СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
METHOD FOR PROCESSING LIQUID RAW HYDROCARBONS

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей промышленности, а именно к способам переработки жидкого углеводородного сырья для получения бензиновой фракции и легкокипящих нефрасов, и может найти применение, в том числе, при переработке сырой нефти, газового конденсата или промышленных отходов, содержащих легкокипящие углеводороды или органические растворители, в том числе, из собранных разливов нефтепродуктов на поверхности воды или грунтов.
Известен способ переработки нефтяного сырья, включающий три стадии разделения сырья испарением с выделением бензиновой, керосино-лигроиновой и соляровой фракций с их последующей конденсацией (см. патент РФ №39886, БИПМ №23, 2004 г.).
Недостатками известного способа и устройства для его реализации являются сравнительно сложная и недостаточно производительная технология процесса трехстадийной термической переработки нефтяного сырья при равенстве рабочего давления в объеме предварительного нагревателя, трех секций испарителей и конденсаторов для получения указанных фракций.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ переработки жидкого углеводородного сырья, включающий изотермическую перегонку и последующую конденсацию легких фракций (см. патент РФ №34530, БИПМ №34, 2003 г. - прототип).
Особенностью известного способа и устройства для его реализации являются организация в реакторе зоны отгонки легких фракций и последовательная многоступенчатая термическая перегонка сырья при избыточном давлении в колоннах реактора, оснащенных теплообменниками, испарителями, сепараторами и конденсаторами, для выделения легких и тяжелых фракций, в том числе бензиновой, керосиновой, дизельной и других фракций.
К недостаткам известного способа следует отнести сравнительно высокие температуры переработки сырья, сложность аппаратурного оформления технологического процесса, высокие требования к его взрывобезопасности и невозможность получения бензиновой фракции и легкокипящих нефрасов, например, при переработке загрязненного углеводородного сырья из собранных разливов нефти и нефтепродуктов на поверхности воды или грунтов.
Решаемой задачей является создание сравнительно простого в реализации и эффективного способа переработки жидкого углеводородного сырья для получения бензиновой фракции и легкокипящих нефрасов, в том числе при переработке газового конденсата и сырой нефти в местах добычи, при их транспортировке, а также при переработке промышленных отходов, содержащих легкокипящие углеводороды.
Указанная задача решается тем, что в способе переработки жидкого углеводородного сырья, включающем изотермическую перегонку и последующую конденсацию легких фракций, согласно изобретению жидкое углеводородное сырье с температурой 10-80°С периодически вводят в реактор при атмосферном давлении, в начале каждого периода осуществляют непродуктивное снижение давления в реакторе до 500 Торр, после чего углеводородное сырье подвергают вакуумной перегонке при постоянной температуре для отделения из жидкой фазы растворенных неконденсируемых при данных условиях углеводородов и легких фракций путем регулируемого уменьшения давления в реакторе до 5 Торр с последующей конденсацией выделившихся легких фракций при температуре 10-30°С и выводом газообразных углеводородов.
Кроме того, регулируемое уменьшение давления в реакторе можно осуществлять путем изменения скорости откачки неконденсируемых углеводородов и легких фракций и/или путем натекания в реактор газового балласта, а поддержание режимов переработки углеводородного сырья можно осуществлять с помощью микропроцессорного управления.
Кроме того, конденсат легких фракций можно подвергать дополнительному фракционированию для получения групп нефрасов или индивидуальных веществ, а неконденсируемые углеводороды и остаток углеводородного сырья можно подвергать вторичной переработке.
Кроме того, переработке можно подвергать углеводородное сырье из разливов нефтепродуктов или промышленных отходов, содержащих легкокипящие органические растворители.
Кроме того, переработку углеводородного сырья можно осуществлять при транспортировке в реакторе, привод вакуумной системы которого связан с силовой установкой транспортного средства.
Такое выполнение способа переработки жидкого углеводородного сырья позволяет решить указанную задачу создания сравнительно простого в реализации и эффективного способа низкотемпературной вакуумной переработки углеводородного сырья для получения ценной бензиновой фракции, легкокипящих нефрасов и других целевых продуктов. Предложенный способ позволяет получать указанные продукты из газового конденсата, сырой нефти, промышленных отходов, содержащих легкокипящие углеводороды, и из других видов углеводородсодержащего сырья, в том числе, в местах их добычи или при транспортировке.
Снижение границы диапазона рабочих температур в предложенном способе переработки жидкого углеводородного сырья менее 10°С связано с ухудшением условий переработки сырья и технологических параметров процесса из-за увеличения вязкости исходного сырья. Верхняя граница температуры переработки углеводородного сырья ограничена рабочей температурой вакуумных насосов, которая, как правило, не превышает 80°С. В связи с тем, что выход легких фракций из углеводородного сырья увеличивается с ростом его температуры, вакуумный реактор целесообразно оснастить системой дополнительного подогрева сырья в указанном температурном диапазоне, которая функционирует в случае загрузки в реактор холодного сырья или в случае низкой температуры окружающего воздуха.
Уменьшение давления откачиваемых паров в реакторе менее 5 Торр связано со значительным удорожанием вакуумной системы реактора. Превышение рабочего давления свыше 500 Торр ограничивает эффективность процесса переработки сырья, уменьшая выход легких фракций. При этом последующая конденсация большинства легких фракций возможна при характерной температуре охлаждающей воды в холодильниках в диапазоне 10-30°С для всего диапазона рабочих давлений в реакторе.
Следует отметить, что углеводородное сырье с естественной температурой необходимо периодически вводить в реактор при атмосферном давлении. Для этого в начале каждого периода переработки новой порции углеводородного сырья осуществляют сравнительно быстрое и непродуктивное снижение давления в реакторе до 500 Торр, являющегося верхней границей рабочего давления. Указанное снижение давления можно осуществить, например, путем кратковременного подключения к реактору вакуумного ресивера сравнимого объема. При давлении в реакторе, незначительно отличающемся от атмосферного, не обеспечиваются условия для эффективной вакуумной перегонки сырья, поэтому потери легких фракций в этой стадии процесса оказываются достаточно малыми.
Регулируемое снижение давления в рабочем объеме реактора легче всего осуществить за счет изменения скорости откачки неконденсируемых углеводородов и легких фракций и/или путем натекания в реактор газового балласта, например азота. Поддержание указанных режимов процесса переработки в предложенном способе целесообразно осуществлять с помощью микропроцессорного управления работой всех агрегатов и систем для получения целевых продуктов заданного типа.
Для повышения эффективности способа в промышленных условиях конденсат легких фракций можно подвергать дополнительному фракционированию для получения других групп нефрасов или индивидуальных веществ. Неконденсируемые углеводороды и остаток углеводородного сырья в реакторе можно также направить на вторичную переработку одним из известных способов. При этом предложенный способ позволяет, достаточно просто, подвергать переработке углеводородное сырье из разливов нефтепродуктов или промышленных отходов, содержащих легкокипящие органические растворители, а переработку газового конденсата осуществлять в процессе транспортировки в реакторе, привод вакуумной системы которого может быть связан с силовой установкой транспортного средства.
Сложность осуществления низкотемпературной вакуумной перегонки в предложенном способе связана, в основном, с высокой взрывоопасностью отгоняемых летучих компонентов и растворенных в углеводородном сырье горючих газов, что существенно ужесточает требования к технологическим сторонам способа и, в первую очередь, к вакуумной системе и применяемым в процессе вакуумным насосам. Из всех типов вакуумных насосов, пригодных для промышленной низкотемпературной вакуумной перегонки сырья, необходимый вакуум создают водокольцевые насосы. Они отвечают необходимым требованиям к взрывобезопасности и обладают производительностью до нескольких десятков тысяч куб. метров откачиваемых паров в час.
Высокопроизводительные водокольцевые вакуумные насосы имеют характерное остаточное давление не ниже 50 Торр. Для достижения более глубокого вакуума в реакторе можно использовать водокольцевые насосы в качестве первой ступени вакуумного агрегата, а в качестве второй ступени - пароэжекторные насосы, взрывобезопасные роторные насосы и др. Для дополнительного снижения остаточного давления водокольцевых насосов можно использовать в качестве рабочей жидкости соляровую фракцию или минеральные масла, обладающие невысокой вязкостью.
