Снижение затрат энергоресурсов на установке деасфальтизации гудрона

DOI:

Процессы деасфальтизации используются как способ углубления переработки нефти «очисткой» гудрона от асфальтосмолистых и полициклических ароматических компонентов. В качестве растворителя, определяющего получаемые характеристики продуктов, в этих процессах применяют пропан, бутан, гептан и другие углеводороды. Процесс пропановой деасфальтизации наиболее распространен в промышленных условиях [1–7], при этом пропан выполняет функции коагулятора асфальто-смолистых веществ и, одновременно, избирательного растворителя для извлекаемых компонентов нефтяных фракций [4].

Отметим, что в процессе пропановой деасфальтизации используемые энергоресурсы достаточно большие [8–11]. Для их снижения в работах [10–12] предлагается изменение аппаратурного оформления процесса, в исследованиях [13–16] описано проведение процесса при сверхкритических условиях по отношению к растворителю. В работе [17] для расчета характеристик получаемого асфальта используется программный пакет SimSci-Esscor Pro II. В патенте [18] предлагается использовать тепло регенерированного растворителя для нагревания растворов, выходящих из экстракционной колонны. В исследовании [19] показана возможность снижения расхода пара при регенерации пропана из асфальтового раствора установки.

Цель работы – для промышленной установки пропановой деасфальтизации гудрона разработка варианта энергосберегающей технологии регенерации пропана из раствора деасфальти-зата, обеспечивающей снижение расхода пара и воды с использованием рекуперации тепловых потоков технологической схемы.

Методы

Исследования проводили с использованием моделирующей системы Honeywell UniSim

Design [20], для расчета термодинамических свойств компонентов фракций использован метод Peng-Robinson.

На рисунке 1 приведена разработанная модель технологической схемы регенерации пропана и выделения фракции деасфальтизата из раствора деасфальтизата, поступающего из экстракционной колонны промышленной установки [8].

Раствор деасфальтизата (поток см_ДеАСФ ), содержащий пропан (96,99% мас.) и углеводородные фракции (температуры кипения от 405^о С до 537^о С), выводится из экстрактора с температурой 75^о С и давлением 3530 кПа. Регенерация пропана проводится с использованием трех последовательно работающих трубчатых испарителей {Э-1 V–I}, {Э-1А V-1А} и {Э-1Б V-1Б}, отпарной колонны К-2 и конденсатора смешения К-5. Переток раствора деасфальтизата из одного испарителя в другой осуществляется за счет перепада давления. В технологических потоках снижение давления проводится с помощью клапанов VLV-106 (до 1690кПа), VLV-107 (до 1660кПа), VLV-108 (до 1500кПа) и VLV-109 (до 245кПа).

Раствор деасфальтизата (поток деасф 9 ) с остаточным содержанием пропана (до 3% мас.) из испарителя {Э-1Б V-1Б} перетекает в отпарную колонну К-2, где происходит окончательная отпарка пропана из деасфальтизата острым паром. Поток пропан 13 (смесь водяного пара и пропана) поступает на конденсатор смешения К-5 для конденсации паров воды с использованием воды. Полученная фракция деасфальтизата (поток деасф 12 ) с низа колонны К-2 откачивается в товарный парк.

Графики ИТК разгонки гудрона и полученного деасфальтизата показаны на рисунке 2.

Рисунок 1. Фрагмент «типовой» технологической схемы регенерации пропана и получения фракции деасфальтизата установки пропановой деасфальтизации гудрона (распечатка в среде Honeywell UniSim Design)

Figure 1. Fragment of a "typical" technological scheme for the regeneration of propane and the production of a fraction of deasphaltisate of a propane tar deasphaltization plant (printout in the Honeywell UniSim Design environment)

Mass Percent (%)

Рисунок 2. График ИТК разгонки гудрона и полученной фракции деасфальтизата

Figure 2. Graph of the ITK of the tar dispersal and the resulting deasphaltisate fraction

Результаты и обсуждение

Анализ энергетических потоков технологической схемы (рисунок 1) показывает, что для повышения температуры от 79,9 ^о С (поток деасф 3 ) до 120^о С (поток деасф 4 ) для трубчатого испарителя {Э-1А V-1А} требуется подвести энергетический поток Qэ-1А = 2,709 е⁵ кДж/ч. При этом величина теплового потока деасфальти-зата (поток деасф 12 ) составляет 5,746 е⁶ кДж/ч, следовательно имеется возможность передачи части теплоты от потока деасф 12 потоку деасф 3 .

