Процессы и агрегаты нефтегазовых технологий Лекция 11 Термические

Процессы и агрегаты нефтегазовых технологий Лекция 11: Термические процессы вторичной переработки нефти – окончание. Термический крекинг и висбрекинг – технология и аппаратурное оформление. Введение 11. 1. Термический крекинг под давлением 11. 1. 1. Сырье и продукты крекинга 11. 1. 2. Управляющие факторы термического крекинга 11. 1. 3. Оборудование установок термического крекинга 11. 1. 4. Технологическая схема установки крекинга 11. 2. Печной и реакторный висбрекинг – идея, сырье и продукты

11. 1. Термические некаталитические процессы 1) Термический крекинг под давлением (2 -4 МПа) – служит для получения дополнительного количества светлых нефтепродуктов (компоненты автобензинов), термогазойля и дистиллятного крекинг остатка (для производства игольчатого кокса). Эти реакции ЭНДОтермические, для их проведения нужен интенсивный нагрев. Главные параметры – Темп. (1) и Время (2). Используется понятие «жесткость» Сырье и продукты. Используется остаточное (мазуты, гудроны) и дистиллятное сырье (тяжелые газойли каталитического крекинга, тяжелая смола пиролиза) Состав газов: метан, этан (сухая часть) и 25 30% непредельных УВ. Причина – реализация радикально цепного механизма и нестабильность радикалов С 3 Н 7 и выше. Состав жидких продуктов: непредельные и ароматические УВ. ОЧ крекинг бензинов 60 65, термический риформинг лигроина – ОЧ 70 72, у бензина из смол пиролиза ОЧ более 80. Тяжелые продукты идут на повторный крекинг, крекинг остатки – асфальтены и твердые карбоиды. Принципиальная схема процесса. Существует 4 варианта процесса: 1) Крекинг в реакционном змеевике без выделения отдельной секции; 2) Крекинг с выносной реакционной камерой с различным уровнем ЖФ; 3) Повторный крекинг дистиллятных продуктов в отдельной печи; 4) Крекинг с дополнительной разгонкой остатка в вакууме Выбор схемы определяется типом сырья. Общее для всех схем – наличие трубчатых печей. Есть аппараты для более длительной выдержки сырья. На установках термокрекинга сохранена двухпечная схема с рециркуляцией.

8. 2. 1. Продукты крекинга Газ — содержит непредельные и предельные углеводороды, сероводород. Направляется для дальнейшей переработки на ГФУ. Бензин — имеет октановое число 54 -70 (м. м. ), содержит много непредельных углеводородов, после гидроочистки и риформирования применяется как компонент высокооктановых бензинов. При использовании бензинов крекинга малосернистых остатков в, качестве компонента автомобильного бензина с целью предотвращения осмоления к ним добавляют ингибиторы окисления. Газойлевые фракции используются в производстве технического углерода (сажи), как компонент котельного топлива, а после гидроочистки для приготовления дизельных и газотурбинных топлив. Крекинг-остаток направляется на установки замедленного коксования для производства кокса, применяется как компонент котельного топлива. Разбавление реакционной массы термостойкими ароматическими углеводородами повышает пороговую концентрацию образования и осаждения асфальтенов, тем самым замедляется начало коксообразования. Преобладание в конденсате олефиновых и парафино нафтеновых структур усиливает коксообразование, так как при этом снижается агрегативная устойчивость жидкой фазы.

8. 2. 2. Основные факторы термического крекинга (Т, Р, t, состав) сложным образом влияют на направление и скорость реакций, обусловливая в конечном итоге заданную глубину превращения сырья. Глубина превращения за проход змеевика ограничивается допустимым закоксовыванием труб змеевика. Этот показатель иногда связывают с содержанием карбоидов в продуктах разложения, с выходом бензина, с возможностью расслаивания жидкой части продукта на две фазы, которая определяется физико химической механикой нефтяных дисперсных систем. Повышение температуры увеличивает скорость протекающих реакций, глубину процесса, а также приводит к преобладанию реакций расщепления по сравнению с реакциями уплотнения. Влияние давления проявляется как непосредственно на направленности протекающих реакций, так и через изменение фазового соотношения в реакционной зоне. Давление влияет на состав продуктов крекинга, уменьшает выход газообразных продуктов и увеличивает выход продуктов уплотнения. С повышением давления уменьшается доля паров и увеличивается доля жидкости в реакционной зоне, что позволяет при заданном времени пребывания углеводородов значительно уменьшить объем реакционной зоны или углубить процесс. Глубина превращения оценивается выходом бензина, газа и кокса и их соотношением. Ее выбирают в зависимости от склонности исходного сырья к коксообразованию или газообразованию. С увеличением глубины превращения выход бензина сначала растет, затем достигает некоторого максимума и начинает снижаться. Данное явление связано с тем, что скорость разложения бензина на газ начинает превышать скорость образования бензина.

