СПОСОБ ГИДРОКРЕКИНГА ТЯЖЕЛОГО НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИХРЕВОГО РЕАКТОРА (ВР)
HYDROCRACKING METHOD OF HEAVY OIL RAW MATERIAL USING VORTEX REACTOR

Предлагаемое изобретение относится к области нефтепереработки, в частности к процессу гидрокрекинга тяжелого нефтяного сырья, и может быть использовано при направленной переработке тяжелых и битуминозных нефтей, а также нефтяных остатков, например остатков атмосферной и вакуумной перегонки нефтей, включая мазута, гудроны, а также отходов нефтепереработки - нефтешламов.
В связи с огромными запасами тяжелой и битуминозной нефти проблема их переработки с высокой глубиной в дистиллятные топлива становится все более актуальной. Существующие процессы в нефтепереработке характеризуются огромными капиталовложениями. Тяжелые и битуминозные нефти, а также нефтяные остатки (вакуумные газойли, мазуты, полугудроны и гудроны) в отличие от светлых нефтепродуктов (бензинов и дизельных топлив) характеризуются большей молекулярной массой, иным групповым, фракционным составом и пониженным содержанием водорода. В тяжелом нефтяном сырье сосредоточена большая часть гетероатомных компонентов, практически все смолы и асфальтены, поэтому его средняя молекулярная масса в 3-5 раз выше, чем у дистиллятных нефтепродуктов. Следует также учитывать, что дизельные фракции содержат минимальное количество водорода среди дистиллятов, что обуславливает максимально возможный выход дистиллятов из тяжелого нефтяного сырья при условии получения именно дизельных фракций.
Известен способ крекинга тяжелых нефтепродуктов, который заключается в приготовлении гомогенной смеси из тяжелых нефтяных остатков (ТНО) и специально высушенного и подвергнутого механохимической обработке в вибромельнице тонкоизмельченного сапропелита (размер частиц 20-30 мкм) с последующим термокрекингом полученной смеси при 390-420°C и 0,2-5 МПа и разделением продуктов крекинга, причем механохимическую обработку ведут в инертной среде под давлением 0,05 атм, вибромельница работает на линии с виброситом, а непрерывную подачу компонентов на смешение ведут шнековым питателем с регулируемой скоростью подачи. В качестве сапропелита используют горючий сланец, сапроксимит, богхед, кеннель. Установка термического крекинга тяжелых нефтяных остатков в присутствии органоминерального катализатора кроме смесителя сырья, печи нагрева сырьевой смеси с реакционной камерой включает дезинтеграторы, выносные реакторы, сепаратор, атмосферную колонну для разделения продуктов термокрекинга.
(См. Патенты РФ 2178446 и 2178447, БИ №2 (II), 2002 г.)
Однако указанный способ обладает рядом недостатков, таких как сложное аппаратурное оформление процесса, необходимость тщательной сушки и очень тонкого измельчения сапропелита, использование сапропелита одного генетического типа (карбонатного), нагрев сырья в трубчатой печи с неизбежным его коксованием, необходимость проводить процесс в инертной среде, включая виброизмельчение сапропелита, наличие выносных реакторов, работающих под повышенным давлением, необходимость использования водяного пара для выделения из продуктов реакции органоминерального отработанного катализатора.
Известен также способ крекинга тяжелых нефтяных остатков при температуре свыше 400°C, включающий предварительное нагревание исходного сырья до температуры крекинга, причем крекинг ведут в присутствии термически или каталитически активных донорно-водородных добавок, выбранных из группы: рядовые или обогащенные сланцы различных генетических типов (карбонатные, алюмосиликатные, алюмосиликатно-карбонатные, силикатные), минеральная часть сланцев, цеолитсодержащие катализаторы, смесь рядового сланца и цеолитсодержащих алюмосиликатных катализаторов, при атмосферном давлении в интервале температур 400-430°C, при содержании указанных добавок 8-12 мас.%, при продолжительности процесса, обеспечивающей полную отгонку светлых дистиллятных продуктов.
