Процесс и установки висбрекинга гудрона

     При термическом крекинге гудрона средняя  энергия активации распада составляет 55000 калл/моль, а уплотнения 30000 калл/моль, при этом температурные градиенты скорости реакций собственно равны 15 и 28 ⁰С, т.е. реакции уплотнения значительно менее чувствительны к температуре, чем реакции распада. Таким образом, процесс термокрекинга остаточных фракций целесообразно вести при повышенных температурах.

     Вязкость  получаемого остатка висбрекинга  во многом зависит от температуры.

     С повышением температуры крекинга выход  продуктов уплотнения уменьшается, а продуктов распада (особенно газа и бензина) возрастает.

     От  температуры крекинга зависит вязкость получаемого остатка висбрекинга. Температурный предел 500-510 ⁰С считается оптимальным для снижения вязкости остатка висбрекинга при глубине крекинга 20 % и более.

     Для получения товарного мазута вторичного топочного глубина разложения сырья  должна быть на уровне 25-30 %. Такая глубина  превращения обеспечивает получение  средних фракций в количестве, необходимом для разбавления  остатка висбрекинга, позволяющем  снизить его вязкость и температуру  застывания до нужной величины.

     Оптимальная глубина разложения, обеспечивающая получение товарного мазута вторичного топочного, достигается при проведении процесса висбрекинга при температуре 480-500 ⁰С и малом времени пребывания сырья.

     Сырье висбрекинга.

     Типичным  сырьем висбрекинга являются мазуты и гудроны. Степень конверсии  этих остатков обычно составляет 10-15% в  зависимости от их физико-химических характеристик и режима. Она служит критерием жесткости процесса и  определяется как количество фракции >343^оС мазута или фракции >482^оС гудрона, превращаемой в более легкие компоненты.

     Степень конверсии ограничивается рядом  характеристик сырья: содержанием асфальтенов и натрия, коксуемостью по Конрадсону. Сырье с высоким содержанием асфальтенов характеризуется меньшей степенью конверсии, чем сырье с содержанием асфальтенов, не превышающим нормы, при одинаковом объеме производства стабильного котельного топлива. В присутствии натрия, а также при высокой коксуемости по Конрадсону коксообразование в трубах печи усиливается.

     Изменения качества сырья влияют на степень  его конверсии при заданной жесткости  режима. Анализ данных, полученных при  висбрекинге на пилотной установке  различного сырья, показал, что для  каждого конкретного сырья с  увеличением жесткости режима вязкость фракции >204^оС сначала уменьшается, а затем при достаточно жестком режиме резко увеличивается, что свидетельствует об образовании промежуточных коксообразующих соединений. Точка, в которой направление изменения вязкости меняется на обратное, для каждого сырья различна, но обычно совпадает с точкой выхода 20,2 - 23,6 м ³/ м ³ газа С₁ – С₆ в нормальных условиях. Считают, что после достижения этой точки котельное топливо становится нестабильным.

     Между отдельными результатами пилотных испытаний  установлена взаимосвязь. Точка, в  которой меняется направление изменения  вязкости, может быть предсказана  и использована для определения  расчетных параметров конкретного  сырья при проектировании, чтобы  избежать образования нестабильного  котельного топлива и добиться максимальной конверсии сырья.

     В промышленности используют две технологии висбрекинга:

     - проведение реакции в печном  змеевике;

     - проведение реакции в реакционной  камере. 
 
 

     Змеевиковый (печной) висбрекинг

     предлагают  фирмы «Foster Wheeler Co.» и «UOP». В этом случае высокотемпературный крекинг осуществляется в специальном реакционном змеевике печи. Поскольку степень конверсии сырья в первую очередь зависит от его температуры и времени пребывания в зоне реакции, змеевиковый висбрекинг можно определить как высокотемпературный кратковременный процесс. Фирма «Foster Wheeler» успешно спроектировала большое число печей данного типа для НПЗ в разных странах мира.

     Основное  преимущество змеевиковой печи —  наличие двух зон нагрева. Такая  конструкция обеспечивает: большую  гибкость подвода тепла, что позволяет  лучше регулировать температуру  нагрева сырья: легкость удаления кокса  из труб печи паровоздушным способом; получение стабильного котельного топлива, что особенно важно для  нефтеперерабатывающих заводов  с ограниченными возможностями  смешивания топлив.

     Схема базовой установки висбрекинга гудрона показана на рис.1

1

2

5

4

3

7

7

6

1

2

6

7

4

2

5

2

 
 

3

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис.1. Схема базовой установки висбрекинга: 1-печь; 2-фракционнирующая колонна; 3-воздушный холодильник-конденсатор; 4-колонна отпарки газойля;

     5-сепаратор; 6-воздушный холодильник; 7-узел нагрева  и выработки пара.

     1-сырьё; 2-водяной пар; 3-углеводородный газ; 4-кислая вода; 5-нестабильная бензиновая  фракция; 6-газойлевая фракция; 7-котельное  топливо. 

     Висбрекинг  с сокинг-камерой.

     В альтернативном процессе конверсия  частично происходит в печи. Однако, основная ее доля приходится на сокинг-камеру, где двухфазный поток из печи выдерживается при повышенной температуре в течение заданного времени. Сокерный висбрекинг определяется как низкотемпературный процесс с длительным пребыванием сырья в зоне реакции. Лицензиаром этого процесса является фирма «Shell». Ряд проектов установок висбрекинга сокерного типа выполнила и фирма «Foster Wheeler».

     Реакционная камера, обеспечивая необходимое  время пребывания сырья, позволяет  работать с потоком более низкой температуры на выходе из печи и  тем самым экономить печное топливо. Несмотря на очевидные экономические  преимущества, этот процесс имеет  ряд недостатков, основной из которых  — сложность очистки печи и  сокерной камеры от кокса. Эта очистка проводится реже, чем на установке со змеевиковой печью, однако для нее требуется более сложное оборудование.

     Схема установки висбрекинга гудрона  с выносной реакционной камерой  показана на рис.2.

 

     

7

2

5

4

3

7

7

6

1

1

2

6

4

2

5

2

7

8

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис.2. Схема базовой установки висбрекинга с сокинг - камерой: 1-печь; 2-фракционнирующая колонна; 3-воздушный холодильник-конденсатор; 4-колонна отпарки газойля;5-сепаратор; 6-воздушный холодильник; 7-узел нагрева и выработки пара; 8-сокинг-камера.

     1-сырьё; 2-водяной пар; 3-углеводородный газ; 4-кислая вода; 5-нестабильная бензиновая  фракция; 6-газойлевая фракция; 7-котельное  топливо.

     Обычно  кокс из сокера удаляют путем резки водой под высоким давлением. В результате образуется значительное количество воды, загрязненной частицами кокса, которую необходимо удалять, фильтровать и возвращать для повторного использования. В отличие от установок замедленного коксования (УЗК.) установки висбрекинга обычно не оснащены оборудованием для резки кокса и очистки загрязненной воды. Затраты на это оборудование на установке висбрекинга экономически не оправданы,

     Качество  и выходы продуктов на установках обоих типов при одинаковой жесткости  режима в целом одинаковы и  не зависят от конфигурации установки.

      Расчётная часть

      Задача 1 Нефть закачали в резервуар при температуре t₁, °С. Определенная плотность составила . На следующий день температура нефти поднялась до t₂, °С. Определить плотность нефти при температуре t₂. Определить относительную плотность и плотность  

Решение

     Плотность нефтей и нефтепродуктов уменьшается с повышением температуры. Эта зависимость имеет линейный характер и выражается формулой (справедлива в интервале температур от 0 до 150 °С):

= − α(t – 20),

где − относительная плотность нефтепродукта при заданной температуре t; − относительная плотность нефтепродукта при температуре 20 °С; α – средняя температурная поправка относительной плотности.

     Выразим из формулы  :

= + 0,000699·(8 – 20)=0,842

     Найдем  :

=_0,842+ 0,000712·(16 − 20)=0,859

     Взаимный  пересчет значений и производится по формуле:

= +5α

где α - поправка на изменение плотности при изменении  температуры на один градус.

= _0,842 +5*0,000699=0,842+0,003495=0,8455

      Плотность, измеряемая в градусах °API связана с соотношением:

 

      Задача 2. В качестве сырья каталитического риформинга для получения ксилолов используется узкая бензиновая фракция 120-140 °С плотностью . Известно содержание (в молярных долях) в сырье 5-градусных фракций: 120-125 °С, 125-130 °С, 130-135 °С, 135-140 °С. Найти среднюю молярную массу сырья.

Решение

Среднюю молярную массу фракции можно  найти по формуле Войнова:

М = (7К  – 21,5) + (0,76 – 0,04К)t_ср.м + (0,0003K – 0,00245)t²_ср.м 

М = (7*11,9 – 21,5)+(0,76 – 0,04*11,9)*131 + (0,0003*19,3-0,00245)*17161=61,8+161,9+57,5=285,5 

     Среднюю молярную температуру кипения сырья  можно найти по формуле:

t_ср.м = Σx_i`t_i

x_i` - молярная доля компонентов

t_i – средние арифметические температуры кипения узких фракций.

t_ср.м = 122,5*0,20+127,5*0,26+132,5*0,18+137,5*0,36=24,5+33,15+23,85+49,5=131

     Характеризующий фактор К определяется по формуле:

где t_ср.м – средняя молекулярная температура кипения смеси, К; - относительная плотность нефтяной фракции 

     Взаимный  пересчет значений и производится по формуле:

= +5α

где α - поправка на изменение плотности  при изменении температуры на один градус.

= _0,751+5*0,000831=0,751+0,004155=0,755 

Задача 3. Найти абсолютную и относительную плотность газа при нормальных условиях (t = 0 °С, Р = 1 атм.), а также плотность этого газа при температуре t = 100°С и давлении Р = 0,8 МПа, зная массовый состав газа (% масс.). 

  Решение

     Относительная плотность газа равна отношению  массы m газа, занимающего объем V при некоторой температуре и давлении, к массе m₁ воздуха, занимающего тот же объем V при тех же температуре и давлении.

     Если  считать газ идеальным, то при  Т=273 К и давлении Р = 1 атм. и V=22,4 м³ масса m равна молекулярной массе M газа. В тех же условиях масса 24,4 м³ воздуха составляет 28,9 кг, откуда относительная плотность газа относительно воздуха равна:

 

     Абсолютную  плотность газов при нормальных условиях можно найти, зная массу  M и объем 1 кмоль газа (22,4 м³), по формуле:

 

     Молекулярная  масса - величина аддитивная, и для  смеси ее можно определять по формуле:

где m₁, m₂, …, m_n - массы компонентов смеси; M₁, M₂, …, М_n - молекулярные массы компонентов. 

Плотность газа при заданных условиях можно определить по формуле 
 
 
 
 

Задание 4. Определить шифр каспийской нефти по ГОСТ 38.1197-80 и ГОСТ Р 51858-2002.