УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОКРЕКИНГА НЕФТЕСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
DEVICE FOR OILY RAW HYDROCRACKING

Изобретение относится к области переработки нефтесодержащего сырья, направленной на увеличение содержания в сырье - первичном (нефти) и вторичном (нефтеотходах), нефтепродуктах (мазуте, гудроне) дистиллятной фазы.
Изобретение может быть использовано при конструировании, постройке и модернизации разного рода производств, совмещающих в себе первичные и вторичные процессы переработки нефтесодержащего сырья.
Известно устройство (RU 2169170, МПК C10G 47/00, опубл. 20.06.2001 г.) - первый аналог - для гидрокрекинга нефтесодержащего сырья, включающее реактор для осуществления реакции гидрокрекинга сырья, состоящий из внутренней полости переменного объема, в которой установлены два сопла: первое - для подачи и распыливания в полости подогретого сырья, соединенное с сырьевой линией, и второе - для подачи в полость подогретой присадки водорода, сопряженное с водородной магистралью, а полость оборудована единственным выходом совокупной паровой, дистиллятной фазы - продукта реакции гидрокрекинга.
Первый аналог обладает следующими недостатками:
1. Устройство базируется на четырехтактном шестицилиндровом дизеле 6ЧН36/45, конвертированном в компрессор, имеющий автономный привод. Характерный особенностью процесса гидрокрекинга в этом случае являются ограниченный температурой 130°C, во избежание коксования, подогрев сырья и крайне малое время (2-12 мс), отводимое на реакцию гидрокрекинга, в процессе которой, однако, во избежание отказа устройства, должны образовываться только газообразные продукты, в виде совокупной паровой дистиллятной фазы, удаляемой из внутренней полости реактора через единственный продуктовый выход. В противном случае неизбежен отказ устройства, т.е. у производственника отсутствует возможность наладки рабочего процесса, в котором может образоваться жидкий остаток, вызывающий отказ устройства.
Отмеченные обстоятельства в сочетании с отсутствием предварительной кавитационной обработки сырья и невозможностью обогрева внутренней полости реактора, выполненной в виде цилиндра дизеля, вынуждают перегревать присадку водорода, выше 1000°C, используя ее как, по сути, единственный теплоноситель для дополнительного подогрева и попутного термокрекинга сырья в каплеобразном состоянии.
2. Способ малопроизводителен и энергоемок.
В самом деле, расход сырья должен быть сопоставим с расходом топлива у дизеля 6ЧН36/45 по соображениям компоновки сырьевого факела в цилиндре диаметром 360 мм, т.е. находится в пределах 300-320 кг/ч. При этом мощность привода двигателя в режиме компрессора составляют порядка 100 кВт. Следовательно, на гидрокрекинг 1 тонны сырья будет затрачиваться порядка 323 кВт·ч только механической энергии. Следует также учитывать теплопотери через необогреваемые стенки полости.
3. Выбор для осуществления способа механического устройства, т.е. конвертированного в компрессор тяжелого судового дизеля в сочетании с большими энергозатратами делает патент промышленно мало применимым, что дополнительно подтверждается досрочным прекращением действия патента.
Известно другое устройство (RU №2448153, МПК C10G 47/00, опубл. 20.04.2012 г.) - второй аналог - для гидрокрекинга нефтесодержащего сырья, включающее реактор для осуществления реакции гидрокрекинга сырья, состоящий из внутренней полости постоянного объема с сердечником внутри, вращаемым от постороннего источника энергии для создания в полости кавитационного поля, а полость сообщена с сырьевой линией и водородной магистралью, причем, для выделения продуктов реакции гидрокрекинга служит камера, размещенная вне реактора, но связанная с его полостью трубопроводной коммуникацией и снабженная выходом совокупной паровой фазы и выходом жидкого остатка.