(Патент РФ 2288940 от 2005.07.20, MПK С10G 47/22.)
-1
Известен способ крекинга ТНО в смеси с каталитической добавкой путем смешения нефтяных остатков с природным цеолитом, содержащим 5-20% окиси алюминия, измельчением его до размера частиц не более 100 мкм, диспергированием с нефтяным остатком и термокрекингом смеси при температуре 390-450°C, давлении 0,2-5 МПа и объемной скорости 1-6 ч. Цеолит может содержать до 7% оксидов железа. Катализатор вводят в исходное сырье в количестве 1-10%.
(См. Патент РФ 2179570 от 2000.12.25, МПК C10G 1/05.)
Указанные процессы требуют подготовки сырья, использования расходного катализатора, контроля многих параметров, имеют невысокую воспроизводимость результатов.
-1
Известен способ переработки тяжелых нефтяных остатков путем их обработки озонсодержащим газом до поглощения озона в количестве желательно 0,05-0,5 мас.% с последующим термическим крекингом полученного продукта при температуре предпочтительно 400-430°C, давлении 0,5-3,0 МПа и объемной скорости сырья в термическом реакторе 1-2 ч. Выход светлых нефтепродуктов составляет около 70% при коксообразовании 0,2-0,25%.
(См. Патент РФ №2184761, кл. C10G 27/14, C10G 9/00 от 2001.07.18.)
Однако данный способ не позволяет регулировать получение газойлевых (дизельных) фракций, требует применения озона в достаточно больших количествах 0,05-0,5%, а то, что промышленные генераторы озона с такой производительностью не выпускаются, делает этот способ малоприменимым в промышленности.
Наиболее близким к предложенному является электрохимический способ крекинга нефтяного сырья путем воздействия на него электрического поля источником напряжения 10-100 кВ как переменного, так и постоянного тока, которым воздействуют на пары углеводородного сырья электрическим полем, пропуская пары через поле.
(См. Заявку РФ №94013148 от 1994.04.14, МПК C10G 15/12.)
Недостатком способа является относительно невысокий выход светлых дистиллятных фракций и наличие неиспользуемых отходов.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выхода светлых дистиллятных фракций и получения только товарных продуктов: дизельных фракций и гудрона - сырья для производства битума - при значительной простоте способа и высокой технологичности процесса.
Технический результат достигается тем, что гидрокрекинг тяжелого нефтяного сырья - тяжелой и битуминозной нефти, включая тяжелые нефтяные остатки, осуществляют в вихревом реакторе объемом 1-20 литров при избыточном давлении 0,01-0,5 МПа и температуре 380-450°С, через вихревой реактор пропускают перерабатываемое сырье совместно с водородом в количестве от 0,1 до 0,8 мас.% от исходного сырья. На фиг.1 изображена одна из возможных схем вихревого реактора, которая включает корпус 1, состоящий из двух конических полукорпусов 2 и 3, снабженных средствами (штуцерами) для подачи сырья 4 и отвода продуктов реакции 5. В корпусе 1 установлен ротор 6, представляющий собой вал с коническим оребрением, установленный с возможностью вращения внутри корпуса 1. Указанные элементы образуют в корпусе 1 вихревую камеру 7. Вид А-А позволяет представить себе расположение ребер вала, при вращении формирующих коническую поверхность.
Скорость вращения ротора находится в диапазоне от 2000 до 10000 оборотов в минуту, мощность привода ротора может варьироваться от 30 кВт до 5 МВт. Процесс начинается, и лавинно развивается в реакционной вихревой камере 7, в которой происходят импульсные воздействия на исходное сырье в вихревом поле. Вместе с исходным сырьем подается и водород в количестве от 0,1 до 0,8 мас.% от массы исходного сырья, в результате процессы крекинга дополняются процессами гидрирования. Специальной предварительной подготовки сырья не требуется.
