EA010729B1 - Способ перегонки углеводородного сырья и установка для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретения относятся к переработке нефти на малотоннажных модульных установках (мини НПЗ) для получения моторных и котельно-печных топлив (бензин, дизельное топливо, мазут). Основной задачей группы изобретений является создание способа перегонки углеводородного сырья и установки для его осуществления, позволяющих получать нефтепродукты высокого качества на компактной и малогабаритной установке. Поставленная задача решается тем, что в способе перегонки углеводородного сырья, включающем несколько ступеней перегонки, сырье подогревают до нижнего предела температуры кипения первой фракции, образовавшуюся парожидкостную смесь подают на ступени перегонки, в каждой из которых парожидкостную смесь разделяют на паровую и жидкую фазы, отводят жидкую фракцию как целевой продукт, а паровую фазу охлаждают до нижнего предела температуры кипения следующей фракции, разделение на паровую и жидкую фазу на всех ступенях перегонки проводят в циклонных испарителях с цилиндрической вертикальной стенкой, при этом осуществляют подогрев вертикальной стенки каждого циклонного испарителя. Поставленная задача решается также тем, что установка для перегонки углеводородного сырья содержащая линию подвода сырья и линии отвода целевых продуктов, последовательно установленные на линии подвода сырья теплообменники, насос и печь для подогрева сырья, а также последовательно соединенные трубопроводами по меньшей мере одну или несколько ступеней перегонки сырья, каждая из которых включает последовательно соединенные трубопроводами испаритель и охладитель, причем испарители каждой ступени сообщены трубопроводами с

Description

Изобретение относится к переработке нефти на малотоннажных модульных установках (мининефтеперерабатывающих заводах (НПЗ)) для получения моторных и котельно-печных топлив (бензин, дизельное топливо, мазут).

Современные крупнотоннажные способы перегонки углеводородного сырья в своем аппаратурном оформлении включают насосы, теплообменники, трубчатые печи, ректификационные колонны. Малотоннажные установки первичной перегонки повторяют принципиальные технологические решения аналогичных крупнотоннажных установок. При этом аппаратурное оформление процесса перегонки отличается высокой металлоемкостью и требует значительных капитальных вложений.

Учитывая высокую стоимость и сложность эксплуатации малотоннажных установок, выполненных по схеме крупнотоннажных НПЗ, постоянно разрабатываются нетрадиционные технологические решения перегонки углеводородного сырья с отказом, прежде всего, от ректификационных колонн.

Известен способ первичной перегонки углеводородного сырья (патент РФ № 2200182, опубл. 2003.03.10), при котором разделение нефти на фракции осуществляют с использованием циклонного фазового разделителя и контактного испарителя. При этом получают либо бензиновую фракцию и отбензиненный тяжелый остаток в непрерывном режиме, либо отбирают бензиновую фракцию, дизельное топливо и котельно-печное топливо при периодическом режиме работы установки. Сырье нагревают в рекуперативных теплообменниках и разделяют в фазоразделителе на жидкую и паровую фазы. Жидкая фаза в дисперсном состоянии противотоком поступает в паровое пространство контактного испарителя. Паровая фаза дополнительно подогревается на 30-50°С выше температуры жидкой фазы и подается в качестве отпаривающего агента через барботажный распределитель в объем жидкой фазы, находящейся в нижней зоне контактного испарителя. Бензиновую фракцию получают при конденсации паровой фазы из испарителя. Для получения дизельного топлива отбензиненный остаток циркулируют через паровой подогреватель и фазовый разделитель, в результате чего перегретые пары дизельного топлива в контактном испарителе при 250-300°С используются для отпарки котельно-печного топлива (остатки обработки сырья).

