Основные процессы и аппараты химической технологии


Г. В. Власова, Д. А. Чудиевич, Н. А. Пивоварова










                ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ





Учебник















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.323/.324
ББК 33.36
     В58

Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии нефти и газа Кубанского государственного технологического университета Ясьян Юрий Павлович;
кандидат технических наук, генеральный директор АО «КалмТатнефть» Колокольцев Сергей Николаевич


     Власова, Г. В.

В58 Основные процессы и аппараты химической технологии : учебник / Г. В. Власова, Д. А. Чудиевич, Н. А. Пивоварова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 188 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0863-9

      Дана общая классификация технологического оборудования. Приведены принципы и правила выбора технологического оборудования с учетом процессов, применяемых в технологической схеме. Рассмотрены основные аппараты для проведения гидродинамических, тепловых, массообменных, химических и механических процессов. Освещены общие вопросы эксплуатации и ремонта оборудования.
      Для студентов и преподавателей нефтегазовых направлений подготовки. Может быть полезно специалистам нефтегазовой отрасли.

                                                      УДК 622.323/.324
                                                      ББК 33.36







ISBN 978-5-9729-0863-9

     © Власова Г. В., Чудиевич Д. А., Пивоварова Н. А., 2022
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие.....................................................5
Список сокращений...............................................6
Глава 1. Классификация оборудования процессов переработки нефти и газа........................................7
Глава 2. Гидродинамические аппараты............................10
  2.1. Электродегидраторы......................................10
  2.2. Сепараторы. Маслоотделители. Отстойники.................14
  2.3. Центрифуги. Циклоны.....................................17
  2.4. Фильтры.................................................19
  2.5. Насосы..................................................22
  2.6. Компрессоры и компрессорные установки...................33
  2.7. Аппараты с псевдоожиженным (или «кипящим») слоем........55
Глава 3. Массообменные аппараты................................58
  3.1. Ректификационные колонны................................58
  3.2. Абсорберы...............................................71
  3.3. Адсорберы...............................................75
  3.4. Экстракторы.............................................79
  3.5. Сушилки.................................................80
  3.6. Кристаллизаторы.........................................81
Глава 4. Тепловое оборудование.................................86
  4.1. Трубчатые печи..........................................86
  4.2. Теплообменные аппараты..................................98
  4.3. Аппараты воздушного охлаждения (АВО)...................111
Глава 5. Химическое оборудование..............................114
  5.1. Реакционные аппараты термических процессов.............114
  5.2. Реакционные аппараты термокаталитических процессов.....115
Глава 6. Механические аппараты................................131
  6.1. Дробилки...............................................131
  6.2. Классификаторы.........................................135
  6.3. Дозаторы...............................................138
Глава 7. Эксплуатация и ремонт оборудования процессов переработки нефти и газа......................................139

3

  7.1. Эксплуатация и ремонт гидродинамических аппаратов........139
  7.2. Эксплуатация и ремонт массообменных аппаратов............150
  7.3. Эксплуатация и ремонт теплового оборудования.............158
  7.4. Эксплуатация и ремонт химического оборудования...........166
  7.5. Эксплуатация и ремонт механических аппаратов.............171

Список литературы...............................................173
Вопросыдля самоконтроля.........................................177

4

    ПРЕДИСЛОВИЕ


     В данном учебнике приводятся сведения по устройству и работе основного оборудования процессов переработки нефти и газа. Дана общая классификация технологического оборудования, приведены общие принципы и правила выбора технологического оборудования с учетом процессов, применяемых в технологической схеме. Рассмотрены основные аппараты для проведения следующих процессов: гидродинамических; тепловых; массообменных; химических и механических. В связи с большим разнообразием конструктивного исполнения оборудования для процессов переработки нефти и газа в учебнике приводится технология ремонта наиболее распространенных конструкций.
     Материал изложен применительно к программе курсов «Процессы и аппараты химической технологии» и «Ремонт оборудования процессов переработки нефти и газа» для студентов, обучающихся по направлению «Химическая технология», а также для студентов других специальностей нефтяного и газового профилей. Предлагаемый в учебнике материал может быть полезным и для операторов технологических установок, механиков и слесарей по ремонту оборудования на промышленных предприятиях нефте- и газопереработки.
     В учебнике приведен список литературы, который позволит студентам подобрать источник для более углубленного изучения соответствующих разделов.
     Авторы выражают глубокую признательность коллегам за полезные замечания и конструктивные предложения, способствовавшие улучшению качества данного учебника.

5

    СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ


АВТ - атмосферно-вакуумная трубчатка (установка первичной перегонки нефти).
ГПЗ - газоперерабатывающий завод.
НПЗ - нефтеперерабатывающий завод.
ЦКБН - центральное конструкторское бюро нефтеаппаратуры.
КПД - коэффициент полезного действия.
АВО - аппарат воздушного охлаждения.
НТД - нормативно-техническая документация.
ФУМ - фторопластовый уплотняющий материал.
ЭЛОУ - электрообессоливающая установка.
КС - компрессорные станции.
ИТР - инженерно-технический работник.
ТЭС - теплоэлектростанция.
КИП - контрольно-измерительные приборы.
НД - нормативная документация.

6

ГЛАВАХ КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА

     Оборудование газоперерабатывающих и нефтеперерабатывающих заводов разнообразно не только по своему назначению, но и по конструктивному оформлению. Несмотря на это, все применяемые аппараты можно сгруппировать по определённым признакам.
     По своему назначению и происходящим в них процессам оборудование делится наследующие группы (см. рис. 1.1):
     1. Химическое (аппараты для проведения химических превращений углеводородного сырья):
      -  реакторы;
      -  регенераторы.
     2.       Массообменное (аппараты для осуществления контакта между двумя реагентами, обеспечивающего обмен теплом и массой между ними):
      -  ректификационные колонны;
      -  абсорберы;
      -  десорберы;
      -  адсорберы;
      -  экстракторы;
      -  сушилки и т. д.
     3.       Тепловое (аппараты для нагревания или охлаждения технологического потока):
      -  трубчатые печи;
      -  теплообменники;
      -  холодильники;
      -  конденсаторы ит.д.
     4.       Оборудование для гидродинамических процессов (аппараты для разделения неоднородных систем на составляющие компоненты и для перемещения жидкости):
      -  отстойники;
      -  сепараторы;
      -  фильтры;
      -  центрифуги;
      -  мешалки;
      -  насосы;
      -  электродегидраторы и т. д.

7

5. Механическое (аппараты для обработки твердых материалов): - дробилки;
- классификаторы;
- транспортеры и т. д.

Аппараты и машины

Сушилки, экстракторы
Перегонные кубы
Ректификационные колонны
Абсорберы, адсорберы, десорберы
Кристаллизаторы
Электродегидраторы, насосы, компрессоры
Отстойники, сепараторы

Центрифуги, циклоны

Фильтры, электрофильтры

Аппараты с псевдоожиженным слоем

Дробилки, сита


Транспортёры, дозаторы

Смесители

Плавильные печи

Конденсаторы, испарители
Теплообменники, холодильники

Трубчатые печи

С фонтанирующим слоем
С перемешивающим устройством
Пустотелые

С неподвижным слоем
С псевдоожиженным слоем
С движущимся слоем

Рисунок 1.1 — Схема классификации аппаратов и машин для проведения технологических процессов

8

     Кроме того, аппараты, так же как и технологические процессы, подразделяются на два вида - периодического и непрерывного действия.
     В основу выбора технологического оборудования лежит несколько основных принципов:
     -        соблюдение промышленной и экологической безопасности проведения процесса;
     -      энергетическая эффективность процесса;
     -        соблюдение качественных показателей получаемой продукции и ее конкурентоспособность;
     -        обеспечение эффективного управления процессом и обслуживания оборудования;
     -        экономическое обоснование применяемого оборудования и, как следствие, экономическая эффективность всего процесса.
     С точки зрения технологии, основными принципами выбора оборудования являются:
     -      состав сырья (агрессивность среды);
     -      физико-химические свойства сырья;
     -      температура;
     -      давление;
     -      требования к конечному продукту.
     Условия проведения процесса и специфические условия работы (эксплуатации) оборудования предъявляют высокие требования к конструкционным материалам при его изготовлении.
     Основные требования, предъявляемые к материалам:
     -        высокая коррозионная стойкость в определенных агрессивных средах, а также стойкость при возникновении иного вида коррозионного разрушения;
     -      высокая механическая прочность;
     -        сохранение удовлетворительных пластических свойств при определенном градиенте температуры;
     -      жаростойкость и жаропрочность;
     -      устойчивость при изменении нагрузки (циклическая плотность);
     -      низкая склонность к старению;
     -        высокая (наилучшая) способность материала свариваться с обеспечением прочности сварных швов во время эксплуатации оборудования в самых жестких условиях;
     -      экономичность материала (не дефицитность, низкая стоимость).

9

    ГЛАВА2
    ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

     Гидродинамические аппараты - это класс аппаратов, применяемый в нефтяной, газовой и химической отраслях для перемещения жидких и газовых сред, разделения неоднородных сред, сжатия упругих сред и т. д.
     К этим аппаратам относятся электродегидраторы, сепараторы, отстойники, маслоотделители, фильтры (электрофильтры), аппараты с псевдоожиженным слоем, насосно-компрессорное оборудование и т. д.

