4 Оборудование нефтепереработки

Отдельные процессы переработки нефти осуществляются на технологических установках, каковых на нефтеперерабатывающем предприятии может быть от нескольких штук до нескольких десятков. На установках, в зависимости от конкретного технологического процес- са, присутствует специфическое оборудование, которое будет рассмот- рено при нашем дальнейшем знакомстве с этим процессом.

Однако, достаточно многие виды оборудования применяются в боль- шинстве, если не во всех технологических процессах нефтепереработки.

Резервуары. Они используются для хранения больших количеств нефти и нефтепродуктов при атмосферном давлении. Нефтяные резер- вуары могут быть поистине гигантских размеров — до 500000 м³. Ре- зервуары обычно изготавливают из стальных листов, но бывают и бе- тонные, и кирпичные резервуары. Резервуары оборудуются устройства- ми для снижения потерь углеводородов при испарении в атмосферу — дыхательными клапанами и понтонами. Объединенные в группы резер- вуары образуют резервуарные парки (сырьевые или продуктовые).

Трубопроводы и арматура. Газы и жидкости, а также их смеси транспортируются между технологическими установками и внутри них по трубопроводам (или, проще говоря, по трубам). Трубы могут бытьсамого разного диаметра. При проектировании трубопроводов их диаметр рассчитывается для обеспечения определенных оптимальных ско-

ростей потока. В зависимости от кор- розионной активности среды выбира- ют материал, из которого изготавли- вают трубопровод. Как правило, это различные марки сталей. Части трубо- провода соединяют между собой свар- ными швами или, в местах, где их нужно иногда разбирать — фланца- ми (плоскими кольцами, которые стя- гиваются между собой на болтах или шпильках). Герметичность соединения в этом случае достигается установкой между фланцами специальных прокладок. Их чаще всего изготавлива- ют из термостойкого пластичного материала — паронита.

У кого есть возможность наблюдать промышленные трубопроводы, часто может заметить, что длинные трубопроводы проложены не по прямой. Двигаясь в определенном направлении, трубопровод вместе с соседними трубами, если таковые имеются, опорами и всей конструкци- ей эстакады делает неожиданный поворот на 90°, через десяток метров снова поворачивает, и потом еще раз, описывая букву «П», изображен- ную на рис. 4.3, и, наконец, снова продолжает идти в нужном направ- лении до следующей такой же фигуры. Понятно, что на выписывание

таких зигзагов уходят дополнитель- ные материалы и трудозатраты, и де- лается это не просто так. Дело в том,что тела при нагревании расширяют ся. Углеродистые стали, из которых, как правило, изготавливаются трубопроводы при протяженности участка 100 м расширяются приблизительно на 1,2 мм при увеличении температуры на 1°С. Если увеличение температуры составит 100°С, то удлинение участка составит уже 12 см, и это уже довольно существенно. Жестко закрепленные конструкции будут выламывать опоры, труба будет выгибаться, сварные швы трещать. Во избежание этого и применяются описанные выше П-образные компенсаторы. Температурные расширения трубопроводов при их нагревании и охлаждении компенсируются пружинящими изгибами буквы «П».

Для компенсации температурных расширений трубопроводов применя- ются и другие специальные устройства, например, линзовые компенса-

торы (рис. 4.4), где расширения компенсируются обратимой деформацией пружинообразног о эле- мента. В сальниковых компенсаторах один из концов трубопровода движется при изменении темпе- ратуры внутри уплотняющего кожуха. В ряде слу- чаев это помогает сэкономить при строительстве трубопровода за счет исключения ненужных зиг-загов. Однако, применение линзовых и сальнико- вых компенсаторов ограничено в зависимости от температуры, давления и агрессивности среды, а П-образные компенсаторы могут применяться во всех случаях.

Трубопроводной арматурой называют специальные устройства, предназначенные для открытия и закрытия потока, а также для регулирования его расхода. Задвижка — наиболее распространенный вид запорной арматуры. Вращая верхнее колесо, называемое штурвалом, по часовой стрелке мы пе- рекрываем расход потока, против часовой стрел- ки — открываем. Для перекрытия расхода исполь- зуются и другие виды запорной арматуры: вен- тиль, поворотный кран, заслонка. Они отличают-

ся от задвижки конструкцией. Запорная арматура обозначается на схе- мах, как это показано в табл. 4.1.

Регулировать расход потока можно и вручную, задвижкой, но для более точной, а главное, для автоматической регулировки применяются регулирующие клапаны. В них движение рабочего (запирающего поток

или открывающего ему путь) органа осуществляется за счет давления сжатого приборного воздуха (воздуха КИП), схема распределения которого есть на каж- дой технологической установке. Сигнал с пульта управления (место, где он находится на установке, называется операторная), поступает на клапан в виде изменения давления приборного воздуха. Это называется пневматическим приводом. Как правило, на установках применяется пневматический, а не электриче- ский привод клапанов из соображений безопасности, так как случайная электрическая искра может воспламенить газо-воздушную смесь, потенциальная возможность образования которой в результате, например, негерметичности фланца или коррозии трубопровода всегда есть на нефтеперерабатывающем предприятии

С помощью клапанов регулируются все технологические параметры. Прикрывая клапан, мы снижаем расход потока в трубопроводе и дав- ление после клапана. Наоборот, открыв клапан на выводе газа из аппа- рата, снижаем давление в самом аппарате. Также, открывая клапан на выводе из аппарата жидкости (т. е. увеличивая ее расход) мы снижаем уровень жидкости в аппарате. Регулируя клапаном расход топлива в печь, мы регулируем температуру продукта на выходе из печи

Насосы и компрессоры. Продвижение нефтепродуктов по трубам происходит за счет разности давления на входе и на выходе трубо- провода. Чаще всего повышенное давление на входе нужно создать.

Для этого нужны насосы и компрессоры, составляющие собой группу динамического оборудования.

Насосы — это машины для перекачки жидкостей, компрессоры — для перекачки газов. Перекачивать жидкость компрессором невозможно и даже очень опасно. Точно также газы нельзя перекачивать насосами. Более всего распространены два типа насосов и компрессоров — центробежные и

поршневые. В центробежных насосах (рис. 4.6) и компрессорах созда- ние избыточного давления на выкиде и перемещение нефтепродукта осуществляется за счет быстрого вращения рабочего колеса в корпусе машины. В поршневых машинах расход нефтепродукта обеспечивается выдавливанием его из цилиндра поршнем, совершающим возвратно-поступательные движения.

Сепараторы. Сепаратор — это аппарат для разделения двух веществ, образующих разные, несмешивающиеся между собою фазы. Газовую фазу в сепараторе можно отделить от жидкости, воду от углеводородов, твердый осадок от жидкости. Сепаратор — это самый простой аппарат. Если он не оборудован устройствами для увеличения скорости и каче- ства разделения фаз, то это обычная горизонтальная или вертикальная бочка, в которую с одной стороны входит газожидкостная смесь, а с другой стороны сверху выходит газ, а снизу — жидкость, как это по- казано на рисунке. Хотя, нужно отметить, что сепаратор на рисунке усложнен системой отделения воды от нефтепродукта — отстойником для воды, который еще называют «сапог» (boot). Сепараторы часто на- зывают просто емкостями.

Теплообменники. Практически все процессы нефтепереработки вклю- чают в себя стадии нагревания (иногда до 500°С и выше) и охлаждения нефтепродуктов. Можно нагреть нефтепродукт в печи, а потом охла- дить его потоком воздуха, но это не рационально. Общее правило: го- рячие продукты, которые нужно охладить, должны нагревать холодные продукты, которые нужно нагреть. При этом горячий и холодный потоки не должны смешиваться между собой. В настоящее время чаще всего процесс теплообмена осуществляется в кожухо-трубчатых теплообменниках. Один из потоков идет по трубному пучку (трубное пространство), а другой с наружной поверхности труб (межтрубное пространство). Перегородки межтрубного пространства служат для турбулизации (перемешивания) потока. Для окончательного захолаживания применяют водяные холодильники, которые от кожухо-трубчатых теплообменников принципиально не отличаются, но одним из потоков является охлаждающая вода. Если в качестве одного из потоков используют водяной пар, то теплообменник становится паровым подогревателем.

Особое место среди теплообменников занимают аппараты воздуш- ного охлаждения (АВО). Охлаждаемый нефтепродукт движется в них по оребренным для увеличения поверхности теплообмена трубкам, а снизу мощным вентилятором подается воздух.

Ректификационные колонны. Ректификация — это процесс раз- деления жидких веществ за счет разницы в их температурах кипения путем перевода части исходной смеси в газообразное состояние, мно- гократного контакта жидкой и газовой фаз с последующей конденсацией газовой фазы. Ректификация осуществляется в ректификационных колоннах. Стоит уточнить, что общий принцип работы колонны и аппарата для определения фракционного состава, изображенного на рис. 3.1, одинаков. Однако, если в лабораторном аппарате осуществляется простая перегонка (легкие компоненты смеси испаряются, а затем конденсируются в холодильнике и попадают в приемник), то в ректификационной колонне пары еще несколько десятков раз отдают часть унесенных с собою тяжелых компонентов жидкости, забирая у нее легкие, на тарелках ректификационной колонны.

Итак, основным элементом ректификационной колонны является рек- тификационная тарелка. Схематично две из них изображены на рис. 4.10. Тарелка представляет собой металлический лист, в котором имеются отверстия для прохода паров. Пары движутся снизу вверх. Жидкость стекает на тарелку по переливному устройству с вышележащей тарелки и далее движется горизонтально до следующего переливного устрой- ства, причем с определенным уровнем, который поддерживается на та- релке переливной перегородкой. При движении пузырьков пара через слой жидкости на тарелке жидкая и газообразная фазы обмениваются между собою компонентами: более легкие из жидкости переходят в пар, а более тяжелые (высококипящие) — из пара в жидкость. Это и представляет собой элементарный акт ректификации. Отверстия на тарелке оборудованы специальными устройствами — клапанами или колпачками, которые улучшают контакт жидкости и газа. Проходу газа через пространства за сливными перегородками препятствуют гидроза- творы, образуемые при нормальной работе колонны уровнем жидкости, преодолеть сопротивление которых пары не в состоянии.

