АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ОТБЕНЗИНИВАЮЩЕЙ КОЛОННЫ К-1 УСТАНОВКИ АВТ-3

Введение

Атмосферно-вакуумная перегонка нефти является базовым и наиболее распространённым процессом первичной переработки нефтяного сырья на современных нефтеперерабатывающих заводах. Установка АВТ-3 включает в себя блок предварительного отбензинивания нефти, атмосферную трубчатку и вакуумный блок. В технологической схеме установки отбензинивающая колонна К-1 выполняет функцию предварительного извлечения лёгких углеводородных фракций из нефтяного сырья перед его поступлением в основную атмосферную колонну К-2 [1, 2].

Колонна К-1 работает в условиях значительных тепловых и материальных нагрузок, обусловленных составом исходного сырья и требованиями к качеству получаемых дистиллятов. Эффективность разделения нефтяного сырья в отбензинивающей колонне в значительной мере определяется правильностью выбора и расчёта гидравлических параметров аппарата. Нарушение гидродинамического режима работы колонны приводит к снижению качества разделения, уносу жидкости с восходящим потоком пара, захлёбыванию колонны или, напротив, к неэффективному барботажу при пониженных нагрузках [3].

Актуальность данного исследования обусловлена тем, что при проектировании отбензинивающей колонны К-1 установки АВТ-3 необходимо обеспечить надёжный и устойчивый гидродинамический режим в широком диапазоне изменения производительности, что достигается лишь при системном подходе к выбору конструктивных и режимных параметров аппарата. Целью настоящей работы является анализ взаимного влияния гидравлических параметров колонны К-1 на эффективность процесса разделения нефтяного сырья.

Основные результаты исследования

1. Технологическое назначение колонны К-1 и особенности режима работы

Отбензинивающая колонна К-1 в составе установки АВТ-3 предназначена для предварительного выделения из нефтяного сырья лёгких бензиновых фракций — углеводородов С3–С7, кипящих в диапазоне до 85–95°С. Основная нагрузка на колонну формируется потоком горячей нефти, поступающей с секций нагрева, а также орошением, подаваемым на верхнюю тарелку. В нижней части колонны вводится водяной пар или обеспечивается подвод теплоты через кипятильник [1, 4].

Характерной особенностью режима работы К-1 является переменность состава сырья и нагрузки по пару и жидкости в зависимости от типа перерабатываемой нефти. Это требует выбора тарельчатых контактных устройств с широким диапазоном устойчивой работы и проведения гидравлического расчёта с учётом возможных отклонений от проектного режима [2, 5].

2. Влияние диаметра колонны на скорость пара и нагрузочные характеристики

Диаметр ректификационной колонны является основным конструктивным параметром, определяющим допустимую нагрузку по паровой фазе. Он рассчитывается исходя из условия непревышения допустимой рабочей скорости пара ω (м/с) в свободном сечении колонны [3, 5]:

D = [4V / (π · ω · 3600)]^0,5,

где V — объёмный расход паровой фазы, м³/ч; ω — допустимая скорость пара, м/с.

Уменьшение диаметра колонны при неизменном паровом потоке приводит к росту скорости пара и, как следствие, к увеличению уноса жидкости с тарелки на тарелку, что снижает эффективность массообмена. Завышение диаметра, напротив, ведёт к неравномерному распределению паровых потоков по сечению колонны и снижению КПД тарелок при малых нагрузках. Таким образом, диаметр колонны выбирается из оптимального соотношения между допустимой скоростью пара и нижней границей устойчивой работы тарельчатых контактных устройств [3, 6].

Для колонны К-1 установки АВТ-3 при расчётной нагрузке по пару и заданном межтарельчатом расстоянии диаметр аппарата определяется по методике, изложенной в [5], с учётом плотностей паровой и жидкой фаз в условиях верхнего и нижнего сечений колонны. Принятый диаметр округляется до ближайшего нормализованного значения по ГОСТ 9617-76 [7].

3. Скорость пара и граница захлёбывания

Допустимая скорость пара в колонне ограничена сверху условием начала захлёбывания — гидравлического режима, при котором жидкость, уносимая восходящим потоком пара, не успевает стекать вниз через сливные устройства, что ведёт к нарастающему накоплению жидкой фазы и полному нарушению нормальной работы колонны. Скорость захлёбывания ω_з определяется по уравнению Фэйра или по корреляции Скринникова–Симанского, модифицированной для условий нефтяных фракций [3, 5]:

ω_з = C · [(ρ_ж − ρ_п) / ρ_п]^0,5,

где C — коэффициент, зависящий от конструкции тарелки и межтарельчатого расстояния; ρ_ж, ρ_п — плотность жидкости и пара при рабочих условиях, кг/м³.

