Использование керосиновой фракции в качестве испаряющего агента колонны частичного отбензинивания нефти

В нефтеперерабатывающей промышленности фракционирование нефти является важнейшим промышленным процессом, который характеризуется значительным энергопотреблением, поэтому модернизация установок является очень привлекательной с точки зрения улучшения рекуперации энергии и снижения эксплуатационных расходов.

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

В технологических схемах этого процесса используются различные массообменные аппараты [1, 2]. Одни из таких аппаратов выполняют её предварительное фракционирование, при этом в промышленности обычно используются два основных типа устройств – сепараторы и ректификационные колонны (предварительные фракционаторы). В сепараторах проводится отделение легких паров от сырой нефти перед подачей в печь, затем отделенные пары направляются непосредственно в основную ректификационную колонну. Предварительные фракционаторы используются для более эффективного разделения и улучшения характеристик фракций. Образующиеся пары не поступают в основную ректификационную колонну, при этом после процесса обессоливания вместе с легкими компонентами также удаляются остатки воды, которые могут вызвать коррозию в следующих устройствах или испарение в регулирующих клапанах [3].

Предварительное фракционирование, несмотря на снижение рентабельности из-за увеличения потребности в паре, значительно улучшает общее интегрированное ресурсосбережение промышленного предприятия [1, 4–7].

Эффективность использования аппаратов предварительного разделения нефти на товарные фракции показана в работах [8–11], при этом важное значение имеет проведение комплексного технико-экономического анализа и многоцелевой оптимизации прибыли предприятия [12, 13].

Изучение возможных модификаций конструкции дистилляционной колонны или процесса предварительного фракционирования для оптимизации производственных показателей выполнено в работе [14].

К числу аппаратов предварительного фракционирования относится колонна частичного отбензинивания нефти (колонна К-1), в которой в качестве испаряющего агента используют водяной пар, обеспечивающий снижение парциального давления углеводородных компонентов разделяемой смеси (положительный фактор) [15, 16] и, вместе с тем, увеличивающий затраты энергии на перегонку, повышающий нагрузку на колонны по парам и обводнение нефтепродуктов, усиливающий коррозию конструкционных материалов и приводящий к образованию дополнительных количеств сточных вод (отрицательные факторы) [17, 18].

В работе [19] отмечается, что при использовании водяного пара четкость разделения нефти на фракции зависит от компонентного состава нефти и характеристик пара.

Из анализа перечисленных работ прослеживается технологическое желание к переводу установок на схемы, в которых вместо водяного пара в качестве испаряющего агента использовать легкие нефтяные фракции. Результаты таких исследований приведены в работах [20–23], в частности, в [22–23] показана возможность замены водяного пара на фракцию углеводородов С 1 ÷С 4 , получаемую после разделения газожидкостного потока верха колонны, а также показана возможность использования рециркулирующего дистиллята колонны.

Цель работы – исследование возможности вместо водяного пара использовать на колонне К-1 в качестве испаряющего агента керосиновую фракцию основной атмосферной колонны или отбираемую из самой колонны К-1 и сравнение получаемых показателей работы колонны при использовании водяного пара и керосиновой фракции.

Методы

Исследования проводили с использованием моделирующей системы UniSim Design. При расчете парожидкостного равновесия для ректификационной колонны использовалось уравнение состояния Пенга–Робинсона.

Моделирование работы колонны К-1 выполняли при использовании нефти, ASTM D86 разгонка которой приведена на рисунке 1.

Figure 1. ASTM D86 oil distillation: Mw = 218.3 kg/kmol, ρ20 = 858 kg/m ³

На рисунке 2 показана детализация фракционного состава нефти, на которой видно, что доля бензиновой фракции (температура конца кипения 180 ℃) составляет 0,21 от общей массы.

Для оценки возможности использования на колонне К-1 в качестве испаряющего агента керосиновой фракции ниже представлены расчеты и их сравнение с показателями работы колонны с использованием водяного пара.

Попов С.В. и др. Вестник ВГУИТ, 2026, Т. 88, №. 2, С. 379-387

В качестве керосиновой фракции использовали соответствующую фракцию основной атмосферной колонны (ОАК) и фракцию, отбираемую из колонны К-1.