Недостатком известного способа является то, что применение центробежной силы в фазовом разделителе служит лишь интенсивному разделению паровой и жидкой фаз, но при этом вместо декларируемой четкости разделения на топливные фракции за счет трехкратного отпаривания жидкой фазы перегретыми парами отбираемой легкой фракции произойдет трехкратное обогащение легкой фракции парами тяжелой фракции. При этом жидкость (тяжелая фракция) будет обогащена легкими фракциями. Это следует из классических законов Дальтона и Рауля (Лебедев П.Д., Теплообменные, сушильные и холодильные установки, М., Энергия, 1966, с. 138-140) применительно к используемым конструкциям фазового разделителя и испарителя, в которых концентрация паров тяжелых фракций всегда больше концентрации легких фракций (в силу значительного постоянного объема жидкой фазы тяжелой фракции в этих емкостях), а, значит, при конденсации этих паров получатся, вместо бензина - смесь бензина и солярки; вместо дизельного топлива - смесь бензиновых, керосиновых и масляных фракций. И эти смеси будут неприменимы в качестве моторных топлив.

Кроме того, подобное применение центробежного разделителя фаз имеет еще один существенный недостаток, снижающий четкость разделения углеводородного сырья на фракции, - это охлаждение парожидкостной смеси в результате работы расширения. При этом часть легких фракций может сконденсироваться и перейти в жидкую фазу к тяжелым фракциям. Расчеты показывают, что ширина этого диапазона сконденсировавшихся фракций на шкале температур кипения составляет около 2°С. Кроме того, вдвое большие потери легких фракций на конденсацию и уход в жидкую фазу происходят из-за теплопотерь в окружающую среду, даже для хорошо теплоизолированного центробежного разделителя фаз - циклона. В зависимости от состава сырья, итоговые потери и воздействие на качественные показатели могут достигать 5-10%, а это для нефтяной промышленности весьма существенно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявлямому является способ, описанный в свидетельстве № 17004 от 10.03.2001 на полезную модель «Нефтеперерабатывающая станция для разгонки многокомпонентных смесей». Известный способ включает несколько ступеней перегонки, в котором сырье подогревают до температуры нижнего предела кипения первой фракции, образовавшуюся парожидкостную смесь подают на ступени перегонки, в каждой из которых парожидкостную смесь разделяют на паровую и жидкую фазы, отводят жидкую фракцию как целевой продукт, а паровую фазу охлаждают до температуры нижнего предела кипения следующей фракции. Паровую фазу последней ступени перегонки конденсируют и отводят как целевой продукт.

Недостатком известного способа является невозможность получения четкого разделения компонентов на фракции, а, значит, получения качественных моторных топлив. Причина заключается в том, что в испарителе находится большой объем жидкости с тяжелыми фракциями, а поступающих в парожидкостной смеси легких фракций очень мало. Но согласно законам Дальтона и Рауля (Лебедев П.Д., Теплообменные, сушильные и холодильные установки, М., Энергия, 1966, с. 138-140) концентрация паров тяжелых фракций над поверхностью жидкости в испарителе будет выше, чем паров легких фракций, а, значит, и в охладитель пойдет наряду с легкими фракциями значительное количество тяжелых фракций. При этом часть легких фракций по тем же законам Дальтона и Рауля останется в жидкой фазе в испарителе.

Известна установка для разгонки тройной смеси (Лебедев П.Д., Теплообменные, сушильные и хо

- 1 010729 лодильные установки, М., Энергия, 1966, с. 151, рис. 5-11). Установка содержит конденсатор и две ступени разгонки, каждая из которых включает перегонный куб, ректификационную колонну, дефлегматор, сепаратор, подогреватели смеси и емкости для сбора компонентов смеси. В первой ступени установки в остатке получается смесь с большим содержанием высококипящего компонента, а часть дистиллята с более летучими компонентами поступает во вторую ступень. Во второй ступени в остатке получается другой компонент, а самый летучий из трех компонентов поступает в конденсатор.

Недостатком известной установки являются большие масса и габариты, т.к. ректификационная колонна представляет собой вертикальный цилиндр, изготовленный из стали, чугуна или керамики, высота которого достигает 30 м, диаметр 5 м. Такую установку невозможно переместить к месту переработки, она может работать только стационарно. Известная установка требует использования водяного пара при высоких давлениях, что усложняет ее эксплуатацию и обслуживание.

