сырья на два компонента (дистиллят и кубовый остаток) и сложные. В среднюю часть  простой колонны вводится разделяемое сырьё, нагретое до необходимой температуры, в виде паров, жидкости или их смеси. Зона, в которую вводят сырье, называется эвопарационной, т.к. в ней происходит однократное испарение. Через каждую тарелку проходит четыре потока:

     1.      Жидкость - флегма, стекающая с верхней  тарелки

     2.      Пары, поступающие с ниже лежащей  тарелки

     3.      Жидкость - флегма, уходящая на ниже  лежащую тарелку

     4.      Пары, поднимающиеся на выше лежащую  тарелку

     Жидкость  с верхней тарелки стекает на ниже лежащую тарелку, поступает в зону относительно высокой температуры и из неё испаряется часть низкокипящего компонента. С другой стороны, контактирующий на ней пар с ниже лежащей тарелки несколько охлаждается и из него конденсируется высоко кипящий компонент. Парциальный состав паров и жидкости по высоте колонны непрерывно изменяется. Часть расположенная выше ввода сырья называется концентрационной, а ниже - отгонной. С верха концентрационной зоны выводят готовый продукт в виде пара (ректификат), а с низа, обогащённую низко кипящим компонентом жидкость. В отгонной зоне окончательно отгоняется низко кипящий компонент. С низа колонны отбирается второй продукт ректификации - кубовый остаток. Для нормальной работы колонны необходимо непрерывное её орошение жидким продуктом, поэтому часть ректификата, после его охлаждения и конденсации в виде флегмы направляют на верхнюю тарелку колонны. С другой стороны, чтобы отогнать низко кипящий компонент необходимо в нижнюю часть колонны подавать тепло. Для этого часть остатка после подогрева подают на одну из нижних тарелок.

     В случае, когда необходимо отбирать не одну, а несколько фракций с  достаточно чёткими границами раздела  по температурам кипения, прибегают  к сложным колоннам. Она представляет собой сочетание простых колонн. Сырьё поступает в среднюю часть колонны и разделяется на паровую и жидкую часть. Жидкость стекает по тарелкам в низ колонны, а пары поднимаются вверх, причём обе части подвергаются ректификации.

     a) С различных по высоте колонны  тарелок отбираются боковые погоны, которые отводятся на верхнюю тарелку боковых отпарных (стриппинг колонн). Под нижнюю тарелку стриппинг колонны подаётся навстречу потоку жидкости водяной пар, с температурой чуть выше кипения данной фракции. С низа каждой секции отбирается нужная фракция. А водяной пар вместе с легкокипящим компонентом возвращается в основную колонну. Таким образом, отпарные колонны служат отгонными частями, выделенные в самостоятельные колонны. Необходимость их использования заключатся и в том, что в целевом продукте, в результате недостаточно чёткого разделения, могут находиться более легкокипящие фракции, т.е. происходит наложение фракции. Это значит, например, что в отбираемой фракции может находиться некоторое количество другой фракции. Поэтому без дополнительной ректификации качество не будет соответствовать заданным нормам.

     Обычно  наверх атмосферной колонны в  качестве острого орошения подают верхний  дистиллят, а в различные точки  по высоте колонны - несколько промежуточных  циркуляционных орошений. Для осуществления циркуляционного орошения часть флегмы забирается с тарелки, проходит через теплообменник, отдаёт своё тепло, и охладившись до заданной температуры, поступает на тарелку выше той, с которой забиралась флегма на охлаждение. При этом поддерживается определённый температурный режим на тарелке отбора флегмы, и создаются условия, необходимые для поддержания потока флегмы на нижележащих тарелках. Циркуляционных орошений может быть вплоть до трёх.

     Промежуточное орошение чаще всего отводят с  одной из тарелок, расположенных непосредственно ниже точки вывода бокового дистиллята (погона) в выносную отпарную колонну. По другому варианту в качестве промежуточного орошения используют сам боковой погон, который после охлаждения возвращают в колонну выше или ниже точки ввода в неё паров из отпарной выносной колонны.

     Применение  промежуточного циркуляционного орошения позволяет рационально использовать избыточное тепло колонны для  подогрева нефти в теплообменниках, при этом выравниваются нагрузки по высоте колонны, что обеспечивает оптимальные условия её работы. Верхним боковым потоком отбирают керосиновую фракцию, затем лёгкую дизельную фракцию и ещё ниже более тяжёлую дизельную.

     Чёткость  и эффективность ректификации зависит  от способа контактирования паров и жидкости. Контакт паров и жидкости в вертикальных цилиндрических аппаратах - колоннах, снабжённых специальными ректификационными тарелками или насадками, обеспечивающих тесный контакт поднимающихся вверх по колонне паров и стекающим им навстречу жидкостям.