Технология вторичной переработки нефти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Пояснительная записка 71 с., 10 рис., 3 табл., 14 источников и 1 прил.

НЕФТЬ, ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА, ПРОЦЕСС, ХИМИЗМ, ТЕХНОЛОГИЯ, СЫРЬЕ, КРЕКИНГ, КАТАЛИЗАТОР, ОБОРУДОВАНИЕ, РЕАКТОР, ЭНЕРГИЯ, ПРОДУКЦИЯ, ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ, ЭКОЛОГИЯ

Целью выполнения курсового проекта является изучение технологии вторичной переработки нефти. Объектом исследования является процесс и установка каталитического крекинга.

В проекте проведен литературный обзор процессов вторичной переработки нефти, где представлена характеристика способов переработки нефтяного сырья путем его преобразования под действием высокой температуры (термические процессы), высокой температуры и катализатора (термокаталитические процессы) или только катализатора (низкотемпературные каталитические процессы); приведена характеристика сырьевой базы вторичных процессов.

Подробно изучены физико-химические основы процесса каталитического крекинга: механизм реакций, протекающих при каталитическом крекинге, кинетика и термодинамика процесса, основные физические параметры технологического режима, которые определяют выход и качество получаемых продуктов; изучены свойства современных катализаторов крекинга.

Разработана технологическая схема установки каталитического крекинга и представлена характеристика основного технологического оборудования процесса, проведен анализ использования сырья и материалов, воды и энергоресурсов.

Проведена оценка жизненного цикла основной продукции и рассмотрены основные источники загрязнений окружающей среды в процессе эксплуатации установок вторичной переработки нефти.

Графическая часть включает:

технологическую схему процесса - 1 лист А1.

Содержание

Введение

1. Сырьевая база процесса вторичной переработки нефти

2. Характеристика способов вторичной переработки нефти

2.1 Классификация способов вторичной переработки нефти

2.2 Характеристика термических процессов

2.3 Характеристика термокаталитических процессов

3. Физико-химические основы рассматриваемого процесса

3.1 Химизм процесса каталитического крекинга

3.2 Кинетика и термодинамика процесса каталитического крекинга

3.3 Основные факторы процесса каталитического крекинга

3.4 Свойства катализаторов каталитического крекинга

4. Технологическая схема процесса вторичной переработки нефти

4.1 Технологическая схема процесса

4.2 Характеристика основного оборудования

4.3 Анализ использования сырья и материалов

4.4 Использование воды и энергии

5. Жизненный цикл продукции и основные виды воздействия процесса вторичной переработки нефти

5.1 Жизненный цикл продукции нефтепереработки

5.2 Воздействие процесса вторичной переработки нефти на окружающую среду

Заключение

Список использованных источников

Приложение А. Технологическая схема процесса

Введение

нефтяное сырье переработка крекинг

Рациональное использование нефти невосполнимого источника энергии и сырья для производства множества нефтехимических продуктов, смазочных масел, битума, кокса и др. является важнейшей государственной задачей. Показателем уровня развития нефтеперерабатывающей промышленности, принятым не только в нашей стране, но и во всем мире, является глубина переработки нефти, представляющая собой процент выхода всех нефтепродуктов на нефть, за вычетом выхода топочного мазута и величины безвозвратных потерь [1].

Переработка нефти и нефтепродуктов это процесс комплексной обработки нефти, состоящий из нескольких стадий. Результатом нефтепереработки является получение целого комплекса продуктов, которые отличаются между собой по ряду критериев. Повысить глубину переработки возможно за счет более полного извлечения топливных фракций из нефти при ее первичной перегонке, подбора наиболее благоприятного состава топливных продуктов (бензин, реактивное топливо, дизельное топливо), а самое главное, за счет развития деструктивных процессов переработки нефтяных остатков с получением ценных топливных и нефтехимических продуктов. К таким процессам относятся термические, каталитические и гидрогенизационные технологии переработки вакуумных дистиллятов, мазутов и гудронов.

Из тяжёлых нефтепродуктов посредством осуществления термического крекинга получается газойль, который широко применяется для производства автомобильного топлива и кокса. Выход готового продукта в данном случае невысокий - до двадцