ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Кафедра Химическая технология
Курсовой проект
по дисциплине:
“Химия и технология переработки композиционныхматериалов”
На тему: «Усовершенствование технологииустановки висбрекинга гудрона мощностью по сырью 800 тысяч т/год”.
Выполнил:
Проверил:
2008
Содержание
Введение
Основная часть
I. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
I.I. Информационный анализ
1.2.Характеристикаисходного сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции
1.3.Описаниетехнологического процесса
1.4.Основные параметрытехнологического процесса
1.5. Техническаяхарактеристика основного технологического оборудования
1.6.Технологическиерасчеты
1.6.1. Материальныерасчеты
1.6.2. Расчет основноготехнологического оборудования
1.6.3. Энергетические расчеты
2. РАЗДЕЛ «КИП и А»
3. РАЗДЕЛ «БЕЗОПАСНОСТЬ ИЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список используемой литературы
Введение
Нефть и газ– это основные источники энергии всовременном мире. На топливах, полученных из них, работают двигателисухопутного, воздушного и водного транспорта, тепловые электростанции. Внастоящее время насчитывается 100 различных процессов первичной и вторичнойпереработки нефти, реализованных в промышленности. Намечается внедрение новых,весьма перспективных разработок, направленных на улучшение продукции исовершенствование технологии.
Производство нефтепродуктов и химического сырья изнефти организовано на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). Переработка нефти наНПЗ осуществляется с помощью различных технологических процессов, которые могутбыть условно разделены на следующие группы:
1.первичная переработка ( обессоливание иобезвоживание, атмосферная и атмосферно – вакуумная перегонка нефти, вторичнаяперегонка бензинов, дизельных и масляных фракций);
2.термические процессы (термический крекинг,висбрекинг, коксование, гидролиз);
3.термокаталические процессы (каталическийкрекинг–реформинг, гидроочистка,
4.процессы переработки нефтяных газов(алкилирование, полимеризация, изомеризация);
5.процессы производства масел и парафинов (деасфальтизация, депарафинизация, селективная очистка, адсорбционная и гидрогенизационнаядоочистка);
6.производство битумов, пластичных смазок,присадок, нефтянных кислот, сырья для получения технического углерода;
7.процессы производства ароматическихуглеводородов ( экстрация, гидроалкилирование, деалформинг,диспропорционирование).
Нефти по своему составу и свойствам различаютсявесьма значительно. Физико – химические свойства нефтей и составляющих ихфракций оказывают влияние на выбор ассортимента и технологию получениянефтепродуктов. При определении направления переработки нефти стремятся по возможностимаксимально использовать индивидуальные природные особенности химическогосостава.
Переработкунефтей малосернистых высокопарафинистых и высокосернистых парафинистыхосуществляют с одновременным получением фракций бензина, керосина, дизельноготоплива, вакуумного газойля и гудрона.
Количество и ассортимент продукции,вырабатываемой нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностью,непрерывно увеличивается. Соответственно эти отрасли промышленности пополняютсяновой аппаратурой и осваивают новые технологические процессы переработкинефтяного сырья, направленные на улучшение качества, увеличения целевыхпродуктов и снижения себестоимости.
Наибольшуютрудность в нефтепереработке представляет квалифицированная переработкагудронов (особенно глубоковакуумной перегонки) с высоким содержанием асфальто –смолистых веществ, металлов и других гетеросоединений, требующая значительныхкапитальных и эксплуатационных затрат. В этой связи на ряде НПЗ нашей страны иза рубежом ограничиваются переработкой гудронов с получением таких не топливныхнефтепродуктов, как котельное топливо, битум, нефтяной пек, нефтяной кокс ит.д.
Гудроны,остатки после атмосферно – вакуумной отгонки фракций обессоленных нефтей,перегоняющихся до 480 – 500оС, содержатся в различных нефтях от 15до 40% .
Получающийсягудрон непосредственно не может быть использован как котельное топливо из-завысокой вязкости. Для получения товарного котельного топлива из таких гудронов безих переработки требуется большой расход дистиллятных разбавителей, что сводитпрактически на нет достигнутое вакуумной перегонкой углубление переработки нефти.Наиболее простой способ неглубокой переработки гудронов – это висбрекинг сцелью снижения вязкости, что уменьшает расход разбавителя на 20 – 25% масс, атакже соответственно увеличивает общее количество котельного топлива.
Висбрекинг(в переводе с английского “cнижениевязкости”) – процесс крекинга гудрона, проводимый при температурах 450 – 480оСс целевым назначением снижения вязкости котельного топлива.
Висбрекингпроводят при менее жестких условиях, чем термокрекинг, вследствие того, что во– первых, перерабатывают более тяжелое, следовательно, легче крекируемое сырье;во – вторых, допускаемая глубина крекинга ограничивается началомкоксообразования ( температура 440 – 500оС, давление 1,4 – 3,5 МПа).
Приотносительно невысоких температурах и протекании реакций в жидкой фазеобразующиеся крупные радикалы преимущественно стабилизируются и процесс
протекаетв направлении уменьшения среднего размера молекул:
/>
R1R2 R1* + R2*
/>R1*( R2*) + RH R1H + R2H + R*,
врезультате чего, после отделения газообразных продуктов и бензиновых фракций, остатокимеет меньшую вязкость, чем исходное сырье.
Исследованиямиустановлено, что по мере увеличения продолжительности (тоесть углубления)крекинга, вязкость крекинг-остатка в начале интенсивно снижается, достигаетминимума, а затем возрастает. Экстремальный характер изменения зависимостивязкости остатка от глубины крекинга можно объяснить следующим образом. Висходном сырье (гудроне) основным носителем вязкости являются нотивныеасфальтены “рыхлой” структуры. При малых глубинах превращения снижение вязкостиобуславливается образованием в результате термо – декструктивного распадабоковых алифатических структур молекул сырья на более компактных подвижныхвторичных асфальтенов меньшей молекулярной массы. Последующее возрастаниевязкости крекинг – остатка объясняется образованием продуктов уплотнения –карбенов и карбоидов, также являющихся носителями вязкости. Считается, чтоболее интенсивному снижению вязкости крекинг – остатка способствует повышениетемпературы при соответствующем сокращении продолжительности висбрекинга.
Кпреимуществам висбрекинга перед другими процессами относятся: гибкость процесса,что позволяет непосредственно перерабатывать тяжелые нефтяные остатки,относительная простота технологии, низкие капитальные и эксплуатационныезатраты. Висбрекинг характеризуется невысокой конверсией нефтяных остатков, нопозволяет в 10 и более раз снизить вязкость исходного сырья с целью получениястандартного котельного топлива, что дает возможность высвободить большую частьпрямогонного вакуумного газойля для продажи.
Процессвисбрекинга гудрона в технологической схеме НПЗ играет важную роль, посколькуоказывает очень сильное влияние на глубину переработки нефти и на общиеэкономические показатели производства нефтепродуктов. Позволяет корректироватьструктуру выхода продуктов, для более полного соответствия потребностям рынка,и достичь следующих целей:
- увеличить глубинупереработки нефти на 16 – 18% и достичь уровня 70 – 72%
- высвободитьдополнительный объем вакуумного газойля для продажи.
- увеличитьпроизводство более ценного топочного мазута.
- повыситьвыработку автомобильного бензина на 1,4-2% масс на нефть.
Внедрениепроцесса Висбрекинга гудрона позволяет значительно улучшить экономическиепоказатели предприятия.
Основная часть
1.Технологический раздел
1.1. Информационныйанализ
Висбрекинг– особая разновидность термического крекинга, термодеструктивный процесспревращения тяжелого нефтяного сырья в жидкие, газообразные и твердые продукты.Сырьем процесса являются, главным образом, гудроны, полугудроны и мазуты. Этинефтяные остатки характеризуются сложным химическим составом и агрегатнымсостоянием отдельных компонентов, строением, свойствами и размерами частицструктурных образований, уровнем молекулярного взаимодействия в системе.
Согласнопредставлениям (4) остаточный нефтепродукт может быть представлен какколлоидная система, в котором дисперсная фаза состоит из мицеллы, содержащейасфальтены, смолисто-асфальтеновые вещества и высокомолекулярные мальтены.
Мицелласостоит из ядра асфальтенов, на которых адсорбированы высокомолекулярныеароматические углеводороды из мальтеновой фракции. Эти высокомолекулярныеуглеводороды с повышенным (по сравнению с асфальтенами) содержанием водорода наядрах. В стабильном нефтепродукте система сорбируемых мальтенов такова, что всесорбционные силы оказываются нейтрализованными. Мицелла находится в физическомравновесии с окружающей вязкой фазой. Другими словами, асфальтены пептизированыи находятся в коллоидно-дисперсном состоянии.
Сорбционноеравновесие может быть нарушено несколькими способами, например, добавлениемуглеводородов с высоким содержанием водорода (алифатические углеводороды),повышением температуры или другими воздействиями. Часть сорбированныхкомпонентов растворяются в сплошной мальтеновой фазе, за счет преципитацииасфальтеновых цепей.(4)
Представленияо нефти и о нефтепродуктах как о нефтяных дисперсных системах, во многомпроясняют химизм и механизм реакций, протекающих в них и, таким образом,позволяют прогнозировать поведение системы и пути интенсификации процессов.
Впрактике нефтепереработки наиболее распространенными являются нефтяныедисперсные системы с дисперсионной фазой в твердом, жидком и газообразномсостоянии и жидкой дисперсной средой.
Термическоепревращение нефтяных фракций — сложный химический процесс. Сырье, поступающеена висбрекинг, состоит из трех основных классов углеводородов: парафиновых,нафтеновых и ароматических. Превращение углеводородов разных классов приумеренном термическом крекинге происходит с различной трудностью. Легче всегоподвергаются крекированию (расщеплению) парафиновые углеводороды, наиболееустойчивые к температурному воздействию ароматические, нафтеновые углеводородызанимают промежуточное положение.
Скоростьраспада углеводородов одного и того же класса возрастает с увеличениеммолекулярного веса. Поэтому на промышленных установках легкое сырье (лигрол,керосино-газойлевые фракции) крекируются при более жестком температурном режиме530-540 0С и 500-510 0С соответственно, а тяжелое сырье(гудрон) при более мягком температурном режиме 470-490 0С. Длякрекинга парафиновых углеводородов характерны реакции их распада на болеенизкомолекулярные компоненты с образованием алкена и алкана. Низкомолекулярныеуглеводороды — этан, пропан и бутаны могут также дегидрироваться:
/> CnH2 n+2 CnH2 n+H2
Сувеличением молекулярного веса алкана, вероятность дегидрирования уменьшается.Продукты первичного распада реагируют с другими углеводородами и между собой, атакже распадаются дальше.
