Расчет экономического размера разделительных единиц в нефтехимических процессах

Понимание важности экономического размера в нефтехимических разделительных единицах

Определение экономичного размера разделительных блоков в нефтехимических процессах представляет собой одно из наиболее важных решений в процессе проектирования и оптимизации производства. Правильное определение размеров этих блоков напрямую влияет как на первоначальные капитальные инвестиции, так и на долгосрочную операционную рентабельность нефтехимических объектов. Инженеры должны тщательно балансировать несколько конкурирующих факторов, чтобы прийти к оптимальному дизайну, который максимизирует экономическую отдачу при соблюдении строгих требований к процессу и стандартов безопасности.

Сепарационное оборудование существует практически на всех нефтегазоперерабатывающих или нефтехимических заводах, являясь основным выбором для разделения смесей нескольких фаз. Эти агрегаты варьируются от простых двухфазных сепараторов, которые разделяют газ из жидких потоков, до сложных многокомпонентных дистилляционных колонн, которые дробят углеводородные смеси на многочисленные ценные продукты. Экономические ставки существенны, так как дистилляция может потреблять более 50% эксплуатационных энергетических затрат завода.

Процесс определения размеров включает в себя определение физических размеров оборудования для разделения, включая диаметр, высоту и внутренние конфигурации, которые будут обрабатывать требуемую пропускную способность при достижении заданных чистоты продукта. Негабаритное устройство не сможет выполнить производственные цели или спецификации продукта, в то время как негабаритное устройство тратит капитал и может работать неэффективно при частичной мощности. Задача заключается в поиске сладкого места, где капитальные затраты, эксплуатационные расходы и доходы от производства выравниваются для обеспечения максимальной рентабельности в течение срока эксплуатации оборудования.

Основные принципы определения размера разделительной единицы

Роль требований процесса

Основу любого расчета размера разделительной установки начинают с четко определенных требований к процессу. Эти спецификации диктуют минимальные приемлемые стандарты производительности, которых должно достичь оборудование. Ключевые параметры процесса включают скорость потока кормов, состав кормов, желаемую чистоту продукта, скорость восстановления и допустимые падения давления по всей системе.

Особенно важную роль в принятии решений о размерах играют характеристики кормов. Массовый расходоотвод играет значительную роль в определении подходящей машины. Для систем экстракции жидкой жидкости при очень низких расходоотдачах (менее 1 галл/мин) может быть целесообразным одноступенчатый или ряд центробежных экстракторов, в то время как колонка экстракции будет более рентабельной для умеренных расходоотборов 1-1000 галл/мин, а при расходоотборе, превышающем 1000 галл/мин, становится необходимым смеситель-рассеиватель. Это демонстрирует, как пропускная способность непосредственно влияет не только на размер, но и на тип выбранного оборудования для разделения.

Требования к чистоте продукции существенно влияют на количество необходимых этапов разделения, что в свою очередь влияет на размер оборудования. Как правило, чем больше этапов в колонке, тем больше разделения может быть достигнуто. Более высокие спецификации чистоты требуют больше теоретических этапов, переводя на более высокие колонки или более сложные многоступенчатые системы разделения. Инженеры должны тщательно оценить, оправдывают ли постепенные улучшения чистоты продукта дополнительный капитал и эксплуатационные расходы, связанные с большим оборудованием.

Физические свойства и их влияние на размер

Физические и термодинамические свойства технологических потоков оказывают глубокое влияние на размеры разделительных единиц.Различия плотности между фазами, вязкостью, поверхностным натяжением и парожидкостными равновесными соотношениями все фактор в расчеты размеров.Для газожидкостных сепараторов диаметр сепаратора определяется на основе конечной скорости гипотетической капли, которая является скоростью, при которой сумма восходящих сил, действующих на жидкую каплю, становится равной сумме нисходящих сил.

В приложениях дистилляции данные равновесия пар-жидкость определяют теоретическое минимальное количество стадий, необходимых для данного разделения. Равновесие пар-жидкость (VLE) определяет минимальное количество стадий, необходимых для достижения необходимой степени разделения. Относительная волатильность между компонентами - мера того, насколько легко их можно разделить - непосредственно влияет на размер колонки. Системы с высокой относительной волатильностью требуют меньшего количества стадий и могут использовать меньшие колонки, в то время как сложные разделения с низкой относительной волатильностью требуют более высоких колонок с большим количеством стадий.

Условия температуры и давления также существенно влияют на размер. Рабочее давление влияет на плотность паров и объемные скорости потока, что, в свою очередь, влияет на требуемый диаметр колонны. Более высокие давления обычно приводят к более высокой плотности паров и более низким объемным расходам, потенциально позволяя колоннам меньшего диаметра. Однако давление также влияет на относительную волатильность и может потребовать сосудов давления с более толстыми стенками, увеличивая капитальные затраты.

Экономические соображения при проектировании разделительной единицы

Компоненты капитальных затрат

Капитальные затраты представляют собой первоначальные инвестиции, необходимые для покупки, установки и ввода в эксплуатацию оборудования для разделения. Эти затраты масштабируются с размером оборудования, но не линейным образом. Связь между размером оборудования и стоимостью обычно следует закону мощности, где стоимость увеличивается в зависимости от мощности, увеличенной до показателя между 0,6 и 0,8. Это явление, известное как экономия масштаба, означает, что удвоение мощности блока разделения обычно увеличивает его стоимость всего на 50-75%.

Основные компоненты капитальных затрат включают оболочку судна, внутренние компоненты (лотки, упаковка, распределители), вспомогательное оборудование (котлы, конденсаторы, насосы), системы приборов и управления, трубопроводы и клапаны, системы структурной поддержки и монтажные работы. Стоимость оболочки судна зависит в первую очередь от диаметра, высоты, толщины стенки и материала строительства. Большие диаметры и более высокие эксплуатационные давления требуют более толстых стенок, существенно увеличивая затраты на материал и изготовление.

Внутренние компоненты могут представлять значительную часть общих капитальных затрат, особенно для дистилляционных колонн. Простейшим и наименее дорогим типом лотка является ситовый лоток, представляющий собой лист металла с отверстиями, пробитыми в нем, чтобы обеспечить поток пара. Более сложные конструкции лотка или структурированная упаковка обеспечивают лучшую производительность, но при более высокой стоимости. Выбор между различными типами внутренних деталей включает компромиссы между капитальными затратами, эффективностью, падением давления и эксплуатационной гибкостью.

Анализ операционных затрат

Операционные расходы накапливаются в течение всего срока службы оборудования и часто превышают капитальные затраты в течение типичного 20-30-летнего операционного периода. Потребление энергии обычно доминирует над эксплуатационными расходами для разделительных установок, особенно в дистилляционных приложениях. Дистилляция является наиболее экономичным методом разделения жидких смесей в большинстве случаев, однако она может быть энергоемкой и может потреблять более 50% эксплуатационных затрат на энергию завода.

Расходы на энергию при дистилляции в основном обусловлены теплопошлиной ребойлера и требованиями к охлаждению конденсатора. Большие колонны с большим количеством стадий обычно требуют более высоких коэффициентов рефлюкса и большего количества энергии. Однако связь сложна - иногда более высокая колонна, работающая при более низком рефлюксе, может фактически снизить общее потребление энергии по сравнению с более короткой колонной, требующей более высокого рефлюкса. Инженеры должны оптимизировать компромисс между количеством стадий и отношением рефлюкса, чтобы минимизировать затраты на энергию.

Другие значительные эксплуатационные расходы включают техническое обслуживание и ремонт, потребление катализаторов или химических веществ (в некоторых процессах разделения), рабочую силу для эксплуатации и надзора, коммунальные услуги за пределами энергии (охлаждение воды, воздуха прибора), а также обработку и удаление отходов. Расходы на техническое обслуживание, как правило, увеличиваются с сложностью оборудования и количеством движущихся частей. Большие единицы могут требовать более обширных процедур обслуживания, но не обязательно несут пропорционально более высокие затраты.

Торговля капитальными затратами

Основная проблема в области экономического масштабирования заключается в оптимизации компромисса между капитальными и эксплуатационными расходами. Как правило, более крупные разделительные единицы с большим количеством этапов или большей мощностью имеют более высокие капитальные затраты, но более низкие эксплуатационные расходы на единицу продукции. И наоборот, более мелкие единицы минимизируют первоначальные инвестиции, но могут повлечь за собой более высокие операционные расходы на единицу продукции из-за снижения эффективности или необходимости более высоких затрат энергии.

Этот компромисс ясно проявляется в конструкции дистилляционной колонки. При полном рефлюксе необходимое количество теоретических пластин является минимальным, а по мере уменьшения коэффициента рефлюкса (путем снятия продукта) количество требуемых пластин увеличивается. Минимальное отношение рефлюкса является наименьшим значением коэффициента рефлюкса, при котором разделение может быть достигнуто даже при бесконечном числе пластин, и можно достичь разделения при любом соотношении рефлюкса выше минимального коэффициента рефлюкса. По мере увеличения коэффициента рефлюкса количество требуемых теоретических пластин уменьшается.

Общая эвристика конструкции предполагает работу в 1,2-1,5 раза меньше минимального коэффициента рефлюкса. Использование процедур ярлыка, основанных на общей операции рефлюкса, позволяет определить минимальное соотношение рефлюкса и минимальное количество идеальных стадий разделения, а использование фактического коэффициента рефлюкса в 1,2 раза меньше минимального коэффициента рефлюкса позволит оценить оптимальное количество стадий. Этот подход уравновешивает капитальную стоимость дополнительных стадий с эксплуатационными расходами более высокого рефлюкса и энергопотребления.

Методы и методы расчета экономического размера

Моделирование процессов и моделирование

Современное программное обеспечение для моделирования процессов произвело революцию в дизайне разделительных блоков, позволив инженерам быстро оценивать несколько вариантов проектирования. Большинство коммерческих симуляций процессов (таких как HYSYS) имеют дизайн лотка по умолчанию и автоматически определяют размеры, однако эти измерения, выбранные или рассчитанные с помощью симуляций, могут не давать наилучшую производительность для вашей системы. Инструменты моделирования позволяют инженерам моделировать сложное термодинамическое поведение, прогнозировать производительность разделения и оценивать потребности в энергии с высокой точностью.

Для расчета паро-жидкостного равновесия, поэтапных композиций, профилей температуры и давления, а также тепловых и материальных балансов на протяжении всего блока разделения используются тренажеры процессов, которые легко могут быть использованы для тестирования и предоставления ценной информации о размерах технологических блоков, а также условиях работы всей технологической струи за короткое время. Эта возможность позволяет быстро итерировать через конструктивные альтернативы для определения оптимальных конфигураций.

Анализ чувствительности представляет собой мощное применение моделирования процессов для оптимизации размеров. Инженеры могут систематически изменять ключевые параметры проектирования, такие как количество этапов, соотношение рефлюкса, рабочее давление или местоположение корма, и наблюдать их влияние на производительность разделения и потребление полезности. Это систематическое исследование пространства проектирования помогает определить конфигурацию, которая наилучшим образом уравновешивает требования к производительности с экономическими ограничениями.

Методы ярлыка и эвристика дизайна

Хотя строгое моделирование дает подробные результаты, методы ярлыка предлагают ценные предварительные оценки с минимальными вычислительными усилиями. Эти упрощенные подходы помогают инженерам быстро экранировать альтернативы проектирования и устанавливать разумные отправные точки для детальной оптимизации. Несколько уравнений, которые обычно используются в промышленности, проиллюстрированы для оценки минимального количества этапов и минимального коэффициента рефлюкса столбца на основе данных VLE, таких как уравнение Фенске-Ундервуда.

Уравнение Фенске оценивает минимальное количество теоретических стадий, требуемых при условиях полного рефлюкса, а уравнения Андервуда вычисляют минимальное отношение рефлюкса. Эти теоретические пределы устанавливают границы для практических конструкций. Фактическая рабочая точка должна упасть между этими крайностями, а различные корреляции помогают оценить оптимальное количество стадий для данного соотношения рефлюкса или наоборот.

