Установка селективной очистки масел

Содержание

Введение

Селективная очистка - процесс переработки нефтяного сырья, направленный на улучшение качества масляных фракций. Он основан на экстракции сырья избирательным растворителем с последующей отгонкой растворителя из рафинатного и экстрактного растворов. Может осуществляться как для дистиллятного, так и для остаточного сырья. В процессе селективной очистки из исходного сырья извлекаются нежелательные для товарных масел компоненты - смолисто-асфальтеновые вещества, гетероатомные соединения и полициклические ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями. Целевым продуктом процесса является рафинат - очищенная масляная фракция, состоящая главным образом из парафиновых и нафтеновых углеводородов, а также моноциклической ароматики с длинными боковыми цепями. По сравнению с исходным сырьем, полученный рафинат обладает повышенным индексом вязкости, более высокой температурой застывания и имеет более светлый оттенок цвета.

На нефтеперерабатывающих заводах топливно-масляного профиля установка селективной очистки может находиться в составе маслоблока.

Общая характеристика производственного объекта

Установка селективной очистки масел 37/1 предназначена для удаления из масляных фракций смолистых веществ, полициклических ароматических и нафтено-ароматических углеводородов с короткими боковыми цепями, сернистых соединений с целью повышения индекса вязкости, снижения коксуемости, улучшения цвета и вязкостно-температурных свойств смазочных масел.

На установке осуществляется очистка N-метил-a-пирролидоном (метилпирролидоном) дистиллятных фракций (фр.350-420 оС, 420-500 оС, 450-550 оС) и деасфальтизата.

Установка состоит из:

блока экстракции;

блока регенерации рафинатного раствора;

блока регенерации экстрактного раствора и осушки растворителя.

Описание процесса селективной очистки масел. Назначение, сырье и целевые продукты

Назначение процесса селективной очистки - удаление смолистых веществ и полициклических ароматических углеводородов из масел с целью повышения их индекса вязкости и снижения коксуемости (по признаку извлечения нежелательного компонента его можно назвать процессом деароматизации масел).

Сырье - масляные дистилляты, получаемые при вакуумной перегонке мазутов, и деасфальтизаты гудронов.

Целевые продукты - рафинаты - направляются на депарафинизацию с целью улучшения низкотемпературных свойств масел. Побочные продукты селективной очистки - экстракты - используются как сырье для производства битумов, технического углерода, нефтяных коксов, пластификаторов каучуков в резиновой и шинной промышленности, как компонент котельного топлива.

В качестве растворителей на ранних этапах развития процессов селективной очистки масел использовались анилин, нитробензол, жидкий сернистый ангидрид, хлорекс (в, в'-дихлорэтиловый эфир) и др. Основными промышленными растворителями в настоящее время являются фенол, фурфурол и находящий все большее применение N-метилпирролидон (NMП).

Влияние оперативных параметров на эффективность процессов очистки масел селективными растворителями

Процесс экстракции углеводородов избирательными растворителями является многофакторным: на результаты очистки влияют химический состав и качество сырья, природа и количество растворителя, температурный режим и эффективность экстракционного аппарата .

Качество сырья

Поскольку целевым назначением процесса очистки масел избирательными растворителями является повышение индекса вязкости, то качество сырья следует рассматривать в первую очередь с точки зрения содержания в нем высокоиндексных компонентов.

Известно, что в масляных фракциях нефтей парафино-нафтенового основания содержится больше углеводородов, обеспечивающих высокий индекс вязкости, чем в соответствующих фракциях тяжелых высокоароматизированных нефтей. Поэтому, с точки зрения производства масел с хорошими вязкостно-температурными свойствами, первые нефти являются более предпочтительным исходным сырьем, чем вторые. Наоборот, высокая концентрация в исходном сырье смолистых и гетероорганических соединений, а также полициклических ароматических углеводородов, характеризующихся отрицательным индексом вязкости и подлежащих удалению при очистке, делает нецелесообразным использование такого сырья.

Существенное влияние на качество базовых масел и на техникоэкономические показатели процессов селективной очистки оказывает фракционный состав сырья. При очистке масляных фракций, выкипающих в широком интервале температур, вместе с низкоиндексными компонентами удаляются и приближающиеся к ним по растворимости низкокипящие ценные углеводороды сырья. В то же время часть полициклических углеводородов, имеющих высокие КТР, остается в рафинате. Влияние фракционного состава масляных дистиллятов из сернистой нефти на эффективность очистки фенолом показано в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние фракционного состава масляных дистиллятов из сернистой нефти на эффективность очистки фенолом

Чем уже температуры выкипания дистиллятных фракций, тем более эффективно проходит их очистка селективным растворителем.

