XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Роль установки гидрокрекинга на НПЗ
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Особенностью современной нефтеперерабатывающей промышленности является тенденция к углублению переработки нефти, что объясняется ограниченностью ее запасов, ежегодным утяжелением нефти, а также ужесточением экологических требований к нефтепродуктам. При этом в отечественной нефтепереработке наблюдается проблема утилизации наиболее тяжелых продуктов, остающихся после первичных и вторичных процессов.
В настоящее время переработку тяжелых нефтяных фракций осуществляют следующими способами:
1. Переработка тяжелых продуктов в котельное топливо. Данный способ стремительно теряет свою актуальность из-за повсеместной газификации энергетических установок.
2. Битумное производство. Характеризуется сезонным режимом работы, что также не позволяет в достаточной мере решить обозначенную проблему.
3. Переработка на установке замедленного коксования. Не смотря на дешевизну установки и возможность практически безостаточной переработки тяжелого сырья, получаемые «светлые» нефтепродукты характеризуются низким выходом и качеством.
4. Переработка тяжелых продуктов на установке гидрокрекинга при умеренных температурах и повышенных давления водорода на полифункциональных катализаторах. Данный метод является наиболее эффективным и экономически выгодным.
Преимущества применения установок гидрокрекинга заключается в следующих пунктах:
- возможность перерабатывать практически любое нефтяное сырье;
- высокая гибкость процесса;
- является ключевым из углубляющих нефтепереработку процессов;
- получение широкого ассортимента высококачественных нефтепродуктов путем подбора соответствующих катализаторов и технических условий.
Цели проектной работы:
Рассмотреть варианты применения установки гидрокрекинга вакуумного газойля на НПЗ для получения «светлых» нефтепродуктов.
Задачи:
1. Рассмотреть основные реакции, протекающие в процессе гидрокрекинга;
2. Изучить влияние параметров на работу установки гидрокрекинга;
3. Проанализировать качество сырья и получаемой продукции на установке гидрокрекинга;
4. Рассмотреть разные варианты применения установок гидрокрекинга на НПЗ;
5. Определить характеристики продуктов при одно- и двухступенчатом вариантах процесса гидрокрекинга вакуумных дистиллятов.
основная часть
Теоретические основы процесса гидрокрекинга
В основе процессов гидрокрекинга лежат следующие реакции: гидрогенолиз гетероорганических соединений серы, кислорода, азота; гидрирование ароматических углеводородов; раскрытие нафтеновых колец; деалкилирование циклических структур; расщепление парафинов и алкильных цепей; изомеризация образующихся осколков; насыщение водородом разорванных связей.
Парафиновые углеводороды в условиях гидрокрекинга подвергаются расщеплению с насыщением образующихся продуктов распада:
Нафтены в условиях гидрокрекинга подвергаются следующим превращениям:
1) Крекинг длинных боковых цепей на кислотных центрах с насыщением водородом, протекает гидрогенолиз колец:
2) Изомеризация. Моноциклические нафтены с циклогексановыми кольцами подвергаются изомеризации с образованием алкилциклонафтанов:
Бициклические нафтеновые углеводороды превращаются преимущественно в моноциклические.
Ароматические углеводороды в условиях гидрокрекинга претерпевают гидрирование с последующим расщеплением циклогексановых колец.
Гетероатомные соединения, содержащиеся в сырье, подвергаются гидрогенолизу.
Меркаптаны гидрогенизируются до сероводорода и соответствующего углеводорода.
Сульфиды и дисульфиды гидрогенизируются через образование меркаптанов.
Циклические сульфиды гидрогенизируются до соответствующих алифатических углеводородов и сероводорода.
Азот в нефтяных фракциях находится преимущественно в гетероциклических соединениях в виде производных пиррола и пиридина. Гидрогенизация их протекает с образованием в конечном итоге аммиака и соответствующего углеводорода.
Кислород в нефтяных фракциях представлен соединениями типа спиртов, эфиров, феноловых и нафтеновых кислот. При гидрогенизации кислородсодержащих соединений образуются соответствующие углеводороды и вода.
Влияние параметров на процесс гидрокрекинга
Температура реакции является наиболее важным параметром гидрокрекинга. Оптимальный интервал температур для процесса гидрокрекинга составляет 360-420 ℃ с постепенным их повышением от нижней границы к верхней по мере падения активности катализатора.
С ростом температуры увеличивается скорость реакции деструкции углеводородов, что приводит к повышению степени превращения сырья в легкие продукты. Высокая температура реакции значительно снижает селективность процесса, в результате чего возрастает выход газов.