Предлагаемое изобретение позволяет значительно упростить аппаратурное оформление процесса гидрокрекинга по сравнению с известными способами гидрокрекинга и увеличить глубину переработки тяжелых нефтяных остатков, до 90 мас.%, с получением только товарных продуктов: дизельной фракции и гудрона. По данной технологии возможно перерабатывать не только мазуты и гудроны, но нефтяные шламы с содержанием механической примеси до 5 мас.%, газы крекинга составляют менее 1 мас.%.
Предлагаемый безотходный способ гидрокрекинга позволяет в определенных пределах варьировать соотношение между получаемыми дизельными фракциями и получаемым гудроном.
Влияние основных технологических параметров на процесс гидрокрекинга
Технологическими параметрами, влияющими на процесс протекания реакций гидрокрекинга, являются величина давления, температура, скорость оборотов ротора, мощность привода и время пребывания в реакционной вихревой камере.
Увеличение температуры ведет к увеличению выхода дистиллятных (светлых) нефтепродуктов и до определенного предела снижению вязкости остатка гидрокрекинга, но одновременно с этим повышается плотность остатка.
То же самое относится и к увеличению времени пребывания в реакционной камере, что достигается путем снижения скорости подачи исходного нефтяного сырья или путем снижения отбора остатка гидрокрекинга - гудрона.
Изменение давления в реакционной вихревой камере, которое регулируется клапаном давления при выходе жидкой фазы из вихревого реактора, также отражается на объемной скорости и на процессе конверсии в целом.
Для организации оптимального хода протекания реакций гидрокрекинга нефтяного сырья в вихревой реакционной камере регулируется структура и скорость потока путем подачи сырья и отбора продуктов гидрокрекинга. Подачу сырья в вихревую реакционную камеру, как правило, производят после предварительного нагревания сырья до 360-380°C печи прямого нагрева либо в теплообменниках косвенного нагрева сырья теплоносителем.
В вихревой реакционной камере под воздействием вихревых импульсных воздействий в присутствии водорода происходят реакции гидрокрекинга, в результате которых исходное сырье обогащается дистиллятными фракциями, которые при выводе из вихревого реактора крекинга испаряются в эвапораторе.
В дальнейшем дизельные фракции либо отгружают в виде автомобильных или судовых топлив, либо подвергают дальнейшей переработке - ректификации, гидроочистке до более высоких требований на содержание серы в автомобильных топливах и т.д., а остаток в виде гудрона используется как сырье для производства дорожных или строительных битумов.
Пример 1.
Перерабатываемое сырье - мазут М 100, производитель ОАО «Салаватнефтеоргсинтез».
Характеристики исходного сырья мазута М100:
Удельная плотность при 20°C
0,985 г/см<sup>3</sup>
Фракционный состав мазута М 100:
- Начало кипения
365°C
- НК-160°C
0%
- 160-360°C
0%
- 360-500°C
55%
- 500° и выше
45%
Содержание серы
2,9%
Содержание механических примесей
0,5мас.%
Исходное сырье подогревают в паровом теплообменнике до температуры 90°C, сырьевым насосом подают в змеевик печи крекинга, проходя через который сырье нагревается от топочных газов до 380°C, и далее его подают совместно с водородом 0,2 мас.% от массы исходного сырья в вихревую реакционную камеру, где под воздействием импульсных вихревых воздействий происходят реакции крекинга и гидрирования исходного сырья, в результате которых из переработанного и выведенного в эвапоратор сырья выделяются в виде паров дизельные фракции и крекинг-остаток в виде гудрона, который выводят из низа эвапоратора отдельно. Давление в реакционной камере поддерживают 0,1 МПа клапаном давления, установленным на линии выхода обогащенного дистиллятом переработанного сырья, время нахождения сырья в реакционной камере составляет 5 секунд, скорость вращения ротора 3100 оборотов в минуту. Испаренную парожидкостную смесь охлаждают в теплообменнике. Полученный продукт конденсируют, проводят анализы полученного дистиллятного нефтепродукта - дизельной фракции 160-360°C и гудрона.