При очистке деасфальтизатов важную роль играет глубина деасфальтизации, оцениваемая коксуемостью. Очевидно, что легче "деароматизировать" деасфальтизат с низким содержанием полициклических ароматических углеводородов, то есть деасфальтизат с меньшей коксуемостью. Поэтому коксуемость деасфальтизатов не должна превышать 1,2 % (предпочтительно около 1,0 %) [1,2].

Природа растворителя

В настоящее время в мировой нефтепереработке для селективной очистки масел применяются в основном следующие три избирательных растворителя: фенол, фурфурол и N-метилпирролидон.

Фенол как избирательный растворитель для очистки масел известен давно. Еще в 1922 г. был взят патент на применение фенола для очистки нефтепродуктов. В 1930 г. в Канаде была построена первая промышленная установка селективной очистки масел фенолом.

По растворяющей способности фенол значительно превосходит фурфурол, поэтому очистка масел фенолом производится при меньшем расходе растворителя и при более низких температурах.

При очистке масел фенолом достаточно полно извлекаются полициклические углеводороды с короткими боковыми цепями. В значительно меньшей степени извлекаются фенолом смолистые соединения. Практически совсем не растворимы в феноле асфальтены, поэтому остаточные продукты (гудроны, полугудроны) должны быть предварительно деасфальтизированы.

При фенольной очистке масляные фракции одновременно обессериваются и деазотируются в результате их удаления в составе полициклических углеводородов и смол.

Сравнительно низкая плотность и высокая температура плавления, вязкость и поверхностное натяжение фенола при температурах очистки, относящиеся к его недостаткам, затрудняют массообмен и способствуют образованию эмульсии. В результате при очистке масел фенолом не могут быть использованы высокоэффективные экстракционные аппараты, в частности роторно-дисковые контакторы, хорошо зарекомендовавшие себя при очистке фурфуролом.

Фурфурол - гетероциклический альдегид фуранового ряда. Фурфурол относится к числу избирательных растворителей с высокой селективностью и сравнительно низкой растворяющей способностью. При фурфурольной очистке масел достигается четкое экстрагирование низкоиндексных компонентов из сырья и, как следствие, высокие выходы рафината, однако процесс требует повышенного расхода растворителя по сравнению с фенольной очисткой.

Фурфурол обладает более высокой плотностью, и в этой связи сепарация рафинатной и экстрактной фаз по высоте экстракционной колонны будет осуществляться более полно при очистке масел фурфуролом. Для улучшения разделения фаз при фенольной очистке масел приходится несколько снижать производительность установки по сырью.

Фурфурол имеет более низкую температуру плавления, а это в свою очередь обеспечивает более широкий диапазон рабочих температур в экстракционной колонне при фурфурольной очистке масел. Температура низа экстракционной колонны при фенольной очистке ограничена температурой плавления фенола.

Фурфурол имеет и более низкую температуру кипения, что снижает тепловые затраты при регенерации растворителей из фаз.

Из-за пониженной растворяющей способности фурфурол применяется при очистке преимущественно дистиллятных масляных фракций.

Основным недостатком фурфурола являются его низкие термическая и окислительная способности. По этой причине в технологическую схему фурфурольной очистки масел приходится ввести дополнительную стадию деаэрации сырья, где под вакуумом с подачей перегретого водяного пара из сырьевого потока удаляются воздух и влага. Кроме того, для предотвращения окисления фурфурола его вынуждены хранить под защитным слоем масла или инертного газа.

N-метилпирролидон имеет более высокую по сравнению с фурфуролом и несколько меньшую по сравнению с фенолом растворяющую способность. От фенола N-метилпирролидон (NMП) отличается большей избирательностью по отношению к углеводородам ароматического ряда, нетоксичностью и более низкой температурой плавления. При экстракции масел NMП обеспечивает больший (на 5-7 %) выход и лучшее качество рафината при в 1,5 раза меньшей кратности растворителя по сравнению с фенолом. Кроме того, NMП не образует азеотропа с водой, что практически исключает необходимость водного контура в блоке регенерации растворителя, при этом достигается снижение энергозатрат примерно на 25-30 %.

В структуре мощностей селективной очистки масел за рубежом, особенно в США, преобладают процессы с использованием NMП (~45 %) и фурфурола (~35 %), а в бывшем СССР - главным образом фенола (более 70 %) [1,2].

