Сернистой нефти (комбинированной центровки ЛК-6у)
И.Р. КУЗЕЕВ, Р.Б. ТУКАЕВА,
М.И. БАЯЗИТОВ, С.Ш. АБЫЗГИЛЬДИНА
Основное оборудование
Технологических установок НПЗ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
151000 «Технологические машины и оборудование»
УФА 2013
УДК
ББК
О
Рецензенты:
Заведующийкафедрой МАХП Казанского национального исследовательского технологического университета, д.т.н., профессор | С.И. Поникаров |
Доцент кафедры материаловедения и технологии металлов Орского гуманитарно-технологического института (филиала) Оренбургского государственного университета, к.т.н. | Е.В. Пояркова |
Кузеев И.Р., Тукаева Р.Б., Баязитов М.И., Абызгильдина С.Ш.
О??Основное оборудование технологических установок НПЗ: учебное пособие / И.Р. Кузеев[и др.]. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. – 129 с.
ISBN
В учебном пособии приведена краткая характеристика и классификация нефтеперерабатывающего завода.Рассмотрено четыре типа наиболее распространенного оборудования нефтеперерабатывающего завода, которые были выбраны в качестве реальных объектов: вертикальных колонных массообменных аппаратов, теплообменных аппаратов, центробежных насосов и трубчатых печей: изложена классификация данных типов оборудования, приведено описание конструкций и принципа их работы.
|
|
Данное пособие разработано для студентов специальностей151000 «Технологические машины и оборудование».
Учебное пособие также будет полезно для преподавателей дисциплин, входящих в соответствии с Государственным образовательным стандартом специальности 130603 «Оборудование нефтегазопереработки».
УДК
ББК
©КузеевИ.Р.,
©ТукаеваР.Б.,
©М.И. Баязитов,
©АбызгильдинаС.Ш., 2013
©Уфимский государственный нефтяной технический университет
ISBN
Оглавление
Введение. 5
1 Краткая характеристика и классификация нефтеперерабатывающих заводов. 6
1.1 Мощность и ассортимент НПЗ. 8
1.2 Глубина переработки нефти. 11
1.3 Современное состояние и тенденции развития нефтеперерабатывающей промышленности мира и России. 17
2 Описание основного оборудования, выбранного в качестве реальных объектов расчета и проектирования. 24
2.1 Вертикальные колонные массообменные аппараты.. 26
2.1.1 Устройство колонных аппаратов. 26
2.1.2 Классификация колонных аппаратов. 29
2.1.3 Массообменные контактные устройства. 33
2.1.4 Тарельчатые массообменные устройства. 34
|
|
2.1.5 Насадочные контактные элементы.. 53
2.1.6 Устройства для ввода жидкости и пара в колонну. 58
2.1.7 Устройства для сепарации газожидкостных потоков. 62
2.2 Теплообменные аппараты.. 64
2.2.1 Классификация теплообменных аппаратов. 65
2.2.2 Кожухотрубчатые теплообменные аппараты, их типы и конструктивное исполнение 69
2.3 Технологические печи. 80
2.3.1 Назначение и принцип работы трубчатых печей. 80
2.3.2 Классификация печей. 83
2.3.3 Конструктивные элементы печей. 89
2.3.4 Показатели работы печей. 101
2.4 Центробежные насосы.. 102
2.4.1. Общие сведения о насосах. 102
2.4.2 Классификация насосов. 104
2.4.3 Центробежные насосы.. 108
Библиографический список. 128
Введение
Современные химические, нефтеперерабатывающие предприятия – это сложные комплексы машин и аппаратов, оснащенные оборудованием, способные функционировать в условиях низких температур и высоких давлений, в глубоком вакууме и в агрессивных средах. Процесс нефтепереработки постоянно совершенствуется, происходит техническое перевооружение на уровне технологий и аппаратной конфигурации, разрабатываются и внедряются высокоинтенсивные энерго- и ресурсосберегающие технологии, цель которых – решение вопросов, связанных с углублением переработки нефти и оптимизации качества получаемых нефтепродуктов.
|
|
В учебном пособии приводится описание нефтеперерабатывающего завода (НПЗ), на котором в большинстве случаев осуществляется деятельность выпускников вузов данной специальности; дается обоснование выборав качестве реальных объектов и описание четырех наиболее распространенных типов оборудования НПЗ: колонного массообменного аппарата, теплообменного аппарата, центробежного насоса и трубчатой печи.