Термическаяустойчивость простейших газообразных парафиновых углеводородов очень велика.Так, этан при температуре ниже 700-800 0С практически неразлагается. По мере увеличения молекулярного веса алкана термическаяустойчивость его падает и преобладающим становятся реакции расщепления посвязям С-С, менее прочной, чем связь С-Н.
Месторазрыва, а, следовательно, преимущественное образование тех или иных продуктовреакции зависит от температуры и давления. Чем выше температура и нижедавление, тем место разрыва углеродной цепи все больше смещается к ее концу изначительно возрастает выход газообразных продуктов.
Притемпературе 400-500 0С разрыв происходит по середине цепи.
Нафтеновыеуглеводороды термически стабильны. Однако, при крекинге нафтеновые углеводородыс длинными боковыми цепями ведут себя так же, как парафиновые: с увеличениемдлины боковой цепи их термическая устойчивость снижается.
Длянафтеновых углеводородов наиболее характерны следующие типы превращения привысоких температурах:
— деалкилирование или отщепление боковых алкановых цепей;
— дегидрирование кольца с образованием цикло-олефинов и ароматическихуглеводородов;
— частичная или полная дециклизация полициклических нафтенов последеалкилирования;
— распад моноциклических нафтенов на олефины или парафин-диолефины.
Ароматическиеуглеводороды наиболее термически устойчивы. Поэтому они накапливаются в жидкихпродуктах крекинга тем в больших количествах, чем выше температура процесса.
Голоядерные(лишенные боковых цепей) ароматические углеводороды, так же как иалкилированные углеводороды с короткими боковыми цепями, практически неподвергаются распаду. Единственным направлением их превращений являетсяконденсация с выделением водорода. В результате происходит накоплениеполициклических углеводородов.
Врезультате конденсации бензола, нафталина и других голоядерных углеводородовобразуются дифенил, динафтил и им подобные углеводороды:
/>2C6H6C6H5 – C6H5 + H2
/>2C10H8C10H7 – C10H7 + H2
Дляалкилароматических углеводородов характерна конденсация через метильные группы,а не путем соединения бензольного кольца.
/> 2CH3 – C6H4– CH3 CH3 – C6H4 – CH2 –CH2 – C6H4 – CH3 + H2
Ароматическиеуглеводороды с длинными боковыми цепями способны деалкилироваться.
Еслидлина цепи алкилированного ароматического углеводорода значительна, то потермической стабильности он приближается к парафиновому углеводороду.
Развитиереакций конденсации разнообразных циклических углеводородов приводит в конечномитоге к образованию карбоидов (кокса). Эта особенность ароматическихуглеводородов делает их нежелательными компонентами сырья крекинга.
/>В сырье для крекинга ненасыщенныеуглеводороды отсутствуют, но роль их в химии крекинга велика, т.к. они всегдаобразуются при распаде углеводородов других классов. Олефинами свойственнысамые разнообразные реакции. Умеренные температуры (до 500 0С) ивысокие давления способствуют протеканию реакций полимеризации олефинов,высокие температуры и низкие давления вызывают реакции распада.
Разложениеолефинов может протекать в различных направлениях:
/>CnH2n 2CmH2 (деполимеризация);
/>CnH2n CmH2m + CgH2g (распад);
/>CnH2n CmH2m + 2 + CgH2g + CpH2p – 2 (деструктуризация конденсата);
/>CnH2n CmH2m – 2 + H2 (деструктивнаяконденсация);
/>CnH2n CmH2m – 2 + CgH2g + 2 (распад).
Вобласти умеренных температур, где константы скорости термической полимеризацииолефинов уменьшаются с повышением молекулярного веса исходного углеводорода.
Вобласти высоких температур наблюдается обратное явление: подобное парафинам, сувеличением молекулярного веса олефинов термическая устойчивость их падает.
Нарядус полимеризацией и разложением идет циклизация и дегидроциклизация олефинов, атакже протекает реакция перераспределения водорода с образованием системыпарафин-диолефин.
Основнаямасса сернистых соединений нефти имеет большую молекулярную массу и высокуютемпературу кипения. Поэтому от 70 до 90 % всех сернистых соединенийконцентрируется в мазуте и гудроне.
Приразложении сернистых соединений выделяется сероводород, который уходит вместе сгазами крекинга, образуются жидкие сернистые компоненты (например, меркаптаны),переходящие в бензиновые фракции крекинга. Возможно, выделение свободной серы:
/>R – S – RI H2S + олефины;
/>R – S – RI R-S-H + олефины
Термическиустойчивые сернистые соединения (тиофены и им подобные) накапливаются ввысокомолекулярных продуктах.
Механизмкрекинга.
Сырьемдля промышленных установок термического крекинга является смесь многихуглеводородов сложного строения. Детально и точно объяснить механизм крекингане представляется возможным из-за одновременного протекания различных реакций.
Считается,что распад углеводородов имеет цепной характер и подчиняется теории свободныхрадикалов.