Кратность растворителя

Количество растворителя подбирается в зависимости от качества сырья и требуемого качества рафината. Чем выше содержание низкоиндексных компонентов в сырье, тем выше должна быть кратность растворителя к сырью. Аналогично, ужесточение требований к качеству рафината требует увеличения расхода растворителя. При прочих равных условиях деароматизация дистиллятного сырья широкого фракционного состава, по сравнению с сырьем более узкого фракционного состава, требует большей кратности растворителя. При селективной очистке деасфальтизатов требуемая кратность растворителя симбатно возрастает с повышением их коксуемости. В таблице 2 приведены сравнительные характеристики деасфальтизатов с разным процентом коксуемости.

Таблица 2 - Сравнительные характеристики деасфальтизатов с разным процентом коксуемости

Увеличение кратности растворителя к сырью сопровождается дополнительным растворением компонентов сырья и переходом их в экстрактный раствор. Поэтому выход рафината с увеличением кратности растворителя монотонно снижается, а его индекс вязкости и стабильность против окисления повышаются. Однако улучшение качества масел наблюдается лишь до определенного момента, после которого как индекс вязкости, так и стабильность против окисления ухудшаются.

Снижение индекса вязкости происходит в результате ухудшения избирательности растворения в области предкритического растворения (то есть вблизи КТР), а ухудшение стабильности против окисления связано с эффектом переочистки, то есть чрезмерным удалением из масел полициклических ароматических углеводородов и смол, являющихся естественными ингибиторами окисления. Поэтому в тех случаях, когда к индексу вязкости предъявляются ординарные требования, процесс очистки следует проводить с получением рафината с наиболее высокой стабильностью против окисления. Установлено, что расход фенола в этом случае составляет 200 % для дистиллятного и 300 - 400 % для остаточного сырья. В тех же случаях, когда к индексу вязкости предъявляются повышенные требования, рафинат следует переочищать, а стабильность против окисления повысить введением антиокислительных присадок [2].

Температурный режим экстракции

Температурный режим экстракции подбирается в зависимости от КТР сырья и требуемого качества рафината.

Чем выше температура кипения сырья, тем выше величина его КТР и тем при более высокой температуре можно его очищать. Повышенное содержание асфальто-смолистых веществ и полициклических ароматических углеводородов понижает КТР и требует более низкой температуры экстракции. Практически температура очистки поддерживается на 10-25°С ниже КТР сырья в зависимости от требуемого качества рафината и составляет 55-70°С для дистиллятного сырья, 75-95°С для деасфальтизатов при очистке фенолом, 60-90 и 95-115°С соответственно при использовании фурфурола.

Повышение температуры очистки приводит к улучшению качества рафината и снижению его выхода вследствие увеличения растворяющей способности растворителя и соответственно более полного извлечения низкоиндексных компонентов сырья. Однако избирательность разделения при этом ухудшается, особенно в области предкритических температур. Поэтому на практике целесообразно избегать применения температур, близких к КТР, а регулирование качества осуществлять путем увеличения кратности растворителя, подбором оптимального температурного градиента экстракции, методом возбуждения рисайкла и другими приемами.

Различие в температурных условиях экстракции предопределяется плотностью применяемости растворителя. При фенольной очистке из-за низкой разности плотностей растворителя и исходного сырья градиент экстракции снижают до минимума, так как при смешении вторичных потоков с близкими удельными массами сепарация фаз происходит гораздо медленнее и даже при сравнительно невысоких скоростях в экстракционных колоннах приходится принимать конкретные меры к снижению степени внутренней циркуляции промежуточных масляных фракций. Повышение градиента экстракции приводит к заметному повышению относительных скоростей контактирующихся фаз, в результате на отдельных участках по высоте экстракционной колонны не достигается фазового равновесия. Кроме того, эмульгируемость системы фенол - углеводороды еще более ухудшает фазовое равновесие в потоках. Более высокая плотность фурфурола позволяет вести процесс очистки с высоким градиентом экстракции.

Если температура верха экстракционной колонны ограничивается критической температурой растворения, то температура низа - вязкостными свойствами экстрактного раствора.

В таблице 3 показано влияние температуры верха на выход и качество рафинатов фенольной очистки деасфальтизата [1].

Таблица 3 - Влияние температуры верха на выход и качество рафинатов фенольной очистки деасфальтизата

Особенности процесса

Наличие блока предварительной деаэрации сырья. Фурфурол обладает низкой термостабильностью и осмоляется при контакте с кислородом воздуха. Деаэрация - удаление воздуха из сырья с помощью водяного пара под вакуумом при температуре 130 оС в аппаратах колонного типа (деаэраторах).

