Блок и аппарат испарения для подготовки нефти и других углеводородных сред

Изобретение относится к области подготовки жидкого углеводородного сырья для дальнейшей переработки и может быть использовано в производстве углеводородного топлива.

Изобретение позволяет увеличить выход светлых продуктов при дальнейшей переработке, снизить затраты энергии на единицу продукции и уменьшить количество и стоимость сложного технологического оборудования.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении интенсификации процесса испарения фракций нефти с сохранением простоты конструкции в изготовлении и в эксплуатации. Технический результат достигается тем, что в блоке и аппарате подготовки используются высокотемпературные теплоносители. При использовании высокотемпературного теплоносителя становится целесообразным организовать контур его циркуляции, т.е. блок подготовки. В качестве теплоносителя возможно использование сред, несмешивающихся с нефтью, например, жидких металлов, расплавленных солей, высокотемпературных органических и газовых теплоносителей.

Поставленная цель достигается тем, что использование высокотемпературных теплоносителей позволяет значительно интенсифицировать теплообменные процессы, происходящие в блоке и аппарате подготовки, увеличить температуру проведения процесса испарения и увеличить выход светлых продуктов. 10 з.п. ф-л, 5 илл.

Полезная модель относится к области подготовки нефти (в том числе тяжелой), мазута, нефтешламов, отработанных масел и других жидких углеводородных сред для дальнейшей переработки и может быть использована в производстве углеводородного топлива.

Технологические схемы переработки нефти имеют несколько вариантов. Существует полный технологический цикл, включающий в себя следующие основные производства: производство топлив, производство нефтехимической продукции, производство смазочных и специальных масел, производство присадок. Возможны специализированные варианты технологических схем: только топливная или только топливно-масляная (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., "Химия", 1988, с.13). Во всех вариантах в начале технологического процесса используются аппараты для предварительного испарения нефти. Предварительное испарение газа и основной массы бензина позволяет снизить давление на входе сырьевого насоса, разгрузить печь от нагрева легких фракций, снизить скорость паров и уменьшить диаметр основной ректификационной колонны. На крупных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) для этой цели используют ректификационные колонные аппараты.

В последнее время, в связи с тенденцией переработки нефти в месте ее добычи, возрастает спрос на НПЗ сравнительно малой производительности - 5-500 тыс. тонн по нефти в год и более. Используемые на крупных НПЗ колонные ректификационные аппараты достаточно дороги в изготовлении и эксплуатации. Поэтому, на стадии предварительного разделения нефти, целесообразно использовать более простые аппараты, например испарители (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., "Химия", 1988, с.23). Испаритель представляет собой цилиндрический емкостной аппарат. В нижней части его корпуса расположен встроенный трубчатый теплообменник. Во внутрь трубок теплообменника подают теплоноситель для нагрева продукта (нефти). Обычно в качестве теплоносителя используют водяной пар. Легкая часть нефти (бензиновая фракция) испаряется и отводится через верхний штуцер. Остаток нефти переливается через сливную пластину и выводится через соответствующий штуцер. Количество испарившейся части нефти зависит от температуры в аппарате, то есть от поверхности теплообменника и температуры теплоносителя. Поверхность теплообменника во время работы покрывается отложениями из нефти и условия теплообмена значительно ухудшаются. Этот процесс значительно ускоряется при повышении температуры теплоносителя. Поэтому аппараты такого типа имеют

ограничения с точки зрения интенсификации процесса испарения фракций нефти. Температура проведения процесса составляет 200-230°С. Этой температуре соответствует определенная испаряемая часть нефти.