Наиболее близкой к заявляемой является нефтеперерабатывающая станция для разгонки многокомпонентных смесей (свидетельство РФ № 17004 от 10.03.2001 на полезную модель), содержащая линию подвода нефтяной смеси и линии отвода жидких фракций, последовательно соединенные трубопроводами несколько ступеней разгонки нефтяной смеси, каждая из которых включает конденсатор и подогреватель нефтяной смеси, и последовательно установленные на линии подвода нефтяной смеси теплообменники, представляющие собой комбинированные рекуперативные подогреватели нефтяной смеси и охладители, а также насос и печь для подогрева нефтяной смеси. Каждая ступень разгонки нефтяной смеси снабжена испарителем со встроенным подогревателем нефтяной смеси, выполненным в виде топочного устройства для сжигания жидкого или газообразного топлива.

Недостатком такой установки является то, что в ней невозможно получить четкое разделение компонентов на фракции, а, значит, и получить качественные моторные топлива (бензин и дизельное топливо). Причина заключается в том, что в испарителе находится большой объем жидкости с тяжелыми фракциями, а поступающих в парожидкостной смеси легких фракций очень мало. Но согласно законам Дальтона и Рауля концентрация паров тяжелых фракций над поверхностью жидкости в испарителе будет выше, чем паров легких фракций, а, значит, и в охладитель пойдет наряду с легкими фракциями значительное количество тяжелых фракций. При этом часть легких фракций по тем же законам Дальтона и Рауля останется в жидкой фазе в испарителе. Определенный уровень жидкости в испарителе поддерживается работой клапанного устройства, через которое отводятся излишки образовавшейся жидкости. Очевидно, что в результате работы такой установки будут получены бензин, дизельное топливо и мазут очень низкого качества.

Основной задачей предлагаемой группы изобретений является создание способа перегонки углеводородного сырья и установки для его осуществления, позволяющих получать нефтепродукты высокого качества на компактной и малогабаритной установке.

Поставленная задача решается тем, что в способе перегонки углеводородного сырья, включающем несколько ступеней перегонки, сырье подогревают до нижнего предела температуры кипения первой фракции, образовавшуюся парожидкостную смесь подают на ступени перегонки, в каждой из которых парожидкостную смесь разделяют на паровую и жидкую фазы, отводят жидкую фракцию как целевой продукт, а паровую фазу охлаждают до нижнего предела температуры кипения следующей фракции.

Новым является то, что разделение на паровую и жидкую фазу на всех ступенях перегонки проводят в циклонных испарителях с цилиндрической вертикальной стенкой, при этом осуществляют подогрев вертикальной стенки каждого испарителя.

Оптимальным является то, что уровень вывода целевого продукта из циклонного испарителя относительно поверхности земли должен находиться не ниже максимально возможного уровня целевого продукта в промежуточной емкости-накопителе, а ввод целевого продукта в промежуточную емкостьнакопитель должен находиться ниже минимально возможного уровня целевого продукта.

Целесообразно мощность подогрева вертикальной цилиндрической стенки каждого циклонного испарителя регулировать таким образом, чтобы температура парожидкостной смеси на входе циклонного испарителя была равна температуре паровой фазы на его выходе.

Оптимально осуществлять охлаждение паровой фазы в воздушном калорифере регулируемым потоком воздуха.

Количество получаемых фракций целевого продукта по температурам кипения равно п+1, где п количество циклонных испарителей.

Поставленная задача решается также тем, что установка для перегонки углеводородного сырья содержит линию подвода сырья и линии отвода целевых продуктов, последовательно установленные на линии подвода сырья теплообменники, насос и печь для подогрева сырья, а также последовательно соединенные трубопроводами по меньшей мере одну или несколько ступеней перегонки сырья, каждая из которых включает последовательно соединенные трубопроводами испаритель и охладитель, причем испаритель каждой ступени сообщен трубопроводом с соответствующим теплообменником.