Рассматривается работа типовой колонны частичного отбензинивания нефти, содержащей 22 тарелки (эффективность контактного устройства 0,8), сырье подается на 13 (основное количество) с температурой 210 ℃ и на 18 тарелки («горячая струя») с температурой 220ºС и давлением 550 кПа, давление верха и низа колонны 220 и 260 кПа соответственно. Расход испаряющих агентов, подаваемых в нижнюю часть колонны, составлял 650÷2377 кг/час как при использовании водяного пара, так и керосиновой фракции.

Рисунок 2. Содержание фракций в исходной нефти

• Figure 2.    Fraction content in the initial oil

При расчете колонны К-1 с разными испаряющими агентами оценивали и сравнивали количество достигаемого в дистилляте содержания бензиновой фракции, то есть рассматривали изменение количества лёгких углеводородов, поступающих на разделение в ОАК, а также рассматривали изменение температурного профиля колонны.

post@vestnik-vsuet.ru Результаты и обсуждение

Колонна К-1 с использованием водяного пара. На рисунке 3 приведена технологическая схема колонны К-1 с использованием в качестве испаряющего агента водяного пара.

Для колонны с использованием водяного пара потоки сырья нефть и нефть-гс подаются на 13 и 18 тарелки, поток водяного пара (пар) подается в нижнюю часть аппарата. Выходными технологическими потоками являются поток верха колонны, содержащий в себе газовую фракцию, дистиллят и водяной конденсат (поток нестаб бензин), и поток частично отбензиненной нефти (отб-нефть). Результаты расчета технологических режимов и фракционного состава дистиллята колонны приведены в таблице 1 и таблице 2. Видно, что имеется «увлажнение» выходных потоков, достигнуто частичное отбензинивание сырья (содержание бензиновых фракций выделено в таблице 2). Графики ASTM D86 разгонки сырья и частично отбензиненной нефти приведены на рисунке 4.

Рисунок 3. Схема колонны К-1 с использованием водяного пара

• Figure 3.    Diagram of the K-1 column using water vapor

Для рассматриваемой схемы в потоке дистиллята температура конца кипения бензиновой фракции составляет 146 ^о С (таблица 2b), а её количество – порядка 30,68% от содержания бензиновой фракции в сырой нефти.

Таблица 1.

Технологические режимы колонны К-1 (испаряющий агент – пар)

Table 1.

Technological modes of the K-1 column (vaporizing agent – steam)

Название потока | Stream Name	пар steam	нефть raw oil	нефть-гс heated oil	отб-нефть stripped oil	нестаб бензин unstable gasolin
Доля паровой фазы | Vapour Phase Fraction	1,0000	0,1513	0,1768	0,0000	1,0000
Температура [о С] | Temperature [o C]	300,0	210,0	220,0	195,2	91,8
Давление [кРа] | Pressure [kРа]	980,7	550,0	550,0	260,0	220,0
Массовый поток [кг/ч] | Mass Flow [kg/h]	650	1,544 e + 005	17160	1,570 e + 005	15210
Тепловой поток [кДж/ч] | Heat Flow [kJ/h]	-8,394 e+006	-2,815 e+008	-3,077 e+007	-2,844 e+008	-4,451 e+007

Таблица 2.

Фракционный состав дистиллята (a, b) колонны К-1 (испаряющий агент – пар)

Table 2.

Fractional composition of distillate (a, b) of column K-1 (vaporizing agent – steam)

Углеводород Hydrocarbon	масс. доля mass fractions		Углеводород Hydrocarbon	масс. доля mass fractions
Метан | Methane	0,015797		ИТК(0)104* | NBP(0)104*	0,137986
Этан | Ethane	0,098157		ИТК(0)116* | NBP(0)116*	0,124497
Пропан | Propane	0,025912		ИТК(0)133* | NBP(0)133*	0,015499
Изобутан | i-Butane	0,078189		ИТК(0)146* | NBP(0)146*	0,000244
н-Бутан | n-Butane	0,047655		ИТК(0)161* | NBP(0)161*	0,000001
Н2О | Н2О	0,037583		ИТК(0)175* | NBP(0)175*	0,000000
ИТК(0)47* | NBP(0)47*	0,041043		ИТК(0)188* | NBP(0)188*	0,000000
ИТК(0)63* | NBP(0)63*	0,103555		ИТК(0)204* | NBP(0)204*	0,000000
ИТК(0)75* | NBP(0)75*	0,130057		ИТК(0)218* | NBP(0)218*	0,000000
ИТК(0)89* | NBP(0)89*	0,143825	(a)	Итого | Total	1,000000	(b)

Колонна с использованием керосиновой фракции ОАК. На рисунке 5 приведена технологическая схема колонны К-1 с использованием в качестве испаряющего агента керосиновой фракции ОАК.

