Опис технологічного процесу перегонки нафти

Первинна переробка нафти є основним етапом виробництва нафтопереробної промисловості.

При поділі нафти перегонкою й ректифікацією одержують фракції або дистиляти, що википають у певному інтервалі температур і представляють собою також досить складні суміші. У той же час окремі фракції нафти можуть складатися з порівняно невеликого числа компонентів, що помітно розрізняються температурами кипіння.

Перегонка - це процес поділу рідких і газоподібних (парових) сумішей на фракції, збагачені високо- і низьколетучими компонентами. [1]

Атмосферна перегонка

Нафта надходить у ректифікаційні колони на атмосферну перегонку (перегонку при атмосферному тиску), де розділяється на кілька фракцій: легку і важку бензинові фракції, гасову фракцію, дизельну фракцію й залишок атмосферної перегонки - мазут. Якість одержуваних фракцій не відповідає вимогам до товарних нафтопродуктів, тому фракції піддають подальшій (вторинній) переробці.

Найбільш відповідальним і складним технологічним об'єктом на установках первинної переробки нафти (АТ) є колона К-2, з якої відбираються бензин, гас, дизельне паливо (ДП), мазут. Кожен продукт (фракція) відбирається з певної тарілки у відповідності зі своєю температурою кипіння при певному тиску в колоні.

Порушення матеріального балансу при відборі фракції або теплового режиму в колоні може привести до небажаних змін фракційної сполуки продуктів - зміні температур початку або кінця кипіння фракції, що не відповідають вимогам на готову продукцію.

Процес, що відбувається в ректифікаційній колоні, схематично показаний на рисунку 1.1. Усередину надходить сира нафта, а назовні виходять углеводородні гази (бутан і більше легкі гази), бензин, нафта (лігроін), гас, легкий газойль, важкий газойль і кубовий залишок.

Рисунок 1.1 - Схема ректифікаційної колони

Щоб зрозуміти як все відбувається усередині колони, потрібно розглянути деякі тонкості. Перший елемент, що необхідний для роботи колони — це сировинний насос, що перекачує сиру нафту зі складського резервуара в систему. Спочатку нафта проходить через піч, у якій нагрівається до температури порядку 385°С. При цій температурі, як правило, випаровується більше половини нафти.

Отримана в такий спосіб суміш рідини й пар подається знизу в ректифікаційну колону.

Усередині ректифікаційної колони перебуває набір тарілок, у яких пророблені отвори. Завдяки цим отворам нафта може підніматися нагору. Коли суміш пари й рідини піднімається по колоні, те більше щільна й важка частина відокремлюється й опускається на дно, а легені пари піднімаються нагору, проходячи через тарілки .

Отвору в тарілках постачені пристосуваннями, називаними барботажними ковпачками (рис. 1.2). Вони потрібні для того, щоб пари, що піднімаються через тарілки, проходили через шар рідини товщиною близько 10 див, що перебуває на тарілці. Гарячі пари (при температурі не нижче 400°С проходять через рідину. При цьому тепло передається від пар до рідини. Пари трохи прохолоджуються й частина вуглеводнів з них переходить у рідкий стан. У міру переносу тепла від пар до рідини, температура пар знижується. Тому що температура рідини нижче, деякі сполуки в парах конденсуються.

Рисунок 1.2 - Пристрій тарілки

Після того як пари пройшли через шар рідини й втратили частина більше важких вуглеводнів, вони піднімаються до наступної тарілки, де повторюється той же процес.

Тим часом кількість рідини на кожній тарілці росте за рахунок вуглеводнів, що конденсуються з пар. Тому в колоні встановлюють пристосування, що називається зливальна склянка й дозволяє надлишку рідини перетікати вниз на наступну тарілку. Число тарілок повинне бути таким, щоб загальна кількість продуктів, що виходять із ректифікаційної колони, було рівним кількості сирої нафти, що надходить усередину.

На різних рівнях колони є бічні відводи (рис. 1.3) для відбору фракцій - більш легкі продукти відбираються у верхній частині колони, а важка рідина відходить донизу.

Рисунок 1.3 - Відбір фракцій з ректифікаційної колони

Щоб важкі продукти випадково не потрапили у верхню частину колони разом з легкими фракціями, пари періодично направляють у холодильник. Речовини, які конденсуються в холодильнику, знову надходять на одну з розташованих нижче тарілок. Це свого роду зрошення ректифікаційної колони (рис. 1.4). І навпаки, деяка кількість легких вуглеводнів може бути захоплено струмом рідини в нижню частину колони разом з важкими продуктами. Щоб уникнути цього, рідина, що виходить через бічний відвід, знову пропускають через нагрівач. У результаті залишки легких вуглеводнів відокремлюються й повторно надходять у ректифікаційну колону у вигляді пари. Цей процес називається повторним випаром. Перевага такої схеми полягає в тім, що тільки невелика частина загального потоку сирої нафти повинна повторно перероблятися для додаткового повернення продукту. Не потрібно знову нагрівати всю нафту, що дозволяє заощадити енергію й гроші.

Рисунок 1.4 - Зрошення й повторний випар

Сполуки деяких сирих нафт може бути такими, що на частині тарілок у колоні не виявиться достатньої кількості парорідинної суміші. У цих випадках зрошення й повторний випар дозволяють регулювати потоки так, щоб процес ректифікації (розділення) міг тривати.

При аналізі процесу перегонки нафти принципово важливою характеристикою є межі кипіння фракцій (рис. 1.5). Так називають температури, при яких продукти перегонки відокремлюються друг від друга. Зокрема, температура, при якій продукт починає кипіти, називається точкою початку кипіння (КПК). Температура, при якій 100% даної фракції випарувалося, називається точкою википання (КВ) цієї фракції. Таким чином, кожна фракція має дві границі КПК і КВ.

Рисунок 1.5 - Границі кипіння фракцій

Легкі фракції, що виходять у верхній частині колони (верхній погон), надходять на установку газофракціонування. Прямогінний бензин відправляється на компаундування для одержання автомобільного бензину. Нафта (лігроін) подається на установку риформінга, гас надходить на установку гідроочищення, легкий газойль направляється на змішання для одержання дистилятного (дизельного) палива, важкий газойль служить сировиною для каталітичного крекінгу, і, нарешті, прямогінний залишок подається на вакуумну перегонку.[4]

Таблиця 1 - Основні технологічні параметри установки АТ

Багатокомпонентна атмосферна ректифікаційна колона (РК) К-2 відноситься до класу складних багатомірних і багатозв'язних об'єктів керування, синтез систем автоматичного регулювання для яких є актуальним й у той же час складним завданням. Багатокомпонентна ректифікаційна колона як об'єкт керування має всі характеристики бінарної ректифікаційної колони (нелінійність статичних характеристик, значна інерційність процесів, дрейф параметрів об'єкта керування в часі і т.п.), але також вимагає підтримки більшої кількості параметрів, що ускладнює структуру математичної моделі й збільшує вимоги до системи автоматичного регулювання. [12]