Следует отметить, что вместо тарелок в ректификационной колонне может быть использована насадка, керамические или металлические

изделия с большой площадью поверхности, на которой и происходит контакт жидкости и газа. Когда насадку располагают внутри ко- лонны крупными, ориентированными в про- странстве блоками, она называется регуляр- ной. Нерегулярная насадка состоит из от- дельных мелких элементов, которые беспо- рядочно грузятся внутрь колонны на опор- ную тарелку. Простейший пример нерегуляр- ной насадки — кольца Рашига, представляю- щие собой полые цилиндры.

Схема включения, или как говорят тех- нологи, обвязки колонны представлена на рис. 4.12. Сырье (смесь легкого и тяжелого компонента) поступает в колонну на средние

тарелки. Предварительно оно нагревается до температуры приблизи- тельно равной температуре на той тарелке, где смонтирован ввод сырья. На схеме подогрев осуществляется теплом кубового продукта, отво- димого с низа колонны.

Эта схема типична для многих процессов нефтепереработки. Сама жидкость в кубе колонны подогревается в теплообменнике (рибойле- ре), предположим, что водяным паром. Выделяемые при ее кипении пары поднимаются вверх. По колонне снизу вверх создается градиент температуры. Внизу она максимальная, вверху (в шлеме колонны) на- много ниже. На каждой тарелке, как уже говорилось, из стекающей вниз жидкости испаряются легкие' компоненты, тяжелые компоненты из газа абсорбируются жидкостью. Пары легкого компонента из шлема колонны поступают в холодильник, где конденсируются и в сепараторе отделяются от несконденсировавшихся газов.

Далее насосом часть легкого компонента выводится в качестве го- тового продукта, а часть подается на орошение колонны. Это так назы- ваемое острое орошение (в отличие от внутреннего, которое создается при конденсации паров внутри колонны). Чем больше расход острого орошения (в пределах устойчивой работы тарелок), тем лучше качество деления легкого и тяжелого компонентов, но, тем больше энергии тра- тится на испарение и конденсацию компонентов острого орошения. Для характеристики работы колонны применяют понятия флегмового числа (отношение расхода орошения к расходу верхнего продукта колонны — флегмы) и кратности орошения (отношения расхода орошения к рас- ходу сырья колонны).

Итак, работа колонны обеспечивает непрерывное разделение легко- го и тяжелого компонентов. Сырье непрерывно поступает в среднюю часть колонны, низкокипящий компонент (или компоненты) выводится из сепаратора орошения, а из куба колонны постоянно откачивается пысококипящий компонент. Его расход обычно регулируется в зависи- мости от уровня жидкости в кубе колонны. Очень важно, чтобы жид- кость не залила нижние тарелки, а то они перестанут работать и даже могут быть деформированы при кипении жидкости.

Стоит отдельно поговорить о терминах. Почему не сказать, что вы- сококипящий компонент выводится с низа колонны, а не с куба? Что такое куб? Все ректификационные колонны цилиндрические с полу- сферическими днищами, в них нет никаких характерных для геомет- рической фигуры куба прямоугольных граней и углов. Термин «куб» пришел из понятия «перегонный куб», т.е. емкость, из которой велась перегонка смеси. Тяжелый компонент назывался кубовым остатком. Но нсрегонный куб был аппаратом периодического действия, в отличии от ректификационной колонны. Термин «куб», обозначающий низ рек- тификационной колонны, характерен только для русского языка, но поскольку он прочно вошел в систему терминов отечественной нефте- переработки, мы предлагаем оставить все как есть и употреблять «куб» и «кубовый продукт», а не «низ» и «нижний продукт», хотя последние два термина были бы более понятны непосвященному читателю.

Трубчатые печи. Нагрев нефтепродуктов часто осуществляется в печах. Нефтепродукт в них движется по трубам, которые зигзагооб- разно соединены в змеевик. Поэтому печи и называются трубчатыми. Ранее был распространен дизайн шатровой печи, которая напоминает внешним видом деревенский домик. Более современными считаются вертикальные (цилиндрические или коробчатые печи) у которых на- много выше коэффициент полезного действия.

Нефтепродукт сначала поступает в змеевик камеры конвекции пе- чи. В нем потоку передается тепло дымовых газов. Далее, уже более горячий нефтепродукт поступает в змеевик камеры радиации. Она на-

зывается так потому, что тепло от сжи- гания топлива передается в ней продук- ту за счет теплового излучения (которое тоже иногда называют радиацией). Змеевик в камере радиации вертикаль- ной печи расположен по всем четырем стенам, образуя так называемые экраны. В поду, т. е. в полу печи, расположены форсунки или горелки. В них сгорает топливо с образованием факела.

Форсункой называется устройство для распыления жидкого печно- го топлива и газового топлива внутри печи для обеспечения их эф- фективного сжигания. Если используется только газовое топливо, то используемое для его сжигания устройство называется горелкой, хотя термин «форсунка» применяют и в этом случае.