1. Введение

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 [1].

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 [2].

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 [3], [4]. В работах [5], [6] рассматриваются методы улучшения качества расфракционирования легких углеводородов путем оптимизации существующих установок. Приведенные технологические решения увеличивают долю выхода товарного пропана, однако эти решения не являются исчерпывающими. Также некоторыми авторами рассматривается возможность оптимизации энергопотребления [7], [8] и автоматизации процесса газофракционирования [9], [10]. В патентах [11], [12] предлагаются различные варианты аппаратурного оформления блоков выделения этановой и пропановой фракции. Альтернативные технологии разделения легких углеводородов предусматривают использование мембран [13], [14], состоящих из пористых полимерных волокон, и адсорбционное разделение газов [15], [16], основанное на поглощении определенных углеводородов специальным адсорбентом. В исследовании [17] для разделения ШФЛУ представлены результаты нетрадиционной последовательности ректификации с тепловым взаимодействием (система Петлюка), использование которой потребовало меньшее суммарное количество энергии и обеспечило снижение эффекта повторного смешивания. Оптимизация работы аппаратов разделения лёгких фракций с использованием моделирующих программных систем рассматриваются в ряде публикаций [18], [19]. 

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.

2. Методы

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.

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 [20]. В аппарате К-1 (ректификационная колонна) происходит фракционирование ШФЛУ на этан-пропановую фракцию (дистиллят), которая отправляется как сырье на печи пиролиза или в топливную сеть предприятия, и кубовый продукт с углеводородным составом С3+, который направляются на дальнейшее расфракционирование в разрезную колонну «К-3;К-3а», где происходит выделение товарной пропановой фракции (дистиллят), а кубовый продукт с составом С4+ (фр.С4+) направляется в колонну К-2. В данной колонне дистиллятом отбирается сумма бутанов (i-бутан и н-бутан), дальнейшее разделение которых происходит в разрезной колонне «К-5;К-5а» c выделением товарных бутана и i-бутана. Кубовый продукт колонны К-2 в виде углеводородной фракции С5+ (фр.С5+) направляется в колонну К-4, где кубом колонны получается товарная гексановая фракция, а дистиллят, представленный суммой пентанов (i-пентан и н-пентан), поступает в разрезную колонну «К-6;К-6а», где происходит получение товарных н-пентана и i-пентана.

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.

3. Результаты и обсуждение

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.

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. 

4. Заключение

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.

The additional file for this article can be found as follows: