Процесс переработки тяжелого нефтяного сырья HOUP

УДК 665.654

А.А. Габдуллин, Н. Л. Солодова, Е.А. Емельянычева

ПРОЦЕСС ПЕРЕРАБОТКИ ТЯЖЕЛОГО НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ HOUP

Ключевые слова: тяжелая нефть, облагораживание, термический крекинг, водяной пар.

В статье рассмотрен вопрос переработки и облагораживания тяжелых нефтей. Рассмотрен процесс переработки тяжелого нефтяного сырья HOUP компании Red Mountain Energy, который является передовой технологией, отвечающей мировым потребностям в простом, но эффективном способе облагораживания тяжелого нефтяного сырья с понижением плотности до значений, близких к обычной нефти. Также в статье приведено сравнение процесса замедленного коксования и процесса переработки тяжелой нефти от Red Mountain.

Keywords: heavy oil, refinement, thermal cracking, steam.

The article considers the question of heavy oil processing and refinement. The article reviews the process of heavy oil refinement named HOUP of Red Mountain Energy, which is an advanced technology that meets the world's needs in a simple and effective way of heavy oil feedstock refinement with a decrease in density to values close to those of conventional oil. Also the article compares the delayed coking process and the Red Mountain heavy oil refinement process.

В настоящее время общей тенденцией нефтяной отрасли является уменьшение разведанных запасов лёгкой нефти, практически весь прирост запасов происходит за счет тяжелой вязкой сернистой нефти. Запасы нефти, удобные для добычи и переработки, истощаются ускоренными темпами. В то же время, по данным экспертов, мировые запасы тяжелой нефти составляют более 810 миллиардов тонн. Геологические запасы высоковязкой и тяжелой нефти в России достигают 6-7 миллиардов тонн, однако их применение и извлечение требует использования специальных дорогостоящих технологий.

Таким образом, в недалекой перспективе придется перерабатывать исключительно тяжелую нефть. Но переработка тяжелой нефти весьма затруднительна, энергоёмка и, как следствие, низкорентабельна или убыточна. Для обеспечения приемлемой глубины переработки такой нефти с помощью известных технологий требуются большие капиталовложения, высокие процентные нормы эксплуатационных затрат и оборотных средств [1,2]. Кроме того, в последнее время усиливается тенденция переработки в бензин и дизельное топливо продуктов растительного происхождения. Это принципиально неверная позиция, которая может привести к серьезным социальным и экологическим последствиям в масштабах всей планеты. Гораздо перспективнее приложить усилия к увеличению (в перспективе практически до 100% без учета потерь и неорганических примесей) глубины переработки классического сырья для этих целей - нефти и нефтяных остатков [3].

Наиболее крупными запасами тяжёлой и битуминозной нефти располагает Канада и Венесуэла, а также Мексика, США, Кувейт, Китай. Россия также обладает значительными ресурсами трудноизвлекае-мых запасов (ТИЗ), и их объём составляет около 55 % от общих запасов российской нефти. Российские месторождения высоковязкой нефти (ВВН) расположены в Пермской области, Татарстане, Башкирии и Удмуртии. Наиболее крупные из них: Ван-Еганское, Се-веро-Комсомольское, Усинское, Русское, Гремихин-ское и другие, при этом более 2/3 всех запасов высоковязкой нефти находятся на глубинах до 2000 м. Добыча ТИЗ нефти, транспортировка её к пунктам сбора

и подготовки и, наконец, переработка с целью получения конечных продуктов - одна из актуальных задач нефтедобывающей промышленности [4].

Процесс переработки тяжелого нефтяного сырья HOUP (от английского Heavy Oil UPgrading) компании Red Mountain Energy является передовой технологией, отвечающей мировым потребностям в простом, но эффективном способе облагораживания тяжелого нефтяного сырья с понижением плотности до значений, близких к обычной нефти.

Применение этой технологии позволяет решить задачу транспортировки и последующей переработки тяжелой нефти путем преобразования ее в легко транспортируемую и пригодную для переработки на нефтеперерабатывающем заводе синтетическую нефть, обладающую более низкими значениями вязкости. Технология компании Red Mountain Energy, использующая только водяной пар и не требующая катализатора или водорода, особенно хорошо подходит производителям тяжелого нефтяного сырья как для решения задачи доставки продукции на рынок, так и обеспечения более быстрой окупаемости инвестиций.