В процессе кипения нефти и испарения фракций в удаляемой паровой фазе присутствуют капли жидкости. Для отделения их от газовой фазы предназначены сепараторы различной конструкции. Сепаратор располагают рядом с аппаратом испарения или для упрощения конструкции и эксплуатации его не используют.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении интенсификации процесса испарения фракций нефти с сохранением простоты конструкции в изготовлении и в эксплуатации, а также в увеличении глубины переработки жидкого углеводородного сырья и увеличении выхода светлых топливных фракций и продуктов нефтехимии. Под интенсификацией понимается увеличение производительности аппарата по нефти. Кроме того, в зависимости от дальнейшей технологической схемы переработки сырья в топливо, может появиться необходимость увеличить количественно испаряемой части нефти, то есть увеличить температуру процесса. Увеличение температуры проведения процесса также возможно с помощью заявляемой полезной модели.

Технический результат достигается тем, что в аппарате разделения, содержащем корпус, теплообменные устройства для испарения нефти и штуцеры ввода-вывода рабочих и продуктовых сред, теплообменные устройства сконструированы таким образом, что передача тепла от теплоносителя осуществляется не через разделительную стенку, а при непосредственном контакте теплоносителя и нефти. Это позволяет повысить эффективность теплообмена и, соответственно, скорость испарения низкокипящих фракций нефти. То есть повысить производительность аппарата. Кроме того, непосредственный контакт сред обуславливает интенсивный теплообмен. Результатом этого является: значительное увеличение скорости испарения и переход в паровую фазу углеводородов с температурой кипения выше, чем средняя температура общего потока обеих сред. Непосредственный контакт теплоносителя и нефти исключает образование отложений на поверхности теплообменника при повышенной температуре проведения процесса. Соответственно, температура проведения процесса испарения может быть повышена, при необходимости, с 200-230°С до 400-450°С и более, что позволяет проводить термический и термомеханический (с применением в аппарате кавитационной, звуковой и ультразвуковой обработки сырья на специальных устройствах, например гидродинамического типа) крекинг одновременно с испарением (разделением) нефти или другого углеводородного сырья. Это, в свою очередь, позволяет увеличить глубину переработки сырья и выход светлых (топливных) фракций и продуктов нефтехимии, снизить затраты энергии на единицу продукции и уменьшить количество и стоимость сложного технологического оборудования.

При использовании высокотемпературного теплоносителя становится целесообразным организовать контур его циркуляции, т.е. блок подготовки. Теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру: аппарат разделения (испарения) - печь нагрева теплоносителя - аппарат разделения (испарения). То есть теплоноситель выводят из аппарата через соответствующие штуцеры, подогревают в печи до необходимой температуры и через штуцер ввода подают опять в теплообменные устройства прямого нагрева, в которые подают и исходное сырье. В качестве теплоносителя возможно использование сред, несмешивающихся с нефтью, например, жидких металлов, высокотемпературных органических и газовых теплоносителей.

Схема блока подготовки показана на фиг.1. Обессоленная и обезвоженная (хотя бы частично) нефть или другое жидкое углеводородное сырье насосом 3 подается через теплообменники различной конструкции 5 и 6, например аппараты воздушного охлаждения АВО или рекуперативные теплообменники, через штуцер ввода в аппарат подготовки 2. Также в аппарат подготовки через штуцер ввода подается теплоноситель, циркулирующий по контуру с помощью насоса 4: аппарат подготовки 2, печь нагрева 1, в которой теплоноситель подогревается до нужной температуры, аппарат подготовки 2. В аппарате подготовки 2 происходит прямой нагрев исходного сырья теплоносителем за счет их непосредственного контакта в теплообменных устройствах прямого нагрева. Испарившиеся в аппарате разделения (испарения) легкие фракции нефти (полупродукты) подаются в парогазовом виде в рекуперативный теплообменник 6, в котором частично подогревается исходное сырье, затем в аппарат воздушного охлаждения 7 и в конденсатор 8, в котором окончательно охлаждаются до жидкого состояния и выходят из блока подготовки в виде широкой фракции дистиллятов, которая представляет собой в основном смесь бензиновых, керосиновых и дизельных фракций. Жидкая часть разделения (полупродукты), т.е. неиспарившаяся часть, которая по составу близка к гудрону, подается на рекуперативный теплообменник или АВО 5 и выходит из блока подготовки для дальнейшего использования.

