Hőmérséklet C Szénhidrogén elegy rektifikálásának modellezése 1. Elméleti összefoglalás Napjainkban a kőolaj az egyik legfontosabb bányászott és feldolgozott nyersanyag, meghatározó primer energia hordozó. Fő alkotóelemei a szén és a hidrogén, nyílt láncú alkánok (paraffinok), cikloalkánok (naftének) és aromás vegyületek formájában. A kőolajok, és a belőlük származó termékek, azaz a kőolaj párlatok komplex elegyek, rendkívül nagyszámú szénhidrogén komponensből épülnek fel. Az egyedi komponensek száma a kőolaj típusától függően pár ezer és akár százezer között is változhat. Eredeti állapotában a kőolaj nem használható fel, ahhoz, hogy értékes frakciókat kapjunk, fel kell dolgozni. A finomítói technológiákban többféle fizikai és kémiai módszerrel, katalizátorok, vegyszerek segítségével állítják elő a kívánt termékeket. Az átalakítás első lépése a kőolaj frakciók fizikai módszerrel történő elválasztása, a frakcionált desztilláció. A legelterjedtebb módszer kőolaj desztillálására az atmoszférikus és vákuum desztilláció. 1.1. Desztillációs görbék A kőolajjal, mint komplex eleggyel végzett műveletek nem jellemezhetőek a komponensek egyedi tulajdonságai alapján (ekkora mennyiségű komponens pontos analitikai elemzése nem is lehetséges); ezért a szénhidrogén elegyek gőz-folyadék egyensúlyát desztillációs görbékkel jellemezzük. A desztillációs görbék abszcisszáján a desztillátum mennyisége, az ordinátán pedig a hőmérséklet szerepel. A desztillátum mennyiségét jellemzően térfogatszázalékban ábrázoljuk. A két legjelentősebb desztillációs görbe a TBP- és az ASTM-görbe. A TBP-görbe (true boiling point, valódi forráspont) felvétele nagy elméleti tányérszámú analitikai rektifikáló kolonnával történik, nagy refluxarány alkalmazásával. Rektifkálás mellett gázkromatográfiás analízissel is megállapíthatják a TBP görbét. A feltételek miatt az egyes komponensek jó közelítéssel a saját, valódi forráspontjukon párolognak el. 1000 800 Kőolaj desztillációs görbéi 600 400 200 0-200 0 20 40 60 80 100 Térfogatszázalék % ASTM D86 TBP 1. ábra Kőolaj desztillációs görbéi
Az ASTM- görbe felvétele az American Society for Testing and Materials szabványa alapján történik; és a Magyar Szabvány is ezt a módszert írja elő. Az ASTM görbe felvétele szabványos laboratóriumi készüléken való fokozatos, reflux nélküli elpárologtatással történik (Engler.desztilláció). Az ASTM-görbe felvétele során a kezdeti- és végforrpontokat, illetve az adott desztillátum mennyiséghez tartozó hőmérsékleteket jegyezzük fel. Az 1. ábrán egy kőolaj TBP- és ASTM görbéjét jelöltük. A görbék lefutása kis mértékben különbözik, és egymásba átszámíthatóak. 1.2. Pszeudokomponensek A tényleges komponensek használata, azok rendkívül nagy száma miatt, általában nem lehetséges, ezért pszeudokomponensekkel dolgounk. A pszeudokomponensek olyan fiktív komponensek, amelyek rendelkeznek átlagos fizikai-kémiai tulajdonságokkal, segítségükkel a frakcionálás modellezhető. A pszeudokomponenseket a komplex elegy TBP-görbéjéből képezhetjük (2. ábra). A görbét tetszőleges számú forráspont tartományra osztjuk úgy, hogy a közepes forráspontokon áthaladó egyenes és a görbe által bezárt terület nagysága az egyenes alatt és felett megegyezzen. A választott pszeudokomponensek mennyisége az elválasztás nehézségétől függ. Éles elválasztás esetén több, könnyű feladat esetén kevesebb pszeudokomponens is elegendő a számítások kivitelezéséhez. Az átlagos fizikai tulajdonságokat a pszeudokomponensek átlagos forráspontjából becsülhetjük. Így a módszer segítségével kapott pszeudokomponensekkel úgy számolhatunk, mintha valódi komponensek lennének. 2. ábra Pszeudokomponensek kiválasztása TBP-görbe alapján
