Проектирование обвязки оборудования трубопроводами

Выше был приведен перечень основных технологических узлов, из которых состоит схема современной установки на НПЗ и НХЗ. Рассмотрим теперь основные принципы разработки этих узлов.

Ректификационная колонна. Применяемые на НПЗ и НХЗ рек­тификационные колонны классифицируют по технологическому назначению (стабилизационные, отпарные и т. п.), давлению (ра­ботающие под давлением, атмосферные, вакуумные), способу осу­ществления контакта между паром и жидкостью (тарельчатые, на­сад очные), числу наименований продуктов, получаемых при разде­лении смесей (простые, если это число равно 2, и сложные, если оно больше 2).

Для обеспечения эффективного проведения процесса ректифи­кации необходимо, чтобы с верха колонны на нижележащие тарел­ки непрерывно стекала жидкость (флегма), ас низа колонны вверх поднимались пары. Поэтому часть ректификата после конденсации возвращается в колонну в виде орошения, а часть остатка подогре­вается в выносном подогревателе и возвращается'в колонну в виде паровой или парожидкостной струи.

При проектировании обвязки верхней части колонн использу­ются схемы полной, неполной и парциальной конденсации паров. В качестве конденсаторов применяют аппараты воздушного охлаждения или кожухотрубчатые холодильники, а для сбора дис­тиллята — горизонтальные или вертикальные емкости и сепарато­ры. Для поддержания в колоннах постоянного давления служат схе­мы регулирования: 1) с установкой регулирующего клапана на ос­новном потоке; 2) изменением угла поворота лопастей вентилятора АВО; 3) изменением числа оборотов электродвигателя вентилятора АВО; 4) изменением расхода оборотной воды в кожухотрубчатый конденсатор-холодильник. При неполной конденсации обычно применяются схемы регулирования давления сбросом неконденси­рующихся газов из емкости орошения в топливную сеть.

Для случаев, когда необходимо строго обеспечивать какой-либо параметр качества верхнего продукта колонны, применяются схе­мы регулирования подачи орошения в зависимости от температуры или собственно параметра качества (вязкости, фракционного со­става, плотности и т. д.) на какой-либо из тарелок верхней части колонны (так называемой контрольной тарелке). Если подача теп­лоты в колонну регулируется в зависимости от температуры низа колонны, при обвязке верхней части предусматривается стабилиза­ция подачи орошения.

Если верхний продукт из емкости орошения направляется в ре­зервуары или промежуточную емкость, то регулирование уровня в емкости орошения осуществляется за счет изменения количества откачиваемого продукта. В тех случаях, когда верхний продукт из емкости .орошения подается непосредственно в процесс (печь, ко­лонну и т. д.), используется схема постоянства подачи продукта с коррекцией от уровня в емкости.

Для создания парового потока в нижней части колонн применя­ются испарители с паровым пространством и без парового про­странства, вертикальные и горизонтальные термосифонные испа­рители, трубчатые печи. Преимущества испарителей с паровым пространством состоят в следующем: они имеют высокий коэффи­циент испарения (до 0,8), могут применяться в случаях использова­ния для обогрева загрязненных теплоносителей и теплоносителей, имеющих высокое (> 1,6 МПа) давление, представляют собой дополнительную теоретическую ректификационную тарелку. Недостатки этого вида испарителей — высокая стоимость и громозд­кость.

Преимуществами термосифонных испарителей являются их низкая стоимость и простота обвязки; недостатки этих аппаратов — необходимость тщательно определять при проектировании гидрав­лическое сопротивление системы и следить за ним в процессе экс­плуатации, невысокий (до 0,3) коэффициент испарения. Горизон­тальные термосифонные испарители несколько дороже вертикаль­ных, но могут применяться при использовании загрязненных теп­лоносителей, а также в тех случаях, когда необходимы большие поверхности теплообмена.

Если количество теплоты, подаваемое в низ колонны, должно быть постоянным, а нижний продукт, откачивается с установки, применяются схемы контроля и регулирования, включающие ста­билизацию подачи греющего агента в испаритель и регулирование уровня в испарителе или колонне изменением количества откачи­ваемого продукта. Когда необходимо регулировать подачу теплоты в колонну в зависимости от температуры на контрольной тарелке, применяются схемы регулирования, в которых изменяется количе­ство подаваемого в испаритель теплоносителя. Рекомендуются так­же схемы регулирования подачи теплоносителя в испаритель в за­висимости от параметров качества нижнего продукта. Как пример на рис. 15 приведена схема обвязки отбензинивающей колонны.

При разработке технологической схемы рекомендуется предус­матривать несколько вводов сырья в колонну, поскольку в процессе эксплуатации это позволит учесть колебания состава сырья и ком­пенсировать неточности расчета.

