Статьи 

УДК 665.63.048

Модернизация колонны К-10 установки АВТ-6, г. Москва

С.В. Максимов, А.И. Калошин, О.Л. Карпиловский, А.И. Заика, Г.Ю. Колмогоров, М.Ю. Беляевский (ЗАО "ПИРО", ОАО МНПЗ, ИКТ Сервис, МГУИЭ)

В настоящей работе приведен пример инженерного решения, позволившего улучшить экономические и экологические показатели без значительной реконструкции установки АВТ.

Работа вакуумного блока до модернизации

Вакуумная колонна К-10 установки АВТ-6 ОАО "Московский нефтеперерабатывающий завод" (рис. 1) оборудована клапанными и ситчатыми прямоточными тарелками.

Мазут из колонны К-2 нагревается до температуры 390 ° С в печи П-3 и направляется в колонну К-10. Водяной пар подается как в низ колонны, так и в печь П-3.

Пары с верха колонны направляются в три водяных конденсатора Т-35, а затем откачиваются одной из двух трехступенчатых пароэжекционных установок. Сконденсированные соляровые пары совместно с водяными парами направляются в барометрический ящик и далее на сепарацию. В колонне имеются два циркуляционных орошения - ВЦО и СЦО. Продукты перегонки: фр. до 360° С, легкий вакуумный погон (ЛВГ), тяжелый вакуумный погон (ТВГ) и гудрон.

В дальнейшем предполагается замена пароэжекционной установки на жидкостную вакуумсоздающую установку.

До реконструкции температура на верху колонны К-10 составляла 130 -135° С, а давление на верху колонны было равным 90-95 мм. рт. ст. Температура газов на выходе из конденсаторов Т-35 составляла 50° С.

Глубина вакуума или впускное давление Рвс пароэжекторных установок напрямую зависит от количества откачиваемых паров Gп.

Типичная кривая зависимости давления всаса от расхода паров представлена на рис. 2.

Данная кривая (основная характеристика пароэжекторных насосов) имеет два участка: пологий - рабочий участок I и крутой - участок II перегрузки. На участке I значительные изменения нагрузки мало влияют на впускное давление; на участке II малые изменения в нагрузке приводят к резкому повышению впускного давления. Точка перегиба характеристики, соответствующая максимальной производительности на рабочем участке (участок I), называется рабочей точкой.

Рабочая точка трехступенчатого эжектора, установлен­ного на установке АВТ-6, соответствует Рвп- 40 мм рт. ст. и следующей нагрузке по откачиваемым газам: 900 кг/ч воздуха и 400 кг/ч водяных паров.

Замеренное давление вакуумного насоса составляло
90-95 мм рт. ст. , т.е. существующий эжектор работает в зоне перегрузок (участок II).

Исходя из кривой нагрузки рис.2, перегрузка эжектора при Рвп = 90 мм рт.ст. составляет 60% (или общая нагрузка на эжектор 160%, если принять за 100% производительность эжектора в рабочей точке). Рассматривая работу тепло­об­менного оборудования совместно с вакуумсоздающей системой, можно увидеть прямую связь между температурой на выходе из конденсаторов (апп. Т-35 по рис. 1) и давлением на входе в эжектор Рвп. Иначе говоря, при температуре 50° С на выходе из Т-35 количество несконденсировавшихся паров и газов соответствует 160% нагрузки на эжектор.

Следовательно, углубить вакуум при существующей вакуумсоздающей системе возможно, только снизив Твых из конденсаторов.

Обследование работы существующих конденсаторов позволило сделать следующие выводы:

• Несмотря на значительную поверхность теплообмена (1500 м²), эффективность конденсаторов очень мала.

• Расчеты показывают, что низкий коэффициент теплопередачи в значительной степени обусловлен высокой степенью загрязнения поверхности теплообмена.

• Температура охлаждающей воды летом достигает 27° С.

• Температура стенок труб - 40-50 ° С, а также невысокая скорость воды в трубках (0.2-0.3 м/с) способствуют нарастанию илавнутри трубок.

Снизить температуру на выходе из конденсаторов Т-35 обычными способами оказалось затруднительно. Действительно, проведение таких мероприятий, как:

• снижение температуры охлаждающей воды,
• увеличение расхода воды,
• защелачивание воды для предотвращения отложения ила требует на практике строительства отдельной системы водоподготовки, т.е. значительных затрат.

Другой путь снижения нагрузки на вакуумные эжекторы был разработан при реконструкции колонны К-10 установки АВТ-6 фирмой ЗАО "ПИРО".

