СХЕМА НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА С БЛОКОМ РАЗДЕЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к нефтеперерабатывающей промышленности, а конкретно к области подготовки и переработки нефти, в том числе тяжелой, остатков нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, нефтешламов, отработанных масел и других жидких органических сред для их дальнейшей углубленной переработки с получением гостированных товарных продуктов и может быть использовано в производстве углеводородного топлива.
3
Снижение запасов нефти традиционных месторождений повышает интерес к добыче и, соответственно, к переработке тяжелой нефти (Ратов А.Н., Немировская Г.Б. и др. Проблемы освоения нефтей Ульяновской области. "Химия и технология топлив и масел", №4, 1995 г.). Под тяжелой нефтью понимают нефть плотностью более 900 кг/м, как правило, с небольшим содержанием светлых фракций и высоким содержанием смолисто - асфальтеновых веществ и других вредных примесей. Эти особенности состава тяжелой нефти вызывают серьезные трудности как при добыче и транспортировке - высокие значения вязкости и температуры застывания, так и при ее переработке - значительное содержание различных примесей, смол, асфальтенов, парафинов и т.д., и низкое (в основном до 30% масс.) содержание топливных композиций - бензиновых, керосиновых и дизельных фракций. Транспортировка тяжелой нефти также существенно осложняется из-за повышенного содержания смолисто-асфальтеновых веществ и парафинов. Отложения на рабочих поверхностях оборудования является причиной выхода его из строя. А соединения серы и металлов, особенно ванадия, а также хлористых солей, содержащиеся обычно в такой нефти, оказывают повышенное коррозионное воздействие на оборудование нефтеперерабатывающего производства.
В настоящее время тяжелые нефти перерабатываются в смеси с обычной легкой нефтью. Тем не менее, даже в таком варианте в процессе переработки наносится большой ущерб оборудованию и окружающей среде. Можно ожидать, что со временем проблема переработки тяжелой нефти будет обостряться: с одной стороны возрастает потребность в переработке такой нефти, так как запасы легкой нефти истощаются, а запасы тяжелой нефти достаточно велики во всем мире, с другой стороны ужесточаются требования к составу продуктов переработки нефти по содержанию серы и металлов.
Таким образом, подготовка тяжелой нефти к переработке - процесс, определяющий рентабельность всего нефтеперерабатывающего
производства. Установки подготовки и первичной переработки нефти - головные на нефтеперерабатывающих предприятиях и эффективность их работы во многом определяет технико-экономические показатели завода в целом.
Известны и широко применяются в промышленности такие способы подготовки исходного сырья, как обезвоживание и обессоливание нефти, а также дегазации. После вышеуказанной подготовки нефти ее нагревают и подают в блок ректификации, атмосферной или вакуумной (в зависимости от поставленной цели) переработки. Далее легкие фракции направляют на блоки получения товарных продуктов: блок гидроочистки, бензиновую фракцию направляют на блок повышения октанового числа (риформинг, цеоформинг, компаундирование и т.д.). Тяжелые фракции (кубовые остатки после атмосферной трубчатки) можно использовать как котельное топливо, для выработки масляных продуктов после вакуумной колонны, для производства битума в битумном реакторе и для выработки других тяжелых товарных продуктов. Вышеописанные способы (дегазация, обезвоживание, обессоливание) подготовки нефти в схеме нефтеперерабатывающего производства решают определенную узкую задачу, но не позволяют в значительной степени очистить исходную нефть от других вредных соединений, таких, как сернистые соединения, хлорорганика, смолисто-асфальтеновые вещества, парафины, мешающих дальнейшей переработке нефти. Практически не используются в промышленности методы очистки исходной нефти (сырья), особенно тяжелой и высокосернистой, от сернистых соединений.
Технический результат, на решение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в осуществлении в значительной степени комплексной очистки исходного сырья сразу от многих примесей, что позволяет в дальнейшем осуществить самостоятельную (без разбавления легкой нефтью) углубленную и рентабельную переработку тяжелой высоковязкой нефти, кубовых остатков и других углеводородных сред с повышением производительности и срока службы стандартного оборудования нефтеперерабатывающего завода, а также с увеличением глубины переработки, т.е. увеличением выхода светлых продуктов (бензиновых, керосиновых и дизельных фракций).
Поставленная задача достигается тем, что в технологическую схему переработки жидкого углеводородного сырья, включающей блок обессоливания и обезвоживания, блоки фракционирования и получения товарных продуктов, перед блоком фракционирования (перед подачей на атмосферную AT или на атмосферно-вакуумную АВТ трубчатку), или после него, включают блок разделения, в котором исходное сырье разделяют на две части: тяжелую часть - высокомолекулярные высококипящие фракции преимущественно с температурой начала кипения 340-380°С и выше и содержащие основную часть сернистых соединений, смолисто - асфальтеновых веществ, металлов и других
вредных примесей и компонентов, так называемый остаток разделения (ОР), и легкую часть разделения сырья, которая содержит более низкокипящие фракции и представляет собой «улучшенную» нефть, содержащую значительно меньшее количество вредных примесей, так называемую широкую фракцию дистиллятов (ШФД), содержащую в основном (примерно 90%) бензиновые, керосиновые и дизельные фракции.