Учебное пособие предназначено в помощь при выполнении курсовых и квалификационных работ для студентов всех форм подготовки, обучающихся по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование»
Пособие является иллюстративным материалом к таким учебным дисциплинам, как «Основы профессиональной деятельности», «Основные технологии и технологические комплексы нефтегазового производства», «Тепло- и массообменные процессы и аппараты технологических систем», «Основы конструирования и расчета технологического оборудования», «Технологическое оборудование».
1 Краткая характеристика и классификация
нефтеперерабатывающих заводов
|
|
На нефтеперерабатывающих заводах осуществляется большое число разнообразных процессов, предназначенных для получения из исходного сырья (нефти или газа) целевых продуктов: бензина, керосина, дизельного топлива, масла, парафина, битумов, сульфокислот, деэмульгаторов, кокса, сажи и др., включая сырье для химической промышленности. Такими процессами являются: транспортирование газов, жидкостей и твердых материалов; нагревание, охлаждение, перемешивание и сушка веществ; разделение жидких и газовых неоднородных смесей; измельчение и классификация твердых материалов и другие физические и физико-химические процессы. В последние годы в нефтеперерабатывающей промышленности все больший объем занимают химические процессы как основа глубокой переработки нефтяного сырья.
Однотипные физические, физико-химические и химические процессы характеризуются общими закономерностями и в различных производствах осуществляются в машинах и аппаратах, работающих по одному принципу.
Общие для различных производств нефтепереработки процессы в зависимости от основных законов, определяющих их, подразделяют на [1, 2, 3]:
- гидромеханические процессы (перемещение жидкостей и газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем, перемешивание жидкостей);
- тепловые процессы (нагревание, охлаждение, выпаривание, конденсация);
- массообменные процессы (они объединены законами массопередачи и включают перегонку, ректификацию, абсорбцию, адсорбцию, экстракцию, кристаллизацию и сушку);
- механические процессы (измельчение, транспортирование, сортировка и смешение твердых веществ);
- химические процессы (они объединены законами химической кинетики и включают разнообразные химические реакции).
Все названные процессы осуществляются в соответствующих аппаратах и машинах, конструкция которых определяется наиболее целесообразным способом и конкретными условиями осуществления данного процесса.
Оборудование нефтеперерабатывающих заводов разнообразно как по назначению, так и по конструктивному оформлению. Далее рассмотрены только четыре наиболее распространенных типа оборудования, выбранных в качестве реальных объектов для разработки различных видов СРС, в которых обеспечивается преемственность в изучении дисциплин: колонные аппараты, теплообменные аппараты, центробежные насосы и печи.
Нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) (рисунок 1.1) представляет собой совокупность основных нефтетехнологических процессов, состоящих из цехов, установок (рисунок 1.2), блоков, а также вспомогательных и обслуживающих служб, обеспечивающих нормальное функционирование промышленного предприятия (товарно-сырьевые, ремонтно-механические цеха, цеха КИПиА, паро-, водо- и электроснабжения, цеховые и заводские лаборатории, транспортные, пожаро- и газоспасательные подразделения, медпункты, столовые, диспетчерская, дирекция, отделы кадров, финансов, снабжения, бухгалтерия и т.д.). [1]
Рисунок 1.1 – Общий вид НПЗ
Целевое назначение НПЗ – производство в требуемых объеме и ассортименте высококачественных нефтепродуктов и сырья для нефтехимии (в последние годы – и товаров народного потребления) [2].
