Способы регулирования температурного режима ректификационных колонн
Нормальная работа ректификационных колонн и требуемое качество продуктов перегонки обеспечиваются путем регулирования теплового режима – отводом тепла в концентрационной и подводом тепла в отгонной секциях колонн, а также нагревом сырья до оптимальной температуры. В промышленных процессах перегонки нефти применяют следующие способы регулирования температурного режима по высоте колонны (рис. 3.8).
Отвод тепла в концентрационной секции путем:
- использования парциального конденсатора;
- организации испаряющегося (холодного) орошения;
- организации неиспаряющегося (циркуляционного) орошения.
Подвод тепла в отгонной секции путем:
- нагрева остатка ректификации в кипятильнике с паровым пространством;
- циркуляции части остатка, нагретого в трубчатой печи.
Парциальный конденсатор представляет собой кожухотрубный теплообменный аппарат (рис. 3.8а), установленный горизонтально или вертикально наверху колонны. Охлаждающим агентом служит вода, иногда исходное сырье. Поступающие в межтрубное пространство пары частично конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары ректификата отводятся из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания и значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограниченное применение (в малотоннажных установках и при необходимости получать ректификат в виде паров).
Холодное (острое) орошение (рис. 3.8б). Этот способ отвода тепла наверху колонны получил наибольшее распространение в практике нефтепереработки. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе – холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, откуда часть ректификата насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводится как целевой продукт.
Циркуляционное неиспаряющееся орошение (рис. 3.8в). Этот вариант отвода тепла в концентрационной секции колонны в технологии нефтепереработки применяется исключительно широко для регулирования температуры не только наверху, но и в средних сечениях сложных колонн. Для создания циркуляционного орошения с некоторой тарелки колонны выводят часть флегмы (или бокового дистиллята), охлаждают в теплообменнике, в котором она отдает тепло исходному сырью, после чего насосом возвращают на вышележащую тарелку.
На современных установках перегонки нефти чаще применяют комбинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосферной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и затем по высоте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Из промежуточных орошений чаще применяют циркуляционные орошения, располагаемые обычно под отбором бокового погона или использующие отбор бокового погона для создания циркуляционного орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции. В концентрационной секции сложных колонн вакуумной перегонки мазута отвод тепла осуществляется преимущественно посредством циркуляционного орошения.
Использование только одного острого орошения в ректификационных колоннах неэкономично, так как низкопотенциальное тепло верхнего погона малопригодно для регенерации теплообменом. Кроме того, в этом случае не обеспечивается оптимальное распределение флегмового числа по высоте колонны: как правило, оно значительное на верхних и низкое на нижних тарелках колонны. Соответственно по высоте колонны сверху вниз уменьшаются значения КПД тарелок, а также коэффициента относительной летучести и, следовательно, ухудшается разделительная способность нижних тарелок концентрационной секции колонны, в результате не достигается желаемая четкость разделения. При использовании циркуляционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти, выравниваются нагрузки по высоте колонны и тем самым увеличивается производительность колонны и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной секции.
При подводе тепла в низ колонны кипятильником (рис. 3.8г) осуществляют дополнительный подогрев кубового продукта в выносном кипятильнике с паровым пространством (рибойлере), где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращают под нижнюю тарелку колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие в кипятильнике постоянного уровня жидкости и парового пространства над этой жидкостью. По своему разделительному действию кипятильник эквивалентен одной теоретической тарелке. Этот способ подвода тепла в низ колонны наиболее широко применяется на установках фракционирования попутных нефтяных и нефтезаводских газов, при стабилизации и отбензинивании нефтей, стабилизации бензинов прямой перегонки и вторичных процессов нефтепереработки.
При подводе тепла в низ колонны трубчатой печью (рис. 3.8д) часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь, и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает в низ колонны. Этот способ применяют при необходимости обеспечения сравнительно высокой температуры низа колонны, когда применение обычных теплоносителей (водяной пар и др.) невозможно или нецелесообразно (например, в колоннах отбензинивания нефти).
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА, С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов, 2006
Источник
Способы регулирования процесса ректификации
Регулирование процесса отбора промежуточной фракции (рис. 4.35).
При ректификации многокомпонентных смесей ряд компонентов отбирается из промежуточной части колонны в ви¬де пара. Затем пар конденсируется в дефлегматоре.
Конденсат собирается в емкости, откуда возвращается в ‘колонну, а час¬тично отбирается в виде одного из целевых продуктов. Для того, чтобы обеспечивался заданный состав промежуточной фрак¬ции, на тарелке отбора этой фракции необходимо поддерживать постоянный состав или температуру жидкости (постоянство давления пара над тарелкой поддерживается регулятором давления верхней части колонны). Какой из этих параметров следует брать в качестве регулируемого, определяется требованиями к чистоте промежуточной фракции (на схеме регулируется температура). Наиболее часто регулирующее воздействие осуществляется изменением расхода промежуточной фракции, возвращаемой в колонну. Если к составу верхнего продукта не предъявляются высокие требования, то регулирующие воздействия могут реализоваться изменением расхода флегмы, так как уменьшение расхода флегмы приводит к уменьшению концентрации низкокипящего компонента в целевой промежуточной фракции, и наоборот. Для соблюдения материального баланса по промежуточной фракции уровень в емкости регулируют.
Ректификационные колонны являются объектами управления с большими запаздываниями, (поэтому возмущения успевают существенно изменить режим всей колонны прежде, чем изменится состав целевых продуктов и начнется их -компенсация основными регулятора¬ми схемы. Улучшения качества управления процессом можно добиться введением дополнительных контуров регулирования.
Каскадно-связанное регулирование почти всегда применяют при регулировании состава конечных продуктов, что объясняется невысокой надежностью анализаторов состава. В качестве вспомогательного параметра при регулировании состава в верхней части колонны (или на контрольной тарелке) используют расход флегмы (рис. 4.36,а). Если регулируют состав дистиллята, то вспомогательным параметром лучше брать температуру на контрольной тарелке. Можно использовать и трехконтурную систему (рис. 4.36,6), в которой первым вспомогательным кон¬туром будет регулятор температуры, а вторым — регулятор расхода.
Рис. 4.36. Схемы регулировании состава дистиллята с помощью многоконтурных систем регулирования: 1 — колонна; 2 — дефлегматор.
При регулировании состава кубового остатка вспомогательными параметрами могут быть расход теплоносителя (либо его давление, если в качестве теплоносителя используют пар), или температура в нижней части колонны, -или же оба параметра.
Когда расход исходной смеси определяется предыдущим технологическим процессом .и сильно изменяется во времени, большой эффект могут дать регуляторы соотношения расходов исходной смеси и флегмы (или исходной смеси и теплоносителя, подаваемого в кипятильник) с коррекцией по составу дистиллята (или остатка). Если же сильным изменениям подвержен и состав исходной смеси, то целесообразно установить вычислительное устройство (ВУ), которое по текущим значениям параметров исходной смеси и с учетом состава целевых продуктов будет рассчитывать значения расходов флегмы и теплоносителя и корректировать работу соответствующих регуляторов (рис. 4.37).
В последнее время находит применение способ автоматиче¬ского изменения точки ввода исходной смеси в колонну. Для этого устанавливают специальное устройство, которое в зависимости от состава переключает линии подачи питания на соответствующие тарелки.
Во всех приведенных выше схемах вследствие недостаточной надежности анализаторов состава целесообразно вводить ограничения на корректирующий сигнал по составу, что устраняет ‘Нежелательные последствия, возможные при выходе анализато¬ра из строя.
Рис. 4.37. Схема регулирования соотношения расходов с коррекцией по составу целевых продуктов:
1 — колонна; 2 — дефлегматор; 3 — кипятильник.
При регулировании температуры в верхней и нижней частях колонны в качестве вспомогательных параметров обычно берут расходы соответственно флегмы и теплоносителя, ‘Подаваемого в кипятильник, при регулировании давления — расход хладоносителя, подаваемого в дефлегматор.
Регулирование процесса в колонне с дефлегматором и конденсатором. Если температуры кипения компонентов смеси близки, конденсация паров, выходящих из колонны, осуществляется раздельно. В дефлегматоре конденсируется только высококипящий компонент, конденсат отделяется в сепараторе от паро-жидкостной смеси и возвращается в колонну. Пары низкокипящего компонента проходят через дефлегматор и затем кон¬денсируются в конденсаторе.
Рис. 4.38. Схемы регулирования процесса в верхней части колонны с дефлегматором и конденсатором: 1 — колонна; 2 — дефлегматор; 3 — конденсатор; 4-сепаратор.
Для того чтобы в дефлегматоре конденсировался только высококипящий компонент, необходимо поддерживать на определенном уровне температуру парожидкостной смеси, выходящей из дефлегматора. Для этого устанавливают регулятор темпера¬туры (рис. 4.38,а), воздействующий на расход хладонооителя, подаваемого в дефлегматор. Давление в колонне стабилизируется в этих случаях путем изменения расхода хладоносителя, поступающего в конденсатор.
В некоторых ректификационных установках дефлегматоры размещают непосредственно на колонне (рис. 4.38, б). Пары, идущие из колонны, конденсируются в такой степени, чтобы обеспечить заданное орошение. При этом расход хладоносите¬ля в дефлегматоре должен соответствовать составу или темпе¬ратуре продукта в верхней части колонны.
Регулирование при использовании экстремальных регулято¬ров и вычислительных машин.
При управлении процессом ректификации могут ставиться задачи получения продуктов максимально возможной чистоты, достижения максимальной производительности колонны, получения минимальной себестоимости целевого продукта и т. п. В этих случаях возникает необходимость в применении экстремальных регуляторов или управ¬ляющих вычислительных машин.
Экстремальный регулятор, например, служит для изменения расхода флегмы с целью получения максимально возможной чистоты дистиллята. На работу такого регулятора накладываются ограничения по расходу флегмы.
Процесс ректификации является одним из самых сложных процессов химической технологии, поэтому применение простых регуляторов, как правило, не исчерпывает всех возможностей увеличения производительности и уменьшения себестоимости продукции. Большой эффект может дать применение управляющих машин, на которые возлагаются следующие функции: вычисление оптимальной нагрузки колонны и установление задания регулятору расхода смеси; вычисление оптимальных соотношений расходов смеси и флегмы, смеси и теплоносителя и установление задания регуляторам расхода флегмы и теплоносителя; корректировка вычисленных соотношений расходов по составу целевого продукта; вычисление номера оптимальной тарелки питания и переключение устройств ввода питания на эту тарелку; вычисление оптимального значения энтальпии исходной смеси и установление задания регулятору расхода теплоносителя, подаваемого в теплообменник для нагревания смеси; переход от одного алгоритма управления к другому при изменении цели управления, при переходе с пускового режима на нормальный и с нормального режима на останов (алгоритм машины включает ограничения, например, по качеству целевых продуктов) и т. д.
Если ректификации подвергается многокомпонентная смесь, управляющая машина рассчитывает номер тарелки для отбора промежуточного продукта и производит переключение устройств отбора на нужную тарелку.
Регулирование периодической ректификации.
Схемы регулирования периодически действующих ректификационных колонн значительно отличаются от приведенных выше.
Рис. 4.39. Регулирование колонны периодического действия:
а — функциональная схема; б — график определения экономически выгодной продолжи¬тельности процесса; / — стоимость дистиллята; // — производственные затраты; А — но» мент окончания процесса; 1 — колонна; 2 — дефлегматор; 3 — кипятильник.
Кроме введения дополнительного программного устройства, которое осуществляет переключение ректификационной установки с одной опера¬ции на другую, видоизменяются следующие узлы регулирования (рис. 4.39,а).
Регулятор состава (температуры) в нижней части колонны заменяется регулятором расхода теплоносителя. Это объясняется тем, что время, необходимое для разделения исходной сме¬си в таких колоннах, обратно пропорционально скорости подвода тепла в куб колонны. Поэтому расход .теплоносителя целесообразно поддерживать на постоянном, максимально возмож¬ном для данных технологических условий, значении.
Регулятор давления в периодических колоннах отсутствует, а регулятор температуры в верхней части колонны снабжается специальным, блоком. Этот блок получает информацию о степени открытия клапана на магистрали флегмы и настраивается на определенное значение, соответствующее минимальному расходу отбираемого дистиллята, ниже которого процесс становится экономически невыгодным, так как произведение себестоимости дистиллята на его количество, уменьшаясь, достигает уровня эксплуатационных затрат (рис. 4.39,6). В этот момент заканчивается отбор дистиллята и начинается следующая операция — отбор остатка.
Регулирование процесса экстрактивной ректификации. Осо¬бенностью данного вида ректификации является введение в верхнюю часть колонны растворителя, снижающего парциальное давление одного из компонентов. Растворитель должен по¬даваться в строгом соотношении с расходом исходной смеси, так как в противном случае происходит или неоправданное увеличение нагрузки колонны или же некачественное разделение компонентов смеси. С целью поддержания соотношения расходов исходной смеси и растворителя устанавливают регулятор соотношения. Остальные узлы регулирования экстракционной колонны и колонны регенерации растворителя аналогичны приведенным выше.
Источник
