Разработка конструкции и технологии ректификационной колонны для процесса очистки масел

Актуальность проектирования установок для глубокой очистки масел

Нефтеперерабатывающая промышленность играет одну из ключевых ролей в современной экономике, а качество производимых масел напрямую влияет на надежность и долговечность бесчисленного множества механизмов. Ключевым этапом в технологической цепочке является глубокая очистка сырья, которая определяет конечные эксплуатационные свойства продукта, такие как стабильность и коксуемость. Среди множества методов разделения жидких смесей именно ректификация зарекомендовала себя как один из наиболее эффективных и широко применяемых процессов в отрасли.

Целью данной работы является разработка полной конструкторской и технологической документации для ректификационной колонны, предназначенной для процесса очистки масел. Для достижения этой цели поставлены следующие ключевые задачи:

• Провести анализ существующих технологических решений и обосновать выбор оптимальной схемы очистки.
• Выполнить технологический и материальный расчеты для определения рабочих параметров и размеров аппарата.
• Разработать детальную конструкцию колонны и выбрать конструкционные материалы, отвечающие условиям эксплуатации.
• Провести расчеты на прочность основных узлов для обеспечения безопасной и надежной работы.
• Разработать технологию изготовления и монтажа установки.
• Подготовить технико-экономическое обоснование, подтверждающее рентабельность проекта.

Анализ технологических решений и обоснование выбора процесса ректификации

Современная нефтепереработка располагает арсеналом различных методов очистки масел, которые условно можно разделить на три большие группы:

• Физические методы: отстаивание, фильтрация и сепарация, направленные на удаление механических примесей и воды.
• Физико-химические методы: адсорбция и коагуляция, используемые для удаления смолистых и асфальтеновых соединений.
• Химические методы: кислотная или щелочная обработка для нейтрализации активных соединений.

Однако для получения масел с высокими эксплуатационными характеристиками наиболее совершенным и эффективным подходом сегодня считается гидрогенизационная очистка. Этот процесс позволяет значительно улучшить стабильность продукта, а также снизить содержание серы. В типовой технологической схеме гидроочистки после реакторного блока и сепараторов обязательно присутствует отпарная или испарительная ректификационная колонна. Именно в ней происходит финальное разделение очищенного продукта на фракции. Для высококипящих масел этот процесс проводится в условиях вакуума, что позволяет избежать термической деструкции ценных компонентов. Таким образом, выбор связки «гидроочистка + вакуумная ректификация» является технологически обоснованным решением для производства современных смазочных материалов.

Выполнение технологического расчета как основа для проектирования колонны

Технологический расчет является фундаментом, на котором строится вся дальнейшая работа по конструированию аппарата. Он позволяет определить ключевые рабочие параметры и геометрические размеры будущей колонны. Алгоритм расчета выполняется в строгой последовательности:

1. Составление материального баланса. На этом этапе определяются все входящие и выходящие потоки: количество подаваемого сырья, а также объемы получаемого дистиллята (целевого продукта) и кубового остатка.
2. Составление теплового баланса. Рассчитываются тепловые нагрузки на испарительный куб и дефлегматор, что необходимо для подбора соответствующего теплообменного оборудования.
3. Расчет параметров массообмена. Определяются важнейшие технологические переменные: минимальное и рабочее флегмовые числа (коэффициент орошения), а также необходимое число теоретических тарелок. Для нахождения числа тарелок может использоваться, например, классический графический метод Мак-Кеба-Тиля.
4. Определение основных габаритов. На основе полученных данных о производительности и скорости пара рассчитываются главные размеры аппарата — его внутренний диаметр и общая высота.

Точное выполнение этих расчетов гарантирует, что спроектированная колонна будет работать с заданной эффективностью и производительностью.

Определение конструкции аппарата и выбор оптимальных материалов

После завершения технологических расчетов начинается этап конструкторской проработки, где абстрактные цифры превращаются в чертежи конкретных узлов. Первым шагом является выбор типа контактных устройств. В современных проектах предпочтение часто отдается насадочным колоннам со структурированной насадкой. В отличие от тарельчатых аппаратов, они обладают меньшим гидравлическим сопротивлением и более высокой эффективностью массопереноса, что особенно важно при работе в вакууме.