Температура реакции гидрокрекинга зависит и от объемной скорости подачи сырья. Объемной скоростью называется отношение объема сырья и подаваемого в реактор в час, к объему катализатора.
Понижая объемную скорость, можно проводить процесс при более низкой температуре и достигать требуемой степени превращения сырья за счет увеличения времени реагирования. Вследствие указанных особенностей большинство современных процессов гидрокрекинга дистиллятного сырья осуществляется при невысоких значениях объемной скорости подачи сырья: 0,3-0,7 ч-1.
Давление оказывает существенное влияние на процесс гидрокрекинга. В целом на катализаторах гидрирующего типа с повышением давления возрастает как скорость реакций, так и глубина гидрокрекинга. Минимально приемлемое давление тем выше, чем менее активен катализатор и чем тяжелее сырье крекинга. Увеличение расхода водорода и утяжеление аппаратуры с возрастанием давления ведут к удорожанию процесса, поэтому проведение гидрокрекинга с давление выше 150 кгс/см2 лишь при переработке тяжелых и особенно остаточных видов сырья. Оптимальными значениями для ведения процесса гидрокрекинга считаются – от 50 до 150 кгс/см2.
Кратность циркуляции водородсодержащего газа зависит от двух факторов: химического расхода водорода в процессе гидрокрекинга, а также от чистоты водородсодержащего газа. Небольшие значения кратности циркуляции водородсодержащего газа (ниже 500 нм3/м3) возможны только в случае весьма мягкого процесса гидрокрекинга при малых степенях превращения сырья. Значения выше 1500 нм3/м3 характерны для процесса глубокого гидрокрекинга тяжелого сырья, например, нефтяных остатков, при котором химический расход водорода весьма значителен. В процессе гидрокрекинга дистиллятов кратность циркуляции водородсодержащего газа составляет 800-1200 нм3/м3 и обычно в 2-4 раза выше химического расхода водорода.
Качество сырья и получаемой продукции на установке гидрокрекинга
Основным сырьем процесса гидрокрекинга являются прямогонные вакуумные газойли (330-350℃) в чистом виде. Компонентом сырья могут также быть различные тяжелые газойли, например, установок замедленного коксования, каталитического крекинга и висбрекинга. Качество сырья установки гидрокрекинга представлено в таблице 1.
Таблица 1. Характеристика сырья гидрокрекинга
|
Наименование показателя |
Единица измерения |
Значение |
|
Плотность при 20 оС |
кг/м3 |
897 |
|
Фракционый состав: Температура НК, не выше 50% перегоняется, не выше 95% перегоняется, не выше 98% перегоняется, не выше |
оС оС оС оС |
348 435 487 497 |
|
Содержание серы |
%мас. |
1,4 |
|
Коксуемость |
%мас. |
0,17 |
Реактивные и дизельные топлива, получаемые при гидрокрекинге, характеризуются улучшенными экологическими свойствами.
Легкие бензины гидрокрекинга содержат значительное количество изопарафиновых углеводородов, поэтому высокие октановые числа до 83-84 пунктов по ИМ.
Тяжелые бензины гидрокрекинга характеризуются низкими октановыми числами – 55-65 пунктов (ИМ), содержат большое количество нафтеновых углеводородов, являются малосернистым сырьем каталитического риформинга.
Легкие газойли содержат мало серы (ниже 50-150 ppm) и мало ароматических углеводородов, вследствие чего имеют высокие цетановые числа – выше 51-52 пунктов.
Тяжелый газойль гидрокрекинга является хорошим компонентом сырья установок каталитического крекинга и производства базовых нефтяных масел.
Предполагаемые варианты схемы установок гидрокрекинга вакуумного газойля
Первый вариант предусматривает схему установки одноступенчатого гидрокрекинга вакуумного газойля «за проход» (Рисунок 1).
Данная схема представляет собой вариант с частичным превращением и выходом некоторого количества не превращенного продукта, который не содержит примесей и близок по молекулярной массе к исходному сырью и его используют на установке каталитического крекинга как высококачественное сырье. Недостатком данного метода является относительно низкий выход «светлых» нефтепродуктов, и применение данного варианта предпочтительно при необходимости предварительной подготовки сырья для процесса каталитического крекинга.
Второй вариант предусматривает схему установки одноступенчатого гидрокрекинга вакуумного газойля с рециклом (Рисунок 2).
