Деструктивные процессы глубокой переработки нефти. Определение экономически наиболее выгодного диаметра трубопровода

  В Японии  эксплуатируется также установка  термического крекинга «Эврика», позволяющая вести процесс в  присутствии пара до образования  пека; пек используется при выработки металлургического кокса.

  Мощности установок по непосредственной переработке нефтяных остатков достигают во всем мире 2 млн т/сут. В основном – это термические процессы, из которых на долю висбрекинга и термического крекинга приходится 32% их общей мощности, остальное (68%) – различные виды коксования  и гидрогенизационной переработки.

  Процессу  собственно висбрекинга подвергается 0,45 млн т/сут сырья. Из мощностей  висбрекинга 55% приходится на  НПЗ Европы (53% установок), и 21% - на НПЗ США и Латинской Америки (24% установок). На Ближнем Востоке мощности висбрекинга составляют 11% (9% установок) и в Азиатско-Тихоокеанском регионе соответственно 9 и 7%.

  По ряду  прогнозов содержание серы в  сырой нефти, поступающей на  переработку на НПЗ Европейских государств, может возрасти к 2010 г. до 2% масс. (в 1999 г. в среднем 1,4% масс.). за указанный период предусматривается снижение содержание серы в котельных топливах в среднем от 2,5 до 1,6% (в Европе) и от 1,5 до 1,2% масс. (в США).

  Складывающаяся ситуация побуждает нефтяные компании развитых стран обратить особое внимание на процессы гидрогенизационного обессеривания, обеспечивающие существенное снижение серы в нефтяных остатках.

   Аналогичная  тенденция наблюдается и в  России. Если в 1970 г. доля сернистых и высокосернистых нефтей, перерабатываемых на НПЗ СССР, составляла 76%, в 1980 г. – 80-82%, то в 1999г. эта величина достигла 82-83%. При этом на НПЗ России не освоено ни одной разновидности гидрогенизационных процессов, направленных на снижение содержания серы в котельном топливе. 
 
 
 
 

Глава 3

Характеристики деструктивных процессов

§1 Каталитические процессы

§1-1 Каталитический крекинг

    Процесс каталитического крекинга является основным процессом, направленным на углубление переработки нефти как за рубежом, так и в РФ. Целевым назначением процесса является получение высококачественного компонента автобензина с октановым числом 85-93(ИМ).

  При каталитическом  крекинге образуется значительное  количество газа, богатого пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракциями (сырье для производства различных высокооктановых эфиров, алкилатов и других ценных компонентов моторного топлива). Установки каталитического крекинга являются также поставщиком сырья для химической промышленности: из газойлей крекинга получают сажевое сырье и нафталин, тяжелый газойль может служить сырьем для производства высококачественного игольчатого кокса.

  За длительный  период своего развития, начиная  с 30-х годов, каталитический  крекинг значительно совершенствовался как в отношении способа контакта сырья и катализатора, так и в отношении применяемых катализаторов. Эти усовершенствования влекли за собой радикальные изменения технологии процесса в целом, позволившие увеличить выход целевого продукта – компонента автобензина от 30-40 до 50-70% мас. максимально.

  Достигнутый  прогресс обеспечил вовлечение  в переработку все более тяжелого  сырья: если на первой стадии  развития крекингу подвергали  керосино-газойлевые фракции, а  затем – вакуумные газойли,  то за последние 20 лет все возрастает число установок, использующих в качестве сырья нефтяные остатки: мазуты, деасфальтизаты и их смеси с вакуумными дистиллятами. 

§1-1-а  Технологический  процесс

  Катализатор  – это вещество, которое ускоряет  или даже вызывает химическую реакцию, но когда реакция заканчивается, катализатор остается в неизменном виде – таким же, каким был сначала, то есть он не изменяется химически, но заставляет другие вещества реагировать друг с другом. Температура кипения сырья для крекинга должна находиться в пределах 340 – 590°С. Чтобы процесс начался, требуется нагревание; температура в реакторе во время крекинга находиться в районе 480°С.

  Процесс  разработан так, чтобы особым образом содействовать протеканию крекинга. Задача состоит в том, чтобы превратить тяжелые фракции и остаточное сырье в бензин. В идеале температуры кипения продуктов крекинга должны лежать в интервале, соответствующему бензину, но технология не бывает идеальной. Во время работы установки происходит несколько процессов. Когда большие молекулы разрываются на части, то водорода оказывается недостаточно, чтобы насытить все молекулы, и поэтому некоторая часть углерода переходит в кокс, который почти целиком состоит из атомов углерода, слепленных вместе. При разрыве крупных молекул получается полный набор мелких – от метана и выше. Поскольку водорода недостаточно, многие из образующихся молекул оказываются олефинами. Если некоторые молекулы в сырье состоят из нескольких ароматических и ли нафтеновых циклов, соединенных вместе, они разваливаются на меньшие ароматические или нафтеновые  молекулы и олефины. И, наконец, молекулы, состоящие из нескольких ароматических или нафтеновых циклов и длинных боковых цепей, как правило, теряют боковые цепи. Полученные в результате молекулы, хотя и содержат меньше атомов углерода, но оказываются более тяжелыми, то есть имеют более высокую относительную плотность. Кроме того, их температура кипения обычно также выше. Таким образом, продуктами крекинга является полный набор углеводородов, от метана до кокса. Аппаратурное оформление каталитического крекинга состоит из трех частей: реактора, регенератора и ректификационной колонны. 

§1-1-б Параметры процесса

  Обычно установка  каталитического крекинга работает, пока не достигает предела  своих возможностей в отношении выжигания кокса. Это может произойти различным образом, но становится очевидным, когда начинает падать выход бензина, а количество газов С₄^¯ или тяжелого газойля при этом начинает возрастать. Выходы продуктов с установки крекинга зависят от разных факторов, в том числе от качества сырья, температуры в реакторе, скорости подачи сырья и скорости циркуляции, от времени суток и температуры окружающего пространства.

  Качество сырья. Реакция каталитического крекинга весьма сложна, и существует достаточно много данных, которые могут быть использованы для предсказания выходов на основании различных характеристик сырья. Важными характеристиками являются плотность сырья и содержание в нем парафинов, нафтенов и ароматики.

  Температура в реакторе. Чем выше температура, тем интенсивнее протекает реакция крекинга, но в какой-то момент количество образующихся газов резко возрастает за счет уменьшения количества бензина или легкого газойля. Оптимальная температура в реакторе определяется экономическими соображениями.

  Скорости подачи сырья и циркуляции. Слишком высокая скорость подачи плохо сказывается на выходах, поэтому следует соблюдать баланс с объемом остатка от фракционирования, который либо направляют на циркуляцию, либо оставляют во фракции тяжелого крекинг-газойля.

  Время суток и температура. Для регенерации отработанного катализатора через регенератор постоянно пропускают воздух. Если температура воздуха за пределами установки понижается, воздух становится более плотным. Так как насосы, подающие воздух, работают при постоянной скорости, то в действительности холодного воздуха в регенератор подается больше, чем теплого. Чем больше кислорода, тем больше кокса выжигается с поверхности катализатора. Чем свежее катализатор, тем эффективнее реакция. Чем эффективнее реакция, тем больше получается бензина. Автоматическая запись параметров процесса действительно позволяет зафиксировать отклонения стрелок: например, ночью, когда температура воздуха ниже, выходы продуктов оказываются выше. Днем, когда становится жарко, выходы падают. То же самое относится к  результатам, полученным зимой и летом.   

§2 Термические процессы

§2-1 Висбрекинг

  Наиболее  мягкая форма термического процесса, представляет собой процесс неглубокого разложения нефтяных остатков (мазутов и гудронов) в относительно мягких условиях (под давлением 1-5 МПа и температуре 430-490°C) с целью снижения вязкости остатков для получения товарного котельного топлива. Процесс эндотермический, осуществляется в жидкой фазе. Возможности висбрекинга по увеличению выработки светлых нефтепродуктов ограничены требованиями к качеству получаемого остатка.

  Степень  превращения сырья в этом процессе  минимальная, отбор светлых нефтепродуктов  от гудрона не превышает 5-20%, а от мазута – 16-22%. При этом  получается более 75% условно непревращенного остатка – котельного топлива.