Трубчатая печь.На НПЗи НХЗ с помощью трубчатых печей технологическим потокам сообщается теплота, необходимая для проведения процесса. Трубчатые печи условно разделяются на ре­акторные, подогревательные и рибойлерные. В реакторных печах (установки термического крекинга, пиролиза) осуществляются процессы превращения углеводородов под влиянием высоких тем­ператур. В подогревательных печах сырье нагревается до определенной температуры перед подачей в реактор (установки каталити­ческого крекинга и риформинга, изомеризации, дегидрирования и др.), ректификационную колонну (установки первичной перегон­ки) или другой аппарат. Рибойлерные печи выполняют функции кипятильника (рибойлера) ректификационных колонн — в эти печи сырье поступает с низа колонн и после нагрева возвращается в виде паров или парожидкостной смеси обратно в колонны.

Рис. 15. Принципиальная схема отбензинивающей колонны:

/ — нефть; // — газ; III — бензин на стабилизацию; IV — полуотбешиненная нефть в атмосферную колонну; G — расход; Н — уровень; Р — давление; / — температура; /_кк — температура конца кипения; S — стабилизация; С — постоянство; Пр — пусковое реле; Из — измерение

Обвязка трубчатой печи зависит от ее конструкции. Существуют различные конструкции печей, отличающиеся способом передачи теплоты (радиантные, конвекционные, радиантно-конвекционные), числом топочных камер, способом сжигания топлива (с пла­менным и беспламенным горением), числом потоков нагреваемого сырья, формой камеры сгорания (цилиндрические, коробчатые и др.), расположением труб змеевика (горизонтальное или верти­кальное).

При обвязке печей необходимо предусматривать откачку и опрес-совку змеевиков, схемы циркуляции жидкого топлива, пропарку пе­чей, подключение пара для ремонтных нужд, паровую защиту печей на случай пожара. Регулирование температуры продукта на выходе из печи может осуществляться изменением подачи жидкого и газообраз­ного топлива. Проекты обвязки печей включают также схемы обвязки горелок, которые зависят от типа применяемой горелки.

На рис. 16 приведена схема обвязки трубчатой печи.

Насосы.В нефтеперерабатывающей и нефтехимической про­мышленности применяются насосы различных типов: лопастные (центробежные и осевые), вихревые и объемные (поршневые, плунжерные, шестеренчатые, винтовые, пластинчатые). В качестве привода в большинстве случаев используется электродвигатель, а в отдельных случаях — паровая турбина.

При проектировании обвязки насосов следует учитывать следующие требования:

1) обвязка насоса основными и вспомогательными трубопрово­дами должна быть такой, чтобы можно было обеспечить удобство и безопасность обслуживания, возможность демонтажа отключен­ного насоса;

В колонну

Рис. 16. Принципиальная схема обвязки трубчатой печи:

1, 7— клапаны; 2, 3— регуляторы; 4,5 — термопары; б—диафрагмы; 8 — регулирующий клапан

2) для уменьшения гидравлических потерь во всасывающем тру­бопроводе его следует прокладывать по возможности более корот­ким, избегая резких сужений, большого числа поворотов и т. д.; нужно расчетным путем определить минимально допустимую вы­соту столба жидкости на приеме насоса;

3) для предотвращения поломок насоса в пусковой период необхо­димо предусматривать временные фильтры во всасывающей линии;

4) в обвязку центробежных насосов необходимо включать об­ратный клапан, устанавливаемый между нагнетательным патруб­ком и задвижкой; клапан защищает рабочее колесо насоса от гид­равлического удара при остановке насоса; для возможности пуска насоса нужно предусматривать байпасирование обратного клапана;

5) в обвязке поршневых и плунжерных насосов предусматрива­ют предохранительные клапаны между нагревательным патрубком и отключающей задвижкой; сброс от клапана направляют во всасы­вающий трубопровод;

6)в обвязке вихревых насосов предусматривается байпасная линия (с нагнетания во всасывающую линию), которая использует­ся как в пусковой период, так и при нормальной эксплуатации;

7) к площадкам, где устанавливают насосы, подводят трубопро­воды пара, инертного газа, сжатого воздуха для прогрева и продувки насосов и трубопроводов; непосредственно к насосу эти агенты подводят с помощью гибких шлангов или съемных участков, присо­единяемых к специальным штуцерам.

При остановке насосов для осмотра или ремонта их следует осво­бодить от продукта. Проектом должен быть предусмотрен сброс дре­нируемых продуктов в специальные емкости (для легковоспламеняю­щихся, горючих.и токсичных жидкостей) или в канализацию. Если насосами лерекачиваются.едкие жидкости, необходимо после опо­рожнения промыть насосы водой или нейтрализующим агентом.

