Перспективные решения для установок висбрекинга нефтяных остатков

УДК 665.642.2

Д. И. Галиев, Е. А. Емельянычева

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ УСТАНОВОК ВИСБРЕКИНГА НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ

Ключевые слова: висбрекинг, гудрон, змеевиковый реактор, конверсия, котельное топливо, оптимизация режима, печь, реакционные камеры.

В статье представлена оценка типового аппаратурного оформления процесса висбрекинга с выносными реакционными камерами с восходящим потоком. Требуемая конверсия по этой технологии достигается при более низких температурах и большем времени пребывания сырья в аппаратах «трубчатая печь+реакционная камера». Рассмотрены новые конструкции печи и выносных реакционных камер с восходящим потоком сырья, обеспечивающие режим «идеального вытеснения», что означает не только отсутствие застойных зон, но и постоянство времени пребывания реакционной массы в аппарате.

Keywords: visbreaking, tar, coil reactor, conversion, boiler fuel, mode optimization, furnace, reactionary chambers.

The article presents the estimation of typical visbreaking process equipment with external up flow reactionary chambers. Demanded conversion according to this technology is reached at the lower temperatures and the longer stay time of raw materials in «tube furnace + reactionary chamber». Some new design of the furnace and external reactionary chambers with up-flow of raw materials, which provide an «ideal replacement» mode, that leads to the absence of stagnant zones and to the constancy of reaction time, are reviewed.

По объемам первичной переработки нефти Россия находится на втором месте после США. Однако по мощности термодеструктивных процессов она уступает ведущим государствам. Глубина переработки нефти в нашей стране в среднем составляет около 72 %, тогда как в Западной Европе - 87 % , а в США - 95 % [1].

Перед нефтепереработкой России стоит задача по углублению переработки нефти до 8590 % к 2020 г., что является энергетической стратегией России до 2020 году.

Углубление переработки нефти в России будет исходить из наличия сырья для загрузки мощностей процессов, которые приведут к углублению переработки и освоению новых технологий для глубокой переработки нефтяных остатков.

Если исходить из особенностей ТЭК страны, технологическая структура мощностей переработки формировалась без полноценного развития процессов, которые увеличили бы глубину переработку нефти и улучшили бы качество продукции. Доля углубляющих процессов в России примерно 20 % от объема переработки нефти, а в США более 73 %. Отстают в развитии и те процессы, которые улучшали бы качества нефтепродуктов, такие как алкилирование, изомеризация, производство окси-генатов [2].

Повысить глубину переработки возможно за счет более интенсивного развития деструктивных процессов переработки тяжелого углеводородного сырья с получением ценных топливных и нефтехимических продуктов [3]. К таким процессам относятся термические, каталитические и гидрогениза-ционные методы переработки тяжелого углеводородного сырья, в частности мазута, гудрона и др. Проводимые оценки показывают, что для достижения планируемых показателей нефтепереработки необходимо кроме строительства на НПЗ России дополнительного количества каталитических установок (каталитического крекинга с предварительной гидроочисткой вакуумного газойля и установок гидрокрекинга), но также необходимо расширять мощ-

ности термических процессов, таких как висбре-кинг, коксование [2,4].

К термическим процессам можно отнести такие процессы, в котором происходит химическое превращение сырья. Катализаторы в этом случае не применяются [5]. Процесс висбрекинга - это термический процесс, способный косвенно привести к углублению переработки нефти. Доля висбрекинга от первичной переработки составляет около 10 %, что сравнительно больше, чем доля других углубляющих процессов (например, доля каталитического крекинга от первичной переработки составляет порядка 7 %, а доля процесса замедленного коксования - порядка 3,0 %) [6].

Висбрекинг проводят в более мягких условиях, чем термический крекинг, молекулярная масса сырья выше, следовательно и ниже термическая стабильность, а также оно легче крекируется. Температура процесса обычно находится в пределах 440-470°С (в отдельных случаях может достигать 500°С), давление составляет 1,4-2,5 МПа.