Новым является то, что установка дополнительно содержит промежуточные емкости-накопители для целевых продуктов, установленные на линиях отвода целевых продуктов после теплообменников, а испаритель выполнен в виде теплоизолированного от внешней среды циклонного испарителя с подогре

- 2 010729 ваемой, например, электронагревателями вертикальной цилиндрической стенкой.

Целесообразно на входе и на выходе из циклонного испарителя каждой ступени перегонки установить датчики температуры.

Оптимально охладитель каждой ступени перегонки выполнить в виде водовоздушного калорифера.

Заявленные способ перегонки углеводородного сырья и установка для его осуществления имеют отличия от наиболее близких аналогов, следовательно, заявленные решения удовлетворяют условию патентоспособности изобретения «новизна».

Анализ уровня техники на соответствие заявленных решений условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень» показал следующее.

В представленном способе перегонки углеводородного сырья и установке, работающей на его основе, в отличие от известных, для разделения на паровую и жидкую фазу используется циклонный испаритель с цилиндрической вертикальной стенкой, которую подогревают до нижнего предела кипения фракции, предназначенной для отвода как целевого продукта. Скорость (около 20 м/с) парожидкостной смеси на входе в циклон и эпюры скоростей в циклоне таковы, что с парами легких фракций из циклонного испарителя может уйти лишь небольшая часть паров тяжелых фракций за счет турбулентности на границе областей с парами легких и тяжелых фракций. Сочетание этого эффекта с дополнительной возможностью компенсации теплопотерь, вызванных работой расширения паров на входе в циклонный испаритель, и теплоотдачей в окружающую среду с помощью подогрева вертикальной цилиндрической стенки позволяет получить четкое разделение углеводородного сырья на фракции и получение качественных целевых продуктов.

Вследствие свободного истечения жидкой фазы по стенкам циклонного испарителя в трубопровод в теплообменники и промежуточные емкости-накопители за счет гравитационных сил и избыточного давления паров в циклонных испарителях, в них не происходит образования стационарного уровня жидкости тяжелых фракций, а, значит, не происходит накопления паров тяжелых фракций и прорыва заметного количества паров тяжелых фракций в продукцию с легкими фракциями, что также способствует получению качественных целевых продуктов.

Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел, так как одно из них предназначено для осуществления другого, поэтому данная группа изобретений удовлетворяет требованию единства изобретения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена технологическая схема установки для перегонки углеводородного сырья; на фиг. 2 - циклонный испаритель в разрезе; на фиг. 3 - эпюры скоростей паров легких и тяжелых фракций в циклонном испарителе; на фиг. 4 - схема соединения циклонного испарителя с промежуточной емкостью-накопителем.

Установка для перегонки углеводородного сырья (фиг. 1) содержит соединенные последовательно трубопроводами 1-ю, 2-ю и 3-ю ступени перегонки сырья, линию 4 подвода сырья, насос 5 и печь 6 для подогрева сырья, соединенную трубопроводом с 1-й ступенью перегонки. Теплообменники 7, 8 и 9 установлены последовательно на линии 4 подвода сырья. 1-я ступень перегонки сырья содержит циклонный испаритель 10, охладитель 11, 2-я ступень перегонки сырья - циклонный испаритель 12, охладитель 13, 3-я ступень перегонки сырья - циклонный испаритель 14, охладитель 15. Циклонные испарители 10, 12, 14 каждой ступени перегонки сообщены трубопроводами, соответственно, с охладителями 11, 13, 15. Теплообменники 7, 8, 9 соединены соответственно с циклонными испарителями 10, 12, 14 1-й, 2-й, 3-й ступеней перегонки. На линиях отвода целевых продуктов после теплообменников 7, 8, 9 установлены промежуточные емкости-накопители 16, 17, 18 для сбора мазута, дизельного топлива и лигроина, соответственно. Установка содержит емкость 19 для сбора целевого продукта бензина. На входе и выходе циклонного испарителя каждой ступени перегонки установлены датчики температуры 20, 21, 22, 23, 24, 25 и 26.

