CC BY
201
© В.В. Слесаренко, В.Д. Лапшин, П.А. Соколова, 2013
УЛК 622.692.053
В.В. Слесаренко, ВД. Лапшин, П.А. Соколова
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТАНОВОК РЕКУПЕРАЦИИ ПАРОВ НЕФТИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ
Определены возможности снижения выбросов паров нефти и нефтепродуктов в атмосферу на нефтебазах и нефтепортах. Рассмотрены особенности эксплуатации адсорбционных установок для рекуперации паров нефти. Приведены технические решения, позволяющие усовершенствовать технологию рекуперации паров нефти. Рассмотрена технологическая схема рекупераци-онной установки с трехпоточной вихревой трубой для предварительной обработки паровоздушной смеси, подаваемой в фильтры-адсорберы из резервуаров и танков.
Ключевые слова: очистка воздуха, нефтяные пары, адсорбция, фильтры, рекуперация.
Паровоздушные смеси, образующиеся при хранении нефти и нефтепродуктов в резервуарах на нефтебазах и при загрузке танкеров в нефтепортах относятся к экологически опасным выбросам. Количество вредных выбросов в атмосферу снижают за счет утилизации или рекуперации паров нефти и нефтепродуктов.
На нефтебазах очистка воздуха от паров нефтепродуктов (бензина, керосина и т.п.) осуществляется с помощью адсорбентов. Пары нефтепродуктов, отводимые из резервуаров или из танкеров при их погрузке, поступают в специальную рекупера-ционную установку. Работа установки рекуперации паров (УРП) предусматривает подачу паровоздушной смеси в адсорбционные фильтры, заполненные активированным углем или другим адсорбентом-аналогом.
Типовые УРП оборудуется шестью адсорберами (три пары) для того, чтобы гарантировать непрерывность процесса рекуперации. После определенного количества времени работы фильтра загрузка с активированным углем насыщается углеводородами, и поток паровоздушной смеси переключается на второй фильтр-адсорбер из пары, в то время как первый адсорбер регенерируется за счет создания в корпусе фильтра вакуума.
Рис. 1. Принципиальная схема УРП абсорбционного типа:
(1 - фильтр в режиме адсорбции; 2 - фильтр в режиме десорбции; 3 - колонна-абсорбер; 4 - вентилятор; 5 - вакуумный насос; 6 - конденсатосборник; 7 - насос откачки конденсата; 8 - насосы абсорбента)
С понижением давления процесс адсорбции реверсируется и углеводороды покидают поверхность активированного угля и перемешаются при помоши вакуумного насоса в колонну повторного поглошения (схема на рис. 1).
Активированный уголь, используемый в УРП, обычно имеет форму пеллет - небольших цилиндров диаметром 3 мм и длиной 8 мм. Внутренняя пористая структура адсорбента образует активную поверхность от 1600 до 2000 см2 на грамм. Адсорби-руюшая способность угля возрастает с увеличением давления и снижением температуры паровоздушной смеси.
Десорбция активированного угля в УРП осушествляется за счет повышения температуры (термальная десорбция) или понижения давления (механическая десорбция). На УРП обычно применяют винтовые вакуумные насосы для понижения давления
внутри фильтра с активированным углем до 10 кПа и ниже. Для улучшения регенерации фильтра-адсорбера небольшое количество воздуха пропускается через угольную загрузку сверху вниз во время последней фазы десорбции - выполняется операция продувки. Компоненты, десорбированные из фильтра, компремиру-ются вакуумным насосом до давления 110 - 115 кПа и подаются в колонну повторного поглощения (контактный аппарат), где они абсорбируются во встречном потоке жидкого продукта. В качестве жидкого абсорбента используется складируемый или перегружаемый нефтепродукт. Остаточный воздух, насыщенный углеводородами, покидает колонну через верх и перемещается обратно на вход паров в УРП.
Таким образом, рассматриваемый процесс адсорбции не является непрерывным процессом. Для обеспечения непрерывного процесса рекуперации необходимы два параллельно подключенных адсорбера. Продолжительность циклов адсорбции и регенерации зависит от количества паров, поступающих из резервуаров нефтебазы или нефтепорта. Обычно она составляет около 12 -15 минут. Рекуперированные углеводороды смешиваются с жидким абсорбентом, накапливаются в накопителе колонны повторной абсорбции и откачиваются в линию налива с помощью вспомогательного насоса.
Одной из причин снижения эффективности работы УРП является эффект перегрева угольной загрузки фильтров. При адсорбции углеводородов в массе загруженного угля выделяется значительное количество теплоты. К примеру, теплота, освобождаемая во время адсорбции паров бензина равна приблизительно 450 кДж/кг. Температура в фильтре во время первой загрузки может подняться до 130 °С. Рост температуры адсорбента приводит к реакции окисления нефтепродукта на поверхности активированного угля при наличии кислорода (для паров бензина температура реакции - около 100 °С). Компоненты, присутствующие в парах нефтепродуктов, являются химически активными и подвержены окислению. Вещества, присутствующие в нефти и восприимчивые к спонтанному окислению в соприкосновении с воздухом, имеют обычно низкое давление паров. Считается, что их молекулы имеют незначительную концентрацию в парах, образующихся в резервуарах и танкерах при бункеровке. Однако практика эксплуатации УРП часто показывает сущест-
венное влияние на работу абсорберов окисляющихся «вредных примесей».
Первая загрузка активированного угля осуществляется в инертной среде (азот). Инертный газ насыщается парами нефти в колонне абсорбера и циркулирует через загрузку активированного угля. Теплота отводится посредством циркуляции потока газа вакуумным насосом через контактный аппарат. Процедура предварительной загрузки завершается, когда температура активированного угля снижается ниже 50 °C.
Излишне глубокая регенерация фильтра также может вызвать повышение температуры во время последующего цикла адсорбции. Опасные режимы работы адсорбера возникают при высокой неравномерности подачи паровоздушной смеси из резервуаров, при длительной задержке процесса регенерации отработавшего фильтра, некачественной первичной загрузке засыпки фильтра, высокой температуре паровоздушной смеси, а также при нарушениях регламента эксплуатации УРП. При повышении температуры засыпки до 100 - 150 °C проводится дополнительное охлаждение фильтра азотом, а при T > 150 °C в фильтр подается охлаждающая вода (аварийный режим).
Адсорбционная УРП используется для рекуперации паров нефти на ООО «Спецморнефтепорт Козьмино» (г. Находка). Установка имеет производительность 14500 м3/ч и включает 6 адсорберов с загрузочным объемом по 84 м3 каждый, заполненных активированным углем, колонну-абсорбер объемом 75 м3, заполненный металлической набивкой, 18 вакуумных насосов, каждый производительностью 2500 м3/ч; насос откачки абсорбента производительностью 400 м3/ч; вентилятор производительностью 17500 м3/ч; систему КИП, автоматики и АРМ.
Использованная технология рекуперации паров углеводородов является современной и широко применяется ведущими производителями установок рекуперации - Aker Kvaerner Cool Sorption, John Zink, CarboVac, Symex Americas, и др., однако при эксплуатации УРП нефтепорта отмечен ряд недостатков:
- отмечались многочисленные отказы энергетического оборудования УРП, контрольно-измерительных приборов, сбои систем автоматики (вызванные в основном непредусмотренными проектом тяжелыми климатическими условиями);
- УРП не обеспечивает требуемый уровень допустимого выброса паров нефти - не более 35 г/м3, ( в техническом паспорте установки указано значение 10 г/м3);
- с момента первого пробного пуска установки УРП при погрузке ряда танкеров зафиксирован уровень выбросов углеводородов 140 г/м3 и выше;
- химический анализ использованного в УРП активированного угля показал, что адсорбент поражен продуктами окисления и сажей, в результате чего его адсорбирующие свойства в значительной степени снизились.
Разработка методов и решений для вывода действующей УРП установки на проектный режим является важной производственной задачей для ООО «Спецморнефтепорт Козьмино».
Выполненный анализ режимов работы УРП показывает, что ряд проектных решений, являющихся типовыми для установок, рекуперирующих пары легких нефтепродуктов, не применимы для улавливания паров нефти, поскольку не учитывают специфических свойств сырой нефти: более высокое содержание воды, механических примесей, низкокипящих компонентов, способность к запарафиниванию фильтров.
Компонентный состав нефти, следовательно, и ее паров значительно богаче состава легких нефтепродуктов. В парах нефти присутствуют как низкокипящие, так и высококипящие компоненты (метан, этан, бензол, и др.), которые следует учитывать при технологических расчетах и эксплуатации УРП.
Метан практически не адсорбируется универсальными активированными углями, этан слабо адсорбируется, но в процессе адсорбции вытесняется более тяжелыми компонентами, к которым активированный уголь имеет большую адсорбирующую способность. На этом основан процесс разделения углеводородов (процесс Фишера-Тропша). Учитывая этот фактор, ведущие производители УРП исключают метан из улавливаемых компонентов. Также следует иметь в виду, что смесь углеводородов адсорбируется хуже, чем каждый компонент в отдельности, и чем шире компонентный состав паровоздушной смеси, тем сильнее фактическая адсорбция отличается от расчетной [1].
Кроме того, в состав паровоздушной смеси, поступающий на УРП при наливе нефти в танкеры, часто входит значительное количество выхлопных газов дизеля (СО, СО2, и др.), подаваемых в танки для обеспечения инертности смеси.
Поверочный расчет характеристик УРП показал, что имеющееся в фильтрах количество адсорбента (активированные угли: Arcema ACM-35, Chemviron Carbon VRU-F3, Silcarbon SC40) позволяет обеспечить уровень остаточной эмиссии углеводородов ниже 35 г/м3. Однако при работе вакуумных насосов не достигается расчетная глубина вакуума и не обеспечивается расчетный режим десорбции углеводородов. Это связано с наличием присо-сов во фланцевых соединениях, неполного запирания дисковых затворов.
Уменьшение уровня остаточной эмиссии углеводородов на выходе УРП возможно при применении технических решений, обеспечивающих:
- снижение влажности поступающей в адсорберы паровоздушной смеси;
- охлаждение паровоздушной смеси, подаваемой в фильтр-адсорбер;
- уменьшение концентрации в парах нефти компонент, восприимчивых к спонтанному окислению при соприкосновении с воздухом;
- снижение глубины вакуума в адсорберах в режиме десорбции (до 5 кПа);
- подогрев воздуха, используемого при встречной продувке адсорберов.
Предлагается применить для осушки и охлаждения паровоздушной смеси, а также удаления «вредных примесей» дополнительный узел, оснащенный вихревой трубой (ВТ), модификации которой достаточно надежно работают в газовой, нефтедобывающей и химической отраслях промышленности [2, 3]. В рассматриваемых условиях следует использовать ВТ специальной конструкции, которая обеспечивала бы как снижение температуры паровоздушной смеси, так и эффективное отделение мелкодисперсной жидкой фазы, образующейся при работе ВТ. Эта задача реализуется с помощью трёхпоточных вихревых труб, где в качестве третьего потока из аппарата выводится от-сепарированная жидкость или газожидкостная смесь [4, 5]. Вариант модернизации УРП с включенной в технологическую схему вихревой трубой приведен на рис. 2.
Паровоздушная смесь из танков перед подачей в действующую абсорбционную УРП сжимаются в компрессоре до давления 0,5 - 0,6 МПа и поступает в вихревую трубу.
Рис.2. Принципиальная схема УРП с предвключонной вихревой трубой:
1 - фильтр в режиме адсорбции; 2 - фильтр в режиме десорбции; 3 - колонна-абсорбер; 4 - вентилятор; 5 - вакуумный насос; 6 - конденсатосборник; 7 - насос откачки конденсата; 8 - насосы абсорбента; 9 - трехпоточная ВТ; 10 - компрессор; 11 - теплообменник-охладитель
Эффект Ранка-Хилша, реализуемый в вихревой трубе, обеспечивает снижение температуры центральных слоев закрученного потока и нагрев периферийных слоев. При понижении температуры паровоздушного потока водяные пары и часть низкокипящих компонент паров нефти конденсируются и отводятся из ВТ в конденсатосборник. Холодный поток паровоздушной смеси направляется из ВТ в фильтр-адсорбер, а горячий поток по линии рециркуляции через теплообменник-охладитель поступает на вход компрессора. Схема может быть упрощена при подаче горячего потока из ВТ непосредственно в УРП, однако в этом случае температура паровоздушной смеси практически не снизится. Дополнительная мощность, требуемая для привода компрессора ВТ, составляют не более 300 - 350 кВт.
Выводы
1. При эксплуатации адсорбционных УРП на нефтебазах и нефтепортах возникают проблемы, связанные с физико-химическими особенностями нефти как многокомпонентного углеводородного сырья.
2. Модернизация УРП за счет применения дополнительного узла, оснащенного вихревой трубой, позволяет снизить температуру и влажность паровоздушной смеси, а также удалить из паров нефти часть компонент, негативно влияющих на работу фильтров- адсорберов.
3. При включении в схему УРП вихревой трубы следует ожидать увеличения времени работы фильтров установки в адсорбционном режиме на 30 - 40 %.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кинле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Пер.с нем. // Л:Химия. - 1984. -216 С.
2. Пиралишвили Ш.А., Поляев Б.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения // М.: УНПЦ «Энергомаш». -2000. - 414 С.
3.Азаров А.И. Направления совершенствования серийных вихревых труб // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2004. - №7. - С.24-27
4. Исхаков P.M., Николаев Б.Б., Жидков М.А., Комарова Г.А. Применение ТВТ для конденсации тяжёлых углеводородов из попутного нефтяного газа // Газовая промышленность. - 1998. - № 7. - С. 42-43.
5.Николаев Б.Б., Овчинников Б.П., Жидков М.А., Комарова Г.А. Эксплуатация регулируемой вихревой трубы в технологической схеме ГРС // Газовая промышленность. - 1997. - № 6. - С. 50-51. ir.ua
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Слесаренко Вячеслав Владимирович - доктор технических наук, профессор кафедры Нефтегазового дела и нефтехимии, [email protected] Лапшин Виктор Дорофеевич - доцент кафедры Нефегазового дела и нефтехимии,
Соколова Полина Алексеевна - магистр кафедры Нефегазового дела и нефтехимии,
Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток.
А_.
