1. Введение

В современных условиях химической, нефтегазовой и перерабатывающей промышленности наблюдается тенденция расширения ассортимента продукции и повышения её качества, поскольку от степени разделения углеводородных фракций зависит возможность их дальнейшего применения. На многих предприятиях наблюдается недостаточно чёткое разделение лёгких углеводородов, приводящее к взаимному присутствию компонентов в товарных фракциях и, как следствие, к экономическим потерям из-за несоответствия продукции требованиям технических условий.

Процесс ректификации является одним из основных методов разделения многокомпонентных смесей. Его популярность обусловлена универсальностью и способностью обеспечивать высокую чистоту продуктов разделения. В то же время ректификация отличается высокой энергоёмкостью: на неё приходится до 40% энергопотребления в химико-технологическом секторе

[1]

В связи с энергетическими и технологическими ограничениями традиционной ректификации возникает необходимость интенсификации процессов разделения. Интенсификация ректификационных процессов направлена на повышение эффективности и снижение энергозатрат, в том числе за счёт внедрения новых схем, аппаратурных решений и автоматизации процессов

[1][2]

Особое внимание при разделении лёгких углеводородов уделяется узлу выделения этан-пропановой и пропановой фракций. Это обусловлено тем, что использование данных фракций становится всё более востребованным в процессе пиролиза — они служат ценным сырьём для производства этилена и пропилена, применяемых далее при синтезе полимеров и алкилировании углеводородов. На отечественных установках сырьём пиролиза преимущественно служит этан-пропановая фракция, поэтому повышение эффективности её разделения имеет важное прикладное значение. Таким образом, задача увеличения выхода пропановой фракции требуемого качества и, при возможности, получения отдельной этановой фракции является актуальной для нефтегазоперерабатывающих предприятий.

Эффективным инструментом решения задач разделения лёгких углеводородов выступают методы математического моделирования. Моделирование используется как на этапе проектирования (статические расчёты балансов и ректификационных колонн), так и на этапе эксплуатации для анализа динамического поведения установки, отработки режимов пуска/останова и систем управления. Помимо этого, быстрое развитие методов вычислительной гидродинамики (

[3]

Моделирование стационарного состояния газофракционирующих установок (ГФУ) используется при проектировании и оптимизации для расчета материальных и тепловых балансов, определения параметров оборудования (число тарелок или высота насадки колонн, расход и состав потоков, требуемые теплонагрузки в ребойлерах и конденсаторах и др.) в установившемся режиме. Расчёт переходных режимов ГФУ учитывает запасы вещества и энергии в аппаратах (колоннах, теплообменниках, трубопроводах), инерционность датчиков и исполнительных механизмов и позволяет рассчитывать изменение параметров во времени.

В работах

[4][5]

В исследовании

[6]

В

[7]

Модель ГФУ нефтеперерабатывающего завода позволила выявить потенциальные резервы модернизации установки и её узкие места

[8]

Исследование эффективности фракционирующего абсорбера против традиционной ректификационной колонны на ГФУ показало, что замена абсорбера на колонну деэтанизации может снизить энергопотребление и повысить полноту разделения газов

[9]

Одним из инновационных решений является применение колонн с разделительной стенкой (

[10][11][12][13][14][15]

К преимуществам технологии DWC относятся её э

[10][11][15][10][13][14][16][3][4][7][10][11][16][17][10][14][16][18]

В число недостатков и сегодняшних возникающих вопросов по использованию DWC можно включить с

[11][16][19][20][10][11][16][17][11][16][18][17][19][10][12][16][18]

Несмотря на указанные недостатки, современный уровень развития технологии DWC позволяет считать ее надежной и отработанной: в промышленности эксплуатируются более 300 колонн с перегородкой, накоплен положительный опыт. По мере развития средств моделирования и появления стандартных проектов (template designs), многие сложности (особенно на этапе проектирования) будут преодолеваться легче

[17][10]

В ряде исследований рассматривается влияние снижения энергопотребления на управляемость системы, поскольку оптимальная конструкция может обеспечить максимальную экономию энергии, но не обладать хорошей управляемостью

[21][22][23][24][25]

В колоннах DWC контуры систем регулирования предназначены для подавления влияния возмущений технологических режимов на целевые показатели процесса и оптимальную чистоту продуктов и могут быть реализованы с использованием разных стратегий управления

[26][28][30][31]

В исследовании

[32]

На блок газофракционирования комплекса газоразделения и стабилизации бензина нефтеперерабатывающего предприятия для разделения углеводородов поступает смесь конденсата высокого давления (КВД) и широкой фракции лёгких углеводородов (ШФЛУ), различающихся по углеводородному составу. КВД содержит значительное количество тяжёлых компонентов (до 22% масс. фракции

Анализ промышленного состава потоков показал, что в технологической схеме разделение компонентов осуществляется неполностью: диапазоны кипения фракций пересекаются, в результате формируются смешанные продукты (СПБТ), что препятствует получению товарных фракций требуемой чистоты.

Недостаточная эффективность разделения обусловлена как ограниченной разделяющей способностью колонн, так и тепловыми потерями между аппаратами двухколонной системы. Это приводит к росту энергопотребления, необходимости в дополнительных циклах орошения и рециркуляции, а также снижает экономическую целесообразность выделения отдельных фракций для коммерческой реализации.

Цель работы

2. Методы и принципы исследования

Исследование работы рассматриваемого блока и его достигаемых показателей проводили с использованием программной среды Aspen HYSYS. Модель блока газофракционирования с учетом данных на типовое технологическое оборудование и параметров технологического режима показана на рисунке 1. Модель адекватно рассчитывает показатели работы блока, в частности погрешность описания энергетических параметров составляет величину менее 1,4%.

На блок газофракционирования поток КВД поступает с блока компримирования и очистки газов в полном объеме. ШФЛУ после щелочной очистки частично направляется на переработку, смешиваясь с КВД, а основная часть откачивается в товарный парк с последующей ее коммерческой реализацией.

В таблице 1 представлен усредненный углеводородный состав сырьевых фракций, которые после смешения поступают на разделение углеводородов в колонну К-4.

В таблице 2 приведен рассчитанный компонентный состав пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракций до их смешения, и газового бензина.

Анализ компонентного состава сырья и продуктов рассматриваемого блока газофракционирования показывает, что действующая двухколонная система установки не обеспечивает требуемой глубины и чёткости разделения углеводородных фракций. Пропан-пропиленовая фракция содержит значительное количество бутанов (до 58% масс.) и более тяжёлых углеводородов более 5%масс. (выделено шрифтом). Бутан-бутиленовая фракция загрязнена пентанами и более тяжёлыми углеводородами до 40% масс, что также указывает на недостаточную эффективность массообмена и неполное разделение потоков по летучести. Газовый бензин, напротив, содержит примеси лёгких компонентов (бутанов и бутиленов), что снижает его стабильность и усложняет последующую переработку. Такое наложение фракций объясняет количественный отбор, не соответствующий их потенциальному содержанию в разделяемой смеси (рисунок 2).

3. Основные результаты

Низкая чёткость разделения ППФ и БФФ является некритичной для случая их последующего смешения (схема на рисунке 1), однако при рассмотрении вопроса коммерческой реализации в виде отдельных фракций требуется оптимизация технологического процесса и его аппаратурного оформления.

С целью совершенствования рассматриваемого блока предлагается технологическая схема с включением в неё колонны DWC (рисунок 3, рисунок 4).

Результаты расчетов показывают, что применение DWC-технологии существенно повышает чистоту целевых продуктов по сравнению с традиционной двухколонной схемой, показатели работы которой приведены в таблице 2. В DWC-колонне удаётся практически полностью вывести бутановые компоненты из ППФ: в составе пропан-пропиленовой фракции отсутствуют изо- и н-бутан (0,00% масс.), а основную её массу составляют пропан и пропилен (в сумме более 94%) при незначительных примесях метана и этана. Аналогичная картина наблюдается для бутан-бутиленовой фракции. DWC-колонна обеспечивает практически чистый выход С4Missing Mark : sub-фракции — содержание пентановых и более тяжёлых углеводородов снижаются до ~2,6% масс. (было до 40% масс.).

Таким образом, разделение фракций в системе с DWC существенно превосходит по качеству традиционную схему, позволяя получать более чистые ППФ и ББФ без взаимных наложений.