Циклонный испаритель (фиг. 2) каждой ступени перегонки состоит из цилиндрической и конической частей и содержит кожух 27, утеплитель 28, электронагреватели 29, входной патрубок 30, выходной патрубок 31, выходной канал 32 для паровой фазы, выход 33 для жидкой фазы. В установке используется классическая конструкция циклонного испарителя, которая выражается в пропорциях соотношений геометрических размеров входного патрубка, диаметров и длины цилиндрической части циклона, а также длины его конической части.

Теплообменники 7, 8, 9 представляют собой комбинированные рекуперативные подогреватели и охладители, охладители 11, 13, 15 представляют собой водовоздушные калориферы, в которых охлаждение паров осуществляется регулируемым потоком воздуха от вентиляторов, насос использован шестеренчатый, а печь трубчатая. В качестве датчиков температуры можно использовать, например, термопары.

Установка работает следующим образом.

Углеводородное сырье с помощью насоса 5 подается в печь 6 для подогрева, где нагревается до температуры нижнего предела кипения первой фракции (мазута), например 360°С. Из печи 6 подогретое сырье поступает в циклонный испаритель 10 1-й ступени перегонки, в котором поддерживается температура 360°С за счет подогрева вертикальной цилиндрической стенки электронагревателями 29 и в котором образовавшуюся парожидкостную смесь разделяют на паровую и жидкую фазу. Для разделения па

- 3 010729 рожидкостной смеси используется центробежная сила. Так, например, при подаче предварительно диспергированного нагревом потока парожидкостной смеси на криволинейную поверхность при скорости 10 м/с и радиусе кривизны 5 см создается искусственное поле тяжести, примерно в 200 раз превышающее земное тяготение. При этом быстрая коагуляция жидкости с резким уменьшением поверхности разделения фаз препятствует обратному поглощению углеводородных компонентов из паровой фазы. По подогреваемой вертикальной цилиндрической стенке циклонного испарителя в виде тонкой пленки стекает жидкая фаза перерабатываемого сырья.

Жидкая фаза (мазут) из циклонного испарителя 10 поступает в трубчатый теплообменник 7, где его охлаждают и затем сливают в промежуточную емкость-накопитель 16. Паровую фазу охлаждают в охладителе 11 до температуры нижнего предела кипения второй фракции, например 200°С, и подают в циклонный испаритель 12 2-й ступени перегонки, в котором парожидкостную смесь разделяют на паровую и жидкую фазы. Жидкую фазу (дизельное топливо) подают в трубчатый теплообменник 8, где ее охлаждают и затем сливают в промежуточную емкость-накопитель 17. Паровая фаза из циклонного испарителя 12 2-й ступени перегонки поступает в охладитель 13, где ее охлаждают до температуры нижнего предела кипения третьей фракции, например 170°С, и подают в циклонный испаритель 143-й ступени перегонки, в котором парожидкостную смесь разделяют на паровую и жидкую фазы. Жидкую фазу (лигроин) подают в трубчатый теплообменник 9, где ее охлаждают и затем сливают в промежуточную емкость-накопитель 18. Паровая фаза из циклонного испарителя 14 поступает в охладитель 15, после чего образовавшийся бензин сливают в емкость 19. Мощность электронагревателей вертикальной цилиндрической стенки циклонных испарителей регулируется датчиками температуры 20-26 на входе и выходе в циклонные испарители 10, 12, 14, причем показания термодатчика на выходе должны совпадать с показаниями термодатчика на входе в циклонный испаритель. Движение жидкой фазы из циклонных испарителей в емкости-накопители через теплообменники осуществляется за счет действия гравитационных сил и избыточного давления паров углеводородов.

