Русская версия сайта   English version   Spanish version  
Исследования
Технологии

Наука

Версия для печати
ГлавнаяНаука

ТЕХНОЛОГИЯ КАРДИНАЛЬНОГО УГЛУБЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ

По результатам многочисленных исследований и разработок ниже приведен доклад на VI конгресс нефтегазопромышленников России "Нефтегазовый комплекс - реальность и перспективы", 25 мая 2005 г. Уфа.

д.т.н., член президиума АН РБ Гимаев Р.Н., к.т.н. Курочкин А.К.
НПЦ "Термакат", г. Уфа, Россия

Для российской нефтеперерабатывающей промышленности основной проблемой является малая глубина переработки нефти. Создана технология глубокой (до 87-92%) переработки тяжелого нефтяного сырья в светлые дистиллятные топлива с получением в остатке неокисленных битумов, пеков либо низкозастывающих котельных топлив.

1. Мазут – сырьевая база увеличения глубины переработки нефти

Углубление переработки нефти с достигнутых 70-73% до среднеевропейских 85-90%, является актуальной экономической и технической проблемой для нефтеперерабатывающей отрасли России (см. рис. 1). Единственно возможный путь увеличения выработки высоколиквидных светлых нефтепродуктов – строительство новых и модернизация существующих производств для глубокой переработки мазута и гудрона.

Рис. 1. Достигнутая в 2005 г. глубина переработки нефти в разных странах

В качестве вторичных процессов, позволяющих значительно повышать глубину переработки нефти, на американских и западноевропейских заводах предпочитают процессы с наименьшей капиталоемкостью: замедленное коксование нефтяных остатков и висбрекинг мазутов и гудронов, а также значительно более дорогие процессы каталитического крекинга и гидрокрекинга вакуумных газойлей и мазутов.
Мазут, по мнению авторов доклада, должен быть исключен из ассортимента товарной продукции российских НПЗ и стать сырьем для дальнейшей глубокой переработки. Исходя из данной концепция, создана отечественная технология, позволяющая значительно углубить переработку нефти гораздо более дешевым путем, чем закупка капиталоемких комплексов [1].

2. Основа технологии глубокой переработки мазутов (ГПМ)

Из термических методов наиболее приемлемых для российских НПЗ, на наш взгляд, является термический способ получения газойля, разработанный Shell и АВВ Lummus Global B.V. [2], по которому осуществляется раздельная термическая конверсия остаточного и парафинистого дистиллятного сырья (см. рис. 2).