Выбор режима

Известно, что при работе вакуумной колонны с водяным паром в конденсаторы -холодильники вакуумной колонны поступает смесь водяных паров, соляровых паров (паров дизельного топлива) и неконденсируемых газов (в основном N₂, H₂и углеводороды С₁-С₅)

Рассмотрим кривые конденсации паров в конденсаторах (аппараты Т-35) вакуумной колонны, работающей с водяным паром (см. рис. 3).

До реконструкции температура паров на выходе из вакуумной колонны составляла 135° С (см. рис 3, кривая 1). Кривую конденсации можно разбить на два участка. На первом участке конденсируются пары дизельного топлива, а на втором, более пологом участке, происходит совместная конденсация дизельных (соляровых) паров и водяного пара.

Понятно, что пары дизельного топлива было бы целесообразно конденсировать в вакуумной колонне и предотвратить их вынос в конденсаторы вместе с водяными парами.

С этой целью было предложено снизить температуру выходящих из вакуумной колонны К-10 паров до 80° С.

Так расчеты вакуумной колонны при нагрузке по мазуту 450 т/ч показали, что одновременно со снижением температуры паров на выходе из колонны с 135 до 80° С вынос дизельного топлива упадет с 8.5 до 0.5 т/ч. Данное мероприятие также позволяет снизить нагрузку на конденсаторы Т-35 (см. рис. 3, кривая 2) и уменьшить количество паров поступающих на существующую пароэжекторную установку.

С экологической точки зрения снижение количества дизельного топлива, выносимого вместе с водяными парами, также является целесообразным.

При "сухой" перегонке мазута (без водяного пара) влияние температуры на верху колонны также велико. Зависимость количества выносимого вместе с неконденсируемыми газами ДТ от количества неконденсируемых газов при различных температурах на верху колонны К-10 представлена на рис. 4

Как следует из расчета, при снижении температуры вверху колонны К-10 с 135° С до 80° С вынос дизельного топлива снижается не только по абсолютной величине, но и уменьшается зависимость количества уносимого ДТ от количества неконденсируемых газов.

При проведении расчетов в очередной раз возникла проблема оценки количества неконденсируемых газов.

В документации к моделирующей системе PRO/II фирмы Simulation Sciences Inc. (США) приводится следующая зависимость:

G₁=2,86*0,15*exp[0,0495*(T_c-385)]*F_m

G₂=2,72*[0,151*F_m]^0,5;

   где:

G₁ – расход газов разложения (кг/час)

G₂ – расход газов подсоса (кг/час)

F_m – расход питания вакуумной колонны (ст.м³/час)

T_c – температура выхода из печи ( ⁰С )

Согласно расчётам количество газов должно было составлять 260-370 кг/час.

На рис. 5 показано, как производилась графическая оценка влияния снижения температуры на верху колонны К-10 на снижение давления в системе.

Сплошной линией на рисунке 5 обозначена линия перегрузок пароэжекторного насоса. Производительность насоса выражена в процентах к нагрузке по парам в рабочей точке насоса.

Пунктирными линиями на рис. 5 показано расчетное количество паров на выходе из конденсаторов Т-35 в зависимости от давления на верху колонны. Расчеты велись при температуре на верху колонны 80 ° С для разного количества неконденсируемых газов.

Пересечение кривых расхода паров из конденсатора и кривой нагрузки вакуумного насоса показывает искомое изменение давления.

Как будет показано ниже, на практике вакуум углубился на 17-20 мм.рт.ст., т. е. количество неконденсируемых газов ближе к 200-300 кг/ч.

Влияние температуры верха колонны на качество компонента дизельного топлива

Одновременно с углублением вакуума при снижении температуры на верху вакуумной колонны ожидалось снижение температуры застывания дизельного топлива.

Дело в том, что на температуру застывания нефтяных продуктов в значительной степени влияет не конец кипения фракции, а содержание легкокипящих компонентов.

Качество продуктов перегонки до реконструкции колонны К-10 представлено в таблице 1.

Таблица 1

Показатели качества	Фракция до 350°С (среднее значение)	Соляровые пары
Плотность, r204	0,8704
Вязкость:
-кинематическая, мм2/с при 50 С	4,30
Температура вспышки, С	123
Разгонка:
Н.К., С	256	143
10% об.	281	220
20% об.	290	239
30% об.	297	251
40% об.	305	262
50% об.	312	269
60% об.	321	278
70% об.	332	286
80% об.	345	297
90% об.	368	309
К.К.	398/97	326
Выход %		96
Плотность при 20 С		0,851
до 350 С, % об.	83,0
до 360 С, % об.	87,0
до 500 С, % об.	-
Дополнительные характеристики:
-температура застывания, С	-2
-содержание серы, % масс.	1,32	1,15
-коксуемость, % масс.	0,0123

При этом количество дизельных (соляровых) паров, уносимое из колонны, было значительным и составляло 8-10 м³/ч.