Второй аналог предусматривает предварительный нагрев (до реактора) сырья в потоке до 380-450°C, что связано с его коксованием в сырьевой линии, и последующий механический крекинг сырья в реакторе вихревого типа под действием кавитации при давлении подачи сырья в реактор 0,01-0,5 МПа с одновременным вводом в реактор не подогреваемой присадки водорода в меньшем, чем у первого аналога, количестве, т.е. 0,1-0,8% (мас.) от расхода сырья.
Однако второму аналогу свойственны следующие недостатки:
1. Весь процесс гидрокрекинга осуществляется в потоке сырья, когда ограничены возможности молекулярного контакта присадки водорода с сырьем, активированным механическим крекингом и низкотемпературным термокрекингом. Отсюда требуются гипертрофированные энергомощности (до 5 МВт) только на механический крекинг сырья в вихревом реакторе без учета мощностей на подогрев сырья (при максимальном его расходе через промышленный образец реактора - всего 14,4 т/ч (при относительной плотности сырья 1,0)). При пересчете на 1 т сырья удельные энергозатраты на привод реактора промышленного образца доходят до 357 кВт·ч.
2. Жестко ограниченный верхний предел производительности устройства (≤14,4 т/ч) объясняется запрограммированным выбором в качестве реактора механического средства с незначительным объемом внутренней необогреваемой полости, где подвергаемое гидрокрекингу сырье должно находится длительное время, т.е. порядка 5 сек.
3. Второй аналог осуществляется в раздельных реакторе и камере, соединенных коммуникацией, что увеличивает количество единиц оборудования на промплощадке и ведет к дополнительным материальным издержкам.
Таким образом, высокие удельные энергозатраты при относительно низкой производительности устройства, составленного к тому же из неагрегатированных компонентов - реактора и камеры, обуславливают недостаточную эффективность второго аналога.
Известно принятое за ближайший аналог устройство для гидрокрекинга нефтесодержащего сырья (US 20110233114 А1, МПК C10G 47/32, C10G 99/00, опубл. 29.09.2011 г.), включающее реактор для осуществления реакции гидрокрекинга сырья, состоящий из внутренней полости с установленным в ней соплом и сообщенной посредством сопла с сырьевой линией и связанной с водородной магистралью; из средства для механического крекинга сырья.
Ближайший аналог выгодно отличается от предыдущих примеров отсутствием у него механических узлов, что позволяет не ограничивать его производительность жесткими рамками, характерными для первого и второго аналогов.
Вместе с тем ближайшему аналогу также свойственны указанные ниже недостатки.
1. Внутренняя полость выполнена не обогреваемой, из-за чего приходится перегревать присадку водорода (как в первом аналоге), или сырье (как во втором аналоге), или сырье и присадку одновременно для завершения реакции гидрирования в объеме внутренней полости.
2. Средство для осуществления механического крекинга сырья выполнено в виде нескольких ступеней давления, размещенных вне сопла. Разделенные сопло и средство усложняют конструкцию устройства.
3. Реакция гидрокрекинга представляет собой экзотермический процесс, обуславливающий нагрев и увеличение объема газообразных продуктов реакции, а следовательно, и рост давления во внутренней полости. Но в ближайшем аналоге отсутствует средство, предотвращающее (прекращающее) быстрое, аварийное, опасное для прочности устройства повышение давления во внутренней полости реактора.
Перечисленные недостатки снижают эффективность ближайшего аналога.
Изобретение решает задачу повышения эффективности устройства для гидрокрекинга нефтесодержащего сырья за счет расширения возможностей реакции гидрокрекинга сырья при одновременном повышении безопасности рабочего процесса, протекающего в указанном устройстве.
Для получения необходимого технического результата в устройстве для гидрокрекинга нефтесодержащего сырья, включающем реактор для осуществления реакции гидрокрекинга сырья, состоящий из внутренней полости, сообщенной с сырьевой линией и водородной магистралью, предлагается внутреннюю полость оборудовать нагревателем и выходами для совокупной паровой дистиллятной фазы и жидкого остатка, которые подключить к паровой коммуникации и жидкостному дренажу, соответственно. Кроме того, внутреннюю полость предлагается снабдить аварийным трактом для снятия избыточного давления в полости и верхним и нижним оппозитно установленными соплами-кавитаторами для распыливания сырья, соединенными с сырьевой линией и сообщенными с водородной магистралью.