Технологические процессы, при помощи которых осуществляется переработка нефти на НПЗ, условно можно разделить напервичныеи вторичные.
К первичным относится первичная переработка нефти: обессоливание и обезвоживание, атмосферная и атмосферно-вакуумная перегонка; вторичная перегонка бензинов, дизельных и масляных фракций.
Вторичные процессы условно можно разделить на следующие группы:
1) термические процессы (термический крекинг, висбрекинг, коксование, пирполиз);
2) термокаталитические процессы (каталитический крекинг и риформинг, гидроочистка, гидрокрегинг, селектоформинг);
3) процессы переработки нефтяных газов (алкилирование, полимеризация, изомеризация);
4) процессы производства масел и парафинов (деасфальтизация, депарафинизация, селективная очистка, адсорбционная и гидрогенизационная доочистка);
5) процессы производства битумов, пластических смазок, присадок, нефтяных кислот, сырья для получения технического углерода;
6) процессы производства ароматических углеводородов (экстракция, гидроалкелирование, диспропорционирование) [2].
Современные нефтеперерабатывающие предприятия характеризуются большой мощностью как НПЗ (исчисляемой миллионами тонн в год), так и составляющих их технологических процессов.
Мощность и ассортимент НПЗ
Мощностьзависит от многих факторов, прежде всего от востребованности тех или иных нефтепродуктов экономического района их потребления, наличия ресурсов сырья и энергии, дальности транспортных перевозок и близости соседних аналогичных предприятий.
Общеизвестно, что крупные предприятия экономически эффективнее, чем мелкие. На крупных НПЗ имеются благоприятные предпосылки для сооружения мощных высокоавтоматизированных технологических установок и комбинированных производств на базе крупнотоннажных аппаратов и оборудования для более эффективного использования сырьевых, водных, земельных ресурсов,а так же значительного снижения удельных капитальных и эксплуатационных расходов. Но при чрезмерной концентрации нефтеперерабатывающих (и нефтехимических) предприятий пропорционально росту мощности возрастает радиус перевозок, увеличивается продолжительность строительства и, что особенно недопустимо, ухудшается экологическая ситуация внутри и вокруг НПЗ.
По мощности НПЗ условно можно подразделить на мини заводы, заводы малой, средней и большой мощности (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – Технологическая установка
НПЗ |
мини-заводы (500 тыс.т./год) |
малой мощности (до 1,5 млн.т/год) |
средней мощности (5–7 млн. т/год) |
большой мощности (10–15 млн. т/год) |
Рисунок 1.3 – Классификация НПЗ по мощности
Оптимальной считается мощность НПЗ, равная 12 млн. т/год. При этом для НПЗ топливного профиля оптимальная мощность головной установки АВТ составляет 6 млн. т/год.
Отличительной особенностью НПЗ является получение разнообразной продукции из одного исходного нефтяного сырья. При этом необходимо учитывать, что на нефтеперерабатывающих заводах могут перерабатываться нефти трех сортов:
1) высокосортные, к которым можно отнести малосернистые с высоким или повышенным содержанием светлых типа бакинских, грозненских нефтей;
2) среднесортные, к которым следует отнести сернистые с умеренным содержанием светлых типа смесей западно-сибирских нефтей;
3) низкосортные высокосернистых с низким содержанием светлых типа нефтей «Большого Арлана».
Ассортимент нефтепродуктов НПЗ исчисляется обычно сотнями наименований. Характерно, что в большинстве технологических процессов производят преимущественно только компоненты или полупродукты. Конечные товарные нефтепродукты получают, как правило, путем компаундирования нескольких компонентов, производимых на данном НПЗ, а также добавок и присадок. Это обусловливает необходимость иметь в составе НПЗ разнообразный набор технологических процессов с исключительно сложной взаимосвязью по сырьевым, продуктовым и энергетическим потокам.
