850万吨年辽河原油掺炼凝析油蒸馏装置工艺设计毕业设计论文Word文件下载.docx
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同理,当混合蒸汽部分冷凝时,冷凝液中所含的难挥发组分将比气相中的多,也能进行一定程度的分离[1]。
这种通过加热造成气液两相物系,利用物系中各组分挥发度不同的特性以实现分离的操作称为蒸馏[2]。
1.1.2原油蒸馏的目的及重要意义
原油是极其复杂的混合物,通过原油的蒸馏可以按所制定的产品方案将其分割成直馏汽油,煤油,轻柴油或重柴油馏分及各种润滑油馏分和渣油等。
原油蒸馏是石油加工中第一道不可少的工序,故通常称原油蒸馏为一次加工,其他加工工序则称为二次加工。
蒸馏过程的到得这些半成品经过适当的精制和调和便成为合格的产品,也可以按不同的生产方案分割出一些二次加工工程所用的原料,如重整原料,催化裂化原料,加氢裂化原料等,以便进一步提高轻质油的产率或改变产品质量[3]。
原油的一次加工能力即原油蒸馏装置的处理能力,常被视为一个国家炼油工业发展水平的标志。
2009年,世界原油蒸馏装置加工能力为4361.17Mt/a,比2008年增加1.9%,中国原油蒸馏装置加工能力约达375Mt/a。
预计2015年,我国的原油蒸馏能力将达到560Mt/a。
新建和扩建的炼油能力2/3将分布在华东和华南地区。
表1-12009年世界原油蒸馏能力地区分布[4]Mt/a
地区
炼厂数
常压蒸馏
非洲
亚太
东欧及前苏联
中东
北美
南美
西欧
世界合计
45
161
89
44
154
66
102
661
163.92
1176.38
517.18
362.27
1067.14
328.56
745.73
4361.17
1.1.3常减压蒸馏流程
所谓工艺流程,就是一个生产装置的设备、机泵、工艺管线和控制仪表按生产的内在联系而形成的有机组合。
经过脱盐脱水的原油由泵输送,流经一系列换热器,与温度较高的蒸馏产品换热,再经管式加热炉被加热至370℃左右,此时原油的一部分已汽化,油气和未汽化的油一起经过转油线进入一个精馏塔。
此塔在接近大气压力之下操作,故称常压(精馏)塔,相应的加热炉就称作常压(加热)炉。
原油在常压塔里进行精馏,从塔顶馏出汽油馏分或重整原料油,从塔侧线引出煤油和轻重柴油等侧线馏分。
塔底产物称常压重油,一般是原油中沸点高于350℃的重组分,原油中的胶质,沥青质等也都集中在其中。
为了取得润滑油料和催化裂化原料,需要把沸点高于350℃的馏分从重油中分离出来。
如果继续在常压下进行分离,则必须将重油加热至四五XX以上,从而导致重油,特别是其中的胶质、沥青质等不安定组分发生较严重的分解、缩合等化学反应。
这不仅会降低产品的质量,而且会加剧设备的结焦而缩短生产周期。
为此,将常压重油在减压条件下进行蒸馏,温度限制在420℃以下。
从减压塔顶逸出的主要是裂化气、水蒸气以及少量的油气,馏分油则从侧线抽出。
减压塔底产品是沸点很高(约500℃以上)的减压渣油,原油中绝大部分的胶质、沥青质都集中在其中。
减压渣油可作锅炉燃料、焦化原料,也可以进一步加工成高粘度润滑油、沥青或催化裂化原料[5]。
一般的石油馏分沸点范围见下表1-2
表1-2一般石油馏分的沸点范围[6]
馏分
沸点
℃
℉
轻石脑油
汽油
重石脑油
煤油
轻柴油
重柴油
润滑油
减压蜡油
渣油
-1-150
-1-180
150-205
205-260
260-315
315-425
>
400
425-600
600
30-300
30-335
300-400
400-500
500-600
600-800
750
800-1000
1000
1.2辽河原油性质
辽河油区位于辽宁省南部,是我国第三大油区。
1994年原油产量1420×
l04t[7],近几年来,原油产量呈下降趋势,2004年原油产量已降为l296×
l04t,这主要是由于老油井已进入高含水期采油阶段、稳产技术难度加大、钻新调整井和外围开发井所增加的可采储量不能与当年预期产油量相平衡等原因造成的。
辽河原油是我国原油性质较差的一种原油,近年来,随着油田的不断开采及稠油资源的不断开发,辽河原油有逐年变重的趋势,其轻馏分油减少,重馏分油增加,重油加工难度进一步增大。
由以下两表可以看出,辽河原油具有密度大,黏度高,残炭,酸值,氮含量及金属镍含量都较高的特点,金属镍钒含量也是国产原油中较高的;
轻质油收率低,渣油产率高,到500℃及到640℃的总拔出率都不高,分别为49.13%和64.53%,渣油含量高[8]。
表1-3辽河原油的一般性质[8]
项目
数据
密度(20℃)/kg·
m-3
947.5
粘度(50℃)/mm2·
s-1
472.9
凝点/℃
+2
闪点(开口)/℃
96
盐含量/mgNaCl·
L-1
5.02
残炭/(%)
8.93
蜡含量/(%)
7.75
胶质、沥青质/(%)
21.22
水分/(%)
0.6
s/(%)
0.25
N/(%)
0.56
Ni
55.8
V
0.8
Fe
13.2
Pb
表1-4辽河原油深度蒸馏结果[8]
沸点范围
/℃
收率(占原油)/(%)
每馏分
累计
IBP~200
200~350
350~400
400~450
450~500
4.16
16.30
4.02
14.93
9.72
20.46
24.48
39.41
49.13
500~535
3.39
52.52
535~570
4.63
57.15
570~605
3.91
61.06
605~640
3.47
64.53
640
34.74
99.27
损失
0.73
100.00
1.3凝析油
1.3.1凝析油性质及特点
凝析油是一种主要成分为石脑油的超轻质原油,一般含石脑油馏分在55%左右,其主要成分是C5至C11+烃类的混合物,并含有少量大于C8的烃类及二氧化硫、噻吩类、硫醇类、硫醚类和多硫化物等杂质,其馏分多在20-200℃之间,挥发性好,是生产溶剂油的优质原料。
凝析油的特点是在地下以气相存在,采出到地面后则呈液态。
凝析油到了地面是液态的油,在地层中却是气体,叫凝析气。
凝析气是石油在高温高压条件下溶解在天然气中形成的混合物。
凝析气藏位于地下数千米深的岩石中,开发得到的主要产品是凝析油和天然气。
目前,我国没有专门用于加工凝析油的炼油装置,一般采取掺炼的方式进行加工;
石蜡基凝析油一般用作乙烯裂解料,中间基、环烷基凝析油可作为芳烃重整料[9]。
1.3.2凝析油脱汞
很多国家和地区的凝析油中都含有汞及其化合物。
凝析油中的汞含量一般为10-3000μg/L[10]。
汞可分为单质汞、离子态汞及有机汞。
通常来说凝析油中既可能含有单质汞(Hg0),也可能含有机汞Hg(CXHY)2。
造成凝析油污染的是单质汞(Hg0)和二烃基汞化合物,主要指二甲基[(CH3)2Hg]汞或二乙基汞[(C2H6)2Hg][11,12]
传统的凝析油脱汞工艺均是基于化学吸附原理的单一接触反应。
脱汞剂中的反应物质和汞生成化合物从而将其脱除。
由于凝析油自身物化性质的局限性及其液体性质与脱汞剂有限的接触面积,难以达到更进一步的脱汞要求和最佳的脱汞效率。
目前,国外开发了新型的凝析油脱汞工艺,如汽提吸收—吸附脱汞工艺和加氢分解—吸附脱汞工艺。
(1)气体汽提—吸附脱汞工艺气体汽提—吸附脱汞工艺过程使用的反应物为汽提气(天然气、空气等)+银、硫或金属硫化物,载体为氧化铝或活性炭。
脱汞过程分为两个阶段,第一阶段是在汽提塔中填料的作用下,凝析油中的汞进入汽提气;
第二阶段是携带汞的汽提气通过汞吸收装置脱汞。
(2)有机汞氢解—吸附脱汞工艺有机汞氢解一吸附两步脱汞工艺使用的脱汞剂反应物为氢气+镍/钯+金属硫化物,载体为二氧化硅、氧化铝或活性炭等。
该工艺能同时脱除单质态汞及有机汞化合物,脱汞过程分为两个阶段:
第一阶段是在通入氢气的条件下,有机汞在催化剂(一般为钯或镍)的作用下发生加氢催化分解反应,分解为单质汞溶解于凝析油中;
第二阶段是在一定温度下(环境温度,操作温度通常不超过100℃),使用金属硫化物脱汞剂吸附凝析油中大量溶解态单质汞[13]。
1.4原油掺炼
随着市场对石油产品需求的不断增长和国内原油资源的不足,炼油厂正在加工越来越多的进口原油和海洋原油,且加工的品种不断增多,由于油种多,进厂批量少,因此原油掺炼的情况普遍存在。
原油的合理掺炼,不仅可以提高拔出率,还可以减轻对装置的腐蚀,延长开工周期;
使常压和减压装置负荷均衡,提高处理量;
改善产品质量;