Особое внимание нужно уделять предотвращению выхода насосов из строя из-за отсутствия жидкости во всасывающем трубопроводе. На емкостях и прочих аппаратах, из которых жидкость забирают насосом, устанавливают регуляторы уровня и независимые от них сигнализаторы максимального и минимального уровня и предусматривают автомати­ческую остановку насоса при достижении минимального уровня.

Наиболее часто применяют на НПЗ и НХЗ центробежные насо­сы с электродвигателями. В цехах и на технологических установках насосы, как правило, устанавливают вне помещения; в общезавод­ском хозяйстве более распространены закрытые насосные. При размещении насосов на открытых площадках (под навесами, эта­жерками, эстакадами) целесообразно учитывать рекомендации, содержащиеся в не являющемся, обязательным документе "ОСТ 26-1141—74. Насосы. Основные требования к установке и эксплуата­ции вне помещений на химических, нефтехимических и нефтепе­рерабатывающих производствах". ,.

Наиболее распространенные схемы обвязки насосов приведены на рис. 17.

а бв г

Рис. 17. Схемы обвязки насосов

а — пропариваемые; б — продуваемые инертным газом; в — продуваемые и пропарива­емые; г — продуваемые и промываемые; / — пар; // — инертный газ; III — вода; IV — дренаж нефтепродукта; V — сброс в промканализацию

Поскольку средний и капитальный ремонты насосов в холодное время года проводят только в ремонтных цехах и мастерских, в открытых насосных предусматривают обязательное резервирова­ние рабочих насосов. В резервных насосах необходимо поддержи­вать температуру, близкую к температуре перекачиваемого продук­та. С этой целью организуют непрерывную циркуляцию через ре­зервный насос части продукта: если задвижки на всасывающей и нагнетательной линиях резервного насоса частично приоткрыты, а вентиль на байпасе обратного клапана открыт полностью, то часть жидкости будет циркулировать через резервный насос в направле­нии от линии нагнетания к линии всасывания.

Узел компримирования.На НПЗ и НХЗ используются компрес­соры следующих типов: поршневые (односторонние, оппозитные, угловые, вертикальные), роторные (винтовые, пластинчатые), осе­вые и центробежные (с электродвигателями или паровыми турби­нами). В состав узла компримирования входят: сепаратор на приеме компрессора, собственно компрессор, холодильники газа (межсту­пенчатые, если компрессор имеет несколько ступеней сжатия, и концевой), маслоотделители, масляные насосы, холодильники и сборники масла. С основным производством компрессор связан всасывающим и нагнетательным газопроводами и рядом вспомога­тельных трубопроводов. Кроме того, в узле компримирования име­ется ряд внутренних трубопроводов: система водяного охлаждения и смазки цилиндров, продувочные линии и трубопроводы для ава­рийного перепуска и сброса. Обвязка компрессоров основными и вспомогательными трубопроводами осуществляется в соответ­ствии с рекомендациями заводов-изготовителей.

Узел теплообменного аппарата.Теплообменные аппараты (теп­лообменники) классифицируют по характеру обменивающихся теплотой сред. Теплообмен может происходить между двумя жид­кими средами, между паром (газом) и жидкостью, между двумя га­зовыми средами. По принципу действия теплообменники подраз­деляют на аппараты непосредственного смешения и аппараты по­верхностного типа. Наиболее часто используемые на НПЗ и НХЗ

аппараты поверхностного типа подразделяют по способу компо­новки в них теплообменной поверхности на следующие виды: типа "труба в трубе"; кожухотрубчатые; пластинчатые; аппараты воздуш­ного охлаждения.

Кожухотрубчатые теплообменники, получившие широкое распро­странение в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промыш­ленности, делят по конструктивным особенностям на аппараты: с неподвижными трубными решетками (тип Н), с температурным компенсатором на кожухе (тип К), с плавающей головкой (тип П), аппараты с U-образными трубами (тип У), испарители термосифонные с неподвижными трубными решетками (ИНТ) и с компенсатором на кожухе (ИКТ), аппараты для повышенных температур и давлений (ПК).

Аппараты типа Н применяются, когда разность температур ко­жуха и труб не превышает 50 °С, а аппараты типа К — в тех случаях, когда эта разность температур выше 50 °С. Чаще всего на НПЗ применяются аппараты с плавающей головкой, которая служит как для компенсации температурных удлинений, так и для облегчения чистки и разборки теплообменников.

В зависимости от назначения кожухотрубчатые теплообменни­ки подразделяют на холодильники (X), теплообменники (Т), кон­денсаторы (К), испарители (И).