При использовании водокольцевых вакуумных насосов они должны быть снабжены системой сепарации откачиваемых паров от воды, а их рабочая температура, как указывалось, не должна превышать 80°С. Данное обстоятельство накладывает ограничения на максимальную температуру откачиваемых паров легких фракций, поскольку, если она будет превышать рабочую температуру вакуумного насоса, возможна конденсация наиболее высококипящих фракций из отгоняемых компонентов внутри насоса. При этом также нежелательно использование газового балласта в виде воздуха из-за риска образования взрывоопасных смесей паров углеводородов с кислородом воздуха.
Регулируемое изменение рабочего давления откачиваемых паров в вакуумной системе реактора и его контроль можно осуществлять, например, за счет плавного изменения скорости вращения приводного двигателя насоса. Эффект изменения скорости вакуумной откачки легкокипящих фракций можно достичь также за счет натекания в реактор газового балласта, например, в режиме барботирования через исходное сырье, что одновременно обеспечивает его дополнительное перемешивание внутри реактора. Перемешивание сырья в реакторе является необходимым, чтобы скорость откачки легкокипящих компонентов не лимитировала скорость их диффузии в жидкой фазе сырья.
Указанные параметры процесса вакуумной перегонки жидкого углеводородного сырья в бензиновую фракцию и легкокипящие нефрасы, включая упомянутый диапазон рабочих давлений и температур, подтверждены экспериментальными исследованиями, проведенными в ОИВТ РАН. В результате была разработана пилотная установка для реализации данного способа, на которой был получен ряд целевых продуктов из жидкого углеводородного сырья различного типа.
На чертеже приведена принципиальная схема установки для реализации предложенного способа.
Установка содержит вакуумный реактор 1 с рубашкой подогрева 2 и перемешивающим устройством 3, систему подачи 4 жидкого углеводородного сырья, систему 5 вакуумирования, конденсирующий теплообменник 6 для сжижения полученных целевых продуктов по фракциям, накопительную систему 7 для отвода и сбора полученных продуктов, систему 8 для подачи в реактор 1 газового балласта, систему 9 для управления процессами подачи сырья, поддержания давления и температуры в агрегатах установки, а также необходимые элементы запорной и регулирующей арматуры. Хранилище сырья обозначено поз.10.
Установка для реализации предложенного способа функционирует следующим образом.
С помощью системы подачи 4 из хранилища 10 происходит заполнение рабочего объема реактора 1 углеводородным сырьем, после чего включается система 5 вакуумирования для сравнительно быстрого снижения давления в реакторе до 500 Торр. Затем с помощью системы 9 управления работой вакуумной системы 5 по определенной программе уменьшают рабочее давление в реакторе 1 до минимального давления 5 торр. График снижения давления во времени отрабатывается экспериментально с учетом конкретного вида жидкого углеводородного сырья и целевых продуктов.
В случае необходимости, система 8 обеспечивает подачу в реактор 1 газового балласта (азота). Поддержание в реакторе 1 необходимых термодинамических параметров углеводородного сырья (давление, температура, вязкость) обеспечивается с помощью вакуумной системы 5, посредством подогрева сырья и его перемешивания с помощью устройства 3. При различных давлениях в реакторе 1 испаряются известные группы легких фракций, которые затем сжижаются в заданном порядке в конденсирующем теплообменнике 6 и накапливаются в соответствующих емкостях накопительной системы 7. С помощью системы 9 осуществляется управление процессами подачи сырья, поддержание давления и температуры в агрегатах установки, а также управление элементами запорной и регулирующей арматуры по сигналам соответствующих датчиков.
При реализации предложенного способа в лабораторных условиях был выбран мембранный вакуумный взрывозащищенный насос, снабженный мембранным датчиком остаточного давления и многофункциональным контроллером. Предельное остаточное давление насоса регулировалось при помощи контроллера на уровне 5 Торр. Ниже приведены примеры использования низкотемпературной вакуумной перегонки применительно к различным видам сырья.
Химический состав газовых конденсатов из разных месторождений весьма разнообразен по составу. В табл.1 приведены данные по составу трех типов газового конденсата из Ямальских месторождений, а также нефти из месторождений республики Коми, который установлен методом хроматографической масс-спектрометрии с использованием электронных библиотек.