Достижение требуемой глубины процесса при умеренной температуре без значительных коксообразований обеспечивается следующим образом: 1) рециркуляцией части получаемых продуктов на повторный крекинг. 2) применением реакционной камеры 3 (выносной) для углубления крекинга сырья за счет дополнительного увеличения времени пребывания продуктов разложения, выходящих из печи, и запаса энергии, принятого потоком в печи. Относительно большое время пребывания продуктов в реакционной камере позволяет понизить температуру нагрева сырья в змеевике печи, сохранив неизменной заданную глубину крекинга. При этом уменьшается опасность закоксовывания труб и увеличивается межремонтный пробег установки. Важный момент при термическом крекинге - обеспечение требуемой селективности процесса. При достаточно широком молекулярном спектре углеводородов сырье сначала разделяют на фракции, а затем осуществляют их термокрекинг при оптимальных рабочих условиях в отдельных реакторах. При достижении определенной глубины термического крекинга начинается образование твердого продукта кокса, который представляет собой результат последовательных превращений ароматических углеводородов в асфальтены и карбоиды. Явление коксообразования негативно сказывается на эксплуатации реакторных устройств термического крекинга, ограничивая их межремонтный пробег из за необходимости очищать реакционную аппаратуру от коксоотложений.

8. 2. 3. Оборудование установок термического крекинга Базовое оборудование установки термического крекинга (Рис. 11. 2. ) включает: 1) трубчатые печи тяжелого 1 и легкого 2 сырья, 2) выносная реакционная камера 3, 3) испаритель высокого давления 4, 4) ректификационная колонна 8, 5) испаритель низкого давления 9, 6) газосепараторы высокого и низкого давления 7 и 10 7) Различная теплообменная аппаратура Основное реакторное устройство трубчатая печь (1, 2) или трубчатая печь с выносной полой реакционной камерой. Эта камера может быть заполнена только паром или иметь некоторый уровень жидкости. Реакционная камера 3 (полая, выносная) предназначена для углубления крекинга сырья за счет дополнительного увеличения времени пребывания продуктов разложения, выходящих из печи, и запаса энергии, принятого потоком в печи. Относительно большое время пребывания продуктов в реакционной камере позволяет понизить температуру нагрева сырья в змеевике печи, сохранив неизменной заданную глубину крекинга. Тем самым уменьшается опасность закоксовывания труб и увеличивается межремонтный пробег установки.

ПЕЧИ КРЕКИНГА. На действующих установках термического крекинга применяют радиантно-конвекционные двухскатные трубчатые печи шатрового типа (Рис. 2. 6). Они имеют две камеры радиации (топочных камеры), в которых по периметру потолка и пода находится однорядный экран, и одну камеру конвекции, в которой помещен змеевик. В камере радиации сжигается топливо, и расположенные там трубы (экран) воспринимают теплоту преимущественно через излучение. Из отходящих дымовых газов теплота передается главным образом путем конвекции — при непосредственном контакте дымовых газов с трубами конвекционной камеры.

Ректификационная колонна 8 (Рис. 11. 1 а) вертикальный цилиндрический аппарат со сферическими днищами, сваренный из углеродистой стали и облицованный изнутри до высоты 17, 4 м легированной сталью. Колонна имеет двойное питание: в нижнюю часть ее поступают продукты крекинга в виде парогазовой смеси из испарителя высокого давления и исходное сырье мазут, гудрон. Для осмотра, чистки и ремонта тарелок по высоте колонны расположено семь люков. Снаружи колонна имеет теплоизоляцию и облицовку. Испаритель низкого давления 4 (Рис. 11. 1 б) аппарат колонного типа, снабженный тарелками. диаметр аппарата 2030 мм, высота 19170 мм. для защиты от коррозии внутренняя поверхность испарителя облицована продольными полосками из легированной стали. Аппарат разделен внутренней сферической перегородкой на две части — нижнюю и верхнюю (аккумуляторную). В перегородке имеется одна сливная (переточная) труба диаметром 300 мм и шлемовая труба для прохода паров из нижней части аппарата в аккумулятор. диаметр паровой трубы 350 мм, высота 4200 мм. Внутри испарителя смонтировано семь каскадных тарелок и восемь колпачковых, причем в нижней части аппарата находятся четыре каскадные тарелки.

Рис. 11. 1 а Ректификационная колонна Рис. 11. 1 б. Испаритель низкого давления

Рис. 11. 2. Двухпечная схема крекинг установки с выносной реакционной камерой 1 печь тяжелого сырья (печь легкого крекинга); 2 печь легкого сырья (тяжелого крекинга); 3 выносная реакционная камера; 4 испаритель высокого давления; 5, 11 конденсаторы холодильники; 6, 13 холодильники; 7 газосепаратор высокого давления; 8 ректификационная колонна; 9 испаритель низкого давления; 10 газосепаратор низкого давления; 12 теплообменник; 14 -20 насосы. I — сырье; II — вода; III — крекинг остаток; IV — газойль; V — газ; VI — бензин.

11. 2. Висбрекинг – идея, сырье и продукты Висбрекинг в основном используют для снижения вязкости тяжелых нефтяных остатков с целью получения компонента стабильного котельного топлива. Такой способ снижения вязкости приводит к экономии дорогих дистиллятных разбавителей, используемых для получения стандартного котельного топлива. Висбрекинг может проводиться также и для производства газойля – сырья для процессов каталитического и гидрокрекинга. Процесс осуществляют при давлении 1 -5 МПа и температуре 430 -500 С. Принципиальная схема. Существует 2 варианта процесса: 1) Печной висбрекинг в нагревательно реакционной печи при температуре 480 -500 С и среднем времени пребывания сырья в зоне реакции 1, 5 -2, 0 мин; 2) Висбрекинг с выносной реакционной камерой (сокинг камерой) – при температуре 430 -450 С и времени реакции 10 -15 мин. Преимущества второй технологии по сравнению с первой следующие: 1) большая продолжительность межремонтного пробега; 2) больший коэффициент использования рабочего времени; 3) более высокая селективность по выходу газойля; 4) меньшее потребление топлива и электроэнергии; 5) меньшие капитальные затраты; 6) более высокая гибкость и управляемость процесса при эксплуатации благодаря возможности регулирования двух переменных: давления в сокинг камере и температуры в печи.

При висбрекинге с реакционной камерой тепловая нагрузка на печь ниже. НО: при «печном» крекинге получается более стабильный крекинг остаток с меньшим выходом газа и бензина, но с повышенным выходом газойлевых фракций. Установки печного висбрекинга в России не применяются. Это связано с повышенной вязкостью и коксуемостью остаточного сырья из отечественных нефтей. Если сравнивать печной висбрекинг с висбрекингом в реакторе (рис. 5. 2), то в первом случае расходуется приблизительно в 1, 5 раза больше топлива, и остаток получается повышенной вязкости практически одинаковом выходе светлых продуктов. Принцип работы установки висбрекинга Сырье I (мазут или гудрон) подогревается в печи 2 и подвергается висбрекингу в реакционной камере 3, работающей при давлении около 1, 7 МПа. После нее смесь продуктов разбавляется и охлаждается частью выходящего из фракционирующей колонны 5 газойля III. Полученная смесь продуктов направляется далее во фракционирующую колонну 5, где происходит разделение на бензиновую VI, керосиновую VII, газойлевую фракции III, углеводородный газ V и крекинг остаток IV. В сепараторе низкого давления 7 происходит отделение углеводородного газа V от бензина VI.

Рис. 11. 3. Схема установки висбрекинга с выносным реактором 1 - насос; 2 - печь; 3 - реактор; 4 - теплообменник; 5 фракционирующая колонна; 6 аппарат воздушного охлаждения; 7 – сепаратор. Потоки: I сырье; II вода; III газойлевая фракция; IV крекинг остаток; V углеводородный газ; VI бензиновая фракция; VII керосиновая фракция; VIII топливный газ; IX — дымовые газы; X — вода

Развитие процесса висбрекинга в России сдерживается достаточно высокими затратами на производство, невысоким качеством светлых нефтепродуктов. В основном висбрекинг входит в состав комбинированных установок. На ряде НПЗ при реконструкции установок термического крекинга разработана и освоена технология комбинированного процесса висбрекинга гудрона и вакуумной перегонки крекинг остатка на легкий и тяжелый вакуумные газойли и тяжелый висбрекинг остаток. Целевой продукт процесса тяжелый вакуумный газойль, характеризующийся высокой плотностью (940 990 кг/м 3), содержащий 20 40 % мас. полициклических углеводородов, который может использоваться как сырье для получения термогазойля или электродного кокса, а также в качестве сырья для процессов каталитического крекинга, гидро крекинга или термического крекинга. Легкий вакуумный газойль используется преимущественно как разбавитель тяжелого гудрона. В тяжелом висбрекинг остатке сконцентрированы полициклические ароматические углеводороды, смолы и асфальтены. Поэтому данный продукт может найти применение как пек, связующий и вяжущий материал, компонент котельного и судового топлива и сырье коксования. Комбинирование висбрекинга с вакуумной перегонкой позволяет повысить глубину переработки нефти без применения вторичных каталитических процессов, сократить выход остатка на 35 40 %.