Модернизация изопентановой колонны газофракционирующей установки ГФУ-300 Миннибаевского газоперерабатывающего завода

Главный технологический процесс по разделению смесей на предприятиях газопереработки, нефтепереработки и нефтехимии заключается в ректификации, которую можно охарактеризовать большой сложностью, металлоемкостью и энергоемкостью конструкций массообменных аппаратов [1, с. 10].

Для проведения процесса ректификации, а также для разделения неоднородных систем преимущественно применяются колонные аппараты. В зависимости от типа применяемого контактного устройства колонные аппараты классифицируют на тарельчатые и насадочные. Тарельчатые представляют собой вертикальные цилиндрические колонны, внутри которых горизонтальные тарелки размещаются по высоте на определенном расстоянии друг от друга [2, с. 240].

При выборе типа контактных устройств в большинстве случаев руководствуются следующими критериями:

1. Технологическими: производительность, гидравлическое сопротивление, эффективность, диапазон рабочих нагрузок;
2. Конструктивными: материалоемкость, простота конструкции, удобство изготовления, монтажа и ремонта;
3. Эксплуатационными: возможность работы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложений [3, с. 39].

Зачастую данные критерии становятся преобладающими для определения пригодности той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Согласно [4, с. 347], традиционные тарелки клапанного и колпачкового типа увлекают большое количество жидкости за счет сил вязкого трения, что приводит к возникновению циркуляционных контуров в газожидкостном слое. Авторами, путем экспериментальных исследований и численного моделирования, доказано, что наибольшей эффективностью, пропускной способностью по жидкости и газу обладают тарелки с вихревыми контактными устройствами, характеризующие низкой амплитудой колебания газо-жидкостного слоя и большой межфазной поверхностью. Такие результаты достигаются, за счет дробления потока газа, с образованием пузырьков диаметром 4–8 мм по всему объему жидкости.

В качестве замены клапанной тарелки предлагается установить в колонне К-1 ОАО «Хабаровского НПЗ» саморегулируемые трапециевидно-клапанные тарелки типа «ТКМ» с большими и малыми клапанами, имеющими волнистые боковые кромки для турбулизации контактируемых фаз. Данное контактное устройство уменьшает унос жидкой фазы (за счет инерциальных сил), повышает эффект компенсации прямотока. В результате внедрения удалось достичь увеличение четкости ректификации, выход бензина с К-1 увеличился на 1,59 (157 т/сут.) [5, с. 182].

Так, в компании ОАО «Нижнекамскнефтехим» с целью увеличения наращивания мощности действующего, была произведена замена насадки фирмы «NORTON» на контактное устройство для тепломассообменных процессов производства в колонне выделения возвратного бензола. Данное устройство состоит из пакетов, развернутых по отношению друг к другу. Пакеты выполнены из вертикально ориентированных листов с выступами, образующими каналы между листами для прохода контактирующих фаз. Канал в поперечном сечении имеет вид правильного шестиугольника. Согласно [6, с. 356], в результате внедрения данного контактного устройства произойдет увеличение мощности на 11,11% при снижении капитальных затрат на 0,37%, полная себестоимость продукции снизилась на 0,66%.

Один из способов модернизации существующей технологии разделения на АГФУ является замена контактных устройств. В статье [7, с. 283] предлагается замена колпачков тарелок в колонне К-3 на более на более эффективные клапанные тарелки компании Koch-Glitch (США) с целью увеличения выработки более дорогих продуктов. Данная тарелка состоит из основания с отверстиями и установленными в них фиксированными клапанами. В результате внедрения выработка светлых продуктов в среднем увеличится на 0,011%, соответствующим требованиям, которые предъявляются к их качеству. Было доказано расчетным путем, что данная замена тарелок приведет к увеличению прибыли и рентабельности производства.

В насадочных колоннах контакт между газом (паром) и жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними. Одна из фаз при движении по насадке растекается по поверхности контактных элементов, благодаря этому увеличивается площадь межфазной поверхности. В насадочных колоннах плёнка жидкости стекает по каждому элементу насадки, затем разрушается и вновь образуется на следующем элементе. Таким образом, насадочная колонна работает в плёночном режиме [8, с. 592].

Основные причины выбора в пользу насадочных контактных устройств для установки в ректификационной колонне [9, с. 22]:

1. Возможность эксплуатации насадочных колонн при более высоких нагрузках по газу и жидкости;
2. Колонны с тарельчатыми контактными устройствами наиболее чувствительны к перекосам и к загрязнениям, вызывающим забивку отверстий в тарелках;
3. Колонны насадочного типа обладают более простыми конструкциями, менее металлоемки и на их производство затрачивается небольшие финансовые средства, что соответственно уменьшает экономические затраты.

К недостаткам [10, с. 14] насадочных колонн относятся большие объёмы аппаратов, что вызвано значительно меньшей площадью смоченной поверхности насадки по сравнению с площадью поверхности контакта фаз газожидкостного слоя на тарелке. При небольших расходах жидкой фазы насадочные колонны не применяются, так как при низкой плотности орошения насадки имеют плохую смачиваемость. Также существует проблемы с отводом тепла в насадочных колоннах.

Одной из эффективных насадочных контактных устройств является регулярная гофрированная насадка ИВЦ «Инжехим» [11] – это пакет установленных вертикально гофрированных металлических пластин. Располагаются гофры пластин под определённым углом к горизонтальной поверхности. Основное правило составление пакета так, чтобы гофры соседних пластин располагаются перекрестно. На поверхности пластин созданы фигурные шероховатости в виде выпуклостей. Данная конструктивная особенность позволяет достичь повышенного свободного объема насадки в аппарате за счет исключение взаимного проникновения насадки и равномерного распределения поверхности по сечению аппарата.