Таблица 1
Состав по классам углеводородов трех типов газоконденсата и нефти
Компоненты сырья
Содержание фракции, % Газоконденсат 1
Содержание фракции, % Газоконденсат 2
Содержание фракции, % Газоконденсат 3
Содержание фракции, % Нефть
Алканы
21,9
21,8
25,5
45,3
Изоалканы
16,3
25,2
19,0
26,5
Нафтены
42,3
33,2
36,4
17,2
Ароматические соединения
19,3
17,5
18,4
11,0
Прочие соединения
0,2
2,3
0,7
-
Фракционные составы рассмотренных в табл.1 образцов приведены в табл.2
Таблица 2
Фракционный состав трех типов газоконденсата и нефти
Температурный интервал кипения фракций,°С
Содержание фракции, % Газоконденсат 1
Содержание фракции, % Газоконденсат 2
Содержание фракции, % Газоконденсат 3
Содержание фракции, % нефть
<36
1,8
1,9
1,7
36-69
2,1
3,6
4,5
12,6
70-98
4,1
10,9
9,9
7,7
99-125
17
17,1
14,6
9,9
125-151
17,0
21,9
18,6
10,7
152-174
22,4
14,1
14,8
9,4
175-196
9,3
3,5
8,7
5,5
197-216
6,8
3,6
5,8
6,0
217-235
3,7
5,3
4,6
5,9
236-254
4,3
2,4
4,0
4,7
255-271
2,3
1,6
3,5
3,5
272-287
1,8
3,2
1,9
4,2
288-303
1,8
2,5
1,5
3,0
304-317
1,1
1,7
1,4
2,0
319-330
0,9
1,4
1,0
1,0
331-343
0,7
2,1
0,6
2,1
>343
2,3
3,2
2,9
12,3
Из анализа данных в табл. 1, 2 видно, что указанные образцы содержат большое количество легкокипящих углеводов, обладающих значительным давлением насыщенного пара. Из этого следует, что при комнатной температуре легкокипящие компоненты указанных образцов обладают достаточным давлением насыщенного пара, чтобы можно было извлечь из жидкого сырья вакуумной перегонкой в соответствии данным способом.
Пример 1. В качестве исходного сырья взято сырье в виде газового конденсата типа 1 и 3. Указанные образцы жидкого углеводородного сырья с температурой 20°С независимо вводили в реактор лабораторной установки при атмосферном давлении. Для каждого из образцов сначала осуществляли сравнительно быстрое непродуктивное снижение давления в реакторе до 500-450 Торр, после чего каждый тип сырья подвергали вакуумной перегонке при указанной температуре. Вакуумную перегонку осуществляли путем регулируемого уменьшения давления в реакторе до 10-5 Торр с последующей конденсацией выделившихся легких фракций при температуре 10°С.
В результате был получен бесцветный дистиллят с распределением компонентов по классам углеводородов, приведенных в табл.3. Количественный состав неконденсируемых углеводородов при данных условиях не фиксировали. Регулируемое уменьшение давления в реакторе в данном случае осуществляли путем изменения скорости откачки мембранного вакуумного насоса, снабженного датчиком остаточного давления и многофункциональным контроллером.
Таблица 3
Состав по классам углеводородов дистиллятов из двухтипов газоконденсата.
Компоненты сырья
Содержание фракции, % Газоконденсат 1
Содержание фракции, % Газоконденсат 3
Алканы
12,3
12,3
Изоалканы
26,4
25,6
Нафтены
47,9
48,8
Ароматические соединения
12,5
12,5
Прочие соединения
0,9
0,8
Из анализа табл.3 следует, что произошло существенное обогащение дистиллята нафтеновыми и изоалкановыми углеводородами, обладающими наиболее низкими температурами кипения. Интегральные характеристики накопления фракций вакуумного дистиллята газового конденсата в зависимости от температуры кипения компонентов свидетельствуют также о том, что полученный дистиллят представляет собой, по сути, фракцию прямогонного бензина с концом кипения около 200°С. Данные технологического анализа полученного дистиллята характерны для довольно высококачественного прямогонного бензина. Из анализа примера 1 можно также заключить, что данным способом можно получить целый ряд ценных продуктов, начиная с прямогонного бензина и заканчивая набором легкокипящих нефрасов, таких как петролейный эфир, нефрас 80-120, нефрас 100-150, уайт-спирит и т.д., которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности.
Пример 2. В качестве жидкого углеводородного сырья была взята тяжелая нефть одного из месторождений Республики Коми. Указанный образец сырья с температурой 50°С вводили в реактор лабораторной установки также при атмосферном давлении. Затем осуществляли непродуктивное снижение давления в реакторе до 500-480 Торр, после чего сырье подвергали вакуумной перегонке при указанной температуре. Вакуумную перегонку осуществляли путем регулируемого уменьшения давления в реакторе до 8-5 Торр с последующей конденсацией выделившихся легких фракций при температуре 12°С.
В ходе указанной переработки было выделено около 20% вакуумного дистиллята, чей состав соответствует следующему распределению компонентов вакуумного дистиллята по классам углеводородов (мас.%): ароматические - 13,5; нафтены - 40,4; алканы - 14,3; изоалканы - 26,5, прочие - 5,3. Интегральная кривая накопления компонентов вакуумного дистиллята нефти соответствует предыдущему примеру. Как и в предыдущем примере, полученный продукт можно отнести к прямогонным бензинам, хотя при определенных условиях дистилляции данного вида сырья можно получать нефрасы различного состава.
Пример 3. В рассматриваемом жидком углеводородном сырье содержатся зачастую в значительном количестве растворенные газы, такие как метан, пропан и бутаны. По этой причине при низкотемпературной вакуумной переработке, например, газового конденсата возможны значительные потери, влияющие на экономику процесса. Низкотемпературной вакуумной переработки подвергались три типа газового конденсата из Ямальских месторождений.
Образцы сырья с температурой 15°С независимо вводили в реактор лабораторной установки при атмосферном давлении. Затем для каждого из них осуществляли снижение давления в реакторе до 500-490 Торр, после чего каждое сырье подвергали вакуумной перегонке при указанной температуре. Вакуумную перегонку осуществляли путем регулируемого уменьшения давления в реакторе до 6-5 Торр с последующей конденсацией выделившихся легких фракций при температуре 10°С.
В табл.4 приведен материальный баланс низкотемпературной вакуумной переработки указанных типов газового конденсата из Ямальских месторождений с учетом остатков и потерь с неконденсируемыми, при данных условиях, газами.
Таблица 4
Газоконденсат
Тип баланса
Фракция
Содержание, %
Газоконденсат 1
Масса
Вакуумный дистиллят
30,7
Остаток
62,6
Потери
6,7
Объем
Вакуумный дистиллят
32,8
Остаток
58,8
Потери
8,4
Газоконденсат 2
Масса
Вакуумный дистиллят
32,7
Остаток
64,3
Потери
3,0
Объем
Вакуумный дистиллят
35,6
Остаток
61,6
Потери
2,8
Газоконденсат 3
Масса
Вакуумный дистиллят
36,1
Остаток
59,0
Потери
4,9
Объем
Вакуумный дистиллят
38,0
Остаток
56,0
Потери
6,0
Из табл.4 видно, что, в зависимости от типа исходного газового конденсата, потери при низкотемпературной вакуумной перегонке могут варьироваться в довольно широких пределах. В тех случаях, когда потери за счет большого количества растворенных газов слишком велики, то есть велико количество этих растворенных газов, их можно не отбрасывать в процессе, а направлять на дальнейшую утилизацию.
Интегральные характеристики накопления фракций вакуумного дистиллята рассмотренных образцов углеводородного сырья, в зависимости от температуры кипения компонентов, показывают, что процент отогнанных фракций находится в диапазоне 10-100%. Как и предыдущих примерах, полученные в данном примере продукты можно отнести к прямогонным бензинам, хотя при определенных условиях дистилляции можно получать нефрасы и индивидуальные вещества различного состава.
Предложенный способ переработки жидкого углеводородного сырья, включающий выделение легких фракций вакуумной перегонкой при сравнительно низкой температуре сырья, решает указанную задачу создания сравнительно простого в реализации и эффективного процесса для получения легкокипящих фракций, в том числе прямогонного бензина из газового конденсата и сырой нефти в местах добычи, при их транспортировке, а также при переработке некоторых видов промышленных отходов.