Широкую фракцию дистиллятов (ШФД) можно реализовывать для дальнейшей переработки как высокопотенциальную дорогую нефть (содержание светлых топливных композиций - бензиновых, керосиновых и дизельных фракций примерно 90%), по составу близкую к газовому конденсату, или, достроив блок подготовки блоком получения товарных продуктов, фактически стандартным нефтеперерабатывающим заводом НПЗ (фиг.2, фиг.3, позиция 9) - блоками атмосферной или атмосферно-вакуумной трубчатки, блоком получения товарного бензина и дизельного топлива (гидроочистка, блок риформинга и т.д.) перерабатывать ее на месте подготовки. Причем блок подготовки может располагаться как непосредственно перед блоками атмосферной или атмосферно-вакуумной трубчатки (фиг.2), так и непосредственно после них (фиг.3). Если блок

подготовки располагается после атмосферной или атмосферно-вакуумной трубчатки (фиг.3) и на него подается горячий кубовый остаток (мазут), то его нагрев в печи может не применяться и мазут, минуя нагревательную печь, сразу подается в аппарат подготовки.

Жидкую часть, или остаток разделения (ОР), обедненный легкокипящими фракциями, можно реализовывать как сырье для производства битума, битумных эмульсий, покрытий и т.д., или, достроив блок битумным блоком (фиг.2, фиг.3, позиция 10), получать товарный битум на месте подготовки.

Перспективным является такой вариант блока, при котором полученные после аппарата разделения парогазовая часть и жидкая часть (полупродукты), при необходимости частично охлажденные, снова смешиваются на блоке смешивания (фиг.4, позиция 11). Полученная в результате «синтетическая» нефть содержит примерно в два и более раз больше топливных фракций, чем исходный продукт. Кроме того, если плотность исходной нефти 950 кг/м ³ (API=17), то плотность "синтетической" нефти уменьшается до 850 кг/м³ (API=35), а кинематическая вязкость соответственно с 83 сСт до 6 сСт. В результате такой операции стоимость "синтетической" нефти значительно возрастает, ее легче транспортировать и перерабатывать. Особенно перспективен такой подход для удаленных от НПЗ и добывающих тяжелую и вязкую нефть предприятий, как, например, в Южной Америке, Канаде и в некоторых регионах России. Таким же образом можно переработать сравнительно дешевый мазут и еще более дешевые кубовые остатки в значительно более дорогую высокопотенциальную нефть. Возможны и другие варианты схем нефтеперерабатывающих производств с аппаратом разделения.

В случае, если тяжелый остаток и широкая фракция дистиллятов перерабатываются на месте, рекуперативные теплообменники 5 и 6, аппарат воздушного охлаждения 7 и конденсатор 8 могут в схеме блока подготовки не использоваться полностью или частично.

Аппарат испарения (разделения) для подготовки нефти, в том числе тяжелой, остатков нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, нефтешламов и других жидких органических сред (сырья) для дальнейшей переработки и получения товарных продуктов является основным аппаратом блока подготовки, без которого блок подготовки не может быть работоспособным.

Сущность работы аппарата разделения поясняется на фиг.5.

На этой фигуре приведена схема аппарата разделения. В аппарат через соответствующие штуцеры в теплообменные устройства - турбулентные динамические испарители (фиг.5, позиция 1) - непрерывно подают нефть и теплоноситель, где происходит их непосредственный контакт и смешивание. Из аппарата также через соответствующие штуцеры выводят: легкокипящие фракции нефти в виде парогазовой фазы (широкая фракция дистиллятов), остаток разделения нефти в виде жидкой фазы

(высококипящие фракции) и теплоноситель. Из сепаратора (фиг.5, позиция 2) уловленная жидкость сливается в нижнюю часть аппарата. Для улучшения каплеотделения из паровой фазы при ее отводе из корпуса аппарата сепаратор паровой фазы размещен в объеме корпуса аппарата. Уловленные капли коагулируют и жидкость стекает в нижнюю часть аппарата. Кроме того, размещение сепаратора в объеме аппарата разделения приводит к значительному уменьшению потерь тепла.