  Процесс  отличается простым технологическим  оформлением. В промышленности  применяют две разновидности  висбрекинга: печной с использованием  выносной реакционной камеры  (сонинг-камеры). Печной висбрекинг представляет собой высокотемпературный процесс с малым временем контракта, а висбрекинг с сонинг-камерой – низкотемпературный процесс с большим временем контракта. Применение сонинг-камеры повышает селективность процесса, уменьшает расход тепла (65-70% количества тепла, расходуемого при печном висбрекинге), увеличивает глубину превращения сырья, снижает закоксовывание змеевика печи и увеличивает межремонтный пробег. На современных нефтеперерабатывающих заводах висбрекинг позволяет:

• сократить производство тяжелого котельного топлива;
• уменьшить количество прямогонных дистиллятов для разбавления тяжелых, высоковязких остатков (гудронов), используемых в качестве котельного топлива;
• расширить ресурсы сырья для каталитического крекинга и гидрокрекинга;
• выработать дополнительное количество легких и средних дистиллятов, используемых как компоненты моторных и печных топлив.

§2-2 Термический крекинг

Осуществляется  в трубчатой печи под давлением  от 2 до 7 МПа и температуре 480-540°C. После сброса давления производится резкое охлаждение продуктов процесса для предотвращения дальнейшего крекинга до кокса и газа. С повышением температуры и времени пребывания сырья в зоне реакции увеличивается коксообразование в змеевиках печи, что ограничивает глубину крекинга и не позволяет достичь максимального выхода светлых нефтепродуктов; поэтому часть крекируемого сырья остается непревращенной. Выход светлых нефтепродуктов при крекинге мазута не превышает 27-35% масс. в процессе термического крекинга вакуумного газойля выход светлых нефтепродуктов может достигать 70% масс. на сырье. При термическом крекинге ароматизированных дистиллятных продуктов (тяжелых газойлей каталитического крекинга и коксования) также достигается достаточно высокая степень превращения сырья. Целевой направленностью этого процесса является получение термогазойлевых фракций с температурой н.к. 200-280°C, представляющих собой сырье для производства активного технического углерода (при этом выход светлых нефтепродуктов составляет 47-51% масс.)

  В целях  обеспечения требуемой глубины превращения на большинстве установок, особенно при переработке тяжелого сырья, предусматриваются специальные реакционные аппараты, в которых сырье выдерживается определенное время при температуре реакции. На современных установках, как правило, применяют крекинг с рециркуляцией.

  Недостатком  процесса термического крекинга, особенно тяжелых видов сырья,  является незначительная конверсия  и невысокий выход светлых  нефтепродуктов, что связано с  коксообразованием в змеевиках  печи. 

§2-3 Коксование

  Наиболее  глубокая форма термического  крекинга нефтяных остатков, осуществляемая  при низком давлении и температуре  440-560°C. Процесс проводят в направлении  концентрирования асфальтсмолистых  веществ сырья в твердом продукте-коксе  и получение в результате этого более богатых водородом продуктов – бензина и средних дистиллятов. Различают замедленное (полунепрерывное), периодическое и непрерывное коксование. 

§2-3-а Замедленное коксование

  Проводится  в необогреваемых камерах и  применяется для переработки  нефтяных остатков в светлые  нефтепродукты, газойлевые фракции  и кокс. Типичные условия процесса  замедленного коксования: температура  480-510°C, избыточное давление в реакторе 0,14-0,4 МПа, кратность циркуляции – 0,1:1,1 на свежее сырье.

  При переработке  малосернистого сырья, а также  при использовании термостойкого  и ароматизированного сырья (дистиллятного  крекинг-остатка термического крекинга  вакуумного газойля, тяжелых газойлей каталитического крекинга и коксования) стремятся к получению максимального количества высококачественного кокса. Так, из гудрона малосернистых нефтей получают 25% электродного кокса, а из дистиллятного крекинг-остатка – примерно 38% кокса игольчатой структуры. При переработке сернистого сырья процесс проводят в направлении получения максимального количества жидких продуктов. Выход светлых нефтепродуктов из гудрона сернистых нефтей при давлении 0,1 МПа достигает 47% мас. на сырье, в том числе легкого газойля – 35% масс.  
 
 

§2-3-б Периодическое коксование

  Осуществляется  в обогреваемых камерах (периодического  действия) для переработки нефтяного  сырья с целью получения электродного  кокса специального назначения. Процесс отличается низкой производительностью и большой трудоемкостью обслуживания коксовых кубов. Максимальный выход кокса достигает 50% мас. на сырье (выход светлых нефтепродуктов невысокий – до 25% мас. на сырье).