Возможности висбрекинга по увеличению выработки светлых нефтепродуктов ограничены требованиями к качеству получаемого остатка. Степень превращения сырья в этом процессе минимальная, отбор светлых нефтепродуктов из гудрона как правило не превышает 5-20 %, а из мазута - 1622 %. При этом получается более 75 % условно не-превращенного остатка, находящего применение в качестве котельного топлива [7].

Чтобы получить котельное топливо из гуд-ронов, не перерабатывая их, требуется большое количество дистиллятных разбавителей. Поэтому вис-брекинг может рассматриваться как наиболее подходящий процесс для снижения вязкости, что уменьшает расход разбавителей на 20-25 % масс. Главной экономической составляющей применения процесса висбрекинга является высвобождение вакуумного газойля и средних дистиллятов, ранее используемых в производстве товарного мазута в качестве разбавителей для достижения необходимой вязкости котельного топлива [8].

Для висбрекинга сырьем является гудрон, но также можно перерабатывать тяжелые нефти, мазут [9].

В ходе постоянного развития процесса висбрекинга, глубина конверсии сырья увеличилась, и уменьшился выход котельного топлива.

Если установку висбрекинга дополнить вакуумными колоннами, то резко увеличивается выход дистиллятных фракций и уменьшается выход остатка висбрекинга до 50-60 % масс на сырье [10]. Для уменьшения выхода крекинг-остатка используются схемы, где процесс висбрекинга комбинируются с вакуумной перегонкой и термическим крекингом. По данной схеме выход дизельной фракции увеличивается примерно до

23 %, а производительность по крекинг - остатку уменьшается до 66%.

В зависимости от назначения процесса выбирают технологическую схему висбрекинга. Есть схемы для получения наибольшего количества котельного топлива при наименьшем выходе бензина и газа. Также есть схемы, которые обеспечивают максимальный выход легких дистиллятов (дизельного топлива). За рубежом функционируют несколько вариантов установок висбрекинга. Они спроектированы ведущими фирмами, такими как Shell, Lummus и ФИН.

Самый простой способ производства котельного топлива - в печи с сокинг секцией (камерой). При применении выносной реакционной камеры движение продуктов в процессе организовано снизу вверх, в отличие от традиционного термического крекинга, что увеличивает пребывание жидкой фазы в зоне реакции, и это, соответственно, ведет к более углубленному превращению поступающего сырья.

Сложные схемы могут содержать несколько глубоковакуумных блока. Первый - для проведения вакуумирования сырья, в второй - для вакуумиро-вания крекинг остатка. Если включить два вакуумных блока, то наблюдается самая высокая степень выхода дизельного топлива, примерно 30 %, а вязкость крекинг-остатка при этом уменьшается в 10 раз.

Если работать по такой схеме, в которой вакуумные дистилляты из блока глубоковакуумной перегонки сырья и из блока вакуумной перегонки остатка, находящиеся в смеси с тяжелым газойлем, который отбирается в качестве бокового погона ректификационной колонны, подвергаются термическому крекингу в печи, то в этом случае увеличивается выход бензина, газа и средних дистиллятов, а также уменьшается температура застывания котельного топлива [2,10].

Решениями для процесса висбрекинга занимаются многие зарубежные фирмы, такие как Shell, Lummus, Kellog, UOP, Foster Wheeller KBR, Chiyoda и др. Разработками технологии процесса висбрекин-га занимаются также ведущие научно-исследовательские институты России За последнее время висбрекинг подвергся различным изменениям. Разработчиками предложены различные варианты висбрекинга [4].