Теплоноситель из аппарата подается в печь нагрева и затем опять направляется в теплообменные устройства. Разделитель - отстойник (фиг.5, позиция 3) внизу аппарата разделения служит для отделения жидкой фазы разделения нефти от теплоносителя.

В качестве теплоносителя возможно использование сред, несмешивающихся с нефтью, например, жидких металлов, например, жидкого натрия, расплавленных солей, высокотемпературных органических и газовых теплоносителей, например, водяного пара, азота, гелия (Петухов Б.С., Генин Л.Г., С.А. Ковалев. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М., «Энергоатомиздат», 1986, с.22-23). Например, температура кипения натрия - 883°С при атмосферном давлении, т.е. натрий можно нагревать до 500-700°С при давлениях, близких к атмосферному, что превышает температуру, необходимую для проведения термического или термомеханического крекинга исходного сырья при углубленной его переработке, а низкое давление позволяет уменьшить стоимость оборудования и капитальные затраты.

Использование в качестве теплоносителя водяного пара, например как в способе термокрекинга гудронов с перегретым водяным паром (Конь М.Я., Шершун В.Г. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность за рубежом. Справочник. М., "Химия", 1986, с.124), имеет массу недостатков и широко в промышленности не используется. Для получения хороших результатов по разделению жидкого углеводородного сырья, массовое соотношение пара и смеси должно быть не ниже, чем 4:1, а лучше 5:1 и более. При промышленных расходах углеводородной смеси необходим большой паровой котел и перегреватель пара до 600-650°С, а при условии, что вода имеет аномально большую теплоту парообразования, это ведет к неоправданно большим затратам и потерям энергии. После разделения углеводородная парогазовая фаза содержит огромное количество водяных паров, в несколько раз превышающее количество углеводородной паровой фазы. Парогазовую фазу разделения с огромным количеством водяных паров нельзя сразу направить на ректификационную колонну. Приходится весь поток сконденсировать, при этом из-за большого наличия воды требования к теплообменному оборудованию резко возрастают, естественно увеличиваются тепловые потери. Затем охлажденную парогазовую фазу приходится отделять от воды. При этом возникает большое количество сточных вод, загрязненных органикой.

Использование в качестве газообразного теплоносителя азота, метана и других газов (в частности органических газов, получаемых, например, непосредственно в процессе реализации данного способа) с температурами до 650°С и высоким давлением имеет свои серьезные недостатки, хотя использование таких теплоносителей гораздо выгоднее, чем использование парового теплоносителя и дает хорошие результаты, особенно, если в качестве теплоносителя используется газ, получаемый непосредственно при разделении сырья по данному способу. При использовании газовых теплоносителей необходимы высокотемпературные и высоконапорные компрессоры, а это очень энергоемкое, дорогостоящее и недолговечное в эксплуатации оборудование. Кроме того, массовое соотношение газа и нефти для получения хорошего результата разделения должно быть 5:1. При таком соотношении возрастают требования к теплообменному оборудованию для конденсации парогазовой фазы разделения смеси углеводородов, увеличиваются его габариты и стоимость.

При работе с жидкими металлами и расплавленными солями имеются некоторые недостатки, например связанные с использованием насосного оборудования, проблем пусковых работ (перевод теплоносителя в жидкое расплавленное состояние) и т.д., хотя использование таких теплоносителей и позволяет получать хорошие результаты. Поэтому наиболее удобные и практичные в работе теплоносители - это высокотемпературные органические жидкости с высокой температурой начала кипения - остатки нефтеперерабатывающих производств, терфенильные и фторуглеродные смеси, перфторбензол и др. (Ю.М.Бабиков, Д.С.Рассказов. Органические и кремний-органические теплоносители. М., «Энергия», 1975, с.62-72).

С целью избежания вышеперечисленных недостатков, в данном способе предлагается, как основной и наиболее простой и оптимальный вариант, в качестве органического теплоносителя использовать тяжелый остаток разделения жидкого углеводородного сырья (жидкую фазу разделения), необходимая часть которого возвращается в начало процесса. Использование в качестве теплоносителя тяжелого остатка разделения (его не надо специально готовить или приобретать, он появляется в процессе реализации способа), который является высокотемпературным теплоносителем, позволяет увеличить рабочую температуру в аппарате разделения, интенсифицировать термический или термомеханический крекинг и, соответственно, увеличить глубину переработки и выход светлых продуктов выше их потенциального содержания в исходном сырье.

Перед началом процесса разделения нефти или другой смеси углеводородов готовят теплоноситель. Теплоноситель, который по существу является тяжелым остатком разделения, можно приготовить разными способами, например с помощью простого процесса однократного испарения смеси углеводородов. Наиболее простой способ, который и используется при работе блока и аппарата разделения (испарения), заключается в следующем. Необходимое количество смеси

углеводородов заливают в аппарат разделения. Из аппарата разделения смесь подают на нагреватель (печь) и возвращают обратно. При этом непрерывно отводят легкие фракции, накапливая тяжелый остаток разделения. При непрерывной циркуляции и определенной температуре тяжелый остаток через определенное время (параметры процесса зависят от состава исходного сырья) приобретает все свойства высокотемпературного теплоносителя. Контроль окончания процесса подготовки теплоносителя осуществляют путем определения физико-химических свойств и состава тяжелого остатка разделения. (При использовании других теплоносителей (газовых, жидкометаллических), этот предпусковой этап не нужен. Готовый теплоноситель нагревают при его циркуляции по контуру печь - аппарат разделения - печь, и при достижении необходимой температуры теплоносителя в аппарат вместе с теплоносителем подают сырье и начинают процесс, как указано ниже.)

Затем нефть (или другое сырье) и теплоноситель подают в турбулентный динамический испаритель (фиг.5, позиция 1), где происходит их непосредственный контакт и нагрев сырья. На выходе испарителя возникает парожидкостная смесь. Парогазовую фазу, содержащую в основном светлые (топливные продукты и продукты нефтехимии) фракции испарения и разделения нефти или другого углеводородного сырья, выводят из верхней части аппарата разделения на дальнейшую переработку, например по топливному варианту, или для другого использования. Часть жидкой фазы - остаток разделения выводят из штуцера внизу аппарата и направляют также для дальнейшей переработки, например для получения товарного битума, или для другого использования. Оставшуюся часть жидкой фазы - высокотемпературный органический теплоноситель - выводят из аппарата разделения и подают в печь на подогрев до нужной температуры, затем возвращают в начало процесса - в турбулентный динамический испаритель (фиг.5, позиция 1). Турбулентных динамических испарителей в одном аппарате может быть несколько. Сущность работы блока и аппарата разделения поясняется также на фиг.1-5. В случае использования в качестве теплоносителя высокотемпературных органических жидкостей, в частности тяжелого остатка разделения, разделитель - отстойник (фиг.5, позиция 3) внизу аппарата разделения используется для очистки теплоносителя от коксообразных частиц, которые могут возникать в процессе испарения и разделения нефти при высоких температурах, и других механических примесей.

Полезная модель реализована на стендовой установке. Далее представлены некоторые результаты процесса разделения (испарения), полученные на стендовой установке. Исходное сырье - нефть месторождений Ульяновской области. Эффект разделения: ШФД - 74% масс., ОР - 23% масс., выход газа - 3% масс. Укрупненный фракционный состав нефти и ШФД (в пересчете на исходную нефть с учетом коэффициента разделения) приведен в таблице.

С целью значительной интенсификации процесса испарения и разделения жидкой и парогазовой фазы поток углеводородов и высокотемпературного теплоносителя направляют на устройства разделения и увеличения межфазной поверхности потоков в аппарате разделения.

С целью оптимизации парогазовых и жидкостных потоков в аппарате разделения (испарения), более четкого отделения жидкой фазы от парогазовой и ректификации последней, в аппарат разделения встроены внутренние устройства типа ректификационных тарелок различной конструкции, колец Рашига, сеток и др.

Таким образом, конструкция блока и аппарата испарения (разделения) позволяет организовать его работу в длительном непрерывном режиме с увеличенной производительностью по нефти, в том числе тяжелой, остатков нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, нефтешламов и других жидких органических сред (сырья) при температуре проведения процесса в диапазоне до 400-450°С и выше, при этом происходит увеличение глубины дальнейшей, после блока подготовки, переработки в 1,5÷2 раза и более (в зависимости от состава исходного сырья). Соответственно увеличивается и выход наиболее ценных топливных композиций - бензиновых, керосиновых и дизельных фракций, а также продуктов нефтехимии.

1. Блок испарения для подготовки нефти и других жидких углеводородных сред, содержащий нагревательную печь, насосное и теплообменное оборудование, отличающийся тем, что в блок подготовки добавлен аппарат испарения, а теплоноситель размещен в замкнутом контуре аппарат испарения - нагревательная печь - аппарат испарения, причем в качестве теплоносителя используется высокотемпературный газообразный или неорганический теплоноситель, или высокотемпературный органический теплоноситель, в частности тяжелый остаток испарения, получаемый непосредственно в аппарате, а также в качестве теплоносителя используют среду, не смешивающуюся с нефтью и не растворяющуюся в ней.

2. Блок по п.1, отличающийся тем, что для переработки на месте получаемых в блоке подготовки полупродуктов, в блок подготовки добавлены блоки получения товарных продуктов - блок атмосферной или атмосферно-вакуумной трубчатки, блок гидроочистки, блок риформинга, блок производства битума и др., причем блок подготовки может находиться как непосредственно перед блоком атмосферной или атмосферно-вакуумной трубчатки, так и непосредственно после них.

3. Блок по п.1, отличающийся тем, что для получения высокопотенциальной и обедненной вредными примесями синтетической нефти, в блок подготовки добавлен блок смешивания выходящих из блока полупродуктов.

4. Аппарат испарения для подготовки нефти и других жидких углеводородных сред, содержащий корпус, теплообменные устройства для испарения нефти, сепаратор парогазовой смеси и штуцеры для ввода-вывода рабочих и продуктовых сред, отличающийся тем, что для подачи необходимого тепла в зону испарения низкокипящих фракций нефти используют такие теплообменные устройства, в которых теплоноситель непосредственно контактирует с нефтью, причем в качестве теплоносителя используется высокотемпературный газообразный или неорганический теплоноситель, или высокотемпературный органический теплоноситель, в частности тяжелый остаток испарения, получаемый непосредственно в аппарате, а также в качестве теплоносителя используют среду, не смешивающуюся с нефтью и не растворяющуюся в ней.

5. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что внизу корпуса аппарата разделения встроен разделитель-отстойник для отделения жидкой фазы разделения от теплоносителя.

6. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что в корпус аппарата разделения встроен разделитель-отстойник для очистки теплоносителя от коксообразных частиц и других механических примесей.

7. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что сепаратор парогазовой смеси встроен непосредственно в корпус аппарата разделения.

8. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что для увеличения выхода светлых топливных продуктов углеводородное сырье в аппарате подвергают кавитационному, звуковому и ультразвуковому воздействию на специальных устройствах, например гидродинамических.

9. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что в аппарат встроены устройства разделения жидкой и парогазовой фазы испарения.

10. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что с целью оптимизации парогазовых и жидкостных потоков в аппарате, более четкого отделения жидкой фазы от парогазовой и ректификации последней, в аппарат встроены внутренние устройства типа ректификационных тарелок различной конструкции, колец Рашига, сеток и др.