Конструктивно ректификационная колонна состоит из нескольких основных элементов:

• Корпус (царга): вертикальный цилиндрический сосуд, внутри которого размещаются контактные устройства (насадка).
• Испарительный куб: нижняя часть аппарата, где происходит кипение и испарение жидкости.
• Дефлегматор: теплообменник в верхней части колонны, предназначенный для конденсации поднимающихся паров.
• Опоры: силовые элементы, на которые устанавливается вся конструкция и которые передают нагрузку на фундамент.

Выбор конструкционного материала — критически важная задача. Учитывая работу с углеводородами при повышенных температурах, основным материалом для изготовления корпуса, днищ и внутренних устройств, как правило, служит хромоникелевая нержавеющая сталь. Этот материал обладает необходимой коррозионной стойкостью, прочностью и хорошо поддается сварке.

Расчет на прочность для обеспечения надежности и безопасности конструкции

Проектирование любого аппарата, работающего под давлением, требует обязательного выполнения прочностных расчетов для гарантии его безопасной эксплуатации. Методология расчета регламентируется отраслевыми стандартами и включает в себя проверку всех элементов, несущих нагрузку. В первую очередь рассчитывается необходимая толщина стенки цилиндрической обечайки и эллиптических днища и крышки. Расчет ведется таким образом, чтобы выдерживать максимальное рабочее давление с требуемым запасом прочности.

Помимо внутреннего давления, в расчетах учитываются и другие виды нагрузок:

• Вес самой конструкции, включая массу внутренних устройств и удерживаемой жидкости.
• Нагрузки от присоединяемых трубопроводов.
• Ветровые и, для соответствующих регионов, сейсмические нагрузки, которые особенно актуальны для высоких колонн, чья высота может достигать 90 метров.

Также проводятся отдельные расчеты на прочность фланцевых соединений и опорной конструкции. Итогом этого этапа является подтверждение того, что все спроектированные элементы соответствуют нормативным требованиям и обеспечивают безаварийную работу установки на протяжении всего срока службы.

Последовательность операций при изготовлении и монтаже ректификационной колонны

Воплощение проекта «в металле» представляет собой сложный производственный процесс, который делится на два больших этапа: изготовление отдельных узлов в заводских условиях и их последующий монтаж на промышленной площадке.

Этап изготовления включает следующие ключевые операции:

1. Раскрой листового металла и подготовка кромок под сварку.
2. Вальцовка обечаек для придания им цилиндрической формы.
3. Штамповка эллиптических днищ и крышек.
4. Механическая обработка штуцеров, фланцев и других комплектующих.
5. Сварочные работы с последующим неразрушающим контролем качества всех сварных швов (например, с помощью ультразвуковой или рентгеновской дефектоскопии).

Этап сборки и монтажа на объекте выполняется в строгой последовательности: установка аппарата на заранее подготовленный фундамент, последовательная стыковка и сварка отдельных секций (царг), монтаж внутренних контактных устройств, и, наконец, обвязка колонны трубопроводами и подключение вспомогательного оборудования.

Оценка экономической эффективности спроектированной установки

Любой инженерный проект должен быть не только технически состоятельным, но и экономически целесообразным. Для подтверждения этого проводится технико-экономическое обоснование, которое анализирует структуру затрат и будущую прибыльность. Капитальные затраты включают в себя все единовременные вложения: стоимость основного и вспомогательного оборудования, расходы на конструкционные материалы, а также стоимость строительно-монтажных и пусконаладочных работ.

В свою очередь, годовые эксплуатационные расходы состоят из текущих издержек, необходимых для функционирования установки: стоимость сырья и энергоресурсов (электроэнергия, пар), фонд оплаты труда обслуживающего персонала, а также затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание. На основе этих данных рассчитываются ключевые показатели инвестиционной привлекательности проекта, такие как срок окупаемости и чистая приведенная стоимость (NPV). Положительные значения этих показателей свидетельствуют о рентабельности спроектированной установки и целесообразности вложения средств в ее реализацию.

Итоги проектирования и ключевые аспекты безопасной эксплуатации

В ходе проделанной работы были достигнуты все поставленные цели и решены ключевые инженерные задачи. Итогом проектирования стала полностью проработанная установка, готовая к производству и внедрению.

• Разработана и обоснована современная конструкция насадочной ректификационной колонны.
• Проведены полные технологические и прочностные расчеты, подтверждающие работоспособность и безопасность аппарата.
• Доказана экономическая эффективность и инвестиционная привлекательность проекта.