降低能耗。
而且,当一种原油的性质不适应设备的时候,可以通过原油的掺炼来改善。
因此石油的掺炼对于石油工业是个十分重要的环节。
石油掺炼的研究也相应得到了重视。
1.4.1原油掺炼的原理
混合原油蒸馏能提高拔出率是以前苏联学者提出的“原油的复杂结构单元”理论[14]为基础的。
“原油的复杂结构单元”理论认为,由于分子间有范德华力,石油中的一部分高分子化合物相互缔合,形成一些分子集团(即超分子结构),这些超分子结构外表面有过剩的能,会形成一个附加的引力场,使介质中一部分分子量较小的异构化程度很低的烃类吸附或溶解在超分子结构的周围,形成以超分子为核心(半径R)有吸附层或溶剂化外壳(厚度为H)的复杂结构单元。
在蒸馏时,一部分存在于溶剂化外壳中的低分子烃类由于受到核的附加引力的作用而会在达到其正常沸点时难以转入气相,使蒸馏时的拔出率降低。
在和其他油品混合后,分散介质的溶解力发生变化,从而改变R和H的大小,在最佳条件下能使溶剂化外壳中的低分子烃类释放出来,转移到分散介质中,从而增加流出物的数量,使拔出率提高。
该理论有一特性,即两种油品按不同比例调配,当混合油品的粘度最低时,混合油品的蒸馏拔出率最高,此时的混合比例即是最佳比例[15]。
1.4.2掺炼比的研究与应用
对生产数据的分析结果表明,选择合适的掺炼比例,可以使常减压装置总拔增加1%~5%;
掺炼比例不合适,则会使总拔降低1%~3%。
因此,开展原油的优化掺炼工作显得尤为迫切和必要。
1990年中石化总公司第二届常减压年会也把“优化掺炼比提高拔出率”作为攻关项目,国内对此已经开展了一些研究工作,取得了一定的成果。
选择合适的掺炼比,优化原油加工,对提高炼厂的经济效益具有非常重要的意义,同时也为控制产品的结构和提高产品的质量提供了新的途径[16]。
因此,原油的最佳掺炼比应包括以上诸方面,是一个整体的优化。
经过实验得出结论:
(1)两种原油按不同比例掺炼,可能会使总收率增加,也可能减少,因此选择合适的掺炼比例很重要。
(2)轻质和中质、重质原油混合,一般趋势都能提高收率,其混合比例一般以轻质原油20~30%,中质、重质原油70%~80%为最佳掺炼比,可以提高总拔1%~5%,通常柴油和蜡油馏分收率增加,汽油馏分收率减少。
轻质原油间的混合,其收率大都降低,应避免掺炼。
(3)可以通过调整合适的掺炼比来达到增加某一特定馏分收率的目的,且馏分油收率的增加不会改变其产品特性。
(4)原油掺炼总收率的增加,与混合原油的粘度和凝固点有很强的关联性,一般粘度和凝固点降低收率增加,反之亦然。
(5)原油掺炼提高收率,对设备和操作不需作大的变动,投资也不大,在我国原油日益变重和原油掺炼日益普遍的今天,有很大的现实意义。
掺炼日益普遍的今天,有很大的现实意义。
(6)由于原油最佳掺炼比的范围较窄,因此常减压装置要有较精确的控制掺炼比设施,才能保证收率最大化[17]。
1.5新技术在常减压蒸馏装置中的应用
1.5.1液体抽空器
伴随着原油价格的不断提高,以及原油重质化和劣质化日趋严重,炼油企业如何保持自身的盈利性就成为一个越来越严峻的问题。
为了提高盈利性和满足环保标准,炼厂节能减排已经成为首要之举。
对常减压装置而言,蒸汽是除燃料油或燃料气之外最大的能耗,而减顶抽真空系统是减压蒸馏过程中蒸汽耗量最大的设备,降低这部分消耗,意义重大。
新型液体喷射技术的核心喷射器用可备选的各种液体作动力介质,能稳定可靠地提供系统真空,并可大幅度节省操作费用,而且几乎没有酸性水排放。
在青海油田格尔木炼油厂改造项目中,减压塔抽空系统采用了Hi-jet液体喷射技术,以文丘里原理为设计基础,高速循环液体从喷嘴处高速喷出,高分散液体向气体传递,形成超声速的气—液两相流,在喷嘴下方形成负压区域,将减压塔顶气体抽入喷射器的混合室,继而达到抽真空目的,在整个过程中,液体的动能转化为压缩气体的势能。
循环液从分离器的底部用泵抽出,经冷却后输送到喷射器的喷嘴,形成喷射循环。
在液体循环和气体升压过程产生的热量以及气体带入的热量被循环溶液携带,通过冷却器移出系统。
液体喷射器的优点:
(1)能耗大幅度降低。
通过对比,在达到相同减压塔真空度前提下,采用蒸汽喷射抽真空系统时,蒸汽消耗为3.85t/h。