Для рассматриваемых технологических схем (рисунок 1 и рисунок 3) количественное распределение фракций также заметно отличается. В действующей двухколонной системе большая часть углеводородов выходит с фракциями ППФ и ББФ (94%масс.), тогда как тяжелый (C5+Missing Mark : sub) продукт имеет небольшой выход (6%масс.), составляющий 19,4%масс. от номинального количества бензина. При переходе к DWC-схеме достигается номинальный выход фракций (рисунок 2). В частности, отбор пропан-пропиленовой фракции уменьшается в ~3,8 раз, что обусловлено переносом части компонентов, ранее входивших в ППФ (бутанов и тяжелых углеводородов), в другие продуктовые потоки. Выход бутан-бутиленовой фракции увеличился на 0,7% масс., то есть практически остался на уровне исходной системы. Нижний продукт (фракция C5+Missing Mark : sub) заметно увеличивается до номинального значения, то есть почти в 5 раз по сравнению с двух колонным (типовым) вариантом.

Эта перестройка материального баланса свидетельствует о более полном извлечении тяжелых компонентов в отдельные целевые потоки. В результате DWC-схема распределяет углеводородное сырье более рационально: лёгкие фракции (С3Missing Mark : sub и С4Missing Mark : sub) выделяются в виде относительно чистых продуктов, а тяжелые углеводороды (C5Missing Mark : sub и выше) концентрируются в газовом бензине для дальнейшей переработки.

Важнейшим технико-экономическим показателем функционирования ректификационной схемы является потребление энергии — тепловой (на ребойлерах), холодильной (на водяных холодильниках) и электроэнергии. Система с DWC демонстрирует кардинальное улучшение по энергопотреблению. Рассчитанный суммарный расход тепловой энергии, требуемой для разделения в колонне DWC, снижается и экономия тепла составляет около 39% относительно базового варианта. Потребность в холодильной мощности уменьшается на ~9%. Сокращение энергозатрат объясняется выводом из схемы кипятильника/конденсатора и другого дополнительного оборудования второго колонного блока и более эффективным тепловым распределением внутри колонны DWC. В результате DWC-схема превосходит двух колонную систему не только по чёткости разделения, но и по энергетической эффективности.

Для оценки показателей работы колонны в стационарном состоянии в зависимости от изменения состава сырья проведен вычислительный эксперимент, в котором варьировалось соотношение КВД/ШФЛУ при максимальной регламентной загрузке и ранее принятых геометрических размерах аппарата. Для повышения устойчивости колонны и поддержания качественных показателей получаемой продукции предусмотрено два узла ввода сырья в нижнюю и центральную части секции префракционатора.

В таблице 5 представлены рассчитанные режимы работы колонны DWC при различных составах сырья.

В таблицах 6,7,8 сведены компонентные составы получаемых фракций.

Получаемая продукция характеризуется высокой гибкостью состава в зависимости от соотношения КВД/ШФЛУ. Пропан-пропиленовая фракция изменяется от пропилен-содержащего нефтехимического сырья (до ~30% пропена) до практически чистого пропана, пригодного для товарной реализации. Бутан-бутиленовая фракция при высоком содержании КВД содержит значительное количество бутенов и может использоваться как нефтехимическое сырьё, тогда как при увеличении доли ШФЛУ формируется преимущественно товарный бутан. Бензиновая фракция (С5Missing Mark : sub+) отличается стабильным составом с преобладанием углеводородов С6Missing Mark : sub+ и может использоваться как компонент автобензинов или сырьё для дальнейшей переработки. При соотношении КВД/ШФЛУ = 0/1 содержание С5Missing Mark : sub+ в сырье становится недостаточным для формирования отдельного бензинового потока, вследствие чего колонна функционирует в двухпродуктовом режиме с получением ППФ и ББФ.

Пуск колонны с разделительной стенкой осуществляется в двухпродуктовом режиме (дистиллят — куб), аналогично традиционной ректификационной колонне. После стабилизации температурного и гидравлического режимов, а также состава потоков производится включение в работу бокового отбора. Такой подход обеспечивает устойчивость процесса и упрощает его регулирование на начальном этапе эксплуатации.

Особенностью управления колонной DWC является наличие дополнительных степеней свободы, связанных с распределением потоков между секциями и регулированием бокового отбора. Ключевыми регулируемыми параметрами являются флегмовое число, тепловая нагрузка ребойлера, а также соотношение жидкостных и паровых потоков между секциями. Поддержание стабильного температурного и концентрационного профилей требует координированного регулирования нескольких контуров, что усложняет систему управления по сравнению с традиционными колоннами, однако обеспечивает более высокую энергоэффективность процесса.