Устройство показано на прилагаемой к описанию схеме.
Основой устройства является реактор 1, оборудованный нагревателем 2 для нагрева внутренней полости 3 реактора 1, а также паросборником 4 и колодцем 5, причем, паросборник 4 содержит паросепаратор 6 и оснащен коммуникацией 7 отвода совокупной паровой дистиллятной фазы с перепускным органом 8, а также аварийным трактом 9 с установленным в нем предохранительным клапаном 10, а колодец 5 соединен с дренажем 11 для отвода жидкого остатка с регулируемой производительностью (запорно-регулирующее устройство не показано). Во внутренней полости 3 размещены соосно установленные верхнее 12 и нижнее 13 сопла-кавитаторы для механического крекинга и распыливания сырья, подачи водорода в поток сырья и внутреннюю полость 3, причем верхнее сопло-кавитатор 12 соединено с сырьевой линией 14 отводом 15, содержащим верхнее запорно-регулировочное устройство 16, и сопряжено с водородной магистралью 17 посредством патрубка 18, содержащего задвижку 19, а нижнее сопло-кавитатор 13 связано с сырьевой линией 14 ответвлением 20, содержащим нижнее запорно-регулировочное устройство 21, и соединено с водородной магистралью 17 посредством трубы 22, содержащей вентиль 23.
гкр
c
c
гкр
мкр
в
в
c
ткр
в
ткр
в
мкр
в
мкр
в
мкр
Устройство функционирует следующим образом. Производят разогрев внутренней полости 3 реактора 1 до температуры, соответствующей условиям гидрокрекинга t с помощью нагревателя 2 (например, тепловой рубашки для перегретого пара, термальной жидкости и пр. теплоисточниками). Из полости 3 удаляют воздух через коммуникацию 7 при открытом перепускном клапане 8 (например, с помощью вакуумного насоса (не показан)). Затем клапан 8 закрывают, открывают запорно-регулировочные устройства: верхнее 16 и нижнее 21. Вследствие этого по линии 14, отводу 15 и ответвлению 20 к верхнему 12 и нижнему 13 соплам-кавитаторам, соответственно, начинает поступать сырье, нагретое до температуры t (в общем случае t<t) и под давлением механического крекинга Р, достаточным для создания в обоих соплах 12 и 13 кавитационного поля, обеспечивающего эффективный механический крекинг сырья и формирование оппозитно-действующих тонко диспергированных капельных сырьевых факелов. (На схеме в целях упрощения не показаны напорное и нагревательное оборудование, встраиваемое в линию 14). Одновременно открываются задвижка 19 и вентиль 23 и по магистрали 17, патрубку 18 и трубе 22 к соплам-кавитаторам 12 и 13, соответственно, подается подогретый водород с температурой t (подогреватель не показан). Причем, в общем случае, t≠t, а t≠t, где t - температура термокрекинга, поскольку выбор значений этих температур обуславливается многими факторами (видом сырья и получаемых продуктов, результативностью всех видов крекинга, расходом сырья и т.д.). В общем случае давление водорода Р≈Р. Однако возможен вариант использования водорода при P<Р (1) для увеличения дисперсности распыливания сырья и Р<Р (2), когда подобное соотношение давлений не играет роли для эффективности гидрокрекинга. В обоих случаях (1) и (2) в составе сопел-кавитаторов верхнего 12 и нижнего 13 могут быть использованы эжекционные устройства (не показаны).
