6. Методы и схемы подвода и отвода тепла в колоннах авт.

Очень важным элементом технологии ректификации нефти на фракции являются подвод и отвод тепла в колонны, поскольку ректификация - это термодинамический процесс с непрерыв­ным подводом и отводом тепла, что позволяет формировать температурный профиль по высоте колонны и соответственно движущую силу процесса ректификации. Чем больший тепловой _: поток подводится в ректификационную колонну (и соответственно - отводится), тем больше будет в колонне кратность¹ орошения (отношение количества флегмы на тарелках к коли­честву отбираемого ректификата) и тем выше будет в итоге чет­кость ректификации. Одновременно растут и удельные энерго­затраты на процесс, т. е. ухудшаются экономические показатели.

Подвод тепла в ректификационных колоннах осуществляется в двух сечениях - ниже укрепляющей части, потоком нагретого во внешнем нагревателе сырья, и внизу отгонной части.

Возможности нагрева теплового потока с сырьем обычно ограничены. Так, нефть при давлениях, близких к атмосферно­му, можно нагревать в печи без заметного термического разло­жения до 350 - 360 °С, а мазут - при пониженных давлениях - до 400 - 410 °С.

Рис. 4. Схемы подвода тепла внизу ректификационных колонн.

1 - колонны, 2 - печь; 3 - ребойлер (испаритель); 4 - прямоточный кипятильник, R - остаток, ГС - горячая струя; П - паровой поток, ПЖ - парожидкостный поток, ВП - водя­ной пар

Если учитывать указанное ограничение по верхнему темпера­турному пределу нагрева нефти и мазута в ректификационных колоннах для их разделения на фракции, поток сырья является единственным источником тепла, определяющим параметры ректификации. Подвести тепловой поток внизу этих колонн также не представляется возможным из-за температурных огра­ничений, поэтому для создания потока паров в их отгонной части вводится перегретый водяной пар, понижающий парци­альное давление углеводородных паров (рис. 4, а).

В отдельных случаях, когда от нефти отбирается только бен­зиновая фракция и температура внизу колонны не превышает 200 - 250 °С, возможны подвод тепла циркуляцией “остатка” колонны через печь (рис. 4, б) и подача нагретого до 300 - 350 °С потока в отгонную часть (“горячая струя”). Такой прием получил широкое применение для низкотемпературных нефте­перегонных колонн.

Если в колоннах подвергаются ректификации более легкие нефтепродукты (например, стабилизируется бензин или он раз­деляется на более узкие фракции), температуры термической деструкции которых выше, чем у нефти (450 °С и более), а тем­пература испарения значительно ниже, то внизу таких колонн дополнительный тепловой поток можно подвести с помощью кипятильников (рис. 4 ,в, г), обогреваемых водяным паром или другим теплоносителем. При этом отличие вариантов в и г со­стоит в том, что в первом случае из кипятильника в колонну направляется только поток образовавшихся в нем паров П и остаток R выводится не из колонны, а из кипятильника. Во вто­ром случае кипятильник является термосифоном, и весь нагре­тый в нем поток в парожидком состоянии (ПЖ) возвращается в колонну, а остаток R выводится поэтому снизу последней.

Отвод тепла осуществляется только в укрепляющей части ко­лонны и служит, как уже отмечалось, для создания жидкого потока внутреннего орошения тарелок. В простых колоннах, не имеющих отбора боковых дистиллятов, тепло отводится всегда в одном сечении - наверху колонн. В сложных колоннах, где кроме верхнего дистиллята выводятся через стриппинги боковые дистилляты, тепло может отводиться как в одном сечении (наверху), так и в нескольких сечениях по высоте колонны.

Наиболее типичные схемы отвода тепла из колонн дистилля­ции нефти показаны на рис. 5. Схема, приведенная на рис. 5, а, отражает отвод тепла за счет испарения части верхнего дистиллята, возвращаемого на верхнюю тарелку колонны (острое испаряющееся орошение).

Рис. 5. Схемы отвода тепла из ректификационных колонн:

1 - колонны, 2- стриппинг, 3 - сепараторы-отстойники, 4 и 5 - конденсаторы воздуш­ного и водяного охлаждения, б - холодильник, 7 - теплообменники, 8 ~ насосы, I - ректи­фикат (бензин), II и III - испаряющееся и неиспаряюшееся орошение, IV - углеводородный газ, V - боковой дистиллят (керосин), VI и VII - водяной пар и его конденсат Остальные пояснения см. в тексте

Из сепарационной емкости 3 верхний дистиллят колонны (ректификат) от­качивается как готовый продукт /, а остальная часть II возвращается в колонну в качестве орошения Попадая вновь в колонну, этот поток нагревается, испа­ряется полностью и в виде паров вновь конденсируется в конденсаторе 4, затем поступает в сепаратор Таким образом, сверху колонны в конденсатор непрерывно поступает количество паров, равное сумме (/ + II), из которых поток II циркулирует (испаряясь и конденсируясь), а поток I отводится как балансовый. Если ректификат может быть сконденсирован достаточно полно при темпе­ратуре 40 - 45 °С (например, бензин), применяют конденсатор воздушного охлаждения 4. Если верхним продуктом являются более низкокипящие углево­дороды (например, С3 - С5), для конденсации используют аппарат водяного охлаждения (вместо 4) или искусственное охлаждение.

Другой способ отвода тепла - неиспаряющееся цир­куляционное орошение (рис. 5, б).В этом случае часть флегмы, стекающей с одной из тарелок (2-й - 4-й свер­ху) забирается насосом, прокачивается через аппараты для отвода тепла (теплообменники 7 и холодильник 6) и охлажденной возвращается на верхнюю тарелку колонны. Такое орошение называют верхним циркуляцион­ным орошением (ВЦО). Циркулирующий поток жидкости в этом случае не испаряется, а за счет разности температур на выходе его из колонны и входе в нее (обычно At = 50 - 100 °С) конденсирует часть потока паров, подни­мающихся в колонне, за счет этого создается орошающий лежащие ниже та­релки поток флегмы. В конденсатор 4 в этом случае поступает такое количество паров, которое равно выводимому балансовому потоку ректификата. Таким образом, ВЦО выполняет в этом случае роль парциального конденсатора сме­шения.

В некоторых случаях используют комбинированное верхнее орошение колонны, сочетая ВЦО и острое испаряющееся оро­шение.

При отводе тепла в сложной колонне только в верхнем сече­нии (ВЦО или острым орошением) должно быть отведено такое количество тепла, которое необходимо для создания оро­шающего потока жидкости по всей высоте колонны от верха до эвапорационного пространства. В этом случае в верхней укреп­ляющей части колонны (до вывода первого бокового погона) количество стекающей по тарелкам жидкости будет максималь­ным и по мере отвода боковых погонов будет уменьшаться кни­зу. Чтобы сделать этот поток равномернее, по секциям сложной колонны можно отводить тепло отдельно наверху каждой укрепляющей секции. Для этого на одной-двух верхних тарелках соответствующей секции циркулирует часть флегмы, охлаждае­мой в теплообменниках (рис. 5, б). Такое неиспаряющееся орошение называют промежуточным циркуляцион­ным орошением (ПЦО). Число ПЦО обычно бывает не более 2-х (по числу укрепляющих секций в сложной колонне). Сочетание острого орошения (или ВЦО) в верхней секции с ПЦО позволяет создать более равномерный поток флегмы по высоте колонны и сократить за счет этого ее диаметр.