Одно из новых решений висбрекинга - это

каталитический висбрекинг в присутствии водяного пара. Лицензиаром является фирма PDVSA-INTERVER-UOP [4,10]. Данный процесс называется Aquaconversion, он отличается от простого висбрекинга большим выходом дистиллятных фракций, при этом сохраняются низкие капитальные затраты. В печи остаточное сырье нагревают до температуры термического крекинга, в этом случае реакции полимеризации и конденсации подавляются. Достигается это за счет мягкого гидрирования, образовавшихся в ходе процесса радикалов. За счет переноса водорода из малого количества воды (пара), добавляемой к сырью в присутствии активного катализатора происходит гидрирование. В ходе процесса достигается большая глубина превращения, в ходе которого асфальтены не осаждаются. Также происходит отделение активного катализатора в блоке рекуперации с дальнейшим возвращением его в сырьевую линию.

Одной из перспективных модификаций вис-брекинга является японская технология компании Toyo Engineering Corporation и Mitsui Chemicals, использование которой позволяет увеличить конверсию сырья.

Предприятия Французского института нефти, совместно с французскими фирмами ELF и Total разработали висбрекинг без водорода, также гидро-висбрекинг и каталитический гидровисбрекинг. До-норно-сольвентный висбрекинг - HDDV разработала компания Exxon, а донорно-сольвентный висбрекинг - DSV разработала компания Lurgi [4].

Среди отечественных установок можно выделить "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ", который обеспечивает наибольшую конверсию мазута в бензино-дизельные фракции. "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ" позволяет управлять процессом термополиконден-сации. Это дает возможность получать дорожные битумы высокого качества. Выход битума может изменяться в пределах от 15 до 40 %, а выход бен-зино-дизельной фракции составляет примерно 5580%. Это зависит от содержания асфальтенов в нефти [11].

В развитии висбрекинга в нашей стране и за рубежом определились два основных направления.

Первое - это «печной», так называемый «змеевиковый», висбрекинг (или висбрекинг в печи с сокинг - секцией), в котором высокая температура (480-500 °С) сочетается с коротким временем пребывания (1,5-2 мин).

Второе направление - это висбрекинг с выносной реакционной камерой (сокерной), который, в свою очередь, может различаться по способу подачи сырья в реактор делится на:

- висбрекинг с восходящим потоком сырья,

- висбрекинг с нисходящим потоком сырья.

В висбрекинге второго типа требуемая степень конверсии достигается при более мягком температурном режиме (430-450°С) и более длительном времени пребывания сырья в зоне реакции (1015 мин) [9].

Выносная реакционная камера позволяет снизить температуру процесса на 40-500С и увеличить в 2-3 раза пробег установки висбрекинга [12,13].

Особенность выносного реактора заключается: его размеры оптимизированы по времени нахождения сырья с учетом гидравлических характеристик двухфазного газо-продуктового потока, проходящего через реактор.

Преимущество висбрекинга с выносной реакционной камерой заключается в том, что его производительность среди установок висбрекинга самая большая при наименьшей стоимости. Печные установки висбрекинга можно реконструировать в установки с реакционной камерой.

В отличие от реакционных камер, которые применяются на различных установках термического крекинга, когда продукты реакции проходят сверху вниз, в сокинг-камере висбрекинга используется восходящий поток. Это дает возможность в разы увеличить время нахождения жидкой фазы в зоне реакции, а также приводит к увеличению степени превращения сырья. Камера заполняется па-рожидкостной смесью. Жидкость составляет 40-80 %, размеры пузырьков пара обычно достигают размеров примерно в 3-15 мм.

Диаметр камеры обычно в среднем 1,5-2,5м, а её объем составляет - 15-75 м3. Камера при этом является необогреваемой. Реакции, протекающие в ней, эндотермичные. Разница температур между входом продукта и выходом продукта, составляет примерно 20 °С. Время нахождения жидкой фазы в реакционном змеевике составляет 1,52,5 мин, а в реакционной камере -10-15 мин.

Малый объем камер с восходящим потоком, которые применяются на установках висбрекинга, обусловливают относительно большие линейные скорости и малые отложения кокса. В некоторых случаях, чтобы снизить скорости отложения кокса в камерах с восходящим потоком размещают различные перегородки для уменьшения обратной циркуляции жидкости.