1.3. Kőolaj desztillációja A kőolaj desztilláció célja a kőolaj frakciók lepárlása és elkülönült felhasználása, esetleges további feldolgozással. A frakciók elválasztása forráspont különbségük alapján történik, a termékek általában könnyű szénhidrogén gázok, könnyű és nehéz benzin, kerozin, gázolaj, vákuum gázolaj és vákuum maradék. A hagyományos technológia kőolaj frakcionálására az atmoszférikus és vákuum desztilláció. Amennyiben az atmoszférikus és vákuum desztilláló üzemben feldolgozásra kerülő kőolaj nagy mennyiségű könnyű komponenst tartalmaz, elődesztilláló oszlopot alkalmaznak (C1). Az előlepárló fejterméke a könnyűbenzin és a könnyű szénhidrogén gázok, melyeket egy további desztilláló oszlopban, a stabilizálóban (C2) választanak szét; az itt eltávolított könnyű szénhidrogének, propán-bután gáz és a könnyűbenzin kitárolásra kerülnek, ezáltal csökken a kemencében előmelegítendő nyersolaj mennyisége, amivel hő takarítható meg. A 3. ábrán ilyen, előlepárlóval rendelkező üzem folyamatábráját mutatjuk be. Az előlepárló fenéktermékeként távozó redukált kőolaj csőkemencébe kerül, ahol részben elpárolog. A komplex elegy (kőolajpárlat) gőz- és folyadékarányát, valamint az ehhez tartozó várható összetételét az ú.n. EFV (Equilibrium Flash Vaporisation, egyensúlyi forráspontgörbe) mutatja. Ennek segytségével a hőmérséklet ismeretében a gőz/folyadék hányadot, valamint a két párlat összetételét leolvashatjuk. Megjegyezzük, hogy a három görbe, ASTM, TBP, EFV egymásba átszámítható. 3. ábra Atmoszférikus és vákuum desztilláló üzem A betáplálás tehát vegyes fázisban lép be a főlepárló oszlopba, a szénhidrogén gőzök a toronyban felfelé haladnak, a nagyobb forráspontú, nehezebb komponensek pedig lefelé csurognak. A reflux megfelelő mennyiségét egyrészt a torony fejtermékeként kilépő gőzök kondenzáltatásával és az így kapott folyadék egy
részének visszavezetésével, másrészt cirkulációs áramokkal biztosítják. A rektifikáló oszlop termékei benzin, kerozin és gázolajok. Az oldaltermékeknek az előírtnál kisebb forráspontú komponenseit kigőzölő oszlopokban távolítják el, majd visszavezetik a desztilláló oszlopba, így az oldalsztripper használatával élesebb vágás érhető el a különböző frakciók között. A fejtermék és oldaltermékek elvétele után visszamaradó atmoszférikus maradék a pakura, ami csőkemencében történő előmelegítés után a vákuum lepárló oszlopban kerül feldolgozásra. A maradékban található, nagy szénatomszámú szénhidrogének atmoszférikus nyomáson nem desztillálhatóak, forráspontjuk elérése előtt bekövetkezik a komponensek termikus krakkolódása. Vákuum alkalmazásával a forráspont a krakkolódási hőmérséklet alá csökkenthető, az alkalmazott nyomás 80-110 Hgmm. A toronyban kialakuló vákuum miatt a fajlagos gáz/gőz/páratérfogatok megnőnek, ezért a vákuumtoronynak általában nagyobb az átmérője, mint egy atmoszférikus toronynak, és a nagyobb mennyiségben jelenlévő gőz miatt az intenzív gőz-folyadék érintkeztetés elérése érdekében általában rendezett töltetet alkalmaznak. A vákuum desztilláció termékei vákuum gázolaj és vákuum desztillátum, maradéka pedig a vákuum maradék, azaz gudron. 2. A mérés leírása A gyakorlat célja egy fiktív kőolaj feldolgozására alkalmas üzem modellezése és az eredmények értékelése. A feladat elvégzése a ChemCAD folyamatszimulátor segítségével történik. A gyakorlat során a C1 jelű előlepárló és a C10 jelű főlepárló oszlopokat modellezzük. Az üzemben 4167 brl/h (barrel- hordó a kőolajiparban használatos alapegység) mennyiségű kőolaj kerül feldolgozásra. Az üzembe belépő kőolaj hőmérsékelete 20 C és nyomása 5 bar. Rendelkezésre áll ezen kívül a kőolaj TBP-görbéje (1. táblázat). A modell felépítése előtt szükséges az alapvető elemek ChemCAD-ben történő beállítása: A megfelelő mértékegységek használatára állítsa be a Common SI mértékegységrendszert. Format/Engineering Units A komponensek megadása kétféleképpen történik, egyrészt szükség van a könnyű komponensek kiválasztására (víz, metán, etán, propán, n-bután, izobután, n-pentán, izopentán Thermophisical/Select Components); másrészt pszeudokomponenseket kell generálni a számítások kivitelezéséhez. Thermophisical/Pseudocomponent Curves). A gőz-folyadék egyensúly számításához a szénhidrogén elegyek modellezésére az SRK-modellt használja. Thermophisical/Thermodynamic Settings A kész ChemCAD modell folyamatábrája a 4. ábrán látható. A modellt lépésenként építjük fel, az egyes berendezéseket először külön-külön modellezve. A modellezéshez a gyakorlat során a mérésvezető részletes segítséget nyújt.
2.1. Előlepárló oszlop modellezése A folyamatábra modellezéséhez válassza ki a megfelelő műveleti egységeket a palettáról, és helyezze őket a folyamatábrára. Az előlepárló oszlop modellezéséhez válassza a Tower Plus #13 kolonnát. Az oszlop visszaforraló nélkül, kondenzátorral működik. A specifikációkat a mérésvezető adja meg a gyakorlat során. 2.2. Főlepárló oszlop modellezése Az új műveleti egységek elhelyezése után kösse össze a már meglévő áramokat az új egységekkel. A kemencében 320 C-ra melegítse elő az előlepárlóból kilépő redukált kőolajat. A főlepárló modellezésére szintén a Tower Plus #13 kolonnát használja. A kolonna visszaforraló nélkül, kondenzátorral üzemel. A megfelelő hőmérsékletprofil kialakításához kettő belső cirkulációt alkalmazzon. Az oldaltermékek megfelelő minőségét sztrippelő kolonna alkalmazásával biztosítsa. A specifikációkat a mérésvezető adja meg a gyakorlat során. 4. ábra AV üzem ChemCAD modellje 3. A mérési feladat A modell specifikációnak megfelelő megválasztásával állítson elő kőolajipari minőségű frakciókat. A frakciók minőségi előírásai a 2. táblázatban láthatóak. A jegyzőkönyvben jelölje az eredeti specifikációkat, hogyan változtatta azokat, és végül milyen beállítások mellett döntött.
d kg/m3 Kezdőforrpont C Végforrpont C PB 550-560 -1/+5 Könnyűbenzin (KB) 695-710 40 110-120 Nhezézbenzin (NB) 740-750 50-80 160-185 JET 795-805 140-155 230-240 Gázolaj (GO) 835-880 190-215 300-385 Pakura 915-925 Vákuumgázolaj (VGO) 880-885 240-250 375-385 Vákuum desztillátum (SZPOD) max 920 min 320 max 600 1. táblázat Termékek minőségi követelményei 3.1. Desztillációs görbék generálása, összehasonlítása Az egyes frakciók minőségének szemléltetésére ábrázolja azok desztillációs görbéit (Plot/Pseudocomponents Curves). Egy diagramon több görbét is ábrázolhat, a diagramokat Excel táblázatkezelő segítségével is szerkesztheti (Chart, Data to Excel CSV file). 3.2. Oszlop profilok 4. Irodalom A desztilláló oszlopok megfelelő működésének szemléltetésére adja meg az oszlopok hőmérséklet- és nyomás profilját, a felszálló gőz és a lefolyó folyadék mennyiségét. (Tower Plus/View Column Profile). A hőmérséklet profilt ábrázolja diagramon, és állapítsa meg, hogy szükség van-e az elválasztás kivitelezéséhez az adott mennyiségű elméleti tányérszámra. Dr. Széchy Gábor: Bevezetés a kőolajfeldolgozás technológiájába Budapest, 2003 Dr. Földes Péter, Dr. Fonyó Zsolt: Rektifikálás Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978 Dr. Fonyó Zsolt, Dr. Fábry György: Vegyipari művelettani alapismeretek Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest 2004 A jegyzetet készítette: Farkasné Szőke-Kis Anita Ellenőrizte: Dr. Mizsey Péter