Если сырьем является тяжелая нефть, кубовые остатки нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, органическая часть нефтешламов, отработанные масла и другие остатки, то схема работы нефтеперерабатывающего производства с блоком разделения показана на фиг.1. На фиг.1 и 2 обозначено: 1 - блок разделения, 2 - блок фракционирования, атмосферная или атмосферно-вакуумная трубчатка (AT или АВТ), 3 - блок получения товарных продуктов (гидроочистка, РФ, риформинг, платформинг, цеоформинг или на первом этапе блок компаундирования и т.д., 4 - битумный блок для производства окисленного битума или битумный блок, совмещенный с вакуумным блоком для производства неокисленного битума, а также оборудование для производства битумных покрытий, эмульсий, котельного топлива и других товарных продуктов.
Обезвоженное и обессоленное (хотя бы частично) сырье подается на блок разделения (фиг.1, позиция 1), в котором сырье делится на две части: легкую часть - широкую фракцию дистиллятов (ШФД) и тяжелую часть - остаток разделения (ОР), при этом для увеличения глубины переработки и выхода целевых топливных фракций (бензиновых, керосиновых и дизельных) в блоке разделения производят крекинг сырья, например термомеханический, с использованием гидродинамических устройств звуковой, ультразвуковой и кавитационной обработки сырья. Широкую фракцию дистиллятов, как высокопотенциальную нефть, по составу близкую к газовому конденсату (содержание в ШФД бензиновых, керосиновых и дизельных фракций примерно 90%) после блока разделения (фиг.1, позиция 1) подают на блоки фракционирования AT или АВТ (фиг.1, позиция 2). Выделенные в блоке AT и АВТ бензиновые и дизельные фракции подают на блок производства товарных продуктов (фиг.1, позиция 3). Кубовый остаток (мазут) после AT или АВТ (фиг.1, позиция 2) возвращают на блок разделения (фиг.1, позиция 1) для повторной обработки и крекинга. Остаток разделения (ОР) после блока разделения (фиг.1, позиция 1) подают на блок получения товарного битума или других тяжелых товарных продуктов (фиг.1, позиция 4). Отгон после битумного блока возвращают на блок разделения (фиг.1, позиция 1) для повторной обработки и крекинга.
Если сырьем для переработки является средняя или легкая нефть, то оптимальным вариантом с точки зрения уменьшения энергозатрат, капитальных затрат на оборудование является вариант подачи сырья сначала на блок фракционирования AT или АВТ (фиг.2, позиция 2), чтобы
не подвергать крекингу в блоке разделения легкие фракции исходной нефти и уменьшить производительность блока разделения. После AT или АВТ (фиг.2, позиция 2), бензиновые и дизельные фракции подают на блок получения товарных продуктов (фиг.2, позиция 3), а кубовый остаток (мазут) подают на обработку в блок разделения (фиг.2, позиция 1). Из блока разделения (фиг.2, позиция 1) ШФД подается на вход блоков AT или АВТ (фиг.2, позиция 2) дополнительно к исходному сырью вместе с ним или раздельно, что приводит к увеличению глубины переработки, а ОР подают на блок производства битума (фиг.2, позиция 4). Отгон после битумного блока возвращают на блок разделения (фиг.2, позиция 1) для повторной обработки и крекинга.
Экономически выгодным и быстро окупаемым является вариант строительства отдельного блока по разделению тяжелой, сернистой, но дешевой нефти (или остатков нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств) с получением остатка разделения и обогащенной топливными фракциями и обедненной вредными примесями ШФД, т.е. легкой и значительно более дорогой нефти. Еще более выгодным является вариант переработки по предлагаемой технологии отработанных машинных масел, застарелых мазутов и нефтешламов. Выход топливных фракций примерно до 60-80% в зависимости от типа сырья. Остаток разделения (его будет примерно 20-40%) - это безотходное сырье для битумного производства. ШФД реализуется как высокопотенциальную (содержание топливных фракций примерно 90%) нефть с малым содержанием вредных примесей. В этом варианте процесс получения товарных продуктов (бензина, керосина, дизельного топлива, битума и др.) из полупродуктов (ШФД и ОР), получаемых после блока разделения, удален от предприятия и площадки, на которой расположен блок разделения, и может организационно принадлежать другим предприятиям, регионам, странам. Для этого одну или обе части разделения (ШФД, ОР) направляют на блоки охлаждения для получения полупродуктов с целью их транспортировки к месту дальнейшей переработки и получения товарных продуктов. Эффективно обе части разделения (ШФД и ОР) после блока разделения направить на смесительное устройство для получения синтетической нефти с повышенным потенциальным содержанием светлых топливных продуктов и значительно меньшей плотностью и вязкостью в сравнении с исходным сырьем.