Висбрекинг с реакционной камерой, по сравнению с печным, имеет определенные преимущества, такие как: уменьшение капитальных затрат примерно на 10-15%, малый размер печи, малые размеры оборудования для утилизации тепла дымовых газов, относительно низкий перепад давления в печи, небольшой расход топлива, относительно большие выходы, а также лучшая селективность, увеличивается межремонтный пробег, примерно до одного года, время работы установки на поток составляет около 330 дней, малая чувствительность к авариям, малое количество пара от утилизируемого тепла [12].

Данные преимущества подтверждают целесообразность строительства установок висбрекинга с реакционной камерой [13].

За границей реализуются технологии висбрекинга, разработанные известной фирмой Shell. Эта компания построила ряд установок висбрекинга, в которых используются выносные реакционные камеры. В январе 2009 г. на ОАО Салаватнефтеорг-синтез была введена в работу установка висбрекинга с использованием выносной реакционной камеры с восходящим потоком сырья, производительность которой составляет 1,5 млн т. в год по гудрону.

Данная технология так же разработана Shell совместно с ABB Lummus, проект фирмой Кедр-89 [14].

Выносная реакционная камера с восходящим потоком сырья фирмы Shell имеет форму адиабатического аппарата, который оснащен перфорированными тарелками. Главным минусом этого аппарата является то, что в нем есть большие застойные зоны, где образуется определенное количество кокса. Это приводит к необходимости чаще чистить выносные реакционные камеры от коксовых отложений, и это обстоятельство приводит к снижению производительности установки.

Специалистами ГУП ИНХП РБ ранее, в 2005г., на одном из НПЗ был успешно апробирован режим висбрекинга, осуществляемого в змеевико-вом реакторе (рисунок 1), выполненном в виде трех последовательно связанных полых цилиндров диаметром 900 мм и высотой 14 м.

1 - печной насос; 2 - трубчатая печь; 3 - змеевиковый реактор; 4 - колонна Рис. 1 - Висбрекинг гудрона со змеевиковым реактором

Испытания такого змеевика, в котором выполнялись условия режима, близкие к «идеальному вытеснению», подтвердили высокую эффективность реакционных аппаратов такой конструкции. Вместе с тем, змеевиковый реактор все же имеет громоздкую конструкцию, что требует его доработки. В плане развития технологии висбрекинга, оснащенного выносной реакционной камерой, имеющей восходящий поток сырья, были проведены исследовательские работы и разработаны новые конструкции выносных реакционных камер [15,16]. В этих конструкциях для повышения эффективности процесса термического крекинга заложен принцип разделения объема камеры на однородные по сечению зоны, что обеспечивает равновеликие скорости движения реакционной массы по всему аппарату и способствует снижению до минимума степени коксооб-разования на их стенках за счет полного отсутствия застойных зон.

На рисунке 2 показаны предлагаемые конструкции выносных реакционных камер с восходящим потоком, применение которых рекомендуется к внедрению на вновь строящихся и реконструируемых установках висбрекинга. Следует выделить, что предлагаемые аппараты более компактны и имеют конструкцию, обеспечивающую режим «идеального

вытеснения», что означает не только отсутствие застойных зон, но и постоянство времени пребывания реакционной массы в аппарате.

Рис. 2 - Выносные реакционные камеры висбре-кинга с восходящим потоком

Вследствие этого сочетание «трубчатая печь + выносная реакционная камера» создает условия для непрерывного термического превращения сырья при благоприятных режимах переработки и в печи и в реакционной камере.

Это обстоятельство имеет большое значение для достижения оптимального хода процесса висбрекинга, когда максимальная величина коэффициента снижения вязкости гудрона относительно остатка висбрекинга достигается при определенной степени превращения сырья, определяемой по выходу газа и бензина висбрекинга [16,17].

Таким образом, процесс висбрекинга в настоящее время набирает вторую волну технологической востребованности. Если раньше висбрекинг использовался только для снижения вязкости гудро-нов, то теперь для углубления переработки нефти.