Технология HOUP является гибкой и имеет множество областей применения. Она может быть использована для облагораживания тяжёлой нефти и природного битума в промысловых условиях на месторождениях, переработки тяжёлых нефтяных остатков с целью увеличения производительности существующих нефтеперерабатывающих заводов и повышения ценности различных побочных продуктов переработки нефти.

И хотя мировые резервы тяжелой нефти превышают резервы обычной, добыча тяжелой нефти составляет менее 12 % от общей добычи нефти. Причина - до сих пор не существовало эффективного процесса переработки тяжелой нефти. В этом отношении предлагаемые технологии Red Mountain весьма актуальны для рынка.

Тяжелая нефть - это разновидность сырой нефти битуминозного и вязкого типа, обладающей плотностью 0,917-1,022 г/см3 и характеризующейся наличием в ее составе очень крупных молекул, состоящих, содержащих серу и металлы. Тяжелую

нефть в ее природном состоянии невозможно выкачивать обычными методами. В большинстве случаев для того, чтобы обеспечить течение горючей жидкости подобного типа по трубопроводу или поступление ее в скважину, необходимо провести ее предварительное растворение или нагревание.

В 1987 году на XII Нефтяном мировом конгрессе в городе Хьюстоне рекомендована общая схема классификации нефтей и природных битумов:

- легкие нефти с плотностью менее 870,3 кг/м3;

- средние - 870,3 - 920,0 кг/м3;

- тяжелые - 920,0 - 1000 кг/м3;

- сверхтяжелые — более 1000 кг/м3 при вязкости менее 10000 мПа-с.

В мире существуют огромные запасы тяжелой нефти. Ежегодно разведывается больше месторождений тяжелой нефти, чем месторождений обычных нефтей. Общие мировые запасы нефти оцениваются в 12,8 триллионов баррелей. Приблизительно 3 триллиона баррелей из общих запасов приходится на сверхтяжелые нефти.

Для тяжелых нефтей характерно более низкое содержание средних дистиллятных фракций (бензиновая и дизельная фракции) по сравнению с обычной нефтью, что ведет к значительному снижению цены по сравнению с обычными нефтями. На рисунке 1 приведено сравнение выхода различных фракций из сверхтяжелой нефти и обычной нефти с плотностью 898 кг/м3. Очевидно, что выход наиболее ценных светлых фракций из нефти с плотностью 1004,1 кг/м3 значительно меньше.

Рис. 1 - Сравнение выхода различных фракций из сверхтяжелой нефти и обычной нефти

Природа тяжелой нефти такова, что она больше похожа на «тяжелый остаток перегонки», образующийся на нефтеперерабатывающих заводах из обычной нефти.

Процесс НОиР относится к области переработки тяжелого нефтяного сырья. Предлагается способ переработки тяжелого углеводородного сырья и реактор термического крекинга углеводородного сырья, содержащий две последовательно расположенные и сообщающиеся между собой реакционные камеры, при этом объем первой реакционной камеры меньше объема второй реакционной камеры минимум в пять раз (рисунок 2). Первая реакционная камера имеет средства подачи сырья и перегретого водяного пара, вторая реакционная камера имеет средство вы-

вода продуктов реакции, диаметр и объем второй реакционной камеры выполнены с возможностью обеспечения снижения давления и температуры реакционной смеси до температуры и давления, при которых протекание реакций термического крекинга является маловероятным, при этом используется комбинированный способ подвода энергии, необходимой для протекания реакций крекинга в первой реакционной камере с использованием перегретого водяного пара [5].

Способ переработки углеводородного сырья, заключается в том, что нагревают перерабатываемое сырье и параллельно готовят перегретый водяной пар. Сырая нефть впрыскивается в поток перегретого пара с помощью инжекторов запатентованной конструкции. Крекинг сырья происходит практически только в инжекторе. Температуру перерабатываемого сырья устанавливают меньше температуры в первой реакционной камере. Сырье нагревают до температуры в интервале от на 30°С меньше и до на 15°С больше температуры начала термического разложения углеводородного сырья. А температуру водяного пара устанавливают выше температуры в первой реакционной камере (от 500°С до 800°С), температура и давление перерабатываемого сырья, температура и давление перегретого водяного пара устанавливаются на значения достаточные для осуществления термического крекинга. Среднее время пребывания реакционной смеси в первой реакционной камере менее 0,1 секунды. Среднее время пребывания реакционной смеси во второй реакционной камере не менее 10 секунд. Кратность подачи водяного пара к сырью составляет от 0,6 до 1,5 кг водяного пара на 1 кг сырья. Перед нагревом сырья, в углеводородное сырье добавляют воду в количестве до 15% масс. Это снижает вероятность нежелательного на этапе нагрева термического крекинга углеводородного сырья и снижает образование коксовых отложений на поверхности теплообменных аппаратов [5].