Ни один НПЗ не может вырабатывать все виды нефтепродуктов, в которых нуждаются потребители, и одинаково эффективно перерабатывать все типы добываемых в стране нефтей, весьма существенно различающихся между собой по качеству. Следовательно, не может быть единого стандартного (типового) НПЗ.
По ассортиментувыпускаемых нефтепродуктов нефтеперерабатывающие предприятия принято классифицировать на следующие группы (профили), (рисунок 1.4):
· НПЗ топливного профиля;
· НПЗ топливно-масляного профиля;
· НПЗ топливно-нефтехимического профиля (нефтехимкомбинаты);
· НПЗ топливно-масляно-нефтехимического профиля.
Среди перечисленных выше нефтеперерабатывающих предприятий наибольшее распространение имеют НПЗ топливного профиля, поскольку по объемам потребления и производства моторные топлива значительно превосходят как смазочные масла, так и продукцию нефтехимического синтеза. Естественно, комплексная переработка нефтяного сырья (т.е. топливно-масляно-нефтехимическая) экономически более эффективна по сравнению с узк
НПЗ |
топливного профиля |
топливно-масляного профиля |
топливно-нефтехимического профиля (нефтехимкомбинаты) |
нефтехимкомбинаты топливно-масляно-нефтехимического профиля. |
Рисунок 1.4 – Классификация НПЗ по ассортименту
Выпускаемой продукции
При этом желательно, чтобы каждый НПЗ имел оптимальную технологическую схему (структуру). Оптимизация технологической структуры заключается в расчетном выборе наиболее экономически целесообразного варианта набора технологических установок. Выбранный набор технологических процессов должен обеспечить оптимальную глубину переработки данной нефти и выпуск заводом заданного ассортимента нефтепродуктов высокого качества с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами.
При минимизации капитальных и эксплуатационных затрат наиболее значительный эффект достигается, когда в проекте предусматривается строительство НПЗ на базе крупнотоннажных технологических процессов и комбинированных установок.
Наиболее часто комбинируют следующие процессы: ЭЛОУ-АВТ (AT), гидроочистка бензина – каталитический риформинг, гидроочистка вакуумного газойля – каталитический крекинг – газоразделение, серо-очистка газов – производство серы; вакуумная перегонка – гидроочистка – каталитический крекинг –газофракционирование; деасфальтизация– селективная очистка, депарафинизация–обезмасливание и др.
В отечественной нефтепереработке разработаны следующие модели комбинированных установок (таблица 1.1):
1) неглубокой переработки нефти ЛК-6у – производительностью 6 млн. т/год;
2) углубленной переработки нефти ГК-3 – производительностью 3 млн. т/год;
3) переработки вакуумного газойля Г-43-107 – производительностью 2 млн. т/год;
4) переработки мазута КТ-1, включающая в свой состав комбинированную установку Г-43-107 и секции вакуумной перегонки мазута и висбрекинга гудрона;
5) переработки мазута КТ-1y, отличающаяся от КТ-1 использованием процесса легкого гидрокрекинга вместо гидроочистки вакуумного газойля;
6) переработки мазута КТ-2, которая отличается от КТ-1y использованием вместо обычной вакуумной перегонки глубоковакуумной перегонки с отбором фракции 350…540 °С (и отсутствием процесса висбрекинга).
Глубина переработки нефти
Наряду с мощностью и ассортиментом нефтепродуктов важным показателем НПЗ является глубина переработки нефти.
Глубина переработки нефти (ГПН) – показатель, характеризующий эффективность использования сырья. По величине ГПН можно косвенно судить о насыщенности НПЗ вторичными процессами и структуре выпуска нефтепродуктов.