Рис. 2. Термический процесс Shell

Висбрекинг остатка осуществляется в реакционной камере, а конверсия парафинистого дистиллята – в змеевиковой печи. Данная технология может быть привлекательна как для простых НПЗ, в схемах которых есть гидроочистка газойлей, так и для НПЗ, в схемах которых ограничены мощности по переработке парафинистых дистиллятов. В качестве сырья рекомендован атмосферный остаток. Выход бензино-газойлевых фракций (н.к.-350°С) – до 51,5%.
Основная задача в разработке новых термических процессов состоит в увеличении конверсии термостабильных высокомолекулярных углеводородов в низкомолекулярные углеводороды – газоводистиллятные продукты (топливный газ и бензино-дизельные фракции) с возможностью минимизации выхода высококонденсированных остаточных продуктов.
Преобразование компонентов исходного сырья в реакционные продукты происходит в результате последовательно-параллельных реакций, протекающих главным образом, по радикально-цепному механизму. Протекающие деструктивные процессы эндотермичны и требуют подвода значительного количества тепла, что осуществляется нагревом до достаточно высоких (480-500°С) температур. Однако, подвод энергии в низкопотенциальном виде за счет повышения температур стенок греющих элементов, не позволяет избирательно воздействовать на нужные стадии процесса термолиза – наряду с ускорением процессов деструкции, ускоряются и процессы, приводящие к нежелательному закоксовыванию оборудования.
В основе разработанной нами технологии, получившей название "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®", лежит еще более мягкий термический крекинг, интенсифицированный кавитационно-акустическим воздействием на реакционные среды [3].
Суть новой технологии – в использовании кавитационно-акустического воздействия как технологического приема, позволяющего осуществлять селективное воздействие на отдельные группы углеводородов и стадии термолиза, подводя к реакционной массе дополнительную энергию в высокопотенциальном виде. Подвод энергии осуществляется методом кавитационно-акустического воздействия, вносящим изменения в гидродинамику и дисперсионную стабильность жидких сред, что по-разному влияет на разные стадии процесса – заметно интенсифицирует одни (деструкцию) и резко замедляет другие (коксообразование).
Эффективность такого технологического приема обоснована научными разработками [4] – звукохимия давно составляет серьезный и самостоятельный раздел химии [5,6]. Сонолюминесценция (свечение), наблюдаемая нами при гидродинамической кавитации [7], свидетельствует о наличии в жидкости весьма высокоэнергетических явлений, оказывающих влияние на протекание химических реакций. Поток энергии, передаваемой реакционной среде при кавитационном воздействии за счет кинетической энергии движения стенок кавитационных пузырьков весьма велик и свечение свидетельствует о достижении необходимой интенсивности кавитационно-акустического воздействия. Эффективность воздействия такова, что процессы деструкции проходят на 60-80°С ниже, чем при классическом крекинге. Термолиз идет практически вне области коксообразования.
Кавитационные пузырьки, генерируемые при оптимальном избыточном давлении не только инициируют радикальный механизм процессов деструкции, но и интенсифицируют испарение легких фракций, испаряемость которых при максимальной кривизне поверхности неисчислимо большего количества пузырьков (минимальных размерах) на 12% выше, чем на обычной поверхности раздела фаз жидкость-пар.
Кавитационно-акустическое воздействие на реакционную среду, примененное в новой технологии [8], сохраняет агрегативную устойчивость реакционной среды даже при высокой концентрации асфальтенов. Цепочка химических превращений "парафины à нафтены à ароматические углеводороды à смолы à асфальтены à карбены à карбоиды (кокс)" прерывается нами на стадии образования оптимального количества асфальтенов. Это позволяет достичь, с одной стороны, большой глубины превращения углеводородов тяжелого нефтяного сырья в светлые нефтепродукты, а с другой стороны, получить в качестве остаточного продукта концентрированный коллоидный раствор смол и асфальтенов – идеальную основу для производства неокисленных битумов различных марок.
Обоснованность приведенных рассуждений экспериментально подтверждена кавитационно-акустическим термолизом различных видов нефтяного сырья. Наибольшая глубина отбора светлых бензино-дизельных дистиллятов достигается при переработке первичных мазутов. Переработка по новой технологии вакуумных остатков (гудронов) не позволяет достичь максимально возможной глубины переработки – в силу повышенной концентрации асфальтенов, процессы термополиконденсации превалируют на деструктивными.

3. Принципы технологии термоакустического висбрекинга

Принципиальная постадийная поточная схема процесса "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®" приведена на рис. 3.


Потенциал выработки светлых продуктов и их качество зависит, прежде всего, от структурно-группового состава исходного сырья. Опыт переработки более, чем 60 видов сырья нефтяного происхождения (см. табл. 1 и 2) показывает, что процесс ГПМ также универсален по видам перерабатываемого сырья – переработке подлежат практически любые виды тяжелого нефтяного сырья: прямогонные мазуты, полугудроны, вакуумные газойли, тяжелые и битуминозные нефти, а также остатки легких сырых нефтей и газовых конденсатов, и даже отработанные масла и нефтешламы.
Потенциал отбора светлых продуктов (бензино-дизельных фракций), равно как и остаточных продуктов (битумов) существенно зависит от ароматичности и сернистости сырья. Так, при переработке первичных сернистых мазутов выход светлых дистиллятных продуктов составляет 55-60%, достигая 88-92% при переработке парафинистых газоконденсатных мазутов и газойлей.
Бензиновые фракции, вырабатываемые по процессу, по основным физико-химическим свойствам как и бензины висбрекинга соответствуют автомобильным бензинам А-80 (ОЧ ММ), дизельные фракции – низкозастывающим сортам дизельных топлив. Относительно низкая окислительная стабильность дистиллятных фракций, характерная для продуктов термического происхождения из-за повышенного содержания в них непредельных соединений, может быть доведена до требований нормативов как в условиях НПЗ – за счет вторичной переработки фракций в смеси имеющихся дистиллятных потоков, так и на малотоннажных установках – путем компаундирования с антиокислительными присадками, а также с родственными продуктами первичного происхождения.
Качество неокисленных остаточных продуктов весьма высоко, соответствует ТУ и ГОСТам, и зачастую превосходит их требования. Так, неокисленные дорожные битумы, вырабатываемые из высокосернистого сырья,характеризуются уникальным комплексом термомеханических свойств – высокой дуктильностью в сочетании с повышенной температурой размягчения и низкой температурой хрупкости.