Насадки «Инжехим» внедрены в нескольких десятках массообменных аппаратов и газосепараторов:

• ректификационная колонна выделения фенола (2007 г.);
• две ректификационные колонны выделения гексена (2008 г.);
• колонны получения товарного диоксида углерода (2007-2008 гг.);
• четыре ректификационные колонны разделения этаноламинов (2006 г.);
• газосепараторы и отстойники в производстве этилена (более 15 аппаратов) (2007-2008 г.).

Результатами выполненных модернизаций является повышение качества продукции, увеличение производительности и снижение удельных энергозатрат [12, с. 3].

На Миннибаевском газоперерабатывающем заводе ПАО «Татнефть» для получения отдельных фракций из широкой фракции легких углеводородов применяется газофракционирующая установка ГФУ-300. ГФУ-300 состоит из 5 блоков. При достигнутой максимальной производительности данной установки колонна К-605, предназначения для извлечения изопентана из дебутанизированного сырья, работает на 80% от своего потенциала. Изопентан в качестве ценного сырья при ректификации уносится вместе с кубовым продуктом. В связи с этим возникает необходимость реконструкции изопентановой колонны К-605 пути замены контактных устройств с целью увеличения отбора изопентановой фракции.

В результате аналитического обзора было выявлено несколько возможных вариантов конструкции контактных устройств. Инженерным решением для увеличения отбора изопентановой фракции из дебутанизированного сырья является модернизация изопентановой колонны К-605 путем замены клапанных тарелок на регулярные насадки ИВЦ «Инжехим». Важным было то, что рассматриваемые контактные устройства должны улучшить существующую технологию процесса и минимизировать ее аппаратурное оформление. Они соответствуют требованиям безопасности, являются экономически эффективными. При этом качество получаемой продукции соответствует предъявляемым ей требованиям.

Был произведен расчет ГФУ-300 в ПО Aspen Hysys в статическом режиме при производительности установки 56 т/ч после внедрения насадки ИВЦ «Инжехим». Расчетная схема газофракционирующей установки ГФУ-300 представлена в приложении на рисунке.

Рис. Расчетная схема установки газофракционирования по проекту

Итоговый товарный баланс по аналогу и проекту представлен в таблице.

Таблица

Товарный материальный баланс установки газофракционирования по аналогу

Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод, о том, что при замене клапанных тарелок на насадки ИВЦ «Инжехим» в колонне К-605 увеличивается выход изопенатновой фракции с 3934,14 кг/ч до 5048,96 кг/ч. В годовом выражении выход целевого продукта увеличивается на 8000 тонн. Также следует отметить, что уменьшается выход фракции С6+ на 1000 кг/ч. Тем самым удалось достичь увеличения выхода изопентановой фракции из дебутанизированного сырья.

1. Лаптев, А.Г. Проектирование и модернизация аппаратов разделения в нефте- и газопереработке / А.Г. Лаптев, Н.Г. Минеев, П.А. Мальковский // – М. – Казань: Казанский Государственный Энергетический Университет, 2002. – 250 с.
2. Рудакова, А.Э. Гидродинамические характеристики тарельчатого типа колонн / А.Э. Рудакова, В.А. Керро // Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ». – 2022. – № 11. – С. 241-244.
3. Чуракова, С.К. Классификации контактных устройств с точки зрения организации контакта фаз / С.К. Чуракова // Башкирский химический журнал. – 2011. – Том 18. № 2. – С. 39-44.
4. Войнов, Н.А. Совершенствование контактных устройств барботажной тарелки / Н.А. Войнов, А.С. Фролов, А.В. Богаткова, Д.А. Земцов, О.П. Жукова // Химия растительного сырья. – 2022. – № 4. – С. 343-351.
5. Лопушанский, И.А. Реконструкция колонны К-1 на ОАО «Хабаровский нпз» / И.А. Лопушанский, С.В. Булгаков // Проблемы и перспективы развития России: Молодежный взгляд в будущее. – 2020. – С. 180-183.
6. Макушева, О.С. Оценка экономического эффекта от внедрения контактных устройств с увеличенной пропускной способностью / О.С. Макушева, А.В. Дмитриев // Вестник науки и образования. – 2011. – № 11. – С. 355-357.
7. Дряхлова, К.Н. Техническое перевооружение установки АГФУ / К.Н. Дряхлова, Ф.Р. Гариева // Вестник науки и образования. – 2014. – № 10. – С. 282-283.
8. Щербань, А.А Классификация ректификационных аппаратов колонного типа / А.А. Щербень // Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ». – № 1. – 2024. – С. 590-594.
9. Сенотрусов, А. С. Технико-экономическое обоснование замены тарелок на насадки в ректификационной колонне / А.С. Сенотрусов, М.Ю. Сарилов // Материалы IX Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум». – 2017. – С. 20-23.
10. Аппаратура процессов разделения гомогенных и гетерогенных систем: учеб. пособие / Е.А. Дмитриев, Р.Б. Комляшев, Е.П. Моргунова, А.М. Трушин, А. В. Вешняков, Л.С. Сальникова. – М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2016. – 104 с.
11. Ясавеев Х.Н., Лаптев А.Г., Фарахов М.И. Модернизация установок переработки углеводородных смесей. Казань: Издательство «ФЭН», 2004 – 307 с.
12. Лаптев, А.Г. Основы энергосберегающей модернизации аппаратов разделения веществ [Текст] / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов // «Вестник ИГЭУ». – № 1. – 2011. – С. 1-4.