Наосновании, ряда работ Н.Н. Семенов показал, что реакции крекинга полностьюпротекают по радикально-цепному механизму.
Согласноэтой теории первичный распад алканов под воздействием повышенной температурыпроисходит по связям С-С с образованием двух радикалов различной молекулярноймассы.
/>/>CH3 (CH2) 5CH3 C4H9 + C3H7
Радикалывесьма реакционно способны и в зависимости от их размеров и применяемых условиймогут:
— взаимодействовать с другими углеводородами;
— разлагаться на олефин и меньший радикал;
— рекомбинировать с другими свободными радикалами;
— вступать в реакции с поверхностями металла.
Радикалы,содержащие более двух атомов углерода, диспропорционируют на меньший радикал иолефин:/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>C8H17 C4H8+ C4H9/> /> /> /> /> /> /> /> />
C3H6+ CH3
Распадрадикалов продолжается до образования метильных и этильных радикалов или жеолефинов и атомарного водорода.
Метильныйи этильный радикалы реагируют с молекулами исходного углерода, образуя при этомСН4, С2Н6 и новый радикал:/> /> /> /> /> /> /> /> />
/>С6Н5 + С6Н4С2Н6 + С6Н13
Цепнаяреакция свободных радикалов обрывается в результате рекомбинации двухрадикалов:
/>
/>С6Н13 + СН3С7Н16
илив результате взаимодействия радикала с поверхностью металла.
Механизмраспада алкенов так же как алканов, имеет цепной характер.
Теориясвободных радикалов позволяет объяснить протекание реакций разложения, онаобъясняет образование более тяжелых соединений, чем молекулы исходного сырья.Эти соединения, выводимые на промышленных установках в виде котельного топлива,образуются в результате полимеризации олефинов и реакций уплотненияароматических углеводородов с последующей конденсацией в полициклическиеасфальтеновые компоненты.
Термодинамикакрекинга.
Реакции,происходящие при термическом крекинге, представляют собой совокупность реакцийразложения и конденсации. Поскольку преобладают реакции разложения,сопровождающиеся поглощением тепла, то они перекрывают экзотермический эффектреакций конденсации.
Суммарныйтепловой эффект термического крекинга отрицателен, и поэтому необходимоподводить тепло со стороны.
Значениевеличин теплоты реакции необходимо при проектировании реакционных аппаратов. Теплотареакции может быть определена по уравнению:
Н= 50000 (Мс – Мп) / МсМп, где
Н– теплота крекинг-процесса в ккал/кг при 25 0С и I ат;
Мс– молекулярный вес сырья;
Мп– молекулярный вес продуктов реакции.
Чащетеплоту реакции крекинга определяют при помощи закона Гесса:
Qреак.= Qг + QБ + Q п.ф.+ Qо – Qс, где
Qреак.– теплота реакции;
Qг, QБ, Qп.ф.,Qо, Qс – теплота сгорания газа, бензина, промежуточной фракции,остатка и сырья полученные экспериментально.
Теплотареакции термического крекинга выражается в расчете на 1 кг. Крекируемого илипревращенного сырья. Так, тепловой эффект висбрекинга тяжелого нефтяного сырьясоставляет 28-56 ккал на 1 кг. сырья.
Приглубине разложения 25-30 % тепловой эффект реакции находится на уровне 28-30ккал/кг сырья.
Глубинапревращения сырья
Прикрекинге не очень тяжелого по фракционному составу сырья глубину егопревращения характеризуют выходом бензина.
Длятяжелого остаточного сырья выход бензина менее характерен, т.к. первичнымипродуктами разложения являются более тяжелые фракции и цель процесса –получение крекинг-остатка пониженной вязкости или газойлевых фракций.
Привисбрекинге целевым продуктом является крекинг-остаток. Потенциальный выходпоследнего определяется его качеством. Основным требованием, предъявленным ккачеству остатка, является его вязкость.
Принеглубоком крекинге остаточного сырья остаток по плотности и вязкости можетотличаться от сырья совсем незначительно. С углублением процесса остатокразбавляется, с одной стороны, образующимися при крекинге газойлевымифракциями, с другой маловязкими полимерами. При этом, чем меньше плотность ивязкость получаемого остатка висбрекинга, тем ниже будет выход бензина.
Выходбензина при висбрекинге составляет — 2÷5 % масс. на сырье.
Технологическоеоформление процесса.
Принятаяпроектом технология процесса висбрекинга гудрона предусматривает термическоеего разложение при высокой температуре (до 500 0С) и давлением до 37кгс/см2 в трубчатой печи, сочетающей нагревательный и реакционныйзмеевик, с последующим охлаждением реакционной массы на выходе из печициркулирующим потоком остатка висбрекинга (квенчинг) до 420 0С.разделение продуктов крекинга осуществляется в колонне при давлении4,5÷4,8 кгс/см2, при малом (до одной минуты) временипребывания жидкой фазы в ректификационной колонне первичного испарения.
Выделеннаядизельная фракция в концентрационной части ректификационной колонны первичногоиспарения после охлаждения вовлекается совместно с рабочей жидкостью свакуумного блока установки ЭЛОУ-АВТ-6 в количестве обеспечивающей получениемазута топочного вторичного.
Предусмотренымероприятия, замедляющие коксообразование:
— использование в качестве турбулизатора подачи в реакционный змеевик печи П-104водяного конденсата.
Факторы,влияющие на процесс.
Важнейшимифакторами, определяющими процесс легкого термического крекинга, являютсядавление, температура и продолжительность крекинга, подача турбулизаторов ирециркуляция продуктов крекинга и другие.
Давление.
Давлениесущественного влияния на процесс висбрекинга не оказывает, если крекинг тяжелыхнефтепродуктов протекает в жидкой фазе при температуре 420÷480 0С.
Влияниедавления повышается, как только образующиеся продукты распада или исходноесырье переходят в паровую фазу (480÷500 0С).
Обычнопри крекинге остаточного сырья применяют невысокое давление в пределах 25кгс/см2.
Этопозволяет:
— вести процесс в жидкой фазе;
— быстро выводить из реакционного змеевика первичные продукты распада –газойлевые фракции, не давая им разлагаться на газ и бензин.
Повышениедавления увеличивает количество продуктов уплотнения.
Температура.
Температураи продолжительность крекинга являются факторами при определенных температурахвзаимозаменяемыми. Увеличивая температуру крекинга и уменьшая продолжительностьвремени пребывания в зоне высоких температур, можно получить ту же глубинуразложения сырья, что и при более мягкой температуре, но с большей длительностикрекинга.
Процессвисбрекинга представляет собой совокупность реакций разложения и уплотнениямолекул. При уменьшенных температурах 420-450 0С преобладают реакцииполимеризации и уплотнения, а при более высоких 450-500 0С реакциирасщепления. С повышением температуры скорость реакции обоего типа возрастает.Однако, скорость реакций разложения увеличивается значительно быстрее, чемреакций уплотнения и эта разница будет тем больше, чем выше температура.
Действиетемпературы наблюдается в широком диапазоне глубины превращения гудрона иобъясняется разным значением энергии активации реакций распада и уплотнения.
Притермическом крекинге гудрона средняя энергия активации распада составляет 55000калл/моль, а уплотнения 30000 калл/моль, при этом температурные градиентыскорости реакций собственно равны 15 и 28 0С, т.е. реакцииуплотнения значительно менее чувствительны к температуре, чем реакции распада.Таким образом, процесс термокрекинга остаточных фракций целесообразно вести приповышенных температурах.
Вязкостьполучаемого остатка висбрекинга во многом зависит от температуры.
Сповышением температуры крекинга выход продуктов уплотнения уменьшается, апродуктов распада (особенно газа и бензина) возрастает.
Оттемпературы крекинга зависит вязкость получаемого остатка висбрекинга.Температурный предел 500-510 0С считается оптимальным для снижениявязкости остатка висбрекинга при глубине крекинга 20 % и более.
Дляполучения товарного мазута вторичного топочного глубина разложения сырья должнабыть на уровне 25-30 %. Такая глубина превращения обеспечивает получениесредних фракций в количестве, необходимом для разбавления остатка висбрекинга,позволяющем снизить его вязкость и температуру застывания до нужной величины.
Оптимальнаяглубина разложения, обеспечивающая получение товарного мазута вторичноготопочного, достигается при проведении процесса висбрекинга при температуре480-500 0С и малом времени пребывания сырья.
Подачатурбулизаторов и рециркуляция продуктов крекинга.
Снижениевязкости при висбрекинге происходит за счет разложения крупных молекул на болеемелкие с образованием газа, низкооктанового бензина с высоким содержаниемнепредельных углеводородов и средних дистиллятных фракций.
Нарядус дистиллятными фракциями, образуется значительное количество газа и продуктовуплотнения, которые, оседая на стенках аппаратуры и трубопроводов, приводят кбыстрому ее закоксованию.
Дляувеличения выхода средних фракций и уменьшения коксоотложений весьма эффективнымероприятия, замедляющие реакции уплотнения, но не влияющие на скорость реакцийразложения. К таким мероприятиям, относят:
— исключение рециркуляции средних дистиллятных фракций;
— подачи турбулизаторов для предотвращения коксоотложений в трубопроводах иаппаратуре;
— подаче водяного конденсата в среднюю часть реакционного змеевика печи;
— подачи атикоксообразовательных реагентов.
Использованиеводяного конденсата в качестве турбулизаторов препятствует коагуляции иуплотнению основных коксообразующих компонентов – асфальтенов, тем самым,снижая коксообразование и турбулизируя поток, препятствуют отложению продуктовуплотнения на стенках трубопроводов и аппаратуре.
Основныерегулируемые параметры висбрекинга – температура, давление, время пребываниясырья в зоне реакции. Увеличение любого из них приводит к ужесточению режима.Для достижения определенной жесткости режима данные параметры можно изменять вопределенных диапазонах. При заданной жесткости, т.е. степени конверсии, илиглубины превращения сырья, распределение выходов получаемых продуктовпрактически постоянны.
Увеличениевыходов углеводородных газов и дистиллятов может быть достигнуто ужесточениемрежима висбрекинга, например, путем повышения температуры на выходе из печи.Ужесточение режима приведет также к сокращению расхода дистиллятов, добавляемыхв котельное топливо для достижения его соответствия требованиям спецификации наготовый продукт.