Трубы в кожухотрубчатых. теплообменниках располагаются в решетке по вершинам квадратов и по вершинам треугольников. Теплообменные аппараты с расположением труб по вершинам тре­угольников при одном и том же диаметре кожуха имеют поверх­ность теплообмена на 10—15 % выше, однако чистка межтрубного пространства в этом случае затруднена. Для теплообменников, ра­ботающих на загрязненных средах, предпочтительнее аппараты с расположением труб по вершинам квадратов.

В аппаратах с U-образными трубами оба конца трубок разваль­цованы в одной трубной решетке. Эти аппараты применяются при работе на чистых средах.

В теплообменниках, предназначенных для утилизации теплоты отходящих продуктов, более загрязненные и склонные к полимери­зации и коксованию продукты направляют в трубное пространство, так как оно более доступно для очистки. В трубное пространство вводят также агрессивные жидкости, поскольку при таком решении из коррозионно-стойких материалов изготавливают не весь аппа­рат, а лишь часть его (трубный пучок и крышку).

В теплообменных аппаратах, где происходит конденсация паров или испарение жидкости, вещество, меняющее агрегатное состоя­ние, направляется в межтрубное пространство, а среда, которая агрегатного состояния не изменяет, — в трубное. При таком распре­делении потоков учитывается, что коэффициент теплоотдачи от ве­щества, изменяющего агрегатное состояние, выше, чем от движу­щегося, но не меняющего своего состояния. Направляя неконден­сирующиеся и неиспаряющиеся среды по трубам теплообменника и увеличивая при этом число ходов в трубном пространстве, повышают скорость движения продукта, а следовательно, и коэффици­ент теплоотдачи. Необходимо также иметь в виду, что при конден­сации и испарении гидравлическое сопротивление теплообменного аппарата обычно стремятся свести к минимуму, а потери напора в межтрубном пространстве меньше, чем в трубном. Это обстоя­тельство рекомендуется учитывать при проектировании установок, работающих при атмосферном давлении и под вакуумом.

Как правило, в теплообменниках на НПЗ и НХЗ должен быть обеспечен противоток теплообменивающихся сред. В противном случае будет иметь место значительное снижение эффективности теплообмена.

Подвод жидких продуктов следует осуществлять через нижние штуцеры, а вывод — через верхние. Такое решение обеспечивает полное заполнение жидкостью трубного и межтрубного про­странств. Если выполнить это требование невозможно, то на отво­дящих трубопроводах предусматривают гидравлические затворы в виде вертикальных петель ("утки"), которые препятствуют опо­рожнению аппарата; в верхнюю часть петли врезают воздушник с вентилем.

Различные варианты обвязки теплообменников, отличающиеся схемами регулирования температуры, приведены на рис. 18. Для сокращения потерь теплоты в окружающую среду теплообменники изолируют. В некоторых случаях изоляцию предусматривают для того, чтобы предотвратить ожог или обмораживание обслуживаю­щего персонала.

Рис. 18. Схемы обвязки теплообменников для случаев, когда расход охлаждаемого продукта после теплообменника может быть переменным (я) или постоянным (б) и когда охлаждаемый продукт — двухфазная среда (в):

/ — продукт на охлаждение; // — продукт на нагрев; III — парожидкостной поток; IV — откачка, К— ремонтный штуцер; VI — воздушник

Узел реактора.В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности применяются реакторы различных типов. Для проведения процессов в гомогенной газовой фазе (термический крекинг, пиролиз) служат реакторы, представляющие собой змее­вики трубчатых печей. В гомогенной жидкой фазе протекают про­цессы гидролиза и некоторые конденсационные процессы, для их проведения используются реакторы смешения и трубчатые реакто­ры вытеснения.

Широкое распространение на НПЗ и НХЗ получили процессы, которые проводятся в системе газ—твердый катализатор (каталити­ческий риформинг, гидроочистка дистиллятов, синтез углеводоро­дов из СО и Н₂, дегидрирование этилбензола и др.).

На рис. 19 показана обвязка реактора гидроочистки масел и парафина. В реакторе имеется стационарный слой катализатора, сырье из печи подается в реактор восходящим потоком. Проектом предусмотрена паровоздушная регенерация катализатора. Обвязка реакторов технологическими трубопроводами в большинстве слу­чаев осуществляется без запорной арматуры.

Рис. 19. Схема обвязки реактора гидроочистки масел:

/— сырье в печь; II — сырье из печи; III —, гидрогенизат; IV — инертный газ; V— водяной пар; VI— воздух; VII— газы регенерации в дымовую трубу; VIII — отбор газа; IX — отбор жидкости; X — охлаждающая вода; XI — дренаж