Литература

1. Башкирцева Н.Ю. Нефтяной комплекс мира. / Вестник КНИТУ.Т.17 №18. 2014 - С. 201-204.

2. Козин В. Г. Современные технологии производства компонентов моторных топлив / В. Г. Козин , Н. Л. Со-

лодова, Н. Ю. Башкирцева , А. И. Абдуллин. - Казань, 2009.- 328 с.

3. Габдуллин А.А., Солодова Н.Л., Емельянычева Е.А. Процесс переработки тяжелого нефтяного сырья HOUP. // Вестник технол. ун-та. 2015. Т.18, №3. С. 164-168.

4. Ахмадова Х. Х., Сыркин А. М., Садулаева А. С. Роль висбрекинга в углублении переработки нефти // Инновации в науке: материалы международной заочной научно-практической конференции. Часть I. (под. ред. Я. А. Полонского), Новосибирск: Изд. «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. - с. 76-84.

5. Левинбук, М.И. Нефтепереработка новые вызовы времени / М. И. Левинбук, И. Гайдук // Нефтегазовая вертикаль. - 2001. - № 17. - С.20-26.

6. Капустин В. М. Глубокая переработка углеводородного сырья в условиях финансового кризиса // Мир нефтепродуктов - 2009. - № 3. - С. 8-10.

7. Ахметов С. А. Технология глубокой переработки нефти и газа / С.А. Ахметов // Учебное пособие для вузов. Уфа: Гилем, 2002 - 672 с.

8. Антонов М. Л. Переработка нефтяных остатков на предприятиях группы «ЛУКОЙЛ»: опыт и перспективы // Мир нефтепродуктов — 2009. — № 5. — С. 6—9.

9. Валявин Г.Г. Современные и перспективные термоли-тические процессы глубокой переработки нефтяного сырья / Г.Г. Валявин, Р.Р. Суюнов, С.А. Ахметов, К.Г. Валявин. - СПб.: Недра, 2010.- 224с.

10. Давлетшин А. Р. Исследование закономернос-тей термолиза нефтяных остатков в процессе висбрекинга с реакционной камерой с восходящим потоком. Дисс. канд. техн. наук. Уфа. - 2008.- 118 с.

11. Технология "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ". [Электронный ресурс] - Режим доступа:

http://techforesight.ru/technology/oil_tehnologiya_visbre

kingtermakat - свободный.

12. Техническая записка ГрозНИИ «Исходные данные для проектирования реактора висбрекинга». - Грозный. -1986.- С. 27.

13. Ахмадова Х.Х., Сыркин А.М., Махмудова Л.Ш. Становление и развитие процесса висбрекинга тяжелого углеводородного сырья. М.: Химия, 2008.- 208 с.

14. Ефремов А. В., Мячин С. И.,Зайцев В. Г. и др. // Химия и технология топлив и масел.- 2010.- №4.- С.14.

15. Патент РФ №2370521. / Хайрудинов И. Р., Тихонов А. А., Хайрудинова Г. И., Мингараев С. С. Теляшев Г. Г. // Б. И.- 2009.- №29.

16. Патент РФ №2372378. /Хайрудинов И. Р., Тихонов А. А., Хайрудинова Г. И.,Теляшев Г. Г., Теляшев Э. Г., Мингараев С. С., Ягудин М. Н. // Б. И.- 2009.- №31

17. Патент РФ №2402593. // Хайрудинов И. Р., Ягудин М. Н., Таушев В. В., Хайрудинова Г. И., Теляшев Э. Г. // Б.И.- 2010.- №30.

© Д. И. Галиев - магистр каф. каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, Е. А. Емельянычева - к.т.н., доц. той же кафедры, emelyanycheva@gmail.com.

sairusdinar@yandex.ru;

© D. I. Galiev, Masters degree student of "Chemical technology of petroleum and gas processing" department of KNRTU, sairusdinar@yandex.ru; E. A. Emelyanycheva, PhD, Associate Professor of "Chemical technology of petroleum and gas processing" department of KNRTU emelyanycheva@gmail.com.