1.2 Опис технологічного процесу перегонки нафти

Первинна переробка нафти є основним етапом виробництва нафтопереробної промисловості.

При поділі нафти перегонкою та ректифікацією одержують фракції або дистиляти, що википають у певному інтервалі температур і представляють собою також досить складні суміші. У той же час окремі фракції нафти можуть складатися з порівняно невеликого числа компонентів, що помітно розрізняються температурами кипіння.

Перегонка - це процес поділу рідких і газоподібних (парових) сумішей на фракції, збагачені високо- і низьколетучими компонентами. [1]

Атмосферна перегонка

Нафта надходить у ректифікаційні колони на атмосферну перегонку (перегонку при атмосферному тиску), де розділяється на кілька фракцій: легку і важку бензинові фракції, гасову фракцію, дизельну фракцію і залишок атмосферної перегонки - мазут. Якість одержуваних фракцій не відповідає вимогам до товарних нафтопродуктів, тому фракції піддають подальшій (вторинній) переробці.

Найбільш відповідальним і складним технологічним об'єктом на установках первинної переробки нафти (АТ) є колона К-2, з якої відбираються бензин, гас, дизельне паливо (ДП), мазут. Кожен продукт (фракція) відбирається з певної тарілки у відповідності зі своєю температурою кипіння при певному тиску в колоні.

Порушення матеріального балансу при відборі фракції або теплового режиму в колоні може привести до небажаних змін фракційної сполуки продуктів - зміні температур початку або кінця кипіння фракції, що не відповідають вимогам на готову продукцію.

Процес, що відбувається в ректифікаційній колоні, схематично показаний на рисунку 1.1. Усередину надходить сира нафта, а назовні виходять углеводородні гази (бутан і більше легкі гази), бензин, нафта (лігроін), гас, легкий газойль, важкий газойль і кубовий залишок.

Рисунок 1.1 - Схема ректифікаційної колони

Щоб зрозуміти як все відбувається усередині колони, потрібно розглянути деякі тонкості. Перший елемент, що необхідний для роботи колони — це сировинний насос, що перекачує сиру нафту зі складського резервуара в систему. Спочатку нафта проходить через піч, у якій нагрівається до температури порядку 385°С. При цій температурі, як правило, випаровується більше половини нафти.

Отримана в такий спосіб суміш рідини і пари подається знизу в ректифікаційну колону.

Усередині ректифікаційної колони перебуває набір тарілок, у яких пророблені отвори. Завдяки цим отворам нафта може підніматися нагору. Коли суміш пари та рідини піднімається по колоні, то більш щільна й важка частина відокремлюється і опускається на дно, а легкі пари підіймаються вгору, проходячи через тарілки .

Отвору в тарілках постачені пристосуваннями, називаними барботажними ковпачками (рис. 1.2). Вони потрібні для того, щоб пари, що піднімаються через тарілки, проходили через шар рідини товщиною близько 10 див, що перебуває на тарілці. Гарячі пари (при температурі не нижче 400°С проходять через рідину. При цьому тепло передається від пар до рідини. Пари трохи охолоджуються й частина вуглеводнів з них переходить у рідкий стан. У міру переносу тепла від пар до рідини, температура пар знижується. Тому що температура рідини нижче, деякі сполуки в парах конденсуються.

Рисунок 1.2 - Пристрій тарілки

Після того як пари пройшли через шар рідини й втратили більшу частину важких вуглеводнів, вони піднімаються до наступної тарілки, де повторюється той же процес.

Тим часом кількість рідини на кожній тарілці росте за рахунок вуглеводнів, що конденсуються з пар. Тому в колоні встановлюють пристосування, що називається зливальна склянка й дозволяє надлишку рідини перетікати вниз на наступну тарілку. Число тарілок повинне бути таким, щоб загальна кількість продуктів, що виходять із ректифікаційної колони, було рівним кількості сирої нафти, що надходить усередину.

На різних рівнях колони є бічні відводи (рис. 1.3) для відбору фракцій - більш легкі продукти відбираються у верхній частині колони, а важка рідина відходить донизу.

Рисунок 1.3 - Відбір фракцій з ректифікаційної колони

Щоб важкі продукти випадково не потрапили у верхню частину колони разом з легкими фракціями, пари періодично направляють у холодильник. Речовини, які конденсуються в холодильнику, знову надходять на одну з розташованих нижче тарілок. Це свого роду зрошення ректифікаційної колони (рис. 1.4). І навпаки, деяка кількість легких вуглеводнів може бути захоплено струмом рідини в нижню частину колони разом з важкими продуктами. Щоб уникнути цього, рідина, що виходить через бічний відвід, знову пропускають через нагрівач. У результаті залишки легких вуглеводнів відокремлюються і повторно надходять у ректифікаційну колону у вигляді пари. Цей процес називається повторним випаром. Перевага такої схеми полягає в тім, що тільки невелика частина загального потоку сирої нафти повинна повторно перероблятися для додаткового повернення продукту. Не потрібно знову нагрівати всю нафту, що дозволяє заощадити енергію та гроші.

Рисунок 1.4 - Зрошення та повторний випар

Сполуки деяких сирих нафт може бути такими, що на частині тарілок у колоні не виявиться достатньої кількості парорідинної суміші. У цих випадках зрошення та повторний випар дозволяють регулювати потоки так, щоб процес ректифікації (розділення) міг тривати.

При аналізі процесу перегонки нафти принципово важливою характеристикою є межі кипіння фракцій (рис. 1.5). Так називають температури, при яких продукти перегонки відокремлюються друг від друга. Зокрема, температура, при якій продукт починає кипіти, називається точкою початку кипіння (КПК). Температура, при якій 100% даної фракції випарувалося, називається точкою википання (КВ) цієї фракції. Таким чином, кожна фракція має дві границі КПК і КВ.