Сочетанием тепла от пара и гидравлического усилия подводится как раз такое количество энергии, чтобы разрушить самые слабые связи огромной молекулы сырья, что ведет к ее разрыву приблизительно пополам.

В соответствии с данным способом достигается низкий уровень газообразования, так как во второй реакционной камере реакция термического крекинга практически прекращается и, соответственно, снижается вероятность образования корот-коцепочных углеводородов и твердых остатков, что означает низкое газообразование и низкое кок-сообразование при высокой степени конверсии сырья.

В качестве сырья используются тяжелые и сверхтяжелые нефти, сверхвязкие нефти, природные битумы, и нефтяные остатки, такие как остатки атмосферной перегонки и продукты на их основе или с их содержанием, остатки вакуумной перегонки и продукты на их основе или с их содержанием, остатки процесса висбрекинга.

Состан - сравнение тяжелой нефти с легкой

со

I

40

Нафта Кфосии дизель ЛВГ ТЕГ Остаток

Я9К кг/м Н  1 (1(17,1 кг/мЗ

Рис. 2 - Принципиальная схема реактора с двумя реакционными камерами

В результате этого процесса образуются два основных продукта: синтетическая нефть и тяжелый остаток, называемый пёком. Выход синтетической сырой нефти из тяжелых нефтей обычно находится в диапазоне 85-95 % об. Пёк представляет собой вязкий продукт, который может быть использован, как при производстве дорожного битума, так и различных видов печного топлива. Также пёк является отличным сырьем для газификации.

В то время как стандартные тепловые и гид-рогенизационные процессы (с катализатором и без него) разрывают молекулы нефтяного сырья с образованием большого количества газов разложения и кокса, при процессе переработки тяжелой нефти, применяемого в Red Mountain, образуется незначительное количество этих побочных продуктов.

Процесс переработки проводится при следующих параметрах: давление подачи сырья - 24 атм; температура нагрева сырья - 400-410 °С; температура начала разложения сырья - 391°С; давление подачи перегретого водяного пара - 30 атм; температура перегретого водяного пара - 620 °С; средняя температура в первой реакционной камере - 460°С; кратность водяной пар/сырье - 0,8.

Синтетическая нефть, получаемая в процессе переработки тяжёлого нефтяного сырья компании Red Mountain, имеет плотность ниже, то есть является более легкой, чем исходное сырье. Например, из тяжелой нефти плотностью 1,0042 кг/м3 вполне возможно получить синтетическую нефть с плотностью 0,9218

кг/м3.

Товарная синтетическая нефть, полученная по технологии HOUP легко транспортируется в отличие от тяжелой нефти, из которой она была произведена.

Исключительно важным показателем синтетической нефти, как для любого продукта, полученного деструктивным процессом, является стабильность. Образцы синтетической нефти были подвергнуты испытаниям, которые обычно используются для измерения стабильности. Они были проведены в первый день, а затем были повторены на 7, 15 и 30 день:

- вязкость;

- содержание нерастворимых в пентане компонентов;

- тест фильтрации в горячем состоянии по

Shell.

Со временем не было обнаружено практически никаких изменений, что демонстрирует стабильность товарной синтетической сырой нефти в течение длительного периода времени.

Испытания также показали, что синтетическая сырая нефть, полученная по технологии от Red Mountain, практически не содержит тяжелых металлов.

В настоящее время одним из наиболее распространенных методов переработки тяжелой нефти и нефтяных остатков является процесс коксования. Процесс замедленного коксования является процессом, обычно применяемым для переработки битума или остатков нефтеперегонки.

Независимой экспедиторской фирмой для компании Petrotrin в Тринидаде было проведено сравнение процесса замедленного коксования с производительностью 2700 т/день с процессом переработки тяжелой нефти от Red Mountain (табл. 1).