Аналогично предыдущей схеме потоки сырья нефть и нефть-гс подаются на 13 и 18 тарелки, поток керосиновой фракции (керосин фр.) подается в нижнюю часть аппарата. Разгонка керосиновой фракции приведена на рисунке 6.

Технологические режимы и расчётные фракционные составы потоков колонны К-1 приведены в таблице 3 и таблице 4.

Сравнивая с результатами, полученными при использовании водяного пара (таблица 2), видно, что достигается четкое частичное отбензинивание сырья, при этом отсутствует «увлажнение» выходных потоков. В дистилляте температура конца кипения бензиновой фракции выше, чем при использовании пара (было 146 ℃), и составляет 188 ℃, её количество – 33,41% от содержания бензиновой фракции в сырой нефти также больше, чем в предыдущей схеме (было 30,68%), то есть в отбензиненной нефти, поступающей в основную атмосферную колонну, количество бензиновой фракции уменьшилось на 33,41 – 30,68 = 2,73%, что можно рассматривать как существенное снижение нагрузки на основную колонну.

Кроме того, увеличение суммы бензиновых фракций важно для технологических схем, в которых используется узел вторичной перегонки бензина на фракции нк-75 ℃, 75–90 ℃ и 90–180 ℃.

Графики ASTM D86 разгонки сырья и частично отбензиненной нефти для схемы, показанной на рисунке 5, приведены на рисунке 7.

Отгон, %масс. | distilling, % by weight

Рисунок 4. ASTM D86 разгонки сырья (а) и частично отбензиненной нефти (b); испаряющий агент – водяной пар

Figure 4. ASTM D86 distillation of raw materials (a) and partially refined oil (b); the evaporating agent is water vapor

Рисунок 5. Схема колонны К-1 с использованием керосиновой фракции основной атмосферной колонны

• Figure 5.    Diagram of the K-1 column using the kerosene fraction of the main atmospheric column

  

  Отгон, %масс. | distilling, % by weight

  Рисунок 6. ASTM D86 разгонка керосиновой фракции основной атмосферной колонны

  
  

• Figure 6.    ASTM D86 dispersal of the kerosene fraction of the main atmospheric column

Сопоставление графиков на рисунках 4 и 7 демонстрирует снижение присутствия бензиновой фракции в отбензиненной нефти при использовании в колонне К-1 в качестве испаряющего агента керосиновой фракции ОАК. Отметим, что при практической реализации описанной технологической схемы на действующей установке возможны некоторые сложности, связанные с транспортировкой фракции от основной атмосферной колонны до эвапоратора и другие.

Колонна с использованием рециркулирующей керосиновой фракции. На рисунке 8 приведена технологическая схема колонны К-1 с использованием в качестве испаряющего агента керосиновой фракции, отбираемой из самой колонны.

Аналогично предыдущей схеме потоки сырья нефть и нефть-гс подаются на 13 и 18 тарелки. Поток углеводородной фракции, отбираемой с 10 тарелки (поток керосин фр.), после подогрева в теплообменнике Т3 насосом подается в нижнюю часть аппарата. В теплообменнике Т3 подогрев фракции возможен рекуперацией тепла потоками ОАК. Выходные технологические потоки – поток верха колонны, содержащий в себе газовую фракцию и дистиллят (поток нест. бензин) и поток частично отбензиненной нефти (отб-нефть).

На рисунке 9 показан компонентный состав фракции, отбираемый с 10-ой тарелки колонны К-1 и используемый в качестве испаряющего агента. Здесь основное количество (63% масс.) занимает керосиновая фракция.

Таблица 3.

Технологические режимы колонны К-1 (испаряющий агент – керосиновая фракция основной атмосферной колонны)

Table 3.