Регенерация растворителя из рафинатного раствора и последние ступени регенерации растворителя из экстрактного раствора осуществляется под вакуумом. Это связано с тем, что фурфурол имеет низкую термостабильность, что не позволяет нагревать его выше 220-230 оС.

В качестве экстрактных аппаратов используются роторнодисковые контакторы [3].

Аппаратурное оформление блока регенерации экстрактного раствора и осушки растворителя

Колонное оборудование

На многих химических предприятиях колонная массообменная аппаратура является основным видом оборудования, от режима работы которого существенно зависит экономическая эффективность всего технологического процесса. Как правило, массообменные колонны используются для выделения целевого компонента из реакционной смеси, образованной после химического превращения исходных компонентов в реакционном блоке. Массообменные колонны - крупногабаритное, металлоемкое оборудование, часто размещаемое на открытых площадках и определяющее внешний вид химического предприятия. Правильное проектирование и эксплуатация массообменных колонн представляет важную инженерно-техническую задачу, решение которой требует привлечения современных научных разработок и исследований.

Ввиду большого многообразия колонной аппаратуры не представляется возможным провести её классификацию, используя какой-либо один классифицирующий признак. Поэтому, как и во многих других случаях, колонное массообменное оборудование классифицируется по нескольким основным признакам:

по виду массообменного процесса аппараты подразделяются на ректификационные и дистилляционные (разделение систем пар-жидкость); абсорбционные и десорбционные (разделение систем газ-жидкость); экстракционные (разделение систем жидкость-жидкость) и адсорбционные (поглощение газа или жидкости твердым адсорбентом);

в зависимости от давления, создаваемого в аппарате, аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением (низким, средним, высоким);

в зависимости от режима аппараты делятся на колонны с периодическим и непрерывным режимом работы;

в зависимости от направления движения фаз оборудование подразделяется на прямоточные, противоточные, с перекрестным и смешанным током массообменные колонны;

в зависимости от типа контактного устройства распространены насадочные, тарельчатые и роторные массообменные колонны.

В химической, нефтехимической и газовой промышленности наиболее широкое применение получили тарельчатые и насадочные колонны с различными типами тарелок и насадочных тел. Причем насадочные колонны используются преимущественно в процессах абсорбции, а тарельчатые - ректификации. Роторные массообменные колонны применяются, как правило, для осуществления процессов дистилляции и экстракции [2]. На рисунке 1.1 показаны схемы основных типов колонных аппаратов.

Рисунок 1.1 - Схемы основных типов колонных аппаратов

а - тарельчатый; б - насадочный; в - пленочный; 1 - корпус колонны; 2 - полотно тарелки; 3 - переточное устройство; 4 - опорная решетка; 5 - насадка; 6 - распределитель; 7 - трубная решетка; 8 – трубка

Теплообменное оборудование

В большинстве процессов нефтегазопереработки используется нагрев исходного сырья, а также применяемых при его переработке растворителей, реагентов, катализаторов и др. Полученные в результате того или иного технологического процесса целевые продукты или полуфабрикаты обычно требуется охлаждать до температуры, при которой возможны их хранение и транспорт.

На современном нефтеперерабатывающем заводе, где осуществляется глубокая переработка нефти, на изготовление аппаратов, предназначенных для нагрева и охлаждения, затрачивается до 30 % общего расхода металла на все технологические установки. Высокая эффективность работы подобных аппаратов позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, затрачиваемой на тот или иной технологический процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели. Поэтому изучению устройства и работы этих аппаратов, а также освоению, методов их расчета необходимо уделять особое внимание.

В аппаратах, где идет нагрев или охлаждение, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, другой охлаждается. Поэтому их называют теплообменными аппаратами вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата - нагрев или охлаждение, какие потоки обмениваются теплом, происходит ли при этом только нагрев и охлаждение или же теплообмен сопровождается испарением или конденсацией.

Применительно к нефтеперерабатывающей промышленности, теплообменные аппараты классифицируются по следующим основным признакам:

в зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды и аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит путем их соприкосновения;

в зависимости от назначения аппараты делятся на теплообменники, в которых один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в процессе и подлежащего охлаждению; нагреватели, испарители, кипятильники, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляются за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей; холодильники и конденсаторы, предназначенные для охлаждения жидкого потока или конденсации и охлаждения паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.)

При регенерации тепла того или иного продукта его окончательное охлаждение до температуры, требуемой для безопасного транспорта и хранения, обычно завершается в холодильниках.