Таблица 1 - Сравнение процесса замедленного коксования и процесса переработки тяжелой нефти от Red Mountain

2 700 т/день вакуум Замедленное коксование Процесс переработки тяжелой нефти от Red Mountain

Бензин, т/день 470 200

Дизель, т/день 300 750

Газойль, т/день 1 110 1 260

Пёк, т/день 0 490

Кокс, т/день 820 0

Выход, % объемной жидкости, за исключением пёка 70,5 84,0

Технология переработки тяжелой нефти от Red Mountain обладает рядом преимуществ по сравнению с процессом замедленного коксования, а именно:

- для замедленного коксования требуется на 46 % больше капитальных вложений;

- доход почти в два раза выше для процесса переработки тяжелой нефти от Red Mountain;

- выход жидкого продукта выше на 14 % для процесса при переработке тяжелой нефти по технологиям Red Mountain;

- процесс от Red Mountain не требует операций с твердыми продуктами (выгрузка кокса);

- в процессе переработки тяжелой нефти от Red Mountain производятся жидкие продукты более высокого качества;

- процесс переработки тяжелой нефти от Red Mountain улучшает газовый баланс нефтеперерабатывающего завода.

В процессе облагораживания улучшаются характеристики сырья:

- значительно повышается содержание дис-тиллятных фракций за счёт конверсии преимущественно смол и асфальтенов;

- происходит снижение плотности (прибавка в 6-17 пунктов API);

- снижается содержание металлов.

Все эти улучшения способствуют повышению рыночной стоимости облагороженной синтетической нефти и облегчают её дальнейшую переработку.

Увеличение объёмов переработки тяжёлой  нефти на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) приводит к росту нагрузки на установки, направленные на увеличение глубины переработки, таких как каталитический  крекинг, гидрокрекинг, коксование. С утяжелением исходного сырья, поступающего на переработку, увеличивается выход тяжёлых нефтяных фракций и остатков.

Технология HOUP может быть использована для переработки части или всего объёма атмосферного остатка, вакуумного газойля или вакуумного остатка. Это особенно актуально для НПЗ, на которых отсутствуют или исчерпаны ресурсы по увеличению мощности перечисленных вторичных процессов.

Комбинированное использование процесса HOUP совместно с существующими процессами позволяет увеличить производительность НПЗ по тяжёлым фракциям. При этом отпадает необходимость в

затратной реконструкции или строительства новых установок глубокой переработки нефти.

Важной особенностью процесса HOUP является его дизельориентированность. В отличие от существующих процессов, крекинг высокомолекулярных соединений нефти происходит с преимущественным образованием среднедистиллят-ных фракций. Это позволяет увеличить выход дизельного топлива и улучшить соотношение дизельного топлива к бензину в продуктовой корзине НПЗ [6,7].

Литература

1. Ганиева Т.Ф., Фахрутдинов Р.З. Механо-акустическое воздействие на высоковязкую нефть. / Вестник КНИ-ТУ-Т.17 №24. - Казань: Изд-во КНИТУ, 2014 - с. 334336.

2. Башкирцева Н.Ю. Нефтяной комплекс мира. / Вестник КНИТУ-Т.17 №18. - Казань: Изд-во КНИТУ, 2014 - с. 201-204.

3. Золотухин В.А. Глубокая переработка тяжелой нефти и нефтяных остатков. Электронный научный журнал. Выпуск 2012. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ngfr.ru/article - свободный.

4. Этрекова М. Добыча тяжелой высоковязкой нефти. Электронный научный журнал. Выпуск 2010. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.to-inform.ru/index.php/arkhiv/item - свободный.

5. Патент № W02013009218 A2. Дата публикации: 17 январь 2013. Заявитель: Общество с ограниченной ответственностью "Premium Inginiring".

6. Официальный сайт Red Mountain Energy [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.redmn.com/ -свободный.

7. Официальный сайт Premium Engineering [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.premen.ru/ru/news/447/ - свободный.

© А. А. Габдуллин - магистр каф. «Химическая технология переработки нефти и газа» КНИТУ; Н. Л. Солодова - к.т.н., доц. той же кафедры; Е. А. Емельянычева - к.т.н., доц. той же кафедры, emelyanycheva@gmail.com.

© A. A. Gabdullin, master-student of "Chemical technology of petroleum and gas processing" department of KNRTU; N. L. Solodova, PhD, Associate Professor of "Chemical technology of petroleum and gas processing" department of KNRTU; E. A. Emelyanycheva, PhD, Associate Professor of "Chemical technology of petroleum and gas processing" department of KNRTU, emelyanycheva@gmail.com.