Таблица 1.1 – Набор технологических установок, входящих в состав отечественных комбинированных установок
Технологическийпроцесс | ЛК-6у | ГК-3 | Г-43-107 | КТ-1 | КТ-1у | КТ-2 |
ЭЛОУ-АТ | + | - | - | - | - | - |
ЭЛОУ-АВТ | - | + | - | - | - | - |
Вакуумная перегонка мазута | - | - | - | + | + | - |
Глубоковакуумная перегонка мазута | - | - | - | - | - | + |
Вторичная перегонка бензина | - | + | - | - | - | - |
Гидроочистка бензина | + | + | - | - | - | - |
Гидроочистка керосина | + | - | - | - | - | - |
Гидроочистка дизельноготоплива | + | - | - | - | - | - |
Гидроочистка вакуумногогазойля | - | - | + | + | - | - |
Легкий гидрокрекинг вакуумного газойля | - | - | - | - | + | + |
Каталитическийриформинг бензина | + | - | - | - | - | - |
Каталитический крекинг вакуумного газойля | - | + | + | + | + | + |
Газофракционирование | + | + | + | + | + | + |
Висбрекинг гудрона | - | + | - | + | + | - |
Разумеется, что НПЗ с высокой долей вторичных процессов располагает большей возможностью для производства из каждой тонны сырья большего количества более ценных, чем нефтяной остаток, нефтепродуктов и, следовательно, для более углубленной переработки нефти.
В мировой нефтепереработке до сих пор нет общепринятого и однозначного определения этого показателя. В отечественной нефтепереработке под глубиной переработки нефти подразумевается суммарный выход в процентах на нефть всех нефтепродуктов, кроме не превращенного остатка, используемого в качестве котельного топлива (КТ):
ГПН = 100 – КТ – (Т + П),
где Г и П– соответственно удельные затраты топлива на переработку и потери нефти на НПЗ в процентах на сырье.
За рубежом глубину переработки нефти определяют преимущественно как суммарный выход светлых нефтепродуктов от нефти, т. е. имеется в виду глубина топливной переработки нефти.
Понятие глубины переработки нефти, выраженное в виде вышеприведенного уравнения, несколько условно, так как выход непревращенного остатка, в том числе котельного топлива, зависит не только от технологии нефтепереработки, но и, с одной стороны, от качества нефти и, с другой – как будет использоваться нефтяной остаток: как котельное топливо или как сырье для производства битума, как нефтяной пек, судовое или газотурбинное топлива и т.д.
Так, даже при неглубокой переработке путем только атмосферной перегонки легкой марковской нефти, содержащей 95,7% суммы светлых нефтепродуктов, ГПН составит более 90%, в то время как при углубленной переработке до гудрона арланской нефти с содержанием суммы светлыхнефтепродуктов43% этот показатель составит менее 70%.
Исходя из этих соображений были предложения характеризовать ГПН по величине отбора светлых нефтепродуктов только вторичными процессами (гидрокрекингом, каталитическим крекингом и т.д.) из фракций нефти, выкипающих при температуре выше 350 °С (т.е. из мазута).
В соответствии с этой методикой переработка нефти атмосферной перегонкой будет соответствовать нулевой глубине переработки.
В современной нефтепереработке принято НПЗ подразделять (без указания разграничивающих пределов ГПН) на два типа: с неглубокой и глубокой переработкой нефти. Такая классификация недостаточно информативна, особенно относительно НПЗ типа глубокой переработки нефти: неясно, какие именно вторичные процессы могут входить в его состав.
По способу углубления переработки нефти нефтеперерабатывающему заводу можно дать следующее определение: НПЗ – совокупность технологических процессов, в которых осуществляется последовательное (ступенчатое) извлечение, облагораживание и физико-химическая переработка дистиллятных фракций нефти и, соответственно, концентрирование остатков (до мазута, гудрона, тяжелого гудрона глубоковакуумной перегонки, асфальта, кокса и т.д.).