而采用液体喷射器系统时,两级循环泵的电力消耗总和为671kW/h,能耗降低42%左右。
如果考虑冷却系统的能耗,总能耗降低47%左右。
(2)操作灵活。
单开一级抽空器可以实现减压塔顶真空度40mmHg(a),开两级抽空器时,减压塔顶真空度达15mmHg(a)。
(3)环境友好。
由于格尔木炼厂减压塔采用干式操作,而抽空介质是常二线或常三线油,使得抽真空系统没有任何污水排放,也没有减顶柴油的乳化问题。
相比减压塔顶采用蒸汽的抽空系统,污水排放量大大降低,柴油乳化问题也迎刃而解。
[18-21]
1.5.2板式换热器
(1)板式换热器结构管壳式换热器中,冷流体和热流体分别在管程或壳程中流动实现传热。
板式换热器与其类似,也是间壁式换热器,主要有框架和板片两大部分组成。
板片由各种材料制成,由各种不同形式的模具压成形状各异的波纹,并在板片的四个角上开有角孔,用于介质的流道。
板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封或焊接。
各种板片之间形成薄矩形通道,通过板片进行热量交换。
冷热流体在板片间也是逆流换热,与管壳式换热器相同,可根据需要,实现单流程及多流程换热。
金属片的材质一般是不锈钢,其厚度随操作介质腐蚀成分及含量的差异而变化。
板式换热器的原理示意图如图1-1[25]所示。
(2)板式换热器特点①传热系数高。
板式换热器传热系数更高,一般在3000—4500(kcal/m2)·
℃·
h,比管壳式提高3~5倍。
②回收更多热能。
在热流温度一定情况下,板式换热器能回收更多热能。
由于流体在板式换热器换热板组内呈错流和逆流换热以及其良好的传热性能,使得冷介质能够加热到非常接近热介质的进口温度(称为温度端差),这对于热回收工作非常重要。
在单台板式换热器中,液液工况下可以实现3℃的温度端差,而两相工况下温度端差最小可达5℃。
这就可以使原油达到更高的换热终温[22,23]。
③可显著降低设备投资,缩短投资回收期。
随着加工原油硫含量和酸值提高,换热器材质升级极大提高了设备投资,在换热网络中某些台位采用板式换热器,可以显著降低投资。
④可显著降低设备安装面积。
板式换热器比列管式换热器更紧凑,在相同体积下,板式换热器换热面积是列管式数倍,列管式换热器紧凑度一般是78m2/m3,板式换热器一般是220m2/m3。
这就使得在相同换热面积前提下,板式换热器金属耗量大大降低[24,25]。
1.6蒸馏塔的腐蚀与防护
1.6.1常压塔的腐蚀状况
目前,国内大部分石化厂常压塔装置均存在着不同程度的腐蚀现象。
胜利炼油厂第二常减压装置常压塔在运行过程中顶部塔壁多处出现腐蚀穿孔,底部进料段塔壁出现壁厚减薄和凸凹变形。
洛阳石化总厂催化裂化常压塔频频出现结盐现象,在短短10个周期240天的时间里结盐次数达l2次之多。
安庆炼油厂常压塔顶部油气冷却器出口管线仅一年就发生6次穿孔[26]。
1.6.2腐蚀类型及机理
(1)低温HCl—H2S—H2O腐蚀。
此腐蚀主要发生在常压塔的上部,如:
塔盘、塔体及部分挥发线、冷凝冷却器、油水分离器、放水管及转油线等部位。
引起HCl—H2S—H2O腐蚀的主要原因是原油中含有盐[27]。
在原油加工过程中,原油中
含有的MgCl2、CaCl2:
因加热水解生成腐蚀介质HC1,其反应式为:
MgCl2+2H2O→Mg(OH)2+2HCl
CaCl2+2H2O→Ca(OH)2+2HCl
水解生成的HCl和硫化物遇热分解生成的H2S,并随挥发油气一起进入塔顶及冷凝冷却系统。
系统处于干态时,由于HCl和H2S几乎都呈分子结构,其腐蚀性较弱,而系统含水时(当温度低于水的露点,冷凝冷却系统冷凝结露出现水滴),HCl即溶于水形成腐蚀性十分强烈的稀盐酸腐蚀环境,再加上H2S就会构成循环腐蚀[28]。
(2)硫及硫化合物腐蚀原油中存在的各种硫化物,如:
硫化氢、硫醇、单质硫、硫醚等只有活性硫化物才能发生腐蚀。
活性硫化物是非活性硫化物在高温受热分解产生的,温度在350~400℃时腐蚀最为严重。
常压塔中硫含量在0.67%(质量)左右,操作温度在350℃左右,当温度在24
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