Однакобольшая жесткость режима приводит и к крекированию тяжелых дистиллятов в болеелегкие компоненты, что нежелательно, так как эти дистилляты выполняют функциюрастворителей асфальтовых составляющих. В случае крекирования дистиллятысепарируются, образуя коксовые отложения в трубах печи. Осуществлениевисбрекинга в таком режиме может привести к необходимости преждевременногоремонта установки; кроме того, существует вероятность получения нестабильногокотельного топлива.(1,3)
Качественныепоказатели остатка висбрекинга различных фракций западносибирской нефти(фракции выкипающей выше 2000С) представлены в таблице 1..(14)
Здесьже даны величины коэффициента снижения вязкости R, который равен отношению вязкости исходного продукта притемпературе 800С к вязкости остатка висбрекинга, определенной приэтой температуре.
Температура кипения исходного сырья, 0С
Содержание асфальтенов,
% мас.
Вязкость сырья, ВУ80 Температура опыта и вязкость остатка висбрекинга
4500С
4700С
4900С
5100С
ВУ80 R
ВУ80 R
ВУ80 R
ВУ80 R
400-490
490-540
>400
>540
Отс.
Сл.
3,2
7,6
2,6
46,2
18,6
783
2,1
5,0
7,7
107
1,2
9,2
2,4
7,3
-
5,3
-
95,9
-
8,7
-
8,2
2,0
4,3
6,4
-
1,5
10
2,4
-
2,2
-
6,6
71,7
1,2
-
2,8
10
Таблица1
Наибольшееснижение вязкости наблюдается при висбрекинге фракций, имеющих высокую исходнуювязкость (фракции, выкипающие в пределах температур выше 4900С),для которых коэффициент снижения вязкости 7-10. Как видно, повышениетемпературы более 450-4700С не приводит к существенному снижениювязкости, но, как правило, вызывает ускорение закоксовывания технологическогооборудования.
Стабильностьостатка висбрекинга как товарного продукта является основным критериемжесткости режима процесса. Неверно выбранная жёсткость, или степень конверсии,может привести к фазовому расслоению котельного топлива даже после егокомпаундирования. Стабильность начинает уменьшаться, как только уровеньжёсткости режима и, следовательно, конверсия переходят при увеличении определеннуюточку зависящую от характеристик сырья
Важнымпараметром процесса висбрекинга является давление. Давление, в особенности длясырья с пониженными температурами начала кипения, определяет как фазовоесостояние реакционной системы, так и направление, и скорость реакций. Давлениедолжно обеспечивать жидкое агрегатное состояние крекируемого сырья, так каккрекинг в жидкой фазе обеспечивает наиболее высокие коэффициенты теплопередачиотсутствие механических перегревов, минимальное коксообразование, возможностьпровести процесс в малогабаритных аппаратах, минимальный расход топлива и вконечном счёте эффективность процесса. Кроме того, повышение давление позволяетнесколько увеличить производительность установки.(12)
Сповышением давления уменьшается выход газообразных продуктов распада исокращается объём газовой фазы, причём плотность её растёт примернопропорционально давлению. Влияние высокого давления проявляется в реакциях гидрирования: по мере увеличения давления от 0,2 до 5 МПа, доля непредельных в лёгкихпродуктах крекинга снижается в полтора – два раза, при этом увеличивается доляпродуктов уплотнения.(22)
Типичнымсырьем висбрекинга являются мазуты и гудроны. Степень конверсии этих остатковобычно составляет 10-15% в зависимости от их физико-химических характеристик ирежима. Она служит критерием жесткости процесса и определяется как количествофракции >343оС мазута или фракции >482оС гудрона,превращаемой в более легкие компоненты.
Степеньконверсии ограничивается рядом характеристик сырья: содержанием асфальтенов инатрия, коксуемостью по Конрадсону. Сырье с высоким содержанием асфальтеновхарактеризуется меньшей степенью конверсии, чем сырье с содержаниемасфальтенов, не превышающим нормы, при одинаковом объеме производствастабильного котельного топлива. В присутствии натрия, а также при высокой коксуемостипо Конрадсону коксообразование в трубах печи усиливается.
Изменениякачества сырья влияют на степень его конверсии при заданной жесткости режима.Анализ данных, полученных при висбрекинге на пилотной установке различногосырья, показал, что для каждого конкретного сырья с увеличением жесткостирежима вязкость фракции >204оСсначала уменьшается, а затем при достаточно жестком режиме резко увеличивается,что свидетельствует об образовании промежуточных коксообразующих соединений.Точка, в которой направление изменения вязкости меняется на обратное, длякаждого сырья различна, но обычно совпадает с точкой выхода 20,2 — 23,6 м 3/м 3 газа С1 – С6 в нормальных условиях. Считают,что после достижения этой точки котельное топливо становится нестабильным.
Междуотдельными результатами пилотных испытаний установлена взаимосвязь. Точка, вкоторой меняется направление изменения вязкости, может быть предсказана ииспользована для определения расчетных параметров конкретного сырья припроектировании, чтобы избежать образования нестабильного котельного топлива идобиться максимальной конверсии сырья.
Впромышленности используют две технологии висбрекинга:
— проведение реакции в печном змеевике;
— проведение реакции в реакционной камере.