По этому признаку удобно классифицировать НПЗ на следующие четыре типа (рисунок 1.5):
· НПЗ неглубокой переработки (НГП);
· НПЗ углубленной переработки (УПН);
· НПЗ глубокой переработки (ГПН);
· НПЗ без остаточной переработки (БОП).
НПЗ |
неглубокой переработки (НГП) |
углубленной переработки (УПН) |
глубокой переработки (ГПН) |
без остаточной переработки (БОП) |
Рисунок 1.5 – Классификация НПЗ по способу углубления
Переработки нефти
Нефтеперерабатывающие заводы неглубокой переработки нефти (НПЗ НГП)характеризуются наиболее простой технологической структурой, низкими капитальными и эксплуатационными затратами по сравнению с НПЗ углубленной или глубокой нефтепереработки.
Основной недостаток НПЗ НГП – большой удельный расход ценного и дефицитного нефтяного сырья и ограниченный ассортимент нефтепродуктов. Наиболее типичный нефтепродукт такого типа НПЗ – котельное топливо, дизельное топливо, автобензин (при необходимости печное топливо), сухойи сжиженные газы. Глубина отбора моторных топлив ограничивается потенциальным содержанием их в исходной нефти. Строительство НПЗ НГП могут позволить себе лишь страны, располагающие неограниченными ресурсами нефти, такие как Саудовская Аравия, Иран, Ирак или Кувейт. Очевидно, нефтепереработка России, обладающая скромными запасами нефти (менее 5 % от мировых), должна ориентироваться только на глубокую или безостаточную переработку нефти. Типовая блок-схема НПЗ неглубокой переработки сернистой нефти представлена на рисунке 1.6.
Осуществление технологии следующей ступени нефтепереработки – углубленной переработки нефти с получением моторных топлив в количествах, превышающих потенциальное их содержание в исходном сырье, связано с физико-химической переработкой остатка от атмосферной перегонки – мазута.
В мировой практике при углубленной и глубокой переработке нефти исключительно широкое распространение получили схемы переработки мазута посредством вакуумной или глубоковакуумной перегонки с последующей каталитической переработкой вакуумного (или глубоковакуумного) газойля в компоненты моторных топлив.
Количество трудноперерабатываемого тяжелого нефтяного остатка – гудрона – при этом примерно вдвое меньше по сравнению с мазутом.
На рисунке 1.6 приведена блок-схема НПЗ, наиболее широко применяемая при углубленной переработке сернистых нефтей.
ВПБ – вторичная перегонка бензина, АО – аминная очистка, ГФУ – газофракционная установка, ГО – гидроочистка, КР – каталитический риформинг, СГК – селективный гидрокрекинг, КГДМ – каталитическая гидродепарафинизация
Рисунок 1.6 – Блок-схема НПЗ неглубокой переработки
сернистой нефти (комбинированной центровки ЛК-6у)
Глубокаяпереработка гудронов с максимальным получением компонентов моторных топлив может быть осуществлена посредством тех же промышленных технологических процессов, которые применяются при переработке вакуумных (глубоковакуумных) газойлей, но с предварительной деасфальтизацией и деметаллизацией сырья, где одновременно достигается деметаллизация и снижение коксуемости нефтяного остатка.
В [2] приведены варианты блок-схем перспективных НПЗ глубокой и безостаточной переработки сернистых нефтей. Технологические структуры НПЗ различных типов представлены в таблице 1.2.
Об эффективности использования перерабатываемой нефти на НПЗ различных типов можно судить по данным, приведенным в таблице 1.3. Качество перерабатываемого нефтяного сырья оказывает существенное влияние на технологическую структуру и технико-экономические показатели НПЗ.
Таблица 1.2 –Технологическая структура НПЗ разных типов
Процессы, которые входят(+) или могут входить(V) в состав НПЗ | Тип НПЗ
Мы поможем в написании ваших работ! |