Προσομοίωση Διύλισης Αργού Πετρελαίου (Crude Oil Refining Process Simulation)

Σ' ένα σύχρονο διυλιστήριο πετρελαίου γίνεται ένα μεγάλο πλήθος διεργασιών που στόχο έχουν να μεγιστοποιήσουν την παραγωγή καυσίμων και πρώτων υλών με τον πλέον οικονομικό τρόπο, λαμβάνοντας υπόψην την εκάστοτε νομοθεσία, είτε για βελτιωμένα καύσιμα, είτε για την προστασία του περιβάλλοντος.

Στις αποστακτικές στήλες (distillation column, still) του αργού πετρελαίου γίνονται οι κυριότερες διεργασίες σ' ένα διυλιστήριο. Οι στήλες αυτές χρησιμοποιούνται για τον διαχωρισμό του αργού πετρελαίου σε κλάσματα ανάλογα του σημείου βρασμού τους, ώστε οι διεργασίες που ακολουθούν να έχουν τροφοδοσία που να ικανοποιεί τις ιδιαίτερες προδιαγραφές της περαιτέρω διεργασίας.

Απόδοση και οικονομία επιτυγχάνονται αν η απόσταξη του αργού πετρελαίου γίνει σε δύο στάδια. Πρώτα η απόσταξη του συνόλου του αργού πετρελαίου γίνεται πρακτικά σε ατμοσφαιρική πίεση και έπειτα, το κλάσμα πυθμένος της ατμοσφαιρική στήλης - ρεύμα με υψηλό σημείο βρασμού, τροφοδοτεί μια δεύτερη στήλη που λειτουργεί σε υψηλό κενό (χαμηλή πίεση).

Η στήλη κενού απαιτείται διότι ο θερμικός διαχωρισμός των βαρέων κλασμάτων σε ατμοσφαιρική πίεση απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες όπου γίνεται παράλληλα και θερμική διάσπαση των κλασμάτων αυτών με αποτέλεσμα την υποβάθμιση των προϊόντων, απώλεια υδρογονανθράκων και απόθεση "μάκας" στον εξοπλισμού λόγω σχηματισμού κωκ. Ως γνωστόν, η θερμοκρασία βρασμού (σημείο βρασμού) ελαττώνεται με την ελάττωση της (συνολικής ή μερικής) πίεσης. 'Ετσι τα βαρύτερα κλάσματα στη στήλη κενού, βράζουν σε μικρότερη θερμοκρασία και αποφεύγεται η θερμική τους διάσπαση. Όμοια δράση έχει, όπως θα δούμε, και η προσθήκη ατμού στη στήλη.

Προθέρμανση Αργού Πετρελαίου

Το αργό πετρέλαιο πριν εισέλθει στην ατμοσφαιρική στήλη προθερμαίνεται σε μια σειρά από εναλλάκτες θερμότητας στους 550 ^οF περίπου με θερμική εναλλαγή με τα προϊόντα και τα ρεύματα επαναρροής της στήλης. Έπειτα, το αργό πετρέλαιο θερμαίνεται σε φούρνο/κλίβανο (direct-fire-furnace) στους 650 - 750 ^οF και στη συνέχεια τροφοδοτεί την ατμοσφαιρική στήλη. Η θερμοκρασία εξόδου του αργού πετρελαίου από τον φούρνο είναι αρκετά υψηλή ώστε να έχουν ατμοποιηθεί όλα τα προϊόντα που αφαιρούνται πάνω από το δίσκο τροφοδοσίας και ένα 10-20% επιπλέον από τα προϊόντα πυθμένος. Αυτό το 10-20% "επιπλέον" επιτρέπει την κλασμάτωση ακριβώς πάνω από το δίσκο της τροφοδοσίας και να παρέχει εσωτερική επαναρροή σε περίσσεια των πλευρικών ρευμάτων που αφαιρούνται.

Είναι σκόπιμο να τοποθετηθεί ένα δοχείο διαχωρισμού (flash drum) μεταξύ των εναλλακτών θερμότητας προθέρμανσης και του φούρνου θέρμανσης. Τα κλάσματα χαμηλού σημείου βρασμού που ατμοποιούνται με την προθέρμανση στους εναλλάκτες διαχωρίζονται στο δοχείο διαχωρισμού και οδηγούνται κατ' ευθείαν στο δίσκο τροφοδοσίας της ατμοσφαιρικής στήλης. Το υγρό ρεύμα από το δοχείο διαχωρισμού αντλείται μέσω του φούρνου στην αποστακτική στήλη. Έτσι απαιτούνται μικρότεροι και φθηνότεροι φούρνοι για τη θέρμανση της τροφοδοσίας της ατμοσφαιρικής στήλης.