ОР содержит основное количество вредных примесей, которые в дальнейшей переработке «улучшенной» нефти не участвуют. Например, для нефти, добываемой в Ульяновской области, массовая доля серы и сернистых соединений в «улучшенной» нефти после выделения ОР уменьшается с 4-5% масс. до 0,5-0,7% масс. Соответственно, массовая доля хлоридов - с 500-5000 мг/л до 20 мг/л. Кроме того, основное количество металлов, таких как ванадий, переходит также в ОР. На стадии выделения ОР, кроме того, одновременно может быть осуществлен
процесс крекинга, например, термического или термомеханического. Это увеличивает количество светлых фракций в сырье для дальнейшей переработки на стандартном оборудовании НПЗ. На стадию гидроочистки от серы бензиновые фракции после AT или АВТ поступают с содержанием 0,1-0,2%. Такое содержание серы и сернистых соединений соответствует их уровню в процессе переработки малосернистой нефти, например, западносибирской. Остаток разделения ОР в количестве, зависимом от состава нефти, направляют далее непосредственно для получения товарных продуктов: битума или других тяжелых продуктов (битумных эмульсий и покрытий, котельного топлива, пека, кокса и т.д.). Для Ульяновской нефти это количество составляет 25-30% от массы исходной нефти. Соединения серы не препятствуют получению качественного битума. Считают, что сернистые соединения перерабатываемого сырья не играют прямой роли в реакциях преобразования, но являются ускорителями окисления в процессе производства битума, а также пластификаторами. При этом сокращается время процесса окисления и продукты таких ускоренных методов обладают меньшим изменением консистенции при изменении температуры (Грузе В.А., Стивене Д.Р. Технология переработки нефти. Л., Химия, 1964, с.550, 551).
В результате применения блока разделения в схеме нефтеперерабатывающего производства, фракции с температурой начала кипения 340-380°С получают не в конце последовательности стадий AT или АВТ, а в начале процесса переработки. После выделения ОР, дальнейшая последовательность стадий переработки нефти не отличается от последовательности стадий переработки легкой нефти. Оборудование НПЗ работает в этом случае в щадящем режиме, так как на нем перерабатывается не тяжелая исходная высоковязкая нефть, содержащая нежелательные примеси с точки зрения сохранения ресурса оборудования и качества получаемых продуктов, а "улучшенная" нефть, обогащенная легкими, по отношению к исходной нефти, фракциями с температурой выкипания до 360°С, и обедненная вредными примесями. Ресурс оборудования при переработке тяжелой нефти в таком случае (при условии предварительного выделения ОР) не меньше ресурса соответствующего оборудования переработки легкой нефти. Выделение из сырья ее тяжелой части (ОР) в количестве примерно 20-40% (в зависимости от состава сырья) уменьшает последующий материальный поток сырья для переработки, но с увеличением светлых фракций за счет крекинга сырья в блоке разделения. Технологические аппараты могут быть меньшей пропускной способности, но при этом сохраняется или увеличивается количество получаемых светлых нефтепродуктов, или на том же оборудовании возможно увеличение производительности. Это связано с тем, что ОР не проходит всю технологическую цепочку аппаратов AT, АВТ и т.д., а выводится в начале технологического процесса и направляется далее как сырье для производства битума и других тяжелых продуктов.
Реализовать процесс разделения можно использовав испаритель, конструкция которого аналогична известному и широко используемому испарителю-теплообменнику с паровым (в парогазовом виде - ШФД) пространством (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., "Химия", 1988, с.23). В отличие от простых теплообменников в этом аппарате имеется достаточный объем для испарения нагреваемого продукта. Испаритель представляет собой цилиндрический емкостной аппарат. В нижней части его корпуса расположен встроенный трубчатый теплообменник. Внутрь трубок теплообменника подают теплоноситель для нагрева продукта (нефти). Обычно в качестве теплоносителя используют водяной пар. Легкая часть нефти (сырья) испаряется и отводится через верхний штуцер. Остаток нефти переливается через сливную пластину и выводится через соответствующий штуцер. Количество испарившейся части нефти зависит от температуры в аппарате, то есть от поверхности теплообменника и температуры теплоносителя. Водяной пар удовлетворяет также другим требованиям, предъявляемым к теплоносителям: доступность, пожаробезопасность и др. Основной недостаток водяного пара - значительное возрастание давления с повышением температуры, поэтому для получения температуры в аппарате в диапазоне 350-450°С лучше применять высокотемпературные теплоносители. В качестве высокотемпературных теплоносителей целесообразно использовать: высококипящие органические жидкости, расплавленные соли или жидкие металлы, высокотемпературные газообразные теплоносители (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., «Химия», 1971, с.334-338).