Безопасная эксплуатация спроектированной установки обеспечивается комплексом мероприятий, охватывающих охрану труда, пожарную безопасность и защиту окружающей среды. Предусматривается оснащение аппарата контрольно-измерительными приборами, предохранительными клапанами и системами автоматического контроля технологического процесса, что минимизирует риски возникновения нештатных ситуаций.

Библиографический список

1. Уильям Л. Леффер. Переработка нефти. М. изд. Олимп-Бизнес, 2004, -438с.
2. Полосков И.Е. Теория и численно-аналитические алгоритмы моделирования случайных режимов динамических систем. Автореф. диссерт. на соиск. учёной степени докт. физ-мат. наук. Пермь, 2005, -31с.
3. Прандтль Л. Гидромеханика, РХД, М-И, -2000, -410с.
4. Вартанов К.С. Математическое моделирование установившегося осесимметричного течения с закруткой в вихревой трубе. —Обозрение прикладной и промышленной математики. -М. -2009, т.16, Вып. 1, с.135-136.
5. Патент РФ № 52853 от 23.12.2005г. Установка по переработке нефти и газового конденсата. Кочарян С.С., Хачатурян А.О.
6. Хачатурян О.А., Вартанов К.С., Мини-нефтеперерабатывающая установка и получение флотского мазута. Международный научный журнал «Организмика», 2007, -№1, -С.23-26
7. Полосков И.Е. О применении компьютерной алгебры к анализу случайных процессов в распределенных системах. // Вестник Пермского университета. Информационные системы и технологии. -2001, -Вып.5, -с.82-85.
8. Полосков И.Е. Об одном подходе к анализу случайных процессов в распределенных системах. // Математическое моделирование. -2003, -т.15, -№4, -с.85-100.
9. Редкозубов С.А. Краевые задачи со сдвигом для полианалитических функций. Москва.: Физматлит, 2006, -521с.
10. Маланин В.В., Полосков И.Е. Случайные процессы в нелинейных динамических системах. Аналитические и численные методы исследования. -Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2001, -160с.
11. Зубов Д.В. Математическая модель и оптимальное управление процессом бинарной ректификации. Автореферат диссерт. на соиск. ученой степени К.Т.Н. Москва 2004, -20с.
12. Кузнецов В.Г. Алгоритмизация и оптимизация технологического процесса рефракции нефти. Автореферат диссер. на соиск. ученой степени К.Т.Н., Самара 2005, -28с.
13. Редкозубов С.А. Вартанов К.С. Математическое моделирование процесса в ректификационной колонне. //Естественные и технические науки, -2007. —№5. -с. 242-247.
14. Бушуева Н.Н. Исследование параметров ректификации колонн установки вторичной перегонки бензина. Автореферат диссер. на соиск. ученой степени К.Т.Н. Москва, 1975, -33с.
15. Вартанов К.С., Тюняев А.А., Хачатурян О.А. Математическое моделирование процессов разделения жидких смесей. Организмика. -Международный научный журнал., М., —2007, -№4, -с.31-34.
16. Вартанов К.С., Батдыев А.А., Тюняев А.А. Процессы диффузии и ректификации в температурном поле при разделении нефти. Организмика. -Международный научный журнал. М. -2009, -№1,с. 8-12.
17. Меньшов В.Н. Математическое моделирование процесса депарафинизации масел. Автореферат диссер. на соиск. ученой степени К.Т.Н., Москва, 2002, -27с.
18. Редкозубов С.А. Вартанов К.С. Математическое моделирование процесса в ректификационной колонне мини-нефтеперерабатывающей установки: /Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. —М.: МГГУ, -2008. -№5. -16с.
19. Цыкунов A.M. Адаптивное и робастное управление динамическими объектами по выходу: Монография. М.: Физматлит, 2009. — 267 с.
20. Шевчук В.П. Расчет динамических погрешностей интеллектуальных измерительных систем. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2008. — 288 с.