Выше показано, что в целом колонна DWC обеспечивает устойчивую работу в широком промышленном диапазоне изменения состава сырья, позволяя варьировать режим функционирования и товарную направленность продукции без изменения конструктивных характеристик аппарата. В этой связи для её управления могут быть использованы описанные в литературе системы регулирования

[29][30][31]

Можно отметить, что экономический эффект предлагаемой схемы с колонной DWC проявляется в снижении эксплуатационных затрат и повышении выхода ценных продуктов. Сокращение тепловой нагрузки на 39% ведёт к эквивалентному снижению расхода топлива в ребойлере и затрат на охлаждение, что непосредственно улучшает экономические показатели процесса. Известно, что на практике внедрение DWC-колонн позволяет снизить операционные затраты на ~35–40% и сократить капитальные вложения на 25–35% за счёт уменьшения числа аппаратов. Текущие расчеты подтверждают этот тренд: единая DWC-колонна потребляет существенно меньше энергии, а отсутствие второй колонны подразумевает уменьшение объёмов обслуживания и ремонтов. Помимо энергосбережения, в рассматриваемом случае DWC-технология повысила извлечение тяжелых углеводородов в отдельный поток (газовый бензин), что открывает дополнительную возможность для более полной переработки сырья внутри предприятия, и тем самым повышая конкурентоспособность установки.

4. Обсуждение

Для рассматриваемого блока газофракционирования внедрение предлагаемой схемы с DWC не будет сопровождаться принципиальными производственными трудностями. Одна из причин использовать предлагаемую технологию DWC — возможность раздельного получения пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракций достаточной чистоты для их коммерческой реализации. В существующей конфигурации блока низкая чистота ППФ и ББФ в двухколонной системе фактически исключала их продажу по отдельности без дополнительной очистки. Результаты вычислительного эксперимента показали, что с помощью DWC-колонны данные фракции могут быть получены с существенно лучшим качеством и количеством. В частности, пропан-пропиленовый поток содержит ~95% С3Missing Mark : sub-углеводородов и минимальное количество примесей C4Missing Mark : sub и тяжелее, что соответствует действующим стандартам на сжиженный нефтяной газ пропановой фракции. Бутановый продукт из DWC также практически не содержит посторонних компонентов (присутствие пентанов <3%) и удовлетворяет требованиям к товарной бутановой фракции. Таким образом, при реализации DWC-схемы появляется техническая возможность отгружать пропан-пропиленовую и бутан-бутиленовую фракции как отдельные товарные продукты.

Экономическая целесообразность разделения рассматриваемых потоков зависит от рыночных условий и внутренних задач предприятия. Раздельная продажа ППФ и ББФ может предоставить дополнительную выручку, поскольку эти фракции ценны как нефтехимическое сырье и компонент моторного топлива. Пропан-пропиленовая фракция может быть использована, например, для производства полипропилена или в качестве реактанта при алкилировании, тогда как бутан-бутиленовая — для производства метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ), алкилата или прямой продажи в баллонах как сжиженный углеводородный газ (СУГ). Поэтому разделение способно повысить суммарную стоимость продуктов. С другой стороны, переход к коммерческой реализации отдельных фракций потребует затрат — организационных (создание инфраструктуры хранения и отгрузки, адаптация технологии под товарные стандарты) и потенциально капитальных (модернизация оборудования для поддержания стабильного товарного качества, например, дополнительной осушки или очистки газов). Необходимо учесть и относительно небольшой выход пропан-пропиленовой фракции, достаточный для продажи, но требующий оценки логистической эффективности.

5. Заключение

На основе полученных данных можно заключить, что раздельное получение ППФ и ББФ в схеме с использованием DWC-колонны технологически осуществимо и экономически оправдано, а внедрение предлагаемой схемы с DWC не будет сопровождаться принципиальными производственными трудностями. Применение DWC обеспечивает достижение фракционных характеристик ППФ и ББФ, удовлетворяющих требованиям к товарным продуктам, что позволит реализовать их и компенсировать дополнительные издержки.

Существенным источником эффективности предлагаемой схемы также является снижение эксплуатационных энергозатрат. За счёт интеграции процессов испарения и конденсации внутри одной колонны, исключения межколонных теплопотерь и оптимизации внутреннего распределения потоков тепловая нагрузка уменьшается на 39%, что сопровождается сокращением расхода пара, охлаждающей воды и электроэнергии.

Предлагаемое использование колонны с разделительной стенкой в блоке газофракционирования нефтеперерабатывающего предприятия является экономически обоснованным, быстро окупаемым и стратегически выгодным решением. Проект обеспечивает не только улучшение технологических параметров разделения углеводородов, но и значительное повышение доходности и энергоэффективности установки.

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