Ατμοσφαιρική Στήλη Αργού Πετρελαίου

Η επαναρροή της στήλης επιτυγχάνεται με την συμπύκνωση των ατμών της κορυφής (overhead vapor) και με την επιστροφή τμήματος του υγρού ρεύματος στην κορυφή της στήλης. Πλάγια υγρά ρεύματα αφαιρούνται από τη στήλη. Αυτά τα ρεύματα είναι πλούσια σε συστατικά χαμηλού σημείου βρασμού. Αυτά τα "ελαφρά" (light ends) απογυμνώνονται σε μικρές στήλες (side strippers) με 4 έως 10 δίσκους με ατμό που εισάγεται κάτω από τον δίσκο πυθμένος. Ο ατμός και τα "ελαφρά" επανεισάγονται στην ατμοσφαιρική στήλη σε μια θέση πάνω από το σημείο λήψης του υγρού ρεύματος.

Κάθε ένα από τα πλευρικά ρεύματα προϊόντων ελαττώνει την επαναρροή κάτω από το σημείο της υγρής λήψης. Μέγιστη επαναρροή και κλασμάτωση επιτυγχάνεται με την ολική αφαίρεση της θερμότητας (πλήρης συμπύκνωση) στην κορυφή της στήλης. Αυτό όμως οδηγεί σε "κωνικού τύπου" υγρή φόρτηση της στήλης που απαιτεί πολύ μεγάλη διάμετρο στήλης στην κορυφή. Για να ελαττωθεί η διάμετρος στην κορυφή της στήλης και η υγρή φόρτηση καθ' ύψος της στήλης χρησιμοποιούνται πλάγια ρεύματα επαναρροής για αφαίρεση θερμότητας και δημιουργία ικανοποιητικής επαναρροής κάτω από τα σημεία υγρής λήψης των απογυμνωτών. Έτσι υγρό ρεύμα αφαιρείται από τη στήλη, ψύχεται σε εναλλάκτη θερμότητας και επιστρέφει στη στήλη. Αυτό το ψυχρό ρεύμα υγροποιεί περισσότερους ατμούς τώρα και αυξάνει την επαναρροή στη στήλη κάτω από το σημείο της επιστροφής του σ' αυτήν. Επίσης αυξάνει και η ενεργειακή απόδοση της στήλης με αυτές τις βοηθητικές επαναρροές (pump-arounds). Αν η ικανοποιητική επαναρροή παραγόταν στην κορυφή της στήλης, όλη η θερμότητα θα έπρεπε να εξαχθεί στο σημείο φυσαλίδας (bubble-point) του προϊόντος κορυφής (overhead vapor). Με τις βοηθητικές επαναρροές σε χαμηλότερα σημεία της στήλης, οι θερμοκρασίες εναλλαγής είναι υψηλότερες και ένα μεγαλύτερο κλάσμα της θερμικής ενέργειας μπορεί να χρησιμοπιηθεί.

Συνήθως οι ατμοσφαιρικές στήλες αργού πετρελαίου δεν χρησιμοποιούν αναβραστήρα (rectifying column), λειτουργούν δηλαδή σαν πύργοι απορρόφησης με συμπυκνωτήρα (refluxed absorber). Αντί αναβραστήρα λοιπόν, προστίθονται μερικοί δίσκοι κάτω από το δίσκο τροφοδοσίας και ατμός εισέρχεται κάτω από τον τελευταίο δίσκο. Οι ατμοσφαιρικές στήλες περιέχουν 30 έως 50 δίσκους, ενώ ένας απογυμνωτής (side-stripper) 4 έως 10 δίσκους. Στον συμπυκνωτήρα της κορυφής της στήλης υγροποιούνται το πεντάνιο και τα βαρύτερα. Αυτή είναι η "ελαφριά" βενζίνη (LSR gasoline) και περιέχει προπάνιο και βουτάνια. Αυτό το ρεύμα τροφοδοτεί ένα σταθεροποιητή (stabilizer column) στο τμήμα επεξεργασίας αερίων (gas plant) του διυλιστηρίου, όπου αφαιρούνται βουτάνια και προπάνιο από την "ελαφριά" βενζίνη (LSR-Light Straight Run).

Στήλη Κενού Αργού Πετρελαίου

Όπως είδαμε, λόγω της θερμικής διάσπασης της τροφοδοσίας σε υψηλή θερμοκρασία χρησιμοποιείται αποστακτική στήλη σε κενό. 25 με 40 mmHg είναι η πίεση λειτουργίας της στήλης κενού. Με την εισαγωγή ατμού η πίεση ελαττώνεται ακόμα περισσότερο 10 mmHg ή ακόμα χαμηλώτερα και έτσι διευκολύνεται η ατμοποίηση της τροφοδοσίας. Η εισαγωγή του ατμού στην είσοδο του φούρνου θέρμανσης της τροφοδοσίας της στήλης κενού, αυξάνει την ταχύτητα της τροφοδοσίας στους αυλούς του φούρνου και έτσι ελαχιστοποιείται η απόθεση κωκ στο φούρνο. Τυπική αναλογία προστιθέμενου ατμού είναι 10 έως 50 lb/bbl τροφοδοσίας, ενώ τυπική θερμοκρασία εξόδου από το φούρνο είναι 730 - 850 ^οF. Η πτώση πίεσης στις γραμμές της κορυφής της στήλης, στον συμπυκνωτήρα και σ' όλον τον εξοπλισμό μεταξύ εξοπλισμού δημιουργίας κενού και στήλης είναι ένας καθοριστικός παράγοντας κόστους. Η ελάχιστη πτώση πίεσης οδηγεί και σε σημαντική ελάττωση του λειτουργικού κόστους της στήλης.

Η ελαττωμένη πίεση οδηγεί όμως σε αυξημένες ογκομετρικές ροές των ατμών στη στήλη και κατά συνέπεια απαιτεί διάμετρο στήλης πολύ μεγαλύτερη από αυτήν της ατμοσφαιρικής στήλης. Έχουν κατασκευαστεί και στήλες κενού με διάμετρο 12 m. Η λειτουργική πίεση επιτυγχάνεται με εκβολείς ατμού ("τζιφάρια") και ατμοσφαιρικούς συμπυκνωτές ή αντλίες κενού και επιφανειακούς συμπυκνωτές. Ο αριθμός των βαθμίδων και το μέγεθος των εκβολέων καθορίζουν την τελική πίεση και την ποιότητα των ατμών. Για στήλες σε 25 mmHg, τρεις εκβολείς αρκούν. Η πρώτη βαθμίδα συμπυκνώνει τον ατμό και συμπιέζει τα μη συμπυκνωμένα αέρια. Η δεύτερη και η τρίτη βαθμίδα απομακρύνουν τα μη συμπυκνούμενα αέρια από τους συμπυκνωτές. Το κενό όμως που επιτυγχάνεται περιορίζεται από την μερική πίεση των υδρατμών στους συμπυκνωτήρες. Όσο πιο ψυχρό είναι το νερό ψύξης στους συμπυκνωτήρες, τόσο χαμηλότερη είναι και η πίεση της στήλης. Τελευταία επιδιώκεται η χρήση αντλιών κενού με επιφανειακούς συμπυκνωτήρες, ώστε να ελαχιστοποιείται η ρύπανση του νερού με τα παράγωγα του πετρελαίου.

Διάγραμμα Ροής Απόσταξης Αργού Πετρελαίου

Θέτοντας τα επί μέρους τμήματα στη σειρά, έχουμε το συνολικό διάγραμμα ροής της επεξεργασίας του αργού πετρελαίου στην ατμοσφαιρική και στη στήλη κενού όπως φαίνεται παρακάτω.  

Παρατηρήστε ότι εδώ έχουμε αγνοήσει την μονάδα αφαλάτωσης/απομάκρυνσης στερεών και το αργό πετρέλαιο τροφοδοτεί τον φούρνο κατ' ευθείαν. Ραφινάρισμα της διαδικασίας μπορεί να γίνει σε επόμενο στάδιο όπως και θερμική ολοκλήρωση της διαδικασίας. Εδώ μας ενδιαφέρει άμεσα να έχουμε μια βάση σχεδιασμού και κατά συνέπεια μια πρώτη κοστολόγηση. Βελτιώσεις μπορούν να γίνουν σε επόμενα στάδια πάνω στο βασικό σχεδιασμό.