Нефтяныеостатки после нагрева в печи до высокой температуры поступают при заданномдавлении в сокинговую (реакционную) зону, находящуюся либо в печи, либо вовнешнем аппарате. Выходящий из этой зоны поток быстро охлаждается дляпрекращения реакции с помощью особого технологического приема – квенчинга.
Припечном варианте висбрекинга конструкция печи должна обеспечивать оптимальноевремя пребывания сырья в реакционной зоне для достижения нужного образованияпродуктов реакции и минимизацию коксовых отложений.
Процессв реакционной камере происходит при более низкой температуре с более длительнымвременем нахождения, чем в реакционном змеевике. Схема с камерой позволяетпонизить температуру после печи, уменьшить ее тепловую нагрузку, однакоприводит к установке сложного аппарата значительного объема, к периодическойвыгрузке из него кокса, что может повлиять на длительность пробега установки.При этом следует иметь ввиду, что существенного отличия в выходах фракций неожидается.
Змеевиковый(печной) висбрекинг
предлагаютфирмы «Foster Wheeler Co.» и «UOP».В этом случае высокотемпературный крекинг осуществляется в специальномреакционном змеевике печи. Поскольку степень конверсии сырья в первую очередьзависит от его температуры и времени пребывания в зоне реакции, змеевиковыйвисбрекинг можно определить как высокотемпературный кратковременный процесс.Фирма «Foster Wheeler» успешно спроектировала большое число печей данноготипа для НПЗ в разных странах мира.(9)
Основноепреимущество змеевиковой печи — наличие двух зон нагрева. Такая конструкцияобеспечивает: большую гибкость подвода тепла, что позволяет лучше регулироватьтемпературу нагрева сырья: легкость удаления кокса из труб печи паровоздушнымспособом; получение стабильного котельного топлива, что особенно важно длянефтеперерабатывающих заводов с ограниченными возможностями смешивания топлив.
Схемабазовой установки висбрекинга гудрона показана на рис.1.4.1.
/>
Рис.1.4.1Схема базовой установки висбрекинга: 1-печь; 2-фракционнирующая колонна;3-воздушный холодильник-конденсатор; 4-колонна отпарки газойля;
5-сепаратор;6-воздушный холодильник; 7-узел нагрева и выработки пара.
1-сырьё;2-водяной пар; 3-углеводородный газ; 4-кислая вода; 5-нестабильная бензиноваяфракция; 6-газойлевая фракция; 7-котельное топливо.
Висбрекингс сокинг-камерой.
Вальтернативном процессе конверсия частично происходит в печи. Однако, основнаяее доля приходится на сокинг-камеру, где двухфазный поток из печи выдерживаетсяпри повышенной температуре в течение заданного времени. Сокерный висбрекингопределяется как низкотемпературный процесс с длительным пребыванием сырья взоне реакции. Лицензиаром этого процесса является фирма «Shell». Ряд проектов установок висбрекингасокерного типа выполнила и фирма «Foster Wheeler».
Реакционнаякамера, обеспечивая необходимое время пребывания сырья, позволяет работать спотоком более низкой температуры на выходе из печи и тем самым экономить печноетопливо. Несмотря на очевидные экономические преимущества, этот процесс имеетряд недостатков, основной из которых — сложность очистки печи и сокерной камерыот кокса. Эта очистка проводится реже, чем на установке со змеевиковой печью,однако для нее требуется более сложное оборудование.
Схемаустановки висбрекинга гудрона с выносной реакционной камерой показана нарис.1.4.2.
/>
Рис.1.4.2.Схема базовой установки висбрекинга с сокинг — камерой: 1-печь;2-фракционнирующая колонна; 3-воздушный холодильник-конденсатор; 4-колоннаотпарки газойля;5-сепаратор; 6-воздушный холодильник; 7-узел нагрева ивыработки пара; 8-сокинг-камера.
1-сырьё;2-водяной пар; 3-углеводородный газ; 4-кислая вода; 5-нестабильная бензиноваяфракция; 6-газойлевая фракция; 7-котельное топливо.
Обычнококс из сокера удаляют путем резки водой под высоким давлением. В результатеобразуется значительное количество воды, загрязненной частицами кокса, которуюнеобходимо удалять, фильтровать и возвращать для повторного использования. Вотличие от установок замедленного коксования (УЗК.) установки висбрекингаобычно не оснащены оборудованием для резки кокса и очистки загрязненной воды.Затраты на это оборудование на установке висбрекинга экономически не оправданы,
Качествои выходы продуктов на установках обоих типов при одинаковой жесткости режима вцелом одинаковы и не зависят от конфигурации установки.(9)
Россия,на пороге XXI века, несмотря на спад производства,остается достаточно крупным мировым экспортером добываемых нефтей ипотенциально мощным производителем нефтепродуктов на базе их переработки. Впроизводственном потенциале мировой нефтепереработке Россия продолжает заниматьдостойное второе место в мире после США. Однако, по объему реальной переработкинефти российская нефтеперерабатывающая промышленность переместилась запоследние годы на четвертое место, уступив второе место — Японии и третье –Китаю.
Переработканефтяного сырья на российских НПЗ осуществляется с недостаточной загрузкоймощностей производственного потенциала и с низкой (относительно мировой)степенью конверсии мазута. Целевые нефтепродукты – автобензины, дизельныетоплива, топочные мазуты, смазочные масла – по эксплуатационным и экологическимсвойствам уступают в серийном производстве мировому уровню.