Technological modes of the K-1 column (the evaporating agent is the kerosene fraction of the main atmospheric column)

Название потока | Stream Name	керосин-фр	нефть raw oil	нефть-гс heated oil	отб-нефть stripped oil	нестаб бензин unstable gasolin
Доля паровой фазы | Vapour / Phase Fraction	1,0000	0,1513	0,1768	0,0000	1,0000
Температура [о С] | Temperature [o C]	260,0	210,0	220,0	206,7	131,3
Давление [кРа] | Pressure [kРа]	320,0	550,0	550,0	260,0	220,0
Массовый поток [кг/ч] | Mass Flow [kg/h]	2373	1,544 e + 005	17160	1,588 e + 005	15210
Тепловой поток [кДж/ч] | Heat Flow [kJ/h]	-4,306 e + 006	-2,815 e + 008	-3,077 e + 007	-2,836 e + 008	-3,645 e + 007

Таблица 4.

Фракционный состав дистиллята (a, b) колонны К-1 (испаряющий агент – керосиновая фракция основной атмосферной колонны)

Table 4.

The fractional composition of the distillate (a, b) of the K-1 column (the evaporating agent is the kerosene fraction of the main atmospheric column)

Углеводород Hydrocarbon		масс. доля mass fractions	(a)	Углеводород Hydrocarbon		масс. доля mass fractions	(b)
Метан | Methane		0,015234		ИТК(0)104*	| NBP(0)104*	0,110934
Этан | Ethane		0,090479		ИТК(0)116*	| NBP(0)116*	0,110405
Пропан | Propane		0,022527		ИТК(0)133*	| NBP(0)133*	0,064747
Изобутан | i-Butane		0,064107		ИТК(0)146*	| NBP(0)146*	0,067299
н-Бутан | n-Butane		0,038260		ИТК(0)161*	| NBP(0)161*	0,052731
Н2О | Н2О		0,000000		ИТК(0)175*	| NBP(0)175*	0,036166
ИТК(0)47*	| NBP(0)47*	0,030728		ИТК(0)188*	| NBP(0)188*	0,010305
ИТК(0)63*	| NBP(0)63*	0,077563		ИТК(0)204*	| NBP(0)204*	0,000080
ИТК(0)75*	| NBP(0)75*	0,098007		ИТК(0)218*	| NBP(0)218*	0,000000
ИТК(0)89*	| NBP(0)89*	0,110428		Итого | Total		1,000000

Отгон, %масс. | distilling, % by weight

Рисунок 7. ASTM D86 разгонка сырья (а) и частично отбензиненной нефти (b); испаряющий агент – керосиновая фракция основной атмосферной колонны

Figure 7. ASTM D86 dispersal of raw materials (a) and partially refined oil (b); the evaporating agent is the kerosene fraction of the main atmospheric column

Рисунок 8. Схема колонны К-1 с использованием рециркулируемой керосиновой фракции

• Figure 8.    Diagram of the K-1 column using recycled kerosene fraction

Результаты расчета технологических режимов и фракционного состава потоков приведены в таблицах 5 и 6. Видно, что достигается четкое частичное отбензинивание сырья, отсутствует «увлажнение» выходных потоков. Для рассматриваемой схемы в потоке дистиллята температура конца кипения бензиновой фракции составляет 188 ℃ (аналогично схеме на рисунке 5), её количество – 33,35% от содержания бензиновой фракции в сырой нефти, то есть в отбензиненной нефти, поступающей в основную атмосферную колонну, количество лёгких углеводородов уменьшилось на 33,35 – 30,68 = 2,67%.

Рисунок 9. Компонентный состав рециркулируемой керосиновой фракции

• Figure 9.    Component composition of the recycled kerosene fraction

Графики ASTM D86 разгонки сырья и частично отбензиненной нефти для схемы, показанной на рисунке 8, приведены на рисунке 10, откуда видно снижение присутствия бензиновой фракции в отбензиненной нефти при использовании в колонне К-1 в качестве испаряющего агента рециркулирующей керосиновой фракции.

Таблица 5.

Технологические режимы колонны К-1 (испаряющий агент – рециркулирующая керосиновая фракция)

Table 5.