До реконструкции фракция до 350° С из колонны направлялась либо обратно в нефть, либо на приготовление топочного мазута.

Обводненная фракция дизельного топлива из барометрического ящика также направлялась обратно в нефть.

Ниже в разделе "Результаты реконструкции" указано изменение качество фр. до 350° С после модернизации колонны К-10.

Расчеты показали, что в результате реконструкции отбор фракции до 350° С увеличится с 2 до 3% на нефть.

На основании вышеизложенного было принято решение снизить температуру верха колонны К-10 с 135 до 80° С.

Реализация проекта

После принятия решения об изменении температуры на верху вакуумной колонны перед ЗАО "ПИРО" стала задача практического осуществления данного решения.

Вследствие резкого снижения объема паров в зоне верхнего циркуляционного орошения вакуумной колонны (см. рис. 6) и значительного количества жидкости на тарелках в зоне ЦО оказалось затруднительным снизить температуру на верху колонны К-10, используя только существующие тарелки, установленные в колонне.

Поэтому специалистами ЗАО "ПИРО" было предложено установить небольшой орошаемый слой насадки над верхней тарелкой колонны К-10, как это показано на рис. 7.

Слой оборудован распределителем желобчатого типа и глухой по жидкости тарелкой. По новой схеме часть потока верхнего циркуляционного орошения направляется на дополнительное охлаждение в конденсатор Т-37 и подается в качестве орошения на слой насадки.

Реконструкция колонны была осуществлена в мае 1998 г.

Одновременно с модернизацией верхнего циркуляционного орошения колонны ЗАО "ПИРО" восстановила тарелки первого и второго ЦО.

В колонне также были заменены струйные каплеотбойники на каплеотбойники стерженькового типа.

Результаты реконструкции

Анализ выполненной работы позволяет говорить о целесообразности снижения температуры на верху вакуумной колонны. При проведении испытаний, результаты которых представлены ниже, производительность по мазуту варьировалась в пределах 450-530 м³/ч, что соответствует переработке установкой АВТ-6 708 - 833 т/ч (800 950 м³/ч) нефти.

1. Реконструкция позволила снизить температуру на верху колонны до 80° С и ниже.

Остаточное давление верха колонны в среднем за дни обследования составило 65 мм рт.ст., что на 50 мм рт.ст. ниже, чем в 1997 г и на 20 мм рт. ст. ниже, чем до реконструкции

2.Качество дизельного топлива из колонны К-10 после реконструкции представлено в таблице 2.

Таблица 2

Качество дизельного топлива, полученного путем смешения потоков ЭЛОУ-АВТ-6

Анализ потоков колонны после модернизации показывает, что качество выводимой из колонны фракции до 350° С значительно изменилось: она содержит больше легкокипящих компонентов, содержание фракций до 360° С - 96-98% против 60-80% до модернизации.

Температура застывания дизельной фракции после реконструкции составляет минус 10° С и ниже. Такое качество продукта позволяет вовлекать его в состав смеси фракций 240- 290° С и 290-350° С колонны К-2 в количестве до 300 т/сут.(~7% на дизельное топливо) с получением продукта, соответствующего требованиям стандарта предприятия.

Общий отбор фр. до 350° С составляет 3% на нефть.

Только за счет отбора фракции ДТ экономический эффект от реконструкции составляет 3.6 млн. долларов в год (в ценах декабря 1998 г.) при нагрузке по нефти ~6 млн. т в год.

Одновременно экономится до 560 кг/ч мазута за счет исключения циркуляции дизельного топлива, что целесообразно как с экологической, так и с экономической точки зрения.

3. Наблюдается увеличение выхода широкой вакуумной фракции 350-500°С (вакуумного газойля – сырья каталитического крекинга) до 44,7% масс. на мазут (22,8% масс. на нефть). При этом можно отметить уменьшение показателя коксуемости продукта до 0.09% масс. против
0,3 – 0,4% масс. до модернизации, что можно объяснить заменой физически отработавшего струнного отбойника на новый стержневой.

Содержание фракций до 360°С изменяется в пределах от 5 до 12% при среднегодовом показателе до модернизации 15%.

4. После стабилизации режима колонны К-10 улучшилось качество гудрона, в котором содержание фракции до 500°С в отдельные дни достигает 9% об. при среднем значении за дни обследования 13,3% об. При этом среднегодовой показатель до модернизации по содержанию фракции до 500°С в 1996 г. составлял 16,5% об., а в 1997 г. – 19% об., т.е. можно однозначно говорить об улучшении качества гудрона после модернизации.