Таким образом, выполнение циклонных испарителей в виде теплоизолированных от внешней среды циклонов с подогреваемой, например, электронагревателями вертикальной цилиндрической стенкой, регулирование мощности подогрева, введение промежуточных емкостей-накопителей, при этом уровень выхода жидкости из циклона относительно поверхности земли должен находиться не ниже максимально возможного уровня жидкости в промежуточной емкости-накопителе, а ввод жидкости в промежуточную емкость-накопитель должен осуществляться под возможный минимальный уровень жидкости, позволяет обеспечить свободное истечение жидкой фазы по стенкам циклона в трубопровод, затем в теплообменники, а из теплообменников в промежуточные емкости-накопители за счет гравитационных сил и избыточного давления паров в циклонных испарителях.

Таким образом, в классической конструкции циклонного испарителя при работе циклона в оптимальном режиме (скорость парожидкостной смеси на входе в циклон около 20 м/с) эпюры скоростей в циклонном испарителе таковы, что с парами легких фракций из циклонного испарителя может уйти лишь небольшая часть паров тяжелых фракций за счет турбулентности на границе областей с парами легких и тяжелых фракций. Сочетание этого эффекта с интенсивным неравновесным разделением жидкой и паровой фаз в циклоне, с дополнительной возможностью компенсации теплопотерь, вызванных работой расширения паров на входе в циклон и теплоотдачей в окружающую среду, с помощью подогрева стенки циклона, позволяет построить эффективную малогабаритную установку с четким разделением углеводородного сырья на фракции и получением качественных продуктов, в том числе моторных топлив, без применения ректификационных колонн.

Claims (8)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ перегонки углеводородного сырья, включающий несколько ступеней перегонки, в котором сырье подогревают до нижнего предела температуры кипения первой фракции, образовавшуюся парожидкостную смесь подают на ступени перегонки, в каждой из которых парожидкостную смесь разделяют на паровую и жидкую фазы, отводят жидкую фракцию как целевой продукт, а паровую фазу охлаждают до нижнего предела температуры кипения следующей фракции, отличающийся тем, что разделение на паровую и жидкую фазу на всех ступенях перегонки проводят в циклонных испарителях с цилиндрической вертикальной стенкой, при этом осуществляют подогрев вертикальной стенки каждого циклонного испарителя.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уровень вывода целевого продукта из циклонного испарителя относительно поверхности земли должен находиться не ниже максимально возможного уровня целевого продукта в промежуточной емкости-накопителе, а ввод целевого продукта в промежуточную емкость-накопитель должен находиться ниже минимально возможного уровня целевого продукта.
3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что мощность подогрева вертикальной цилиндрической стенки каждого циклонного испарителя регулируют таким образом, чтобы температура парожидкостной смеси на входе циклонного испарителя была равна температуре паровой фазы на его выходе.
4. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение паровой фазы осуществляют в воздушном ка- 4 010729 лорифере регулируемым потоком воздуха.
5. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество получаемых фракций целевого продукта по температурам кипения равно п+1, где п - количество циклонных испарителей.
6. 6. Установка для перегонки углеводородного сырья, содержащая линию подвода сырья и линии отвода целевых продуктов, последовательно установленные на линии подвода сырья теплообменники, насос и печь для подогрева сырья, а также последовательно соединенные трубопроводами по меньшей мере одну или несколько ступеней перегонки сырья, каждая из которых включает последовательно соединенные трубопроводами испаритель и охладитель, причем испаритель каждой ступени сообщен трубопроводом с соответствующим теплообменником, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит промежуточные емкости-накопители для целевых продуктов, установленные на линиях отвода целевых продуктов после теплообменников, а испаритель выполнен в виде теплоизолированного от внешней среды циклонного испарителя с подогреваемой, например, электронагревателями вертикальной цилиндрической стенкой.
7. 7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что на входе и на выходе из циклонного испарителя каждой ступени перегонки установлены датчики температуры.
8. 8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что охладитель каждой ступени перегонки выполнен в виде водовоздушного калорифера.