    2.1. Электродегидраторы

     Электродегидраторы - аппараты для обезвоживания и обессоливания нефти и очистки светлых нефтепродуктов (сжиженного газа, бензина, керосина, дизельного топлива) в электрическом поле. Электродегидраторы используют на технологических установках нефтегазоперерабатывающих заводов. Электрическое поле ускоряет разделение водонефтяных эмульсий и удаление из них мелких капель воды, содержащих соли, щелочь, кислоты.
     На отечественных электрообезвоживающих и обессоливающих установках или соответствующих блоках установок первичной переработки нефти применяют электродегидраторы с переменным электрическим полем промышленной частоты с напряжением между электродами от 22 до 50 кВ. Процесс обезвоживания происходит на основе диполь-дипольного механизма, когда капли воды становятся диполями под действием электрического поля, они деформируются, оболочки их ослабляются. Капли при столкновениях коагулируют и осаждаются.
     Электродегидраторы разделяют: по способу ввода нефти - с вводом в нижнюю часть аппарата в слой воды и в среднюю часть в межэлектродное пространство; по форме корпуса - вертикальные, горизонтальные и сферические. Типовые горизонтальные электродегидраторы имеют внутренний диаметр 3400 мм и длину 8,24, 18,64 и 23,45 м, объем аппаратов соответственно равен 50, 160 и 200 м³. Производительность таких аппаратов составляет от 2 до 2,5 объемов в час.
     В качестве примера на рисунке 2.1 показан горизонтальный электродегидратор ЭГ200-10 конструкции ВНИИНефтемаша вместимостью 200 м³ на давление 1 МПа (10 кг/см²), предназначенный для обезвоживания и обессоливания нефти и газовых конденсатов на промысловых и нефтезаводских установках.


10

     В корпусе 1 аппарата размещены электроды (верхний 3 и нижний 4), подвешенные на изоляторах 2, распределитель 10 нефти, сборник 8 соленой воды, два сборника 5 обессоленной нефти и промывочный коллектор 9.


Рисунок 2.1 — Горизонтальный электродегидратор ЭГ200-10:
1 — корпус; 2 — изолятор; 3 — верхний электрод; 4 — нижний электрод;
5 — сборник обессоленной нефти; 6 — трансформатор; 7 — ввод высокого напряжения; 8 — сборник соленой воды; 9 — промывочный коллектор;
10 — распределитель нефти. Потоки: I — выход обессоленной нефти; II — вход нефти; III — удаление шлама; IV — ввод воды на промывку аппарата;
V — выход дренажной воды

      На корпусе электродегидратора смонтированы трансформатор 6 и ввод 7 высокого напряжения. Каждый электрод разделен на две равные части, которые для обеспечения равномерной загрузки трансформатора соединены так, что каждая половина верхнего электрода соединена с другой половиной нижнего электрода.
      Нефть, вводимая в середину распределителя 10, равномерно распределяется по всему сечению аппарата и после промывки в слое воды, уровень которой поддерживается автоматически выше распределителя на 200-300 мм, движется вертикально вверх. При этом нефть сначала в объеме между уровнем раздела нефть - вода и плоскостью нижнего электрода обрабатывается в слабом электрическом поле, а затем в сильном электрическом поле между электродами, после чего собирается сборниками обессоленной нефти 5 и выводится из аппарата. Различие в напряженности электрического поля позволяет вначале обеспечить выделение из эмульсии более крупных глобул воды и таким образом разгрузить зону между электродами для выполнения более сложной задачи - отделения мелких капель воды. Соленая вода собирается в нижней части электродегидратора сборником 8 и выводится из аппарата. Для промывки аппарата без его вскрытия предусмотрен промывочный коллектор 9, отверстия в котором направляют струи воды на стенки корпуса.


11

      Питание электродов осуществляется от сдвоенного трансформатора мощностью 160 кВ-A (киловольт-ампер), позволяющего получить между электродами напряжение 30, 35, 40, 45 и 50 кВ. Трансформатор к электродам присоединяют с помощью двух вводов высокого напряжения.
      Первые мощные шаровые электродегидраторы емкостью 600 м³ и диаметром 10,5 м были применены на установках ЭЛОУ в 1955 г. (см. рис. 2.2).
      Шаровые дегидраторы имеют в 10-15 раз большую производительность, чем вертикальные, но они громоздки и трудоемки в изготовлении. Кроме того, они не могут эксплуатироваться при высоком давлении. Повышение расчетного давления электродегидратора привело бы к большому перерасходу металла на аппарат.


Рисунок 2.2 - Общий вид шарового электродегидратора:
1 - трансформатор; 2, 4 - распределительные головки; 3 - электрод;
5 - штуцер для вывода обессоленной нефти; 6 - штуцер для ввода сырой нефти; 7 - штуцер для дренажа

      Рабочие параметры шарового электродегидратора (кроме производительности) несколько ниже, чем, например, горизонтального. Так максимальная рабочая температура в аппарате не может превышать 100 °C, а давление 0,7 МПа. Масса аппарата с электродами 100 т.


12