Рабочая скорость пара ω_р устанавливается на уровне 75–80% от скорости захлёбывания, что обеспечивает устойчивую работу тарелок с достаточным запасом по захлёбыванию при возможных кратковременных пиках нагрузки [3, 5, 6]. Снижение рабочей скорости ниже 40–50% от ω_з ведёт к струйному провалу жидкости через перфорацию тарелок (для ситчатых и клапанных конструкций), нарушению равномерного барботажа и резкому падению КПД тарелки. Таким образом, процент захлёбывания является одним из важнейших критериев оптимизации режима работы колонны К-1.

В условиях проектирования колонны К-1 установки АВТ-3 рабочая скорость пара принимается с учётом возможного диапазона изменения производительности установки. При эксплуатации на пониженной нагрузке (60–70% от проектной) необходимо обеспечить сохранение гидравлической устойчивости тарелок, что достигается конструктивными мерами [5, 6].

4. Влияние межтарельчатого расстояния на унос жидкости

Межтарельчатое расстояние h_т (мм) является конструктивным параметром, определяющим высоту паровой полости между тарелками и, следовательно, пространство для отстоя уносимых капель жидкости до поступления паровой фазы на вышележащую тарелку. Унос жидкости e (кг жидкости/кг пара) экспоненциально возрастает при уменьшении межтарельчатого расстояния и увеличении скорости пара [3, 8]:

При значении уноса жидкости, превышающем 0,1 кг/кг, эффективность разделения на тарелке значительно снижается, поскольку часть жидкости с вышележащей тарелки поступает на нижележащую, нарушая концентрационный профиль в колонне [3]. По результатам расчётов для колонны К-1 принято межтарельчатое расстояние 500–600 мм в соответствии с рекомендациями нормативно-технической документации на ректификационные колонны нефтепереработки [7, 8].

Увеличение межтарельчатого расстояния уменьшает унос жидкости и повышает надёжность работы при переменной нагрузке, однако увеличивает общую высоту колонны и металлоёмкость аппарата. Выбор межтарельчатого расстояния является, таким образом, компромиссом между требованиями к массообменной эффективности, надёжности работы и технико-экономическими показателями [5, 8].

5. Количество тарелок и эффективность разделения

Число действительных тарелок N_д определяется через число теоретических ступеней разделения N_т, рассчитываемых по уравнению Фенске–Андервуда–Гиллиленда для многокомпонентных смесей, и среднее значение КПД тарелки η_т по уравнению Мёрфри [3, 5]:

N_д = N_т / η_т

КПД тарелки η_т по Мёрфри — отношение фактического изменения концентрации ключевого компонента к максимально возможному при условии достижения равновесия — зависит от гидравлического режима тарелки, физических свойств разделяемых фаз, скорости пара и интенсивности перемешивания на тарелке [3, 8, 9].

На тарельчатых колоннах для нефтяных фракций КПД тарелки η_т по Мёрфри обычно составляет 0,50–0,75 в зависимости от конструкции тарелки и режима работы. Применение клапанных тарелок позволяет достичь более высоких значений КПД по сравнению с ситчатыми тарелками при одинаковой нагрузке за счёт лучшей саморегуляции клапанного элемента и формирования более равномерного пузырькового барботажа [3, 9, 10].

Для колонны К-1 установки АВТ-3 при числе теоретических тарелок N_т, определённом из материального баланса и условий чёткости разделения, действительное число тарелок составляет от 22 до 28 в зависимости от принятого значения КПД и компонентного состава сырья. Завышение числа тарелок сверх расчётного нецелесообразно, поскольку ведёт к росту высоты и металлоёмкости аппарата при незначительном улучшении качества разделения [5, 6].

6. Гидравлическое сопротивление тарелок

Суммарное гидравлическое сопротивление колонны складывается из сопротивлений каждой тарелки и определяет перепад давления между верхом и низом колонны. Сопротивление одной тарелки ΔP_т включает три составляющие [3, 5, 8]:

ΔP_т = ΔP_сух + ΔP_ж + ΔP_пер,

где ΔP_сух — «сухое» сопротивление прохождения пара через клапанный элемент; ΔP_ж — сопротивление слоя жидкости на тарелке; ΔP_пер — сопротивление переточных устройств.