Приводится по справочнику современных нефтехимических процессов, 2001 г. – Нефтегазовые технологии, № 3,
май-июнь, 2001 г., с. 94-137


Физико-химические свойства сырья и материальный баланс процесса "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®"
1. Сырье – нефти


нефть
показатель
Торавейская

Иреляхская

Ульяновская

Варандейская

Донская

Каражанбасская

Плотность при 15°С, г/см3

0,842

0,861

0,869

0,897

0,926

0,942

Вязкость кинематическая
при 20°С, мм2·с

25,7

19,2

15,5

28,9

129

1091

Содержание серы, % масс.

1,7

2,1

3,45

2,2

Содержание асфальтенов, % масс.

2

0,5÷0,8

4

5

9

6

Фракционный состав:
Н.К., °С

69

64

58

51

50

85

выкипает, % об. при

  • 180°С

19

11,5

19

15,3

13

1

  • 240°С

30,5

21

31

26,1

20

6,5

  • 300°С

43

34

45

40,5

32

19,5

  • 360°С

61,5

46

53

60

44,5

31,0

Переработка до остаточного котельного топлива

Газ

5

3

3

3

3

4

Фракция Н.К.-180°С

15

17

27

20

11

14

Фракция 180-360°С

46

51

40

44

42

32

Фракция 360°С

34

29

30

33

44

50

Переработка до неокисленного битума

Газ

4

2

5

5

3

4

Фракция Н.К.-180°С

21

21

25

19

13

17

Фракция 180-360°С

57

55

55

59

50

49

Фракция 360-420°С

9

Битумы

16

13

15

17

34

30

Таблица 2
Физико-химические свойства сырья и материальный баланс процесса "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®"
2. Сырье – мазуты

мазут
показатель

Сургутский ЗСК

Шимкент-ский НОС

Атырауский НПЗ

Астрахан-ский ГПЗ

Томский
НГП

Туапсин-ский НПЗ

Кыргыз Петролеум Компани

Салават-ский НОС

Павлодарс-кий НХЗ

Плотность при 15°С, г/см3

0,889

0,908

0,924

0,930

0,933

0,938

0,957

0,970

0,980

Содержание серы, % масс.

0,45

0,42

0,88

2,37

1,04

1,02

0,68

3,5

1,61

Содержание асфальтенов, % масс.

0,1

2

1,5

2,2

2,5

следы

5

5

Фракционный состав:
Н.К., °С

118

202

98

260

148

295

230

282

252

выкипает, % об. при

  • 180°С

7,5

3,5

1,2

  • 240°С

16,5

5

3,0

0,5

  • 300°С

27

4

7

3,5

6,1

0,5

2,4

2,0

10

  • 360°С

41,5

7,3

16

33

8,5

7,0

8,5

7,0

21,3

Переработка до остаточного котельного топлива

Газ

3

3

4

4

4

4

2

3

6

Фракция Н.К.-180°С

20

5

6

14

11

17

8

6

5

Фракция 180-360°С

62

36

30

39

55

49

33

26

24

Фракция >360°С

15

56

60

33

30

30

57

65

65

Переработка до неокисленного битума

Газ

3

5

5

4

7

4

3

6

Фракция Н.К.-180°С

20

20

15

11

13

15

8

12

Фракция 180-360°С

62

60

40

61

45

61

54

51

Фракция 360-420°С

7

16

Битумы

8

15

40

24

19

20

35

31


4. Аппаратурно-технологическое оформление процесса

Новая термическая технология глубокой переработки тяжелого нефтяного сырья в своем аппаратурно-технологическом оформлении концентрирует последние научные и инженерные достижения в области нефтепереработки [9].
Технологическое нововведение в процессе – применение кавитационно-акустического воздействия, позволяет подавить процессы коксообразования и интенсифицировать процессы деструкции за счет, прежде всего, воздействия на микрогидродинамику жидких реакционных сред. В качестве генератора кавитации используются разработанные одним из авторов кавитационно-акустические насосы с регулируемой энергетикой кавитационного воздействия (фото см. в разделе Генераторы кавитации) [10]. Использование этого технологического приема и ряда других новшеств позволило значительно снизить температуру крекинга – до 410°С и ниже, избежать нежелательного закоксовывания оборудования, а также снизить давление с 2,5 до 0,5-0,2 МПа и вдвое уменьшить металлоемкость оборудования.
Процесс позволяет перерабатывать разнообразное по свойствам и составу нефтяное сырьё и вырабатывать, в зависимости от сезонных потребностей, различные дистиллятные и остаточные товарные продукты.
Аппаратурное оформление процесса "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®" разработано в блочно-модульном исполнении, когда один или несколько модулей составляют функциональный блок, на котором осуществляется один технологический передел сырьевого потока. Принцип модульной компоновки весьма целесообразен как при привязке к существующим технологиям на НПЗ, так и при создании самостоятельных производственных мощностей [11] для выделения очередей строительства. В процессе можно выделить четыре основных модуля (рис. 4).

Рис. 4. Принципиальная схема процесса "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®".

Обозначение: МТ, КАМ, БМ и РМ – соответственно термический, кавитационно-акустический, битумный и ректификационный модулиПроцесс патентно чист, технологически эффективен, обеспечивает современный уровень глубины переработки нефтяного сырья и по технико-экономическим показателям значительно превосходит уровень термических процессов переработки нефти, предлагаемых на рынке современных технологий.

5. Процесс "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®" в сравнении с аналогами

В 80-е и 90-е годы наблюдался определенный ренессанс термических процессов. Несколькими фирмами были созданы оригинальные и весьма эффективные термические процессы [2], на базе которых к настоящему времени построено несколько десятков промышленных установок.
Сопоставление с некоторыми, наиболее известными процессами термической переработки нефтяных остатков, близкими по технологии и задачам переработки (см. табл. 3), показывает, что процесс "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®" обеспечивает существенно более высокие технико-экономические показатели.
Следует обратить внимание на низкий удельный объем капиталовложений, необходимых для увеличения глубины переработки относительно существующей, которая составляет 0,8-1,5 рубля на 1 л прироста выработки светлых дистиллятов.

Таблица 3

Сопоставление с процессами-аналогами

Название процесса

Висбрекинг

Глубокая термическая конверсия

Термический способ получения газойля

Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®

Лицензиар

Shell Global Sol.Int. B.V., ABB Lummus Global B.V.

Shell Global Solutions
Int. B.V.

Shell Int. Oil Products B.V., ABB Lummus Global B.V.

ООО "НПЦ "Термакат"

Сырье

вакуумный остаток ближне-восточной нефти

вакуумный остаток ближне-восточной нефти

атмосферный остаток ближне-восточной нефти

любое тяжелое нефтяное сырье

Выход продуктов,
% от массы сырья

  • газ
  • бензин
  • газойль
  • парафинистый дистиллят
  • остаток (квалификация)

2,3
4,7
14,0

20,0

59,0 (мазут)

4,0
8,0
18,1

22,5

47,4 (мазут)

6,4
12,9
38,6

-

42,1 (мазут)

3,0-6,0
10,0-15,0
50,0-75,0 (фр.180-360°С)
-

6,0-32,0 (битум)

Энергозатраты
на 1 м3 сырья (180 °С.),

  • топливо, ГДж
  • электроэнергия, кВт·час
  • пар, кг (выработка)
  • охлаждающая вода, м3

0,42

3,1
113/0
0,6

0,68

3,2
126/0
0,94

0,89

5,0
182/0
0,94

0,88

9,0
-
-

Удельные капвложения, тыс.USD на 1 м3/сут

6,3 – 8,8

8,2-10,0

8,8 – 10,0

4,5– 8,5

Год создания

1986

1986

1999

2001

Промышленные установки

70 установок и лицензий

4 установки + 2 лицензии

8 установок

2 лицензии
2 НПЗ и
2 установки


6. Использование технологии ГПМ в структуре действующих НПЗ

Применяя аппаратурно-технологические решения процесса "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®" в сопряжении с действующими технологиями НПЗ можно добиться значительного технико-экономического эффекта в каждом конкретном случае. Целесообразна модернизация имеющихся на действующих предприятиях установок атмосферной и вакуумной перегонки, висбрекинга или термического крекинга.
Схемы модернизации нефтезаводских процессов путем дополнения модулями "Висбрекинг-ТЕРМАКАТ®" смотрите в разделе Базовые разработки / Комплексная реконструкция

7. Вывод

Создана простая и надежная отечественная технология глубокой переработки нефти и нефтяных остатков, которая позволяет на 15-20% увеличить отбор светлых путем реконструкции существующих на НПЗ производств в минимальные сроки и с доступными капитальными затратами.

Справочник современных нефтехимических процессов, 2001 г. – Нефтегазовые технологии, № 3, май-июнь, 2001 г., с. 94-137

в привязке к АТ или АВТ действующего НПЗ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  © ТЕРМАКАТ 2008
Все права защищены.
450054, г.Уфа, а-я179 Пр. Октября 69/В,
тел/факс (347) 241-37-99/88, 2740002 email: termakat@ufanet.ru