Энергосбережение в промышленной теплотехнологической установке при получении компонентов нефтяных топлив

Энергои ресурсосбережение является одним из приоритетных направлений в развитии многих отраслей промышленности. Это связано в первую очередь со значительным повышением цен на такие энергоносители, как нефть и газ. Поэтому очистка углеводородных топлив от дисперсной фазы, которая отрицательно сказывается на его свойствах, является важной задачей в теплоэнергетике и нефтепереработке.

Нефтепереработка связана с большой энергоемкостью проводимых процессов. Снижение энергозатрат даже на несколько процентов при нефтепереработке дает значительную экономию энергоносителей. При добыче и переработке нефтяного сырья производственники всегда сталкиваются с наличием всевозможных загрязнений — механических примесей, воды и т. п. -которые, попадая в продукты переработки, значительно снижают их качество и вызывают повышенный расход энергии на перекачку по трубопроводам, нагревание в ректификационных установках и ряд других проблем.

Различают два вида жидких дисперсных смесей: суспензии — смеси жидкости с твердыми частицамиэмульсии — смеси жидкости с каплями другой жидкости. Суспензии в зависимости от размеров твердых частиц (в мкм) условно подразделяются на грубые (более 100), тонкие (0,5 — 100) и мути (0,1 -0,5). В эмульсиях размеры дисперсной фазы (капель) могут находиться в широких пределах. Многие эмульсии под действием силы тяжести расслаиваются, однако если размеры капель менее 0,5 мкм эмульсии становятся устойчивыми.

Вода, попадая в топлива даже в малых количествах, способна резко ухудшить их свойства. Она частично растворяется в них (растворенная вода), остальная часть находится в диспергированном состоянии (свободная вода) или в виде отстоявшегося слоя (подтоварная вода), а при отрицательных температурах — в виде кристаллов льда. Отрицательное влияние на эксплуатационные свойства топлив оказывает главным образом свободная вода, образующая водо-топливную эмульсию с большой межфазной поверхностью.

Подтоварная вода при перекачивании насосами может диспергироваться с дальнейшим образованием водотопливной эмульсии. Растворенная вода может также переходить в эмульсионное состояние вследствие изменения окружающей температуры или атмосферного давления.

Присутствие воды в горючем снижает такие важные качественные характеристики как прокачиваемость и фильтруемость, что объясняется увеличением вязкости продукта и закупориванием пор фильтроэлементов кристаллами льда, а также повышает температуру начала кристаллизации, так как ледяные частицы служат центрами кристаллообразования для углеводородов /1/.

Вода понижает термоокислительную стабильность горючего, вступая в гидролитические реакции с входящими в состав горючего веществами, а также вызывает электролитическую диссоциацию содержащихся в горючем сернистых и других неорганических соединений, что приводит к интенсификации реакций окисления углеводородов. Вода повышает коррозионную агрессивность горючего, образуя электролитические растворы присутствующих в горючем химически активных веществ — кислот, щелочей, перекисей и т. п. В этом случае коррозия носит электрохимический характер, и разрушение металла происходит вследствие возникновения гальванического тока 121.

Вода способствует увеличению загрязненности горючего механическими частицами. Помимо воздействия на процессы окисления и коррозию ведущие к увеличению количества загрязнения в горючем, вода способствует коагуляции твердых частиц загрязнения и образованию сгустков, включающих эти частицы, а также смолистые вещества и структурную воду. Присутствие воды в горючем способствует его микробиологическому загрязнению, сопровождающемуся образованием большого количества загрязнений в виде микроорганизмов и пирогенных веществ, а также ухудшением эксплуатационных свойств горючего (испаряемость, термическая стабильность, вязкость) и повышение его коррозионной агрессивности за счет возникновения микробиологической коррозии. При наличии в горючем свободной воды значительно ухудшаются его противоизносные и противозадирные свойства вследствие разрыва смазывающей пленки и возникновения сухого трения. Присутствие воды существенно повышает интенсивность возникновения электростатических зарядов в горючем, что может явиться причиной взрывов и пожаров.

Присутствие воды сказывается на энергетических свойствах горючего и ухудшает процесс его горения. При наличии воды в горючем снижается теплота сгорания, ухудшает его распыливание и испарение в камере сгорания, происходят перерывы в подаче горючего, вызывающие непроизвольную остановку двигателя (или затухание топки при сжигании котельного топлива на ТЭС).