Предлагаемая схема реализована на пилотной установке по разделению нефти производительностью до 0,2 т/ч.
В качестве исходного сырья использовалась нефть месторождения Вишенское Ульяновской области. (Ратов А.Н., Немировская Г.Б. и др. Проблемы освоения нефтей Ульяновской области. "Химия и технология топлив и масел", №4, 1995 г.). Нефть содержит значительное количество смолистых соединений и примесей. Для изучения возможности применимости данной схемы переработки использовалась нефть и других месторождений, соответственно, с другим составом. На этой установке отработан технологический процесс разделения сырья. Сделаны полные анализы состава получаемых фракций: высококипящих фракций с температурой начала кипения 340-380°С (ОР) и "улучшенной" нефти (ШФД). Изучены их свойства с целью дальнейшей переработки по классической схеме. Проведена дальнейшая переработка "улучшенной" нефти, воспроизводящая большинство операций по классической схеме с целью получения компонентов топлив и изучения их свойств.
В таблице приведен типичный фракционный состав исходной нефти (месторождение Вишенское, Филипповская группа. Ульяновская область) и продуктов процесса разделения по предлагаемой схеме
переработки указанной нефти на легкую (ШФД) и тяжелую (ОР) части. При этом содержание смол селикагелевых в легкой части разделения уменьшилось по сравнению с исходной нефтью с 18,4 до 1,1% масс., асфальтенов с 3,0 до 0,06% масс., коксуемость уменьшилась с 8,6 до 0,2%, а зольность с 0,069 до 0,002%. Для сравнения в этой же таблице приведен фракционный состав легкой Западно-Сибирской нефти, Самотлорское месторождение. Как видно из представленных данных, при выделении из исходной нефти фракции ОР в количестве около 25-30% (масс.), значительно снижается вязкость ШФД и происходит обогащение ее за счет крекинга легкими углеводородами. При этом основная часть примесей уходит в ОР. Пересчет количества получаемых продуктов на исходную тяжелую нефть показывает, что выход светлых фракций с температурой выкипания до 350°С составляет 55-59%, т.е. в два раза больше, чем у исходной тяжелой нефти (месторождение Вишенское, Филипповская группа. Ульяновская область). Это количество сравнимо с потенциальным выходом аналогичных продуктов из легкой Самотлорской нефти.
Свойства нефти Ульяновской области, нефти Западно-Сибирской и нефтепродуктов, полученных на пилотной установке с блоком разделения.
Таблица
Продукт
Плотность,г/см<sup>3</sup>
Вязкость,сСт
Сера,%
Хлориды,мг/л
Выход фракций, %
до200°С
до 350°С
Нефть Вишенки
0,9482
72,9 (50°С)
3,91
500-5000
8,3
30,0
Нефть Самотлор
0,8426
6,1 (20°С)
0,96
500-1500
30,6
58,2
ШФД («улучшенная» нефть)
0,79-0,81
1,8 (20°С)
0,5-0,7
20-30
23-28*
55-59*
ОР
0,99-1,1
260 (50°С)
5,0-6,0
1000-3000
0
5-6*
* В пересчете на исходную нефть до разделения.
Таким образом, предлагаемая полезная модель - схема нефтеперерабатывающего производства с блоком разделения - позволяет провести комплексную подготовку и очистку исходного сырья сразу от многих примесей, что позволяет в дальнейшем осуществить самостоятельную (без разбавления легкой нефтью) углубленную и высокорентабельную переработку тяжелой высоковязкой нефти, остатков нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств с возможным повышением производительности и срока службы стандартного оборудования нефтеперерабатывающего завода. Поставленная цель достигается за счет введения в схему НПЗ блока разделения для выделения высококипящих фракций нефти (ОР) в начальной стадии переработки нефти, содержащих преимущественно продукты с температурой начала кипения 340-380°С и выше, в которых содержится основное количество вредных примесей исходной нефти, которые затем используют для приготовления тяжелых товарных продуктов типа битума, котельного топлива, пека, кокса и др., а вторую часть разделения - легкую часть нефти (ШФД), обогащенную целевыми фракциями и обедненную вредными примесями - направляют на последующую переработку для получения светлых нефтепродуктов (бензина, керосина, дизельного топлива) на стандартном оборудовании нефтеперерабатывающих заводов, причем для увеличения потенциального содержания светлых топливных композиций в легкой части разделения в аппарате разделения производят термический или термомеханический крекинг сырья за счет установки в аппарате разделения устройств кавитационного, звукового и ультразвукового воздействия на углеводородные жидкости.