Отличительной особенностью данной схемы по сравнению с первым вариантом является наличие рециркуляции не превращенного продукта и за счет этого обеспечивает полное превращение сырья и большой выход «светлых» нефтепродуктов при минимальных затратах. Данный вариант схемы является самым распространенным в мире и среди недостатков имеет относительно малую гибкость процесса.
Третий вариант предусматривает схему двухступенчатого гидрокрекинга без сепарации и фракционирования продуктов первой ступени (Рисунок 3).
По сравнению с одноступенчатой схемой данный вариант обладает большей гибкостью процесса. Данная схема предпочтительна только при применении катализаторов гидрокрекинга не чувствительных к отравлению.
Четвертый вариант предусматривает схему двухступенчатого гидрокрекинга с сепарацией и фракционированием продуктов на первой ступени (Рисунок 4). Газопродуктовую смесь после реактора первой ступени подвергают охлаждению, сепарации, стабилизации и ректификации. После отделения газов, бензина и средних дистиллятов от гидрогенизата получают тяжелый газойль, который используется как сырье второй ступени. Данная схема позволяет перерабатывать сырье с очень высоким содержанием примесей и применять на второй ступени катализаторы гидрокрекинга чувствительные к отравлению.
Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема установки одноступенчатого гидрокрекинга «за проход» вакуумного газойля
Рисунок 2. Принципиальная технологическая схема установки одноступенчатого гидрокрекинга вакуумного газойля с рециклом
Рисунок 3. Принципиальная технологическая схема установки двухступенчатого гидрокрекинга вакуумного газойля без сепарации и фракционирования
Рисунок 4. Принципиальная технологическая схема установки двухступенчатого гидрокрекинга вакуумного газойля с сепарацией и фракционированием
Выбор той или иной схемы установки гидрокрекинга зависит от природы сырья, желаемого конечного продукта и типа применяемого катализатора. Выход и качество получаемой продукции при одно- и двухступенчатом вариантах процесса представлены в Таблице 2.
Таблица 2. Характеристики продуктов при одно- и двухступенчатом вариантах процесса гидрокрекинга вакуумных дистиллятов
|
Показатели |
При одноступенчатой схеме |
При двухступенчатой схеме |
|
Выход продуктов, % мас.: Сероводород Газы Легкий бензин Тяжелый бензин Дизельное топливо |
3,03 1,19 1,28 8,53 88,03 |
2,2 3,98 7,48 12,44 75,36 |
|
Итого |
102,06 |
101,46 |
|
Расход водорода, м3/т. |
231 |
282 |
|
Характеристика продуктов: Плотность при 20 оС, кг/м3 Температура застывания, оС Цетановое число Содержание серы, ppm |
842 -18 54 10 |
820 -30 58 10 |
Для производства максимальных количеств компонентов дизельных топлив используют одноступенчатый вариант.
Двухступенчатый вариант обладает большей гибкостью и возможностью перерабатывать дистиллятное сырье практически любого качества и без изменения производительности установки получать максимальное общее количество моторных топлив. Для получения максимального количества бензина схема двухступенчатого гидрокрекинга является наиболее предпочтительной.
заключение, выводы
Рассмотрены основные реакции, протекающие в процессе гидрокрекинга;
Изучено влияние параметров на работу установки гидрокрекинга;
Проанализировано качество сырья и получаемой продукции на установке гидрокрекинга;
Рассмотрены разные варианты применения установок гидрокрекинга на НПЗ;
Определены характеристики продуктов при одно- и двухступенчатом вариантах процесса гидрокрекинга вакуумных дистиллятов.
Обобщая результаты проведенной работы, можно сказать, что применение установки гидрокрекинга вакуумного газойля на НПЗ позволяет решить проблему утилизации наиболее тяжелых продуктов установок первичных и вторичных процессов, является гибким и экономически выгодным процессом, а также дает возможность получать высококачественные продукты.
Список литературы
Заботин Л.И. Химическая технология топлив и углеродных материалов., Самара: Самар. Гос.техн.ун-т., 2010.-179с.
Рябов В.Д. Химия нефти и газа., М.:Техника.,2004.-287с.
Ахметов А.А.Технология переработки нефти и газа., Уфа: Гилем., 2002. – 671с.
Каминский Э.Ф.Хавкин В.А. Глубокая переработка нефти: технологический и экологический аспекты., М: Техника, 2001. –385с.
Власов В.Г. Гидроочистка гидрообессеривание и гидрокрекинг нефтяного сырья., Самара: Самар. Гос.техн.ун-т., 2014. –28с.
Роль установки гидрокрекинга на НПЗ