Материальный баланс переработки:
Поступило:
Мазут М 100
99,8%
Водород
0,2%
Получено:
- дизельная фракция 160-360°C
62%
- гудрон 500° и выше
37%
- газ + потери
1%
Итого:
100%
Характеристика полученной дизельной фракции:
Удельная плотность при 20°C
0,852 г/см<sup>3</sup>
Содержание серы
0,2%
Пример 2
Перерабатываемое сырье - мазут М 100, производитель ООО «Газпром Добыча Астрахань».
Условия проведения эксперимента: температура 390°C, давление в реакционной камере 0,3 МПа, скорость вращения ротора 3500 оборотов в минуту, подача водорода 0,5 мас.%, время нахождения сырья в реакторе 3 секунды.
Характеристики исходного сырья мазута М 100:
Удельная плотность при 20°C
0,933 г/см<sup>3</sup>
Фракционный состав мазута М 100:
- Начало кипения
350°C
- НК-160°C
0%
- 160-360°C
5%
- 360-500°C
95%
Содержание серы
3,2%
Содержание механических примесей
0,02 мас.%
Материальный баланс переработки:
Поступило:
Мазут М 100
99,5%
Водород
0,5%
Получено:
- дизельная фракция 160-360°C
85%
- гудрон 500° и выше
14%
- газ + потери
1%
Итого:
100%
Характеристика полученной дизельной фракции:
Удельная плотность при 20°C
0,832 г/см<sup>3</sup>
Содержание серы
0,15%
Пример 3
Перерабатываемое сырье - мазут М 40, производитель ОАО «Новошахтинский Завод Нефтепродуктов».
Условия проведения эксперимента: температура 410°С, давление в реакционной камере 0,5 МПа, скорость вращения ротора 3700 оборотов в минуту, подача водорода 0,8 мас.%, время нахождения сырья в реакторе 4 секунды.
Характеристики исходного сырья мазута М 40:
Удельная плотность при 20°C
0,934 г/см<sup>3</sup>
Фракционный состав мазута М 40:
- Начало кипения
360°C
- НК-160°C
0%
- 160-360°C
5%
- 360-500°C
65%
- 500°C и выше
30%
Содержание серы
2,0%
Содержание механических примесей
0,2 мас.%
Материальный баланс переработки:
Поступило:
Мазут М 40
99,2%
Водород
0,8%
Получено:
- дизельная фракция 160-360°C
80%
- гудрон 500° и выше
19%
- газ + потери
1%
Итого:
100%
Характеристика полученной дизельной фракции:
Удельная плотность при 20°C
0,835 г/см<sup>3</sup>
Содержание серы
0,12%
Пример 4
Перерабатываемое сырье - битуминозная нефть, месторождение «Русское».
Условия проведения эксперимента: температура: 420°C, давление в реакционной камере 0,5 МПа, скорость вращения ротора 3900 оборотов в минуту, подача водорода 0,1 мас.%, время нахождения сырья в реакторе 5 секунд.
Характеристики исходного сырья - битуминозной нефти месторождения «Русское»:
Удельная плотность при 20°C
0,940 г/см<sup>3</sup>
Фракционный состав битуминозной нефти:
- Начало кипения
260°C
- НК-160°C
0%
- 160-360°C
28%
- 360-500°C
40%
- 500°C и выше
32%
Содержание серы
0,4%
Содержание механических примесей
0,8 мас.%
Материальный баланс переработки:
Поступило:
Нефть
99,9%
Водород
0,1%
Получено:
- дизельная фракция 160-360°C
90%
- гудрон 500° и выше
9%
- газ + потери
1%
Итого:
100%
Характеристика полученной дизельной фракции:
Удельная плотность при 20°C
0,825 г/см<sup>3</sup>
Содержание серы
0,10%
Как следует из примеров, заявляемый способ представляет собой хорошее и надежное решение поставленной задачи с достижением технического результата.
Анализ известных решений не позволил выявить совокупность признаков, совпадающих с предлагаемыми, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию «Новизна».
Описанные примеры позволяют сделать вывод о соответствии критерию «Техническая применимость».
Анализ известных решений не позволил выявить совокупности отличительных признаков, обеспечивающих заявленный технический результат, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию «Изобретательский уровень».