Измененная технологическая схема с организацией рекуперативного теплообмена приведена на рисунке 3. Технологический поток деасф 12 отдаёт тепло в испарителе {Э-1А V-1А} и охлаждается от температуры 142,8 о С до 95,3 о С (поток деасф 12_охл), а поток раствора деасфальтизата нагревается с 79,9 о С до 120о С. В результате обеспечивается снижение энергоёмкости установки за счёт уменьшения расхода острого пара, который использовался для рассмотренного испарителя.

Проведенный вычислительный эксперимент также позволил рассмотреть используемые на промышленной установке режимные параметры и получаемые показатели работы отпарной колонны К-2 и конденсатора смешения К-5 и выполнить оценку их оптимальных значений.

Значения используемых на установке технологических режимов и компонентный состав потоков колонны К-2 показаны в таблице 1. Видно, что при расходе острого пара 150кг/ч (таблица 1а) в деасфальтизате (поток деасф 12 ) пропан отсутствует, а содержание воды в потоке пропан 13 82,83% мол. (66,34% мас.). Результаты расчетов, полученные для варианта снижения расхода острого пара с 150 кг/ч до 12кг/ч, показали, что в потоке деасф 12 остаточное содержание пропана составляет величину 0.0012% мол. (0.0001% мас.), а содержание воды в потоке пропана ( пропан 13 ), поступающего в аппарат К-5, составляет 25,6% мол. (12,33% мас.), следовательно на установке имеется возможность существенного уменьшения энергозатрат за счёт снижения потребления острого пара.

Рисунок 3. Фрагмент измененной технологической схемы регенерации пропана и получения фракции деасфальтизата установки пропановой деасфальтизации гудрона (распечатка в среде Honeywell UniSim Design)

Figure 3. Fragment of the modified technological scheme of propane regeneration and obtaining the deasphaltisate fraction of the propane tar deasphaltisation unit (printout in the Honeywell UniSim Design environment)

В конденсаторе смешения К-5 через орошение водой из потока пропан 13 удаляется вода. В таблице 2 приведены используемые на практике режимы и составы технологических потоков (входной поток пропан 13 имеет технологические параметры из таблицы 1, то есть до оптимизации расхода пара в колонне К-2).

Из таблицы 2b видно, что в потоке пропан 14 , выходящего из аппарата К-5 остаточное содержание воды 1,33% мол. (0,55% мас.). Расчёты показали возможность уменьшения расхода воды с 20000кг/ч до 6000 кг/ч. При этом в потоке

Значения технологических режимов (а) и компонентный состав потоков (b) колонны К-2

(распечатка в Honeywell UniSim Design)

Table

пропан 14 наблюдается остаточное содержание воды порядка 0,57% мол. (0,24% мас.) и практически отсутствует тяжелая углеводородная фракция, что делает возможным в промышленных условиях его рециркулирование на питание экстракционной колонны.

Отметим, что в предложенной схеме (рисунок 3) за счет уменьшения расхода пара в колонне К-2 уменьшается требуемый расход воды в колонне-конденсаторе К-5 и, как следствие, снижается её количественный сброс в канализацию.

Таблица

Values of technological modes (a) and component composition of flows (b) of the K-2 column (printout in Honeywell UniSim Design)