Поэтому можно сделать вывод, что очистка нефтяных топлив от водной фазы является актуальной задачей, как в теплоэнергетике, так и промышленных предприятиях различного профиля.

Кроме отмеченных проблем также актуальной задачей является очистка сточных вод, загрязненных нефтепродуктами.

На ТЭС сжигается огромное количество мазута. Воды, загрязненные нефтепродуктами, представляют особую опасность для окружающей среды.

Нефтепродукты могут попадать в водоемы в эмульгированном, коллоидном и растворенном состоянии. Общий расход сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, составляют воды мазутохозяйств, главного корпуса ТЭС, электротехнического оборудования, вспомогательных служб (депо, компрессорные, автохозяйства). В состав нефтепродуктов, загрязняющих воду на ТЭС, входят мазуты, смазочные и изоляционные масла, керосин, бензин и т. д.

В табл. 1 приводятся методы очистки вод от нефтепродуктов по годам.

Таблица 1. Использование различных методов очистки сточных вод ТЭС от нефтепродуктов.

Методы очистки Применение методов по годам, %.

1980 1990 2000.

1 Отстаивание с последующей флотацией 12−17 25−35 48−54.

2 Отстаивание с последующей коагуляцией 10−14 18−22 28−32.

3 Сепарация с последующей сорбцией 3−7 8−12 16−20.

Как видно из таблицы отстаивание является одним из основных методов очистки сточных вод ТЭС, а так же и в других отраслях промышленности.

Отсюда можно сделать вывод о том, что разработка теоретических методов расчета и новых конструкций отстойников или модернизация существующих является актуальной, как при нефтегазопереработке, так на предприятиях теплоэнергетики.

Цель работы.

1. Снижение энергозатрат при получении жидких топлив из углеводородного сырья и повышение их качества.

2. Эксергетический анализ работы промышленной установки разделения углеводородных смесей и разработка технических решений по модернизации.

3. Математическое моделирование и численное исследование процесса сепарации дисперсной фазы из углеводородных смесей и разработка технических решений по модернизации отстойников на промышленной установке. Экспериментальное исследование макета отстойника.

4. Внедрение результатов в производство на Сургутском заводе стабилизации нефтегазового конденсата (ЗСК) и опытнопромышленная эксплуатация, анализ и тиражирование полученных результатов.

Научная новизна.

Сделан эксергетический анализ работы промышленной теплотехнологической установки получения нефтяных топлив и рассмотрены варианты модернизации оборудования с целью снижения энергозатрат и повышения качества товарной продукции. Установлено, что снижение энергозатрат в данной теплотехнологической схеме возможно за счет удаления водной фазы из перерабатываемой углеводородной смеси.

Разработана математическая модель процесса сепарации водной фазы из жидких углеводородных топлив, построенная с использованием модели многоскоростного континуума. Получена замкнутая система дифференциальных уравнений процесса разделения эмульсий в гравитационных отстойниках.

Выполнены численные исследования полей скоростей в отстойниках различных конструкций. Проведен физический эксперимент по исследованию структуры потоков в модели отстойника. Показано согласование результатов физического и математического моделирования.

Практическая значимость.

Для решения задач энергосбережения и повышения качества нефтяных топлив разработаны технические решения и выполнена модернизация промышленных отстойников в теплотехнологической схеме на установках Сургутского ЗСК. Модернизация заключается в размещении специальных сепарирующих элементов (получены свидетельства на полезную модель), которая обеспечивает значительное снижение содержания свободной воды в углеводородном сырье и нефтяных топливах. За счет этого снижается расход греющего пара в подогревателях и кипятильниках ректификационных колонн и повышается качество полученных топлив. Реальный экономический эффект от энергосбережения после внедрения составляет более 2 млн руб. в год с одной технологической установки. Выполнено тиражирование технических решений еще на две аналогичные установки разделения углеводородного сырья. Суммарный экономический эффект составляет более 6 млн руб. в год.

