Совершенствование технологической схемы установки газофракционирования широкой фракции легких углеводородов

Широкое развитие нефтехимии привело к бурному спросу на отдельных товарные углеводороды, которые повсеместно используются нефтехимической промышленностью. Перед многими предприятиями встал вопрос о возможности увеличения выхода товарных легких углеводородов, а также улучшения их качественных показателей. Практический интерес ректификации широкой фракции лёгких углеводородов (ШФЛУ) заключается в квалифицированном расфракционировании углеводородных фракций, от четкости разделения и качественных показателей которых зависит их дальнейшее применение в нефтехимической отрасли

В последняя время заметную актуальность приобрело использование пропановой и этановой фракции в процессе пиролиза. Получаемые в результате этого процесса этилен и пропилен могут быть использованы для производства полимеров или при алкилировании различных углеводородов.

В промышленных условиях на многих предприятиях достигается недостаточно четкое разделение легких углеводородов С1÷С3, приводящее к их взаимному присутствию во фракциях, что введет к ощутимым экономическим потерям из-за отклонения от норм технических условий товарных углеводородов

Узел выделения этан-пропановой и пропановой фракции представляют наибольший интерес с точки зрения исследования возможностей оптимизации и модернизации технологической схемы, направленных на увеличение выхода товарного пропана с улучшением его качественных показателей и оценки возможности получения этановой фракции в соответствии с техническими условиями ТУ 0272-022-00151638-99.

Проблема недостаточно чёткого разделения различных углеводородов часто на практике связана с несоблюдением оптимального технологического режима действующей установки, отклонением от температурного профиля по высоте колоны, неустойчивой работой внутренних контактных устройств

Цель работы – поиск возможных технологических решений для минимизации содержания пропана в этан-пропановой фракции (ЭПФ) и получение товарных фракций с характеристиками, улучшающими показатели действующих технических условий.

Сырьё газофракционирующей установки – ШФЛУ, поступающая с нефте- и газоперерабатывающих предприятий. Состав ШФЛУ не постоянен, и доля легких углеводородов в нём постоянно варьируется. В зависимости от количественного состава углеводородных фракций можно номинально выделить три вида широких углеводородных фракций (ШУФ): легкая, средняя и тяжелая. Усредненный компонентный состав ШУФ представлен в таблице 1 и на рисунке 1. 

Рисунок 1 - Диаграммы компонентных составов ШУФ

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.43.2

Лёгкая ШУФ содержит большое количество легких газов, таких как этан и пропан. Средняя ШУФ, в свою очередь, имеет большее количество бутан-изобутановой фракции, а в составе тяжёлой ШУФ присутствует большее количество пентан-изопентановой и гексановой фракций.

На рисунке 2 показана технологическая схема типовой газофракционирующей установки, разработанная в моделирующей среде Unisim Design

Рисунок 2 - Технологическая схема действующей газофракционирующей установки

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.43.3

Для действующей технологической установке актуальной проблемой является частичный унос пропана в потоке ЭПФ. Потеря пропановой фракции в зависимости от углеводородного состава поступающего ШФЛУ составляет 10÷25% от его номинального количества в сырье. Данная проблема уже давно стоит перед предприятиями, однако реализации различных технологических решений не дали существенного решения данной проблемы. Компонентный состав потоков колонны К-1 для различных ШУФ представлен в таблице 2.

Проведение вычислительного эксперимента, направленного на изучение возможности максимизации выхода товарного пропана, показало, что действующая ректификационная колонна К-1 способна обеспечить минимальное содержание пропана в потоке ЭПФ (0,1% масс.) при условии поддержания низких температур вверху колоны, что на практике потребует значительных и постоянных затрат на подачу хладогента для поддержания оптимальных температур. Расчётами установлено, что изменение технологических параметров колоны К-1 и направления потоков технологической схемы газофракционирующей установки может существенно улучшить качество разделения без использования методов низкотемпературной ректификации. В частности, полное испарение пропана и его вовлечение в поток ЭПФ позволяет произвести в дальнейшем разделение данной фракции на метан-этановую и пропановую фракции с помощью новой дополнительной колонны-деэтанизатора Кдоп. Измененная технологическая схема установки газофракционирования ШФЛУ, реализующая сказанное, представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Предлагаемая технологическая схема газофракционирующей установки

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.43.5

Существенное отличие предлагаемой технологической схемы от типовой заключается во включении в схему новой колоны Кдоп, изменении технологических параметров колоны К-1 для максимального вовлечения пропана в поток ЭПФ, изменении направления технологических потоков и высвобождении разрезной колоны «К-3;К-3а». Значения заводских и предлагаемых технологических параметров для колонны К-1 представлены в таблице 3.

В отличие от схемы на рисунке 2 в колонне К-1 (рисунок 3) происходит выделение ЭПФ с максимальным содержанием в ней пропана, которая далее поступает на питание колоны Кдоп, где происходит выделение товарных пропановой и этановой фракций. В свою очередь, углеводородная фракция С4+ с куба колоны К-1 поступает в колонну К-2. Дальнейшие разделение углеводородов происходит по существующей технологической схеме (на рисунке 2 и рисунке 3 соответствующие фрагменты схем идентичны).

Схема получения товарных этановой и пропановой фракций в колонне Кдоп показана на рисунке 4, её технологические параметры и компонентный состав потоков представлены в таблице 4 и таблице 5 соответственно. Предлагаемая технологическая схема подразумевает вывод из работы разрезной колоны «К-3;К-3а» по причине того, что расчётное давление данных аппаратов не позволяет использовать их в модернизированной технологической схеме. В колонне Кдоп величина давления составляет ~ 26 кгс/м2 и его снижение нецелесообразно, так как это приведет к необходимости поддержания отрицательных температур в конденсаторе верха колонны. 

Рисунок 4 - Схема получения товарных этановой и пропановой фракций

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.43.7

Для типовой газофракционирующей установки с ректификационными аппаратами в моделирующей среде была построена адекватная модель, с использованием которой вычислительным экспериментом показано, что на существующей технологической схеме не удаётся добиться заметного снижения потерь пропана с ЭПФ. В предложенной технологической схеме изменено направление потока пропана – дистиллятом колонны К-1 отбирается фракция С1÷С3, а углеводороды С4+ отбираются кубовым продуктом и направляются на дальнейшее фракционирование в соответствии с существующим оформлением процесса. Для разделения фракции С1÷С3 в схему включена дополнительная колонна-деэтанизатор Кдоп, обеспечивающая не только выделение из ШФУ номинального количества пропана, но и получение этановой и пропановой товарных фракций с улучшенными характеристиками в сравнении с соответствующими показателями нормативных документов. В предложенной схеме обеспечивается сохранение количественного и качественного выхода остальных индивидуальных товарных углеводородов.

В предлагаемой технологической схеме высвобождается разрезная колонна «К-3;К-3а», которая может быть использована для решения других задач предприятия.

Расчёты показали, что использование предлагаемой технологической схемы с колонной Кдоп позволит на практике получить дополнительную экономическую выгоду, а затраты на реконструкцию установки окупаются в течение трёх лет.

Разработанные модели схем ректификация ШФЛУ могут использоваться для оценки режимных и конструкционных параметров массообменных колонн и анализа достигаемых показателей процесса.