Επίλυση Διαγράμματος Ροής Απόσταξης Αργού Πετρελαίου

Επίλυση του διαγράμματος ροής σημαίνει τον προσδιορισμό των ροών, της σύστασης, της πίεσης, της θερμοκρασίας όλων των ρευμάτων υγρών και αερίων σε κάθε σημείο του διαγράμματος ροής καθώς και τον προσδιορισμό του μεγέθους κάθε στοιχείου του απαιτούμενου εξοπλισμού και των απαιτήσεων του σε ενέργεια, ατμό, νερό ψύξης, κλπ. Μόνο τότε, σε δεύτερη φάση, μπορεί να γίνει κοστολόγηση τόσο της επένδυσης όσο και του λειτουργικού κόστους. Είναι προφανές ότι η επίλυση αυτή επιτυγχάνεται με την εφαρμογή των αρχών της Φυσικής και Χημείας και Μαθηματικών. Τα ισοζύγια μάζας, ενέργειας και ορμής, κατάλληλα διατυπωμένα, είναι η βάση σχεδιασμού της εγκατάστασης. Θερμοδυναμικές "καταστατικές" εξισώσεις απαιτούνται για των προσδιορισμό των φυσικοχημικών παραμέτρων των ρευμάτων ή στοιχείων του εξοπλισμού.

Μια τέτοια διαδικασία είναι πολύ χρονοβόρα αν γίνει με το χέρι. Σήμερα με τη διάδοση των ΗΥ έχουν κατασκευαστεί ή μπορούν να κατασκευαστούν, προγράμματα - προσομοιωτές τα οποία κάνουν αυτή τη δουλειά γρήγορα και ξεκούραστα. Ο χρήστης όμως τώρα πρέπει να είναι γνώστης της φιλοσοφίας και των αρχών λειτουργίας αυτών των προσομειωτών.

Περιγραφή Προβλήματος:

Θέλουμε να σχεδιάσουμε μια μονάδα απόσταξης αργού πετρελαίου η οποία θα επεξεργάζεται 100.000 BPCD αργού πετρελαίου τα χαρακτηριστικά του οποίου δίνονται στον Πίνακα Ι (αργό πετρέλαιο North Slope Alaska). Η τροφοδοσία του αργού πετρελαίου βρίσκεται στους 550 ^οF και 78 psia. Η τροφοδοσία αυτή εξέρχεται από τον φούρνο σε θερμοκρασία 750 ^οF και τροφοδοτεί την ατμοσφαιρική στήλη. Η ατμοσφαιρική στήλη στήλη λειτουργεί με ολικό συμπυκνωτή στην κορυφή της, τέσσερις πλευρικούς απογυμνωτές (side strippers) και τέσσερις βοηθητικές αντλήσεις επαναρροής με παράλληλη ψύξη. Απαέρια, νερό και ελαφριά νάφθα παράγονται από την κορυφή της στήλης, βαριά νάφθα από τον πρώτο απογυμνωτή, κηροζίνη από τον δεύτερο, ντήζελ από τον τρίτο και βαρύ κλάσμα (atmospheric gas oil) από τον τέταρτο απογυμνωτή.

Το υπόλειμμα του πυθμένος της ατμοσφαιρικής στήλης (topped crude) αναμιγνύεται με υδρατμό, θερμαίνεται σε φούρνο στους 830 ^οF και τροφοδοτεί τη στήλη κενού που λειτουργεί σε 30 mmHg. Τα προϊόντα της στήλης κενού είναι πλευρικά υγρά ρεύματα LVGO (Light Vacuum Gas Oil) και HVGO (Heavy Vacuum Gas Oil). Το υπόλειμμα πυθμένος της στήλης κενού είναι η άσφαλτος.

Ο Πίνακας ΙΙ δείχνει τις συνθήκες με τις οποίες λειτουργεί η μονάδα απόσταξης της εγκατάστασης. Η στοιχειοθέτηση και η επίλυση αυτής της μονάδας, τόσο της ατμοσφαιρικής στήλης όσο και της στήλης κενού, έγινε με την χρήση του εμπορικού προσομειωτού HYSIM (Hyprotech, Ltd) σε ΗΥ. Ο Πίνακας ΙΙΙ δείχνει τα χαρακτηριστικά της ατμοσφαιρικής στήλης που χρησιμοποιήθηκαν σ' αυτήν την προσομοίωση και τις τιμές των μεταβλητών ανά δίσκο - πάτωμα της ατμοσφαιρικής στήλης μετά την επίλυσή της. Ο Πίνακας IV, ομοίως, δείχνει τα χαρακτηριστικά της στήλης κενού που χρησιμοποιήθηκαν σ' αυτήν την προσομοίωση και τα αποτελέσματα ανά δίσκο - πάτωμα. Σ' όλους τους υπολογισμούς θερμοφυσικών ιδιοτήτων χρησιμοποιήθηκε η καταστατική εξίσωση Peng Robinson. (συνεχίζεται ...)