При проектировании колонны К-1 особое значение имеет ограничение суммарного перепада давления по колонне. Повышенное гидравлическое сопротивление колонны увеличивает давление в нижней части аппарата, что смещает кривую равновесия для нефтяных фракций, повышает температуру кипения смеси и снижает относительную летучесть компонентов. В результате ухудшается разделяемость фракций и возрастают требования к числу тарелок или кратности орошения [3, 5, 9].

Допустимый перепад давления по колонне К-1 установки АВТ-3 устанавливается в соответствии с технологическим регламентом на уровне не более 0,05–0,07 МПа. Для клапанных тарелок при нагрузках, соответствующих 75–80% от скорости захлёбывания, сопротивление одной тарелки составляет 3–5 мм рт. ст. (400–665 Па), что при числе тарелок 25–28 обеспечивает суммарное сопротивление в допустимых пределах [8, 10].

7. Обоснование выбора клапанных тарелок

Выбор типа контактных устройств является ключевым инженерным решением при проектировании ректификационной колонны. В отечественной нефтепереработке для колонн типа К-1 установок АВТ применяются преимущественно клапанные тарелки — прямоточные или с поворотными клапанами. Данный тип тарелок имеет ряд принципиальных преимуществ по сравнению с колпачковыми и ситчатыми аналогами [3, 9, 10]:

1. Широкий диапазон устойчивой работы. Клапанный элемент автоматически регулирует проходное сечение для пара в зависимости от нагрузки, что обеспечивает сохранение гидравлического режима в диапазоне нагрузок 30–120% от расчётного, тогда как у ситчатых тарелок этот диапазон составляет лишь 50–100%.

2. Умеренное гидравлическое сопротивление. Клапанные тарелки обеспечивают меньший перепад давления по сравнению с колпачковыми при сопоставимой эффективности разделения, что важно для колонн, работающих при давлениях, близких к атмосферному.

3. Высокий КПД по Мёрфри. Значения КПД для клапанных тарелок при нагрузках 70–90% от ω_з составляют 0,65–0,75, что превышает аналогичные показатели ситчатых тарелок (0,55–0,70) и ниже, чем у колпачковых (0,70–0,80), но при значительно меньших затратах на изготовление и монтаж.

4. Технологичность изготовления. Клапанные тарелки изготавливаются из коррозионно-стойкой стали методом штамповки, легко монтируются и демонтируются при обслуживании колонны.

Применение клапанных тарелок в колонне К-1 установки АВТ-3 обеспечивает необходимую устойчивость гидравлического режима при изменении производительности установки, поддерживает требуемую эффективность разделения нефтяного сырья и позволяет ограничить гидравлическое сопротивление аппарата в допустимых пределах [3, 9, 10].

Заключение

По результатам выполненного анализа влияния гидравлических параметров на эффективность работы отбензинивающей колонны К-1 установки АВТ-3 сформулированы следующие инженерные выводы:

1. Диаметр колонны К-1 определяется из условия допустимой скорости пара и должен быть выбран с учётом нормализованного ряда по ГОСТ 9617-76. Завышенный или заниженный диаметр нарушает гидродинамический режим и снижает эффективность разделения.

2. Рабочая скорость пара должна составлять 75–80% от скорости захлёбывания, что обеспечивает устойчивую работу тарелок с необходимым запасом по нагрузке. Процент захлёбывания является основным критерием нагрузочного режима колонны.

3. Межтарельчатое расстояние 500–600 мм обеспечивает допустимый унос жидкости (менее 0,1 кг/кг) и устойчивую работу колонны при переменной нагрузке. Его уменьшение ведёт к нарастанию уноса и снижению разделительной способности аппарата.

4. Число действительных тарелок определяется через КПД тарелки по Мёрфри и составляет для колонны К-1 22–28 ступеней разделения. Применение клапанных тарелок позволяет достичь КПД 0,65–0,75, что обеспечивает необходимое число теоретических ступеней разделения при меньшем числе реальных тарелок по сравнению с ситчатыми контактными устройствами.

5. Суммарное гидравлическое сопротивление колонны К-1 не должно превышать 0,05–0,07 МПа. Превышение допустимого сопротивления увеличивает давление в нижней части колонны, снижает относительную летучесть компонентов и ухудшает разделяемость нефтяного сырья.

6. Клапанные тарелки являются оптимальным выбором контактных устройств для колонны К-1 установки АВТ-3 в связи с широким диапазоном устойчивой работы, умеренным гидравлическим сопротивлением и высоким КПД по Мёрфри в условиях переменной производительности установки.

Системный учёт взаимозависимости гидравлических параметров при проектировании отбензинивающей колонны К-1 позволяет обеспечить высокую эффективность процесса разделения нефтяного сырья и надёжность работы аппарата в рамках дипломного проекта.