Technological modes of the K-1 column (evaporating agent – recirculating kerosene fraction)

Поток Stream	кф 3 kerosine	нефть raw oil	нефть-гс heated oil	кф drow kerosi	отб-нефть stripped oil	нестаб бензин unstable gasolin
Доля паровой фазы | Vapour Phase Fraction	0,8551	0,1513	0,1768	0,0000	0,0000	1,0000
Температура, ℃ Temperature, ℃	260,0	210,0	220,0	173,4	206,8	126,2
Давление кРа | Pressure kРа	320,0	550,0	550,0	237,1	260,0	220,0
Массовый поток кг/ч | Mass Flow kg/h	2373	1,544 e + 005	17160	2373	1,564 e + 005	15210
Тепловой поток кДж/ч | Heat Flow kJ/h	-8,394 e+006	-2,815 e+008	-3,077 e+007	-5,164 e+006	-2,844 e+008	-4,451 e+007

Анализ расчётных результатов, полученных для колонны К-1 при использовании в качестве испаряющего агента керосиновой фракции ОАК и циркулирующей фракции из колонны К-1, показал их практическую близость, в том числе по флегмовому числу

R = 0,33 и Тниз и Тконд (206,5; 126,1 ℃) и (206,8; 126,2 ℃) соответственно. Для промышленного предприятия выбор варианта использования испаряющего агента целесообразно сделать с учётом технико-экономической оценки рассмотренных схем.

Таблица 6.

Фракционный состав дистиллята колонны К-1 (испаряющий агент – рециркулирующая керосиновая фракция)

Table 6.

Fractional composition of distillate of column K-1 (evaporating agent – recirculating kerosene fraction)

Углеводород | Hydrocarbon		масс. доля | mass fractions	(a)	Углеводород	| Hydrocarbon	масс. доля | mass fractions	(b)
Метан | Methane		0,015254		ИТК(0)104* |	NBP(0)104*	0,110751
Этан | Ethane		0,090610		ИТК(0)116* |	NBP(0)116*	0,110180
Пропан | Propane		0,022555		ИТК(0)133* |	NBP(0)133*	0,064578
Изобутан | i-Butane		0,064162		ИТК(0)146* |	NBP(0)146*	0,067104
н-Бутан | n-Butane		0,038290		ИТК(0)161* |	NBP(0)161*	0,052560
Н2О | Н2О		0,000000		ИТК(0)175* |	NBP(0)175*	0,035898
ИТК(0)47*	| NBP(0)47*	0,030726		ИТК(0)188* |	NBP(0)188*	0,011351
ИТК(0)63*	| NBP(0)63*	0,077530		ИТК(0)204* |	NBP(0)204*	0,000216
ИТК(0)75*	| NBP(0)75*	0,097934		ИТК(0)218* |	NBP(0)218*	0,000000
ИТК(0)89*	| NBP(0)89*	0,110300		Итого | Total		1,000000

Отгон, “Амасе. | distilling, % by weight

Рисунок 10. ASTM D86 разгонка сырья (а) и частично отбензиненной нефти (b); испаряющий агент – рециркулирующая керосиновая фракция

Температурный профиль колонны К-1 при использовании рассмотренных испаряющих агентов показан на рисунке 11.

Отметим, что аналогичный по виду температурный профиль по высоте колонны при разных испаряющих агентах указывает на достаточно близкие нагрузки и параметры по высоте колонны: секция 1 (тарелки 1–12) секция 2 (тарелки 13–17) и секция 3 (тарелки 18–22). При этом температура в конденсаторе и низа колонны К-1 при использовании керосиновой фракции порядка 126 и 207 ℃, что выше соответствующих температур 92 и 195 ℃ при использовании водяного пара.

Figure 10. ASTM D86 dispersal of raw materials (a) and partially distilled oil (b); evaporating agent – recirculating kerosene fraction

Tray Position from Top

(a)

Tray Position from Top

(c)

(b)

Рисунок 11. Температурный профиль колонны К-1 при использовании водяного пара (а), керосиновой фракции основной атмосферной колонны (b) и рециркулирующей керосиновой фракции (с)

Figure 11. Temperature profile of the K-1 column using water vapor (a), kerosene fraction of the main atmospheric column (b) and recirculating kerosene fraction (c)

Заключение

Проведенный вычислительный эксперимент показал, что на колонне К-1 в качестве испаряющего агента вместо водяного пара можно использовать керосиновую фракцию основной атмосферной колонны или циркулирующую керосиновую фракцию самой колонны, при этом имеется возможность регулировать количество и фракционный состав дистиллята, в частности содержание в нём фракций нк-180 ℃. Применение технологической схемы с керосиновой фракцией в качестве испаряющего агента позволит устранить недостатки использования водяного пара, его экономию для других нефтехимических процессов и разгрузить основную атмосферную колонну.