Решениемвыше изложенной проблемы, суперприоритетным направлением, является развитиероссийской нефтеперерабатывающей промышленности по углублению переработкинефтяного сырья. Основными базовыми процессами деструктивной переработки мазутавыступают процессы каталитического крекинга и гидрокрекинга, которые требуютоснащения оборудованием целых комплексов, дополнительных процессов и установок.ОАО “Саратовский НПЗ ” не в состоянии инвестировать такие дорогостоящиекомплексы со сроками окупаемости до двух-трех лет.
Всвязи с этим наиболее приоритетным направлением является создание современнойтехнологической схемы производства с небольшими материальными и энергетическимизатратами и коротким сроком окупаемости.
Однимиз эффективных и гибких вторичных процессов переработки мазутов и гудроновявляется висбрекинг, отличительной особенностью которого, по сравнению сдругими процессами переработки нефти и нефтепродуктов, являются низкиекапитальные и энергетические затраты. Висбрекинг, при относительной простотетехнологического и аппаратурного оформления, позволяет вырабатывать из нефтяныхостатков котельные топлива требуемого качества без разбавления легкими топливнымифракциями, перерабатывать остаточные фракции в дистиллятные, получатьдополнительно некоторое количество средних и легких фракций.
Процессвисбрекинга – это разложение тяжелых остатков нефтепереработки при умеренной(470-490оС) температуре и давлении(5-20 кгс/см2).
Решениео включении висбрекинга в схему НПЗ принимается обычно исходя из следующихзадач:
— уменьшения вязкости остаточных потоков с целью сокращения расхода высококачественныхдистиллятов, добавляемых в котельное топливо для доведения его вязкости дотребования спецификаций на готовый продукт;
— необходимости переработки части остатков в дистилляты, в частности в вакуумныйгазойль — сырье крекинга;
— углубление переработки нефти.
Основнаяцель строительства секции висбрекинга гудрона на ОАО «Саратовский НПЗ» — углубление переработки нефти на заводе. Ввод в эксплуатацию установкивисбрекинга гудрона увеличит глубину переработки нефти с 51,4% до 73,7%.
Существуетдве схемы проведения процесса висбрекинга:
- проведениереакции висбрекинга в печном змеевике;
- проведениереакции висбрекинга в реакционной камере.
Типичнымсырьем висбрекинга являются мазуты и гудроны. Степень конверсии этих остатковобычно составляет 10-15% в зависимости от их физико-химических характеристик ирежима. На «Саратовском НПЗ» в качестве сырья используется гудрон — остаточныйпродукт вакуумной колонны установки ЭЛОУ-АВТ-6.Годовое производство гудронасоставляет 1 млн.тонн.
Продуктамивисбрекинга являются: топливный газ, бензиновая фракция и мазут топочный М-100.
Продуктыустановки висбрекинга используются:
- газуглеводородный (топливный) после очистки от сероводорода раствором аминаиспользуется в качестве топлива на установке и других объектах завода;
- бензиноваяфракция после очистки используется в качестве компонента при приготовлениибензина А-80;
- топочный мазутМ-100 используется в качестве жидкого топлива на электростанциях, ТЭЦ, и т.д.:
- рынок бензинаА-80 и мазута практически неограничен.
Однойиз главных задач на Саратовском нефтеперерабатывающем заводе являетсярациональное использование природных и энергетических ресурсов, а такжематериалов, реагентов, полуфабрикатов и готовой продукции необходимых для ведениятехнологического процесса.
В ходеизучения технологической схемы и потоков нефтепродуктов на установке висбрекингбыло выявлено не рациональное использование регенерации тепла циркуляционногоорошения (лёгкого газойля, фракция 350-420°С) колонны К-101.В целях экономииэнергоресурсов было предложено:
1.Установка висбрекинга гудрона предназначена для получения из гудрона компонентакотельного топлива и светлых нефтепродуктов.
2.Процесс висбрекинга — умеренный термический крекинг тяжелых нефтяных остатков сцелью снижения их вязкости.
Сырьесекции висбрекинга – гудрон, получаемый на блоке вакуумной перегонки мазутаустановки ЭЛОУ-АВТ-6 при переработке смеси нефтей, поступающих на Саратовскийнефтеперерабатывающий завод.
Целевымпродуктом является остаток висбрекинга – компонент котельного топлива.
Кромецелевого продукта с установки выводятся:
— очищенный углеводородный газ;
— стабильный бензин (фракция НК-195 оС);
— легкий газойль висбрекинга;
3.Секция висбрекинга состоит из следующих технологических стадий (блоков иузлов):
-узелвисбрекинга гудрона, включающий трубчатую печь и ректификационную колонну дляразделения продуктов крекинга;
-блокфизической стабилизации бензиновой фракции;
-блокочистки газов висбрекинга от сероводорода 15%-ным раствором моноэтаноламина(МЭА);
-узелутилизации тепла.
4.Технология процесса висбрекинга разработана научно-производственной фирмойПАУФ. Генеральный проектировщик — ГУП “БАШГИПРОНЕФТЕХИМ” г. УФА.
Производительностьустановки — переработка 800 тыс. т. гудрона в год.
Числочасов работы установки в году – 8400 (350 суток).
Годввода установки в эксплуатацию – 2004 г.