Рисунок 1.5 - Границі кипіння фракцій

Легкі фракції, що виходять у верхній частині колони (верхній погон), надходять на установку газофракціонування. Прямогінний бензин відправляється на компаундування для одержання автомобільного бензину. Нафта (лігроін) подається на установку риформінга, гас надходить на установку гідроочищення, легкий газойль направляється на змішання для одержання дистилятного (дизельного) палива, важкий газойль служить сировиною для каталітичного крекінгу, і, нарешті, прямогінний залишок подається на вакуумну перегонку.[4]

Таблиця 1 - Основні технологічні параметри установки АТ

Температура, °С
Підігріву нафти в теплообмінниках	200-230
Підігріву відбензиненої нафти в змійовиках трубчастої печі	330-360
Пар, що йдуть із ректифікаційної колони	120-130
Внизу ректифікаційної колони	340-355
Тиск, МПа
У ректифікаційній колоні	0,15-0,2
У ректифікаційній колоні при зниженому тиску	до 0,05

Багатокомпонентна атмосферна ректифікаційна колона (РК) К-2 відноситься до класу складних багатомірних і багатозв'язних об'єктів керування, синтез систем автоматичного регулювання для яких є актуальним й у той же час складним завданням. Багатокомпонентна ректифікаційна колона як об'єкт керування має всі характеристики бінарної ректифікаційної колони (нелінійність статичних характеристик, значна інерційність процесів, дрейф параметрів об'єкта керування в часі і т.п.), але також вимагає підтримки великої кількості параметрів, що ускладнює структуру математичної моделі і збільшує вимоги до системи автоматичного регулювання. [12]

3. Приклади управління процесами ректифікації нафтових сумішей

Основним завданням автоматичного керування процесом ректифікації є забезпечення заданих показників якості продуктів при мінімальних енергетичних витратах. Застосування ефективних і надійних систем керування дозволяє помітно підвищити якість і збільшити вихід продуктів на діючих установках без збільшення виробничої потужності.

При регулюванні процесу ректифікації одну частину незалежних змінних процесу стабілізують, а іншу частину використають як керуючі впливи для ліквідації збурень, внесених у процес при зміні незалежних змінних процесу. Керованими незалежними змінними процесу звичайно є: тиск і температура живлення, місце його введення в колону, тиск, витрата дистиляту або залишку, флегмове число та кількість тепла, що підводиться до низу колони.

Ректифікаційна колона як об'єкт регулювання характеризується взаємозв'язком керованих параметрів. Тому схеми регулювання та регульовані параметри, варто приймати з мінімальними внутрішніми зв'язками. При неможливості повністю усунути внутрішні зв'язки регульованих параметрів необхідно прагнути хоча б частково послабити їхній вплив. При цьому варто мати на увазі, що регулятори різних керованих параметрів мають різні динамічні характеристики, що зменшує зв'язок регуляторів у процесі.

Система керування процесом повинна запобігати влученню в нього збурень при зміні регульованих величин, а також компенсувати вплив зміни величин нерегульованих параметрів: складу живлення, температури навколишнього середовища і т.д.

Для автоматизації процесу ректифікації використовують регулятори тиску, температури, витрат, рівня рідини та різні лічильно-вирішальні пристрої – електричні, аналогові і електронні. Чутливими елементами систем регулювання є: термопари, манометри, дифманометри, діафрагми, рівнеміри та різні аналізатори якості продуктів.

Для керування процесом ректифікації застосовують наступні системи автоматичного регулювання [15]:

• системи регулювання по відхиленню (стабілізації основних параметрів ректифікації);

• системи регулювання по збуренню;

• комбіновані системи (по відхиленню регульованих величин і по збуренню одночасно);

• системи оптимізації.

Системи стабілізації основних параметрів процесу (тиску, витрати, температури, рівня рідини) реалізуються з використанням досить простих схем і звичайних засобів регулювання. Такі системи виправдують себе при поділі сумішей, компоненти яких мають фізичні властивості, що сильно розрізняються. Для поліпшення роботи ректифікаційних систем тут застосовують системи автоматичного регулювання по відхиленню складу продуктів, для чого використовують аналізатори якості в контурі регулювання. Серед різних аналізаторів якості найбільше поширення одержали хроматографи.

Системи регулювання по збуренню призначені для компенсації впливу на процес ряду збурень: ентальпії, складу і витрати вихідної суміші, температури флегми і т.д. Регулювання по збуренню дозволяє зберігати оптимальні робочі умови та чистоту одержуваних продуктів при зміні складу вихідної суміші. Серед систем регулювання по збуренню широке поширення одержали системи регулювання по внутрішній флегмі.

Комбіновані системи регулювання по відхиленню та збуренню керованої величини з використанням регуляторів і аналізаторів якості є однією з останніх тенденцій в удосконаленні схем регулювання процесу ректифікації.

Системи оптимізації, виконані з різними допоміжними пристроями й у тому числі з ЕОМ, є деякою мірою самонастроювальними системами.

Схеми автоматизації процесів перегонки та ректифікації містять, як правило, типові рішення по регулюванню таких параметрів процесу, як тиск, температура і витрата зовнішніх потоків.

Регулювання тиску. Робота ректифікаційної колони багато в чому залежить від якості регулювання тиску через значний вплив тиску на температури потоків і частку відгону сировини. Залежно від складу і властивостей суміші, що розділяється і технічного забезпечення процесу може бути прийнятий один з наступних варіантів регулювання тиску в колоні (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 - Схеми автоматичного регулювання тиску в атмосферних ректифікаційних колонах та колонах під тиском

а) - витратою пари; б) - витратою неконденсованих газів; в) - витратою холодоагенту в конденсатор-холодильник