Насосное оборудование

Насос - машина, предназначенная для преобразования механической энергии привода в гидравлическую энергию потока перекачиваемой жидкой среды (жидкости) с целью ее перемещения.

Насосный агрегат типа К показан на рисунке 1.10 Он состоит из насос и приводного двигателя, соединенных между собой контрольно-измерительными приборамми и аппаратурой автоматического регулирования и контроля. Насосный агрегат и комплектующее оборудование с подводящим и напорным трубопроводами и арматурой называется насосной установкой. Общий вид насосной установки представлен на рисунке 1.11.

Рисунок 1.10 - Насосный агрегат типа К

Рисунок 1.11 - Общий вид насосной установки

На нефтеперерабатывающих заводах насосы служат для перекачивания нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, щелочей, кислот и работают в широких диапазонах производительности, напора и температуры. Поэтому обычные требования, предъявляемые к насосам (надежность и долговечность в эксплуатации, герметичность соединений и безупречная работа сальниковых или торцовых уплотнений), в условиях указанных предприятий приобретают чрезвычайно важное значение, поскольку неисправности в насосах и их узлах приводят к нарушениям технологического режима установок, а иногда и к авариям.

Требования надежности и долговечности насосов повышаются, особенно сейчас, когда в проектах новых технологических установок резко сокращается количество резервного насосного оборудования.

На рисунке 1.12 представлено устройство центробежного насоса, состоящего из рабочего колеса 1, корпуса насоса 2, подводящего канала 5 (входная часть корпуса от приемного патрубка насоса до рабочего колеса), отводящего канала 9 (часть корпуса, по которому жидкость, выброшенная из рабочего колеса, отводится к напорному патрубку 7).

1 - рабочее колесо; 2 - корпус, 3 - всасывающий трубопровод; 4 - обратный  клапан, 5 - подводящий канал; 6, 7 - напорный  патрубок, 8 - воронка, 9 - отводящий канал

Рисунок 1.12 - Устройство центробежного насоса

Центробежные насосы обычно располагают выше уровня жидкости в приемном резервуаре, поэтому насос перед пуском необходимо заполнить этой жидкостью.

Заливать насос при наличии обратного клапана 4 с сеткой можно через воронку 8 до полного вытеснения воздуха из всасывающего трубопровода 3 и корпуса насоса 2. Если нет обратного клапана, то для заливки воды нужно отсасывать воздух из корпуса насоса (при закрытой задвижке) специальным вакуумом-насосом. Схема центробежного насоса показана на рисунке 1.13. Он состоит из рабочего колеса, снабженного лопастями и установленного на валу в спиральном корпусе. Жидкость в рабочее колесо поступает в осевом направлении. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса, жидкость прижимается к стенке корпуса и выталкивается в нагнетательное отверстие по касательной к рабочему колесу. При этом на входе в насос давление падает, и в рабочее колесо устремляется жидкость, находящаяся под более высоким давлением, например под атмосферным давлением при выкачивании жидкости из открытого резервуара.

Заключение

В данном реферате по учебной практике описана установка селективной очистки масел.

В литературном обзоре описан общий процесс селективной очистки масел, дана характеристика производственного объекта. В разделе аппаратурного оформления блока регенерации экстрактного раствора и осушки растворителя приведено описание колонн, теплообменников и насосного оборудования, также приведено технологические и технические параметры.

В технологическом разделе описана принципиальная схема блока регенерации экстрактного раствора и осушки растворителя.

Также описан монтаж технологических трубопроводов.

Список использованных источников

1. Ахметов, С.А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: Учебное пособие / С.А. Ахметов, И.Р. Кузеев, М.И. Баязитов. - CПб.: "Недра", 2006. - 868 с.

2. Калекин, В.С. Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие / В.С. Калекин, В.А. Плотников - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. - 344 с.

3. Баранов, Д.А. Процессы и аппараты: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Д.А. Баранов, А.М. Кутепов - Москва: Изд-во "Академия", 2004. - 304 с.

4. Фарамазов, С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация / С.А. Фармазов. - М.: Москва "Химия", 1978. - 352 с.

5. Семакина, О.К. Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие / О.К. Семакина - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 127 с.

6. Зубченко, А.С. Марочник сталей и сплавов / А.С. Зубченко, М.М. Колосков - Москва: "Машиностроение", 2003. - 784 с.

7. Поникаров, И.И. Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов / И.И. Поникаров, О.А. Перелыгин, В.Н. Доронин, - Москва: "Машиностроение", 1989. - 368 с.