гкр
мкр
гкр
гкр
гкр
В зависимости от особенностей технологического регламента, характеристик сырья, верхний и нижний факелы могут не быть смешанными (композитными) и водород, как, впрочем, и сырье, может подаваться отдельно через каждое из сопел-кавитаторов 12 и 13 в виде однородного, т.е. сырьевого или водородного монофакела. Реакция гидрокрекинга в общем случае, т.е. при подаче сырья и водорода в сопла-кавитаторы 12 и 13, начинается уже в процессе механического крекинга. Однако основная стадия реакции гидрокрекинга, наиболее эффективная, осуществляется в капельной форме, когда обрабатываемое водородом сырье одновременно подвергается в полости 3 термическому крекингу. В капельной форме сырье имеет максимальную поверхность контакта с реагентом (водородом). Гидрокрекинг может заканчиваться, правда, менее эффективно, чем в капельной форме, в сырьевой пленке жидкого остатка (например, гудрона), образовавшейся после контакта капель с нагретыми стенками полости 3 и стекающей по этим стенкам в колодец 5. Избыточное давление гидрокрекинга Р в реакторе 1, например, 0,1 мПа, поддерживается за счет баланса прихода в реактор 1 исходных сред - сырья и водорода и удаления из реактора образовавшихся в результате гидрокрекинга продуктов - совокупной паровой дистиллятной фазы и жидкого остатка. Приход сырья контролируется с помощью запорно-регулирующих устройств верхнего 16 и нижнего 21 и/или сменой сопел-кавитаторов, обладающих большей или меньшей производительностью, но при условии поддержания в любом случае перед соплами-кавитаторами (верхним 12 и нижним 13) заданного давления механического крекинга Р, например, 1,5-2,0 мПа. Расход реагента - присадки водорода в композитном факеле составляет, например, 0,1-0,5 мас.%, но в связи с лучшими условиями контакта реагента с сырьем расход может тяготеть к меньшим значениям. Удаление совокупной паровой дистиллятной фазы из реактора происходит под упомянутым избыточным давлением Р=0,1 мПа через паросборник 4, где фаза освобождается в паросепараторе 6 от капельного уноса, и далее по коммуникации 7 при регулируемом открытии органа 8. Остаток, если он предусмотрен технологическим регламентом, удаляется по регулируемому дренажу 11 под тем же давлением Р. В случае, если необходимо повысить производительность коммуникации 7 и дренажа 11, увеличивается их пропускная способность, например, дополнительным открытием соответствующей арматуры или, например, с помощью включения упомянутого вакуумного насоса. В случае непредвиденного увеличения Р избыток давления может быть сброшен из полости 3 по аварийному каналу 9 через автоматически открывающийся клапан 10 при одновременном прекращении подачи в реактор 1 сырья и водорода.
Общие удельные энергозатраты в промышленном образце описываемого устройства, т.е. механической энергии (на привод насосов) и тепловой (подогрев сырья, водорода и термокрекинг) составляют порядка 250-300 кВт·ч/т.
Итак, согласно выполненному описанию устройства для гидрокрекинга нефтесодержащего сырья, возможно:
(1) осуществлять переработку сырья с постепенным нагревом, избегая перегрева и коксования сырья, причем, гидрокрекинг протекает в наиболее эффективной, капельной форме, когда активированное механическим и термическим крекингом сырье обладает максимальными возможностями для осуществления реакции гидрокрекинга;
(2) выполнять все названные выше виды крекинга и последующее разделение обработанного таким образом сырья в пределах одной инсталляции - реактора. Причем, в целях повышения эффективности управления рабочим процессом начальный нагрев сырья и подогрев реагента - присадки водорода, выполняют раздельно, а температуру корпуса реактора устанавливают ниже температуры начала коксования остатка (когда он предусмотрен);
(3) увеличивать время пребывания сырья в капельной форме без снижения производительности устройства благодаря оппозитному расположению сопел-кавитаторов, входящих в состав соплового аппарата реактора, за счет взаимопроникновении капельных факелов и соударения капель;
(4) общие энергозатраты на гидрокрекинг при его осуществлении в опытно-промышленном реакторе существенно ниже затрат в описанных аналогах.
Следовательно, данное устройство превосходит ближайший аналог по эффективности. Кроме того, описанное устройство обладает дополнительными преимуществами, т.к. позволяет осуществлять подготовку сырья к гидрокрекингу, например, путем предварительного подогрева и последующего обезвоживания сырья в вакуумированном варианте обогреваемого реактора.