Апробация работы и научные публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 16 научных работ, из них одна монография объемом 8 ус.печ.листов, 9 статей в сборниках научных трудов «Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии" — тезисы докладов на Vй конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-99», Нижнекамсктезисы докладов на международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-14) г. Смоленск- (ММТТ-18) г. Казань, а так же получено два свидетельства на полезную модель насадочных элементов.

В постановке задачи исследования, выборе, реализации методов решения и внедрения в промышленность принимал участие к.т.н., доцент М. И. Фарахов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

Аппараты для очистки жидкостей от дисперсной фазы являются важной составляющей частью при комплектовании технологической аппаратуры в теплоэнергетике, а так же в нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей и родственным им отраслям промышленности. Системы водоочистки, подготовки жидких топлив, тепломассообменные аппараты и многие другие виды оборудования не могут работать без эффективной сепарации различных видов дисперсной фазы из рабочих жидкостей. Разнообразие условий работы установок и задач очистки вызывают необходимость в создании новых видов аппаратов разделения, модернизацию существующих и совершенствовании методов расчета их эффективности.

В диссертационной работе решена важная задача по энергосбережению и повышении качества углеводородных топлив на промышленной установке Сургутского ЗСК. Для этого использовалось математическое описание процесса осаждения капель, построенное на основе модели многоскоростного континиуума и новые конструкции сепарирующих насадок.

В процессе работы получены следующие результаты:

1. На основе анализа теплотехнологической схемы выбраны оптимальные место и метод обезвоживания углеводородной смеси для снижения энергозатрат при переработке.

2. На основе проведенного анализа методов выделения воды из углеводородных смесей выбран метод тонкослойного отстаивания в динамическом сепараторе.

3. Для решения поставленной задачи удаления свободной воды из жидкого углеводородного сырья разработана математическая модель процесса осаждения капель в тонкослойных отстойниках. В результате получено однородное квазилинейное уравнение первого порядка в частных производных, которое имеет неявное аналитическое решение.

4. Разработан алгоритм расчета процесса отстаивания с учетом эффекта стесненности, профилей скорости сплошной и концентрации дисперсной фаз.

5. С помощью ППФ рассчитаны профили скорости в потоке ШФЛУ в отстьойнике Е-30 и выбрана конструкция распределителя. Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие применимость ППФ к моделированию работы динамических отстойников.

6. Проведены расчеты основных характеристик сепарационной зоны модернизированного отстойника Е-30.

7. Разработана и защищена свидетельством на полезную модель конструкция оригинальной регулярной насадки для сепаратора.

8. На основе проведенных расчетов разработаны технические решения по модернизации сырьевых отстойников Е-10, Е-20 и Е-30 значительно повышающие их эффективность.

9. Результаты аналитического контроля технологических потоков установки БИИиУПП показали высокую эффективность по отделению свободной воды в модернизированных отстойниках Е-10, Е-20 и Е-30. При стабильном технологическом режиме работы установки, сепарирующие насадки полностью отделят взвешенную воду и растворенный в ней метанол. Остаточная влага и метанол в потоке ШФЛУ после сырьевых отстойников оценивается на уровне предела растворимости в условиях показателей технологического процесса.

10. Выполнен сравнительный анализ энергетической и термодинамической эффективности схемы переработки нефтегазоконденсатной смеси до и после модернизации отстойников. Показано, что в модернизированной схеме достигается существенная экономия греющего пара, которая составляет в сумме около 5% (1800 т/год условного топлива на одной установке). Даны результаты расчетов теплового и эксергетического КПИ. В модифицированной теплотехнологической схеме эксергетический КПИ выше на 2,3%, чем существующий до модернизации.

11. Учитывая положительные результаты промышленного использования сепарирующих насадок в сырьевых отстойниках установки БИИиУПП Сургутского ЗСК, рекомендовано их промышленное внедрение для отделения остаточной влаги (химически связанной с растворенным в углеводородном потоке метанолом) в рефлюксных емкостях колонн ректификации изопентана и пропана БИИиУПП, а также рефлюксной емкости колонны ректификации К-1 установки моторных топлив.

12. Полученый экономический эффект после внедрения составил более 6 млн руб в год.

Разработанную математическую модель и алгоритмы расчета осаждения капель, конструкцию сепарирующих насадок можно использовать при решении задач по очистке нефтяных топлив от водной фазы и очистке воды от нефтепродуктов в теплоэнергетике, а так же в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.