21. Экспериментальное определение моделей статики и динамики объектов управления: учебное пособие / Т.Е. Щедеркина, В.В. Волгин. — М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 56 с.
22. K. Sundmacher, A. Kienle Reactive Distillation. Status and Future Directions, Wiley VCH VerlagGmbHB Co. KGaA, Weinheim, 2003, 287 p.
23. G. J. Harmsen Reactive Distillation: The Front-runner of Industrial Process Intensification. A Full Review of Commercial Applications, Research, Scale-Up, Design and Operation // Chem. Eng. Proc. -2005. -Vol. 46. -pp^ 774-780.
24. M. Kloker, Е. Y. Kenig, A. Gorak, А. P. Markusse; G. Kwant, P. Moritz Investigation of Different Column Configurations for the Ethyl Acetate Synthesis via Reactive Distillation // Chem. Eng. Proc. -2004. -Vol. 43. -pp. 791-801.
25. Y. T. Tang, Y. W. Chen, H. P. Huang, С. С. Yu, S. В. Hung, M. J. Lee Design of Reactive Distillation for Acetic Acid Esterifïcation // AIChE Journal. -2005. -Vol. 51. -pp. 1683-1699.
26. R. Taylor, R. Krishna Modeling Reactive Distillation // Chem. Eng. Sci. -2000. -Vol. 55. -pp. 5183-5229.
27. S. Ratheesh, A. Kannan Holdup and Pressure Drop Studies in Structured Packings with Catalysts // Chem. Eng. J. -2004. -Vol. 104. -pp. 45-54.
28. A. Hoffmann, C. Noeres, A. Gorak Scale-up of Reactive Distillation Columns with Catalytic Packings // Chem. Eng. Proc. -2004. -Vol. 43. -pp. 383-395.
29. B. Kolodziej, M. Jaroszynski, I. Bylica Mass Transfer and Hydraulics for Katapak-S // Chem. Eng. Proc. -2004. -Vol. 43. -pp. 457-464.
30. T. Popken, S. Steinigeweg, J. Gmehling Synthesis and Hydrolysis of Methyl Acetate by Reactive Distillation Using Structured Catalytic Packings: Experimental and Simulation// IEC Res. -2001. -Vol. 40. -pp. 1556-1574.
31. R. Baur, R. Taylor, R. Krishna Development of a Dynamic Nonequilibrium Cell Model for Reactive Distillation Tray Columns // Chem. Eng. Sci. -2000. -Vol. 55.-pp. 6139-6154.
32. M. F. Doherty, M. F. Malone Conceptual Design of Distillation Systems, McGraw-Hill Pub., New York, 2001, 568 p.
33. C. VetereThe NRTL Equation as a Predictive Tool for Vapor-liquid Equilibria // Fluid Phase Equilibria. -2004. -Vol. 218. -pp. 33-39.
34. P. Singh, R! Singh, M. V. P. Kumar, N. Kaistha Steady-state Analyses for Reactive Distillation Control: An MTBE Case Study // J. of Loss Prev. in the Proc. Ind: -2005. -Vol. 18. -pp. 283-292.
35. D. M. Katariya, K. M. Moudgalya, S. M. Mahajani Nonlinear, Dynamic Effects in Reactive Distillation for Synthesis of TAME // Ind. Eng. Chem. Res. -2006. -Voh 45. -pp. 4233-4242.
36. M. V. Pavan Kumar, N. Kaistha Role of Multiplicity in Reactive Distillation Control System Design // J. Proc. Control. -2008. -Vol. 18. -pp. 692-706.
37. J. Wang, Y.Chang, E.Q.Wang, C.Y.Li Bifurcation Analysis for MTBE Synthesis in a Suspension Catalytic Distillation Column // Сотр. Chem. Eng. -2008. -Vol. 32. -pp. 1316-1324.
38. E. M. Katariya, R. S. Kamath, K. M. Moudgalya; S. M. Mahajani Non-equilibrium Stage Modeling and Non-linear Dynamic Effects in the Synthesis of TAME by Reactive Distillation // Comp. Chem. Eng. -2008. -Vol. 32. -pp. 2243-2255.
39. R. Baur, R. Taylor, R. Krishna Bifurcation Analysis for TAME Synthesis in a Reactive Distillation Column: Comparison of Pseudo-homogeneous and Heterogeneous Reaction Kinetics Models // Chem. Eng. Proc. -2003. -Vol. 42.-pp. 211-221.
40. W.Mao, X.Wang, H.Wang, H.Chang, X.Zhang, J.Han Thermodynamic and Kinetic Study of tert-Amyl Methyl Ether (TAME) Synthesis // Chem. Eng. Proc. -2008. -Vol. 47. -pp. 761-769.
41. M. V. Ferreira, J. M. Loureiro Number of Actives Sites in TAME Synthesis: Mechanism and Kinetic Modeling // Ind. End. Chem. Res. -2004. -Vol. 43. -pp. 5156-5165.