Name	деасф9	Пар	деасф12	пропан!3
Vapour	0,1517	1,0000	0,0000	1,0000
Temperature [C]	142,6	280,0	148,7	142,2
Pressure [kPa]	245,2	588,4	200,0	196,0
Molar Flow [kgmole/h]	9,664	8,326	8,029	9,961
Mass Flow [kg/h]	3016	150,0	2942	224,1
Std Ideal Liq Vol Flow [m3/h]	2,996	0,1503	2,849	0,2978
Molar Enthalpy [kJ/kgmole]	-6,134e+005	-2,332e+005	-7,1566+005	-2,132е+005
Molar Entropy [kJ/kgmole-C]	490,5	180,1	564,7	184,0
Heat Flow [kJ/h]	-5,928e+006	-1,9426+006	-5,7466+006	-2,124е+00б
	деасф9	Пар	деасф12	пропан13
Propane	0,176930	0,000000	0,000000	0,171648
H20	0,000000	1,000000	0,009374	0,828343
NBP[0]405*	0,078635	0,000000	0,094639	0,000005
NBP[0]420*	0,074455	0,000000	0,089610	0,000002
NBP[O]440*	0,175101	0,000000	0,210748	0,000001
N0P[O]473*	0,210197	0,000000	0,252990	0,000000
N0P[O]5O4*	0,149273	0,000000	0,179663	0,000000
N0P[O]528*	0,092987	0,000000	0,111918	0,000000
N0P[OJ556*	0,032996	0,000000	0,039713	0,000000
NBP[0J583*	0,007917	0,000000	0,009529	0,000000
NBP[0)616*	0,001510	0,000000	0,001817	0,000000

Таблица 2.

Значения технологических режимов (а) и компонентный состав потоков (b) конденсатора смешения К-5 (распечатка в Honeywell UniSim Design)

Table 2.

(a)

(b)

Values of technological modes (a) and component composition of flows (b) of the K-5 mixing capacitor (printout in Honeywell UniSim Design)

Name	Вода	пропан!3	вода	пропан!4
Vapour	0,0000	1,0000	0,0000	0,9935
Temperature [С]	15,00	142,2	19,85	18,93
Pressure [kPa]	315,0	196,0	350,0	310,0
Molar Flow [kgmole/h]	1110	9,961	1118	1,733
Mass Flow [kg/h]	2,000e+004	224,1	2,015е+004	75,83
Std Ideal Liq Vol Flow [m3/h]	20,04	0,2978	20,19	0,1492
Molar Enthalpy [kJ/kgmole]	-2,870e+005	-2,132e+005	-2,866е+005	-1,068е+005
Molar Entropy [kJ/kgmole-C]	51,05	184,0	52,35	150,1
Heat Flow [kJ/h]	-3,186e+008	-2,124e+006	-3,206е+008	-1,851 е+005	(a)
	Вода	пропанН	вода	пропан14
Propane                           J      0,0000001		0,171649	0,000000	0,986702
H20	1,000000	0,828343	1,000000	0,013252
NBP[0]405‘	0,000000	0,000005	0,000000	0,000026
NBP[0]420*	0,000000	0,000002	0,000000	0,000012
NBP[0]448*	0,000000	0,000001	0,000000	0,000006
NBP[0]473*	0,000000	0,000000	0,000000	0,000002
NBP[0]504*	0,000000	0,000000	0,000000	0,000000
NBP[0]528*	0,000000	0,000000	0,000000	0,000000
NBP[0]556*	0,000000	0,000000	0,000000	0,000000
NBP[0]583-	0,000000	0,000000	0,000000	0,000000
NBP[0]616*	0,000000	0,000000	0,000000	0,000000	(b)

Заключение

На промышленных установках пропановой деасфальтизации гудрона в качестве основного теплоносителя применяется острый водяной пар, использование которого имеет ряд известных недостатков. В качестве альтернативы его использованию для рассматриваемой установки проведено исследование возможности рекуперации теплоты технологических потоков.

С использованием программной среды Honeywell UniSim Design разработана модель установки.

Проведенный вычислительный эксперимент позволил получить следующие результаты.

Предложена энергосберегающая технология регенерации пропана из раствора деас-фальтизата, в которой в трубчатом испарителе вместо острого пара используется теплота потока выделенного деасфальтизата.

Рассчитанное уменьшение расхода острого пара в отпарной колонне К-2 снижает энаргопо-требление установки с сохранением четкости разделения регенерированного пропана и целевого продукта (фракции деасфальтизата). Отсутствие в потоке регенерированного пропана углеводородной фракции делает возможным его рециркуляцию на питание экстракционной колонны.

Показано, что в конденсаторе смешения К-5 возможно уменьшение расхода воды.

В целом, за счет снижения расхода пара, используемого в отпарной колонне К-2, и понижения расхода воды в конденсаторе К-5 уменьшается количество воды, сбрасываемой в канализацию.

Предложенная технологическая схема регенерации пропана и модель установки могут использоваться в процессах одно- и двухступенчатой деасфальтизации гудрона для их расчета и проектирования.