Эвристика проектирования основана на опыте проектирования и учитывает как безопасность, так и экономические факторы. Общие эмпирические правила включают в себя эксплуатацию дистилляционных колонн при минимальном рефлюксе в 1,2-1,5 раза, поддержание пропорций длины к диаметру ниже 30 (желательно ниже 20) и ограничение высоты башни до 60 метров из-за ветровой нагрузки и проблем с фундаментом. Соотношение длины к диаметру должно быть менее 30, предпочтительно ниже 20, а высота башни должна быть ограничена до 60 м из-за ветровой нагрузки и проблем с фундаментом. Если башня выше 60 м, то следует рассмотреть дизайн с меньшим расстоянием между лотками.

Методы экономической оценки

Несколько методов экономической оценки помогают инженерам сравнивать альтернативы проектирования и выбирать наиболее экономичную конфигурацию. Наиболее распространенные подходы включают общий годовой анализ затрат, расчеты чистой приведенной стоимости, оценку периода окупаемости и анализ возврата инвестиций. Каждый метод предлагает различные представления об экономической привлекательности вариантов проектирования.

Анализ совокупных годовых затрат (ТКП) объединяет годовые капитальные затраты с годовыми эксплуатационными расходами для обеспечения единого показателя для сравнения. Капитальные затраты усредняются путем деления общих инвестиций на ожидаемый срок службы оборудования или путем применения соответствующего коэффициента восстановления капитала, который учитывает временную стоимость денег. Альтернатива конструкции с наименьшей общей годовой стоимостью представляет собой наиболее экономичный вариант с этой точки зрения.

Использовались и сравнивались три показателя качества: коэффициент мощности Luyben, общая годовая стоимость и годовая прибыль. Для каждого метода были получены лучшие комбинации теоретических стадий и коэффициента рефлюкса, и было установлено, что для наилучших комбинаций всегда требовались коэффициенты рефлюкса, близкие к минимальному. В целом годовая прибыль была индексом наилучшего качества. Этот вывод подчеркивает, что при минимизации затрат важно максимизировать прибыль, рассматривая выручку от продаж продукции, обеспечивает наиболее полную экономическую оценку.

Анализ чистой приведенной стоимости (NPV) учитывает временную стоимость денег путем дисконтирования будущих денежных потоков к их текущей стоимости. Этот метод признает, что доллар, сэкономленный или заработанный в будущем, стоит меньше доллара сегодня. Расчеты NPV требуют оценки капитальных затрат, ежегодных операционных расходов, доходов от продукции, срока службы оборудования и соответствующей ставки дисконтирования. Дизайн с самой высокой положительной NPV представляет собой наиболее экономически привлекательный вариант.

Конкретные параметры размеров для различных типов разделительных блоков

Размер колонки дистилляции

Дистилляционные колонны представляют собой наиболее распространенные и часто наиболее критические разделительные блоки в нефтехимических процессах. Дистилляционная колонна измеряется путем определения диаметра башни, и первоначальная оценка диаметра башни может быть выполнена на основе паровых и жидких нагрузок. Диаметр должен быть достаточным для обработки парового трафика без затопления, обеспечивая при этом достаточное время пребывания жидкости на каждой стадии.

Диаметр колонны рассчитан на максимальные ожидаемые скорости потока пара и жидкости через колонну, и обычно диаметр определяется в основном скоростью потока пара. Инженеры обычно проектируют колонны для работы на 70-85% скорости затопления, чтобы обеспечить запас прочности и учесть изменения процесса. Работа слишком близко к условиям затопления рискует плохой производительностью разделения и переноса жидкости, при работе при очень низких процентах капитала от наводнений на негабаритном оборудовании.

Высота колонны зависит от количества требуемых теоретических ступеней и эффективности внутренних устройств. Для колонн лотка фактическое количество лоток равно теоретическим ступеням, деленным на эффективность лотка. Типичные эффективности лотка варьируются от 50-90% в зависимости от свойств системы и условий эксплуатации. Эффективность лотка не сильно меняется с типом лотка или интервалом между лотками, но изменяется при более низком рабочем давлении для вакуумной дистилляции, чем для перегонки под давлением (0,5 бар, примерно 0,5; 1,0 бар, примерно 0,7; 6 бар, примерно 0,9).

Для упакованных колонн высота определяется эквивалентом высоты теоретической пластины (HETP), умноженным на число теоретических стадий. HETP - это "эквивалент высоты теоретической пластины", или высота упаковки, чтобы обеспечить идеальную стадию разделения. Колонке большого диаметра, требующей 10 идеальных стадий, потребуется упаковка седловины диаметром 30 футов 1", плюс пространство для распределения жидкости. Значения HETP варьируются в зависимости от типа упаковки, размера и условий эксплуатации, как правило, в диапазоне от 0,3 до 1,5 метров для случайной упаковки и от 0,15 до 0,6 метров для структурированной упаковки.

Размер газо-жидкостного сепаратора

Газо-жидкостные сепараторы, также называемые нокаут-барабанами или флеш-барабанами, удаляют жидкие капли из газовых потоков или отделяют газ от преимущественно жидких потоков.Нефтегазовые сепараторы могут иметь три общие конфигурации: вертикальные, горизонтальные и сферические. Вертикальные сепараторы могут варьироваться в размерах от 10 или 12 дюймов в диаметре и от 4 до 5 футов шва до 10 или 12 футов в диаметре и от 15 до 25 футов шва до шва, в то время как горизонтальные сепараторы могут варьироваться в размерах от 10 или 12 дюймов в диаметре и от 4 до 5 футов шва до шва до 15 до 16 футов в диаметре и от 60 до 70 футов шва до шва.

Первый шаг заключается в том, чтобы указать, является ли сепаратор вертикальным или горизонтальным, и, как правило, выбрать вертикальный тип, если соотношение газа к жидкости (V / L) высокое. Вертикальные сепараторы обычно более эффективно обрабатывают высокие соотношения газа к жидкости и требуют меньше места на полу, в то время как горизонтальные сепараторы превосходят при обработке больших объемов жидкости и обеспечивают лучшее разделение жидкости и жидкости в трехфазных приложениях.

Расчет размеров вертикальных сепараторов фокусируется на обеспечении достаточной площади поперечного сечения для потока газа со скоростями ниже скорости оседания капель. Скорость терминала может быть рассчитана с использованием формулы, где K - функция размера капель, плотности газа и жидкости, вязкости и рабочего давления, и, как правило, можно взять K = 0,11 (единица SI). Диаметр сепаратора затем рассчитывается на основе скорости объемного потока газа и допустимой скорости газа, обычно 80% от скорости терминала.

Время удержания жидкости представляет собой еще один критический параметр размера. Сепаратор должен обеспечивать достаточный объем для накопления жидкости между действиями контроля уровня и позволять пузырькам газа, находящимся в плену, отключаться от жидкой фазы. Типичное время удержания для большинства применений колеблется от 1 до 3 минут, хотя конкретные требования к процессу могут диктовать более длительное или более короткое время.

Трехфазный дизайн сепаратора

Трехфазные сепараторы должны выполнять более сложную задачу разделения газовой, нефтяной и водной фаз одновременно. Целью является разработка экономически эффективного трехфазного горизонтального сепаратора для оптимальной эффективности разделения, а основными этапами при проектировании горизонтального сепаратора или калибровки считаются цели исследовательской работы. Эти блоки особенно важны в добыче нефти и газа вверх по течению, где скважинные жидкости содержат все три фазы.

Трехфазные сепараторы полезны для конструкций ковша и верблюда с высоким потоком нефти и/или небольшими различиями плотности. Размер должен вмещать три отдельные зоны разделения: раздел газа, где жидкие капли оседают из газовой фазы, раздел нефте-воды, где капли масла поднимаются, а капли воды оседают, и разделы сбора жидкости для нефтяной и водной фаз.

Разделение масляной воды требует тщательного определения размеров на основе скорости оседания капель масла в воде или капель воды в масле. Капли масла в воде или капли воды в масле являются ламинарными потоками, и закон Стокса регулирует эту модель проектирования. Поскольку трудно предсказать размер капель воды, которые должны оседать из нефтяной фазы, значения варьируются до 500 мкм, а для систем тяжелых масел используется размер капель воды 1000 мкм для проектирования трехфазного горизонтального сепаратора.

Всегда экономично выбрать стандартный размер API судна для небольших сепараторов. Использование стандартных размеров снижает затраты на изготовление и сроки доставки по сравнению с заказными судами. Однако для больших или необычных применений может потребоваться пользовательский размер для достижения оптимальной производительности и экономики.

Стратегии оптимизации систем разделения

Многоступенчатая оптимизация разделения

Многие нефтехимические процессы используют несколько стадий разделения, работающих при постепенно снижающихся давлениях, для максимизации рекуперации жидкости и качества продукции. Стадийное разделение нефти и газа осуществляется с помощью серии сепараторов, работающих при последовательно снижаемых давлениях. Оптимизация многоступенчатых систем предполагает определение оптимального количества стадий и рабочего давления для каждой стадии.

Если мы рассматриваем проектирование и оптимизацию установки разделения, мы хотели бы знать оптимальные условия давления и температуры, при которых мы получим наиболее экономичную прибыль от операции. В этом контексте разделение стадии направлено на снижение давления производимой жидкости последовательными шагами, чтобы в результате получалось лучшее и большее извлечение нефти/конденсата из резервуара. Расчеты сепаратора в основном выполняются для определения оптимальных условий разделения: давления и температуры сепаратора.

Для трехступенчатых систем разделения ключом к проектированию трехступенчатой системы разделения является поиск оптимального давления, при котором можно будет эксплуатировать второй сепаратор. Вопрос, на который мы ответим, заключается в том, «какое давление приведет к тому, что жидкость наилучшего качества выйдет из резервуара для продажи?» Давление первой ступени обычно ограничено условиями выше по течению, а конечная стадия работает при атмосферном давлении, оставляя давление промежуточной стадии в качестве основной переменной оптимизации.

Оптимальное значение давления для средней стадии — это то, которое обеспечивает максимальный выход жидкости (минимизируя GOR и Bo) максимального качества (максимизируя гравитацию API для резервуаров). Чем меньше значение GOR и Bo, тем больше выход жидкости. Инженеры могут использовать вычисления и моделирование фазового поведения для систематической оценки различных промежуточных давлений и определения оптимальной конфигурации.

Интеграция с общим дизайном процессов

Отделительные блоки редко работают изолированно — они образуют неотъемлемые компоненты более крупных технологических систем. Оптимальный размер должен учитывать взаимодействие с оборудованием выше и ниже по течению, коммунальными системами и общей экономикой завода. Правильная конструкция сепаратора важна, потому что судно разделения обычно является начальным обрабатывающим судном на любом объекте, и неправильная конструкция этого компонента процесса может «уплотнять» и уменьшить пропускную способность всего объекта.

Возможности теплоинтеграции могут существенно повлиять на экономику систем разделения. Отходы тепла от одного блока разделения могут обеспечить нагрев для другого, уменьшая общее потребление полезности. Например, верхний пар из колонны дистилляции высокого давления может обеспечить тепло реболлера для колонны низкого давления. Идентификация и использование таких возможностей интеграции во время фазы калибровки может существенно улучшить общую экономику процесса.

Выбор рабочего давления для разделительных блоков влияет не только на сам блок, но и на требования к сжатию вверх по течению и условия обработки вниз по течению. Более высокие рабочие давления могут уменьшить размер сепаратора, но увеличить затраты на сжатие. Более низкие давления могут потребовать более крупных сосудов, но уменьшить энергию сжатия. Экономически оптимальное давление уравновешивает эти конкурирующие факторы во всей технологической системе.

Гибридные системы разделения

Комбинирование различных технологий разделения иногда может обеспечить лучшую общую экономику, чем использование одного метода разделения. Если бы использовалось только разделение мембран, было бы почти невозможно достичь как остатка высокой чистоты, так и потока пронизанной чистоты, не прибегая к каскаду многих этапов мембран. Гибридная конструкция предлагает гибкость для корректировки рабочих параметров каждого блока для оптимизации эффективности и качества продукта.

Мембранно-дистилляционные гибриды представляют собой один общий пример, когда мембраны выполняют объемное разделение и дистилляция обеспечивает окончательную очистку. Такой подход может уменьшить размер и потребление энергии дистилляционной колонны, избегая при этом необходимости нескольких мембранных стадий. Проектирование процесса становится ключевой проблемой в экономике процесса разделения на мембране, и оптимизация как мембранного модуля, так и всего процесса на мембране является основной задачей для улучшения производительности этой технологии разделения.

Другие гибридные конфигурации включают мембранно-криогенные системы разделения газа, комбинации адсорбции-дистилляции для сложных разделений и последовательности экстракции-дистилляции для азеотропных смесей. Экономическая оценка гибридных систем должна учитывать капитальные и эксплуатационные затраты обеих технологий, при этом признавая синергию, которая делает комбинацию более привлекательной, чем любая из технологий в одиночку.

Практические соображения дизайна и маржи безопасности

Учет изменчивости процессов

Реальные нефтехимические процессы редко работают в устойчивых условиях проектирования. Составы кормов колеблются, скорость потока изменяется в зависимости от производственных потребностей, условия окружающей среды меняются сезонно, а производительность оборудования ухудшается с течением времени. Экономический размер должен учитывать эту изменчивость, включая соответствующие запас прочности и эксплуатационную гибкость.

Размеры проектной маржи обычно варьируются от 10-25% выше номинальной мощности в зависимости от ожидаемой степени изменчивости и последствий неисправности. Критические единицы, которые могут затормозить целые объекты, требуют большей маржи, чем некритическое оборудование. Однако чрезмерная маржа отнимает капитал и может заставить оборудование работать далеко от оптимальных условий во время нормальной работы.

Возможность отключения - способность эффективно работать при сниженной мощности - представляет собой еще одно важное соображение. Некоторые технологии разделения поддерживают хорошую производительность в широком диапазоне пропускной способности, в то время как другие несут значительные потери эффективности при работе ниже проектной мощности. Выбор оборудования и его размеры должны учитывать ожидаемый диапазон условий эксплуатации, а не только точку проектирования.

Будущее расширение и деботтленекинг

Нефтехимические предприятия часто подвергаются расширению мощностей в течение срока их эксплуатации по мере роста рынков или появления новых возможностей. При принятии решений о размере следует учитывать потенциальные будущие потребности в расширении и целесообразность операций по деботтленке. Установка немного большего сепаратора первоначально может стоить дешевле, чем его замена полностью во время будущего расширения.

Модульные подходы к проектированию могут облегчить будущее расширение, позволяя устанавливать дополнительные разделительные блоки параллельно с существующим оборудованием. Эта стратегия особенно хорошо работает для газожидкостных сепараторов и некоторых типов оборудования для извлечения. Дистилляционные колонны сложнее расширять модульно, хотя добавление промежуточных реболлеров или конденсаторов иногда может увеличить емкость без замены всей колонны.

Распределение пространства на участке и участках должно предусматривать потенциальное расширение. Оставляя место для дополнительного оборудования или более крупных замещающих блоков, первоначально стоит немного, но обеспечивает ценную гибкость для будущих модификаций. И наоборот, стесненные макеты, которые максимизируют первоначальное использование пространства, могут серьезно ограничить будущие варианты расширения и привести к дорогостоящим перемещениям или реконфигурациям процессов.

Доступность и стандартизация оборудования

Доступность оборудования от производителей может влиять на решения о размерах. Стандартные размеры оборудования обычно стоят дешевле и имеют более короткие сроки поставки, чем изготовленные на заказ агрегаты. Упаковка предпочтительнее для небольших башен, в то время как лотки используются в основном в больших колоннах, диаметрами более 3 футов или 1 м. Использование колонн лотка диаметрами в диапазоне от 1 фута, 6 дюймов или 457 мм до 2 футов или 610 мм обычно не экономично и упакованная башня в таких случаях окажется лучшей экономически. С другой стороны, упакованные башни не ограничиваются небольшими единицами.

Стандартизация на предприятии или в компании может обеспечить экономические выгоды за счет сокращения запасов запасных частей, упрощения процедур технического обслуживания и улучшения осведомленности операторов. Выбор размеров и типов оборудования, которые соответствуют существующим стандартам, может оправдать принятие слегка неоптимальных характеристик в отдельных единицах для получения этих более широких преимуществ.

Ограничения на транспортировку иногда ограничивают размеры оборудования, особенно для больших колонн или судов. Дорожные, железнодорожные и водные дорожные просветы налагают максимальные размеры для оборудования, которое должно быть отгружено целым. Превышение этих ограничений требует изготовления на местах, которое обычно стоит больше и занимает больше времени, чем изготовление в магазине. Эти практические ограничения могут в некоторых случаях отменять чисто экономическую оптимизацию.

Материалы для строительства

Выбор материалов для строительства существенно влияет как на капитальные затраты, так и на эксплуатационную надежность. Коррозионные технологические потоки могут потребовать дорогостоящих сплавов, в то время как доброкачественные услуги могут использовать углеродистую сталь. Повышенная стоимость коррозионностойких материалов должна быть сопоставлена с риском преждевременного выхода из строя и стоимостью более частой замены.

Выбор материала взаимодействует с решениями о размерах несколькими способами. Более толстые стенки, необходимые для обслуживания высокого давления, стоят дороже в дорогих сплавах, чем в углеродистой стали, что потенциально способствует конструкциям с более низким давлением, когда требуется коррозионная стойкость. Некоторые материалы имеют ограничения на изготовление, которые ограничивают максимальные размеры судна или требуют различных методов строительства.

Внутренние компоненты также требуют соответствующего выбора материалов. Материалы для трая должны противостоять коррозии из технологических жидкостей при сохранении механической целостности. Упаковочные материалы варьируются от недорогих пластмасс, подходящих для низкотемпературного, некоррозионного обслуживания, до дорогой керамики или специальных сплавов для суровых условий. Выбор материалов для внутренних деталей может значительно повлиять на общую стоимость оборудования, особенно для больших колонн.

Передовые методы калибровки и новые технологии

Вычислительная динамика жидкости в дизайне сепаратора

Вычислительная динамика текучей среды (CFD) стала мощным инструментом для оптимизации конструкции и размеров оборудования для разделения. Моделирование CFD может моделировать сложные схемы потока, траектории капель и распределения фаз в сепараторах с гораздо большей детализацией, чем традиционные методы проектирования. Эта возможность позволяет инженерам идентифицировать и устранять мертвые зоны, оптимизировать конфигурации входа и прогнозировать производительность в условиях, не связанных с дизайном.

Для газожидкостных сепараторов CFD может прогнозировать эффективность различных конструкций впускных устройств, оптимизировать размещение выведения тумана и выявлять потенциальные проблемы с переподготовкой жидкости. Это детальное понимание может привести к более компактным конструкциям, которые поддерживают или улучшают эффективность разделения по сравнению с оборудованием обычного размера. Экономия капитальных затрат от уменьшенного размера оборудования может оправдать дополнительные инженерные усилия, необходимые для анализа CFD.

В приложениях дистилляции CFD помогает оптимизировать конструкции лотка и упаковки, моделируя модели контакта с паровой жидкостью, выявляя проблемы с ченнелингом или неправильным распределением и предсказывая эффективность лотка в различных условиях эксплуатации. Эти идеи могут информировать о решениях о интервале лотка, размерах спускаемого аппарата и системах распределения жидкости, потенциально позволяя создавать более компактные конструкции колонок без ущерба для производительности.

Подходы к интенсификации процессов

Интенсификация процессов направлена на резкое сокращение размеров оборудования при сохранении или улучшении производительности за счет инновационных технологий и подходов к проектированию. Интенсивное оборудование для разделения может обеспечить значительную экономию капитальных затрат и снижение требований к площади участка, хотя часто за счет повышенной сложности или специализированных материалов.

Вращающиеся упакованные кровати, также известные как контакторы Higee (высокой гравитации), используют центробежную силу для повышения скорости передачи массы, потенциально уменьшая объем оборудования на 10-100 по сравнению с обычными колоннами. Эти компактные блоки особенно привлекательны для морских платформ, мобильных установок или модернизированных, где пространство сильно ограничено. Однако вращающееся оборудование добавляет сложность и требования к техническому обслуживанию, которые должны быть учтены в экономических оценках.

Разделяющиеся настенные колонны объединяют в единую оболочку две обычные дистилляционные колонны с внутренним перегородом, снижая капитальные затраты на 25-40% и энергопотребление на 20-30% для соответствующих применений.Экономические выгоды существенны, но технология требует тщательной проработки и наиболее подходит для конкретных задач разделения с участием трех или более компонентов с соответствующей относительной волатильностью.

Контакторы мембраны обеспечивают еще один вариант интенсификации для определенных отделений, предлагая очень высокую площадь поверхности на единицу объема и способность работать без движущих сил разницы плотности.В то время как мембранные затраты остаются относительно высокими, продолжающиеся улучшения в мембранных материалах и производстве расширяют диапазон экономически привлекательных применений.

Алгоритмы оптимизации и искусственный интеллект

Расширенные алгоритмы оптимизации позволяют более комплексно исследовать пространство проектирования, чем традиционные подходы проб и ошибок. Генетические алгоритмы, оптимизация роя частиц и другие метаэвристические методы могут одновременно оптимизировать несколько переменных проектирования, удовлетворяя сложным ограничениям. Эти методы особенно ценны для сложных систем разделения со многими взаимодействующими параметрами проектирования.

Машинное обучение и искусственный интеллект начинают влиять на проектирование и оптимизацию оборудования разделения. Нейронные сети, обученные историческим данным проектирования, могут быстро прогнозировать производительность оборудования и затраты на новые конфигурации, ускоряя предварительную фазу проектирования. Оптимизация на основе ИИ может идентифицировать неочевидные дизайнерские решения, которые могут упустить из виду инженеры-люди.

Цифровые двойники — виртуальные копии физического оборудования для разделения, которые обновляются в режиме реального времени на основе данных датчиков — позволяют постоянно оптимизировать условия эксплуатации и могут информировать о решениях о модификациях или замене оборудования.Поскольку возраст разделительных блоков и нарушение или деградация влияют на производительность, цифровые двойники помогают операторам корректировать условия для поддержания оптимальной экономики, несмотря на изменение характеристик оборудования.

Тематические исследования и отраслевые приложения

Системы разделения сырой нефти

Производственные мощности по добыче сырой нефти дают отличные примеры экономичного размера сепаратора на практике. Для отделения добываемой скважинной жидкости от скважины, группы скважин или аренды на ежедневной или непрерывной основе используется производственный сепаратор. Производственные сепараторы могут быть вертикальными, горизонтальными или сферическими и могут быть двухфазными или трехфазными. Производственные сепараторы варьируются в размерах от 12 дюймов до 15 футов в диаметре, причем большинство единиц в диапазоне от 30 дюймов до 10 футов в диаметре, а длина их составляет от 6 до 70 футов, причем большинство из них от 10 до 40 футов в длину.

Широкий диапазон размеров сепаратора отражает разнообразие условий производства и экономические ограничения в нефтегазовой отрасли. Малые береговые скважины с низкими темпами добычи используют компактные недорогие сепараторы, в то время как крупные морские платформы, обрабатывающие добычу из нескольких скважин, требуют гораздо более крупных судов. Экономическая оптимизация резко отличается между этими приложениями из-за различий в ограничениях пространства, затратах на установку и стоимости восстановленных продуктов.

Оптимальным давлением для поддержания на сепараторе является давление, которое приведет к наибольшей экономической доходности от продажи жидких и газообразных углеводородов. Этот принцип определяет выбор рабочего давления и, следовательно, размер производственных сепараторов. Более высокие давления обычно позволяют меньшим судам, но могут уменьшить извлечение жидкости, в то время как более низкие давления увеличивают размер судна, но могут улучшить выход жидкости. Оптимальный баланс зависит от стоимости продукта, затрат на сжатие и капитальных затрат.

Переработка газа на нефтеперерабатывающем заводе

Системы разделения газа НПЗ должны обрабатывать сложные смеси водорода, легких углеводородов и других компонентов из различных технологических блоков. В связи с комбинативным характером конструкции процесса сложность синтеза оптимального, многовходового производственного процесса недостаточно обострена, наряду с увеличением доступных способов разделения и количества компонентов. Для синтеза последовательности разделения для 10 потоков и 4 методов разделения число схем-кандидатов составляет 1,27 × 109. Хотя большинство схем может быть удалено по эмпирическим правилам, этот синтез последовательности по-прежнему является сложной комбинаторной задачей компоновки. Для уменьшения числа потока, участвующего в проектировании, предлагается устойчивый, сложный выбор, который объединяет аналогичные газы НПЗ в различные входные потоки.

Экономические оценки привели к годовой валовой прибыли от продукта в размере 38,62 × 106 долларов США и сроку окупаемости менее 4 месяцев. Эти впечатляющие экономические результаты являются результатом извлечения ценных водородных и легких углеводородов, которые в противном случае были бы сожжены в качестве топливного газа. Короткий период окупаемости оправдывает значительные капитальные инвестиции в оборудование для разделения должным образом.

Мембранное разделение получило все большее применение в переработке газа на нефтеперерабатывающем заводе благодаря его способности обрабатывать переменные составы кормов и скорости потока без значительного ухудшения производительности. Размер мембранных систем включает определение необходимой площади мембраны, которая зависит от состава корма, желаемой чистоты продукта и селективности и проницаемости мембран. Экономическая оптимизация балансирует затраты мембраны от энергии сжатия и восстановления продукта.

Применение нефтехимической дистилляции

Нефтехимические комплексы используют многочисленные дистилляционные колонны для разделения олефинов, ароматических веществ и других ценных продуктов.Эти колонны часто представляют собой крупнейшие капитальные вложения и самых высоких потребителей энергии на объекте, что делает особенно критичным экономичный размер.Пропилен-пропановые сплиттеры, например, требуют очень высоких колонн со многими стадиями из-за низкой относительной волатильности между этими компонентами.

Экономическая оптимизация таких сложных разделений предполагает тщательные компромиссы между высотой колонны (число стадий), диаметром (вместимость пара), коэффициентом рефлюкса (потребление энергии) и рабочим давлением. Более высокие давления немного увеличивают относительную волатильность, но также увеличивают плотность пара, потенциально позволяя колоннам меньшего диаметра. Однако более высокие давления также увеличивают затраты на сжатие и могут потребовать более толстых, более дорогих стенок сосудов.

Как правило, оптимальная конструкция сепаратора выполняется методом проб и ошибок. Это означает, что расчет должен производиться для нескольких коэффициентов L/D (высота к диаметру), затем после расчета толщины оболочки должна быть оценена готовая цена (включая материал и конструкцию) для каждого соотношения L/D. Наконец, оптимальная конструкция вертикального сепаратора - та, которая имеет самую низкую цену и минимальные требования к пространству установки. Этот итерационный подход, обычно применяемый в настоящее время с использованием программного обеспечения моделирования процесса, систематически исследует пространство проектирования для определения наиболее экономичной конфигурации.

Экологические и устойчивые соображения

Энергоэффективность и углеродный след

Экологические нормы и обязательства корпораций в области устойчивого развития все больше влияют на решения о размерах единиц разделения. Энергоэффективные проекты, которые минимизируют выбросы парниковых газов, могут оправдать более высокие капитальные затраты, особенно в регионах с ценами на углерод или строгими ограничениями выбросов. Экономический размер теперь должен учитывать стоимость выбросов углерода в течение срока службы оборудования, а не только прямые затраты на энергию.

При рассмотрении затрат на углеродную энергию еще более важное значение приобретают интеграция тепла и рекуперация энергии. Проекты, обеспечивающие максимальную рекуперацию тепла между технологическими потоками или использующие отработанное тепло, снижают как затраты на энергию, так и выбросы углерода. Прибавочные капитальные затраты на теплообменники и сложность интеграции должны быть сопоставлены с совокупными выгодами сокращения потребления энергии и снижения углеродного следа.

Альтернативные технологии разделения с более низким потреблением энергии могут стать экономически привлекательными, когда включаются затраты на углерод. Мембранные разделения, процессы адсорбции или гибридные системы, которые снижают потребление энергии по сравнению с обычной дистилляцией, заслуживают тщательной экономической оценки в текущей нормативной среде. Оптимальный выбор технологии и размер могут значительно отличаться, когда экологические затраты должным образом учитываются.

Минимизация отходов и циркулярная экономика

Размер разделительной установки влияет на затраты на образование и удаление отходов. Негабаритные установки могут генерировать больше отходов во время очистки и технического обслуживания, в то время как негабаритные установки, работающие на максимальной мощности, могут производить больше продуктов, не относящихся к спецификации, требующих переработки или утилизации. Экономически оптимальный размер должен минимизировать общую генерацию отходов в течение срока службы оборудования.

Принципы круговой экономики поощряют разработку систем разделения, которые облегчают восстановление и переработку материалов. Оборудование, предназначенное для обработки переменных композиций и качеств кормов, может обрабатывать переработанные материалы наряду с исходным сырьем, поддерживая инициативы круговой экономики. Гибкость обработки различных кормов может оправдать немного большее или более сложное оборудование для разделения, чем было бы оптимально для одних только кормов для девственников.

Важную роль в разработке и определении размеров оборудования приобретают разделительные блоки, предназначенные для легкой разборки и восстановления материалов в целях обеспечения устойчивости в конце срока службы, которые могут снизить конечные затраты на удаление. Хотя эти соображения оказывают минимальное воздействие на оптимальный размер, они влияют на выбор материалов и детали проектирования, которые влияют на общие затраты на жизненный цикл.

Осуществление и оперативные аспекты

Ввод в эксплуатацию и рассмотрение стартапов

Экономичный размер оборудования для разделения должен учитывать затраты на ввод в эксплуатацию и запуск, которые могут быть существенными для крупных или сложных единиц. Более крупное оборудование обычно требует более обширных процедур ввода в эксплуатацию, более длительного времени запуска и большего количества жидкости для ввода в эксплуатацию. Эти единовременные затраты должны быть включены в экономические оценки, особенно для проектов с жестким графиком или ограниченными бюджетами ввода в эксплуатацию.

Оборудование, имеющее достаточную маржу и операционную гибкость, обычно вступает в комиссионные более плавно, чем единицы, спроектированные на грани осуществимости. Стоимость расширенного ввода в эксплуатацию из-за негабаритного оборудования или недостаточной маржи может превышать экономию капитала от минимального размера. Консервативный размер, обеспечивающий надежный запуск и эксплуатацию, может оказаться более экономичным в целом, несмотря на более высокие первоначальные капитальные затраты.

Модульные или смонтированные на лыжах разделительные блоки предлагают преимущества во время ввода в эксплуатацию, позволяя проводить заводские испытания перед отправкой на место. В то время как модульное строительство может налагать ограничения по размеру, снижение риска ввода в эксплуатацию и более короткое время установки на месте могут обеспечить экономические выгоды, которые компенсируют любые компромиссы в производительности от ограничений по размеру.

Обслуживание и надежность

Требования к техническому обслуживанию и соображения надежности существенно влияют на экономику жизненного цикла оборудования для разделения. Большие блоки могут требовать более обширных процедур обслуживания, но не обязательно выходят из строя чаще, чем меньшие блоки. Связь между размером и затратами на техническое обслуживание сложна и зависит от типа оборудования, условий эксплуатации и стратегий обслуживания.

Доступ к инспекции и техническому обслуживанию следует учитывать при калибровке. Оборудование, спроектированное с адекватными портами доступа, платформами и клиренсами, облегчает техническое обслуживание и сокращает время простоя. Повышенная стоимость конструктивных особенностей, удобных для технического обслуживания, обычно невелика по сравнению с экономией от сокращения времени обслуживания и повышения надежности.

Стратегии резервирования и резервных мощностей влияют на оптимальные решения по размеру. Установка двух меньших блоков вместо одного крупного обеспечивает резервирование и позволяет продолжать работу во время технического обслуживания, но при более высоких общих капитальных затратах. Экономический компромисс зависит от стоимости производственных потерь во время простоя, надежности оборудования и частоты требуемого обслуживания.

Системы мониторинга и контроля

Расширенные системы контроля и контроля позволяют оборудованию для разделения работать ближе к оптимальным условиям в более широком диапазоне условий подачи.Стоимость сложных приборов и систем управления должна быть сопоставлена с преимуществами улучшенной производительности и возможности использования меньшего оборудования за счет снижения требуемых пределов безопасности.

Системы оптимизации в реальном времени, которые постоянно корректируют условия эксплуатации на основе текущих свойств подачи и требований к продукции, могут извлекать максимальную ценность из оборудования для разделения. Эти системы могут оправдывать более сложные или более крупные конфигурации оборудования, которые обеспечивают большую эксплуатационную гибкость и потенциал оптимизации.

Предсказательные системы технического обслуживания с использованием современных датчиков и аналитики могут сократить незапланированные простои и продлить срок службы оборудования. Экономическая ценность повышения надежности может оправдать дополнительные капитальные инвестиции в системы мониторинга и потенциально повлиять на оптимальный размер оборудования за счет снижения потребности в консервативной марже конструкции.

Выводы и лучшие практики

Расчет экономичного размера разделительных блоков в нефтехимических процессах требует комплексного подхода, который уравновешивает капитальные затраты, эксплуатационные расходы, требования к производительности и практические ограничения.Оптимальный размер - это не просто наименьшая единица, которая соответствует спецификациям или самая большая единица, которая соответствует бюджету, а скорее конфигурация, которая максимизирует экономическую ценность в течение срока эксплуатации оборудования.

Успешные проекты по калибровке следуют нескольким передовым практикам. Во-первых, четко определить требования и ограничения процесса перед началом детальной проектной работы. Двусмысленные или изменяющиеся спецификации приводят к неоптимальным проектам и дорогостоящим модификациям. Во-вторых, использовать соответствующие инструменты и методы для этапа проектирования - строгое моделирование для детальной оптимизации, методы ярлыка для предварительного скрининга и методы экономической оценки, которые учитывают временную стоимость денег.

В-третьих, следует учитывать полный спектр условий эксплуатации, а не только точку проектирования. Оборудование, которое хорошо работает только при номинальных условиях, но страдает при отключении или пиковой мощности, может оказаться менее экономичным, чем более гибкие конструкции. В-четвертых, учитывают неопределенность в свойствах кормов, ценах на продукцию, затратах на энергию и других экономических параметрах с помощью анализа чувствительности или вероятностных методов.

В-пятых, интегрировать размер разделительной единицы с общей оптимизацией процесса, а не оптимизацию единиц в изоляции. Взаимодействие между отделочным оборудованием и другими технологическими единицами часто доминирует в общей экономике. В-шестых, включить экологические затраты и соображения устойчивости в экономические оценки, поскольку эти факторы все чаще влияют на экономику проекта и соблюдение нормативных требований.

Наконец, признайте, что экономичный размер включает в себя суждения и опыт, а также расчет. Эвристика дизайна и передовые отраслевые практики отражают накопленные знания о том, что работает на практике. В то время как алгоритмы оптимизации и инструменты моделирования обеспечивают ценную информацию, опытные инженеры должны интерпретировать результаты в свете практических соображений, ограничений для конкретного сайта и корпоративных целей.

Область технологии разделения продолжает развиваться с новыми материалами, инновационными конструкциями оборудования и передовыми стратегиями управления. Инженеры, участвующие в калибровке оборудования разделения, должны оставаться в курсе технологических разработок и быть готовыми оценивать новые подходы, которые могут предложить экономические преимущества по сравнению с обычными конструкциями. Наиболее экономичный размер сегодня может не оставаться оптимальным по мере развития технологий и изменения экономических условий.

Для получения дополнительной информации о процессах разделения и проектировании оборудования ценные ресурсы включают Американский институт инженеров-химиков (AIChE) , который предоставляет технические публикации и возможности профессионального развития, и журнал химической инженерии , в котором регулярно публикуются статьи о технологии разделения и оптимизации процессов. ScienceDirect база данных предлагает доступ к рецензируемым исследованиям процессов разделения, в то время как Фаза процесса предоставляет практическое руководство по проектированию и калибровке сепаратора. Кроме того, MDPI публикует исследования открытого доступа по методам проектирования процессов и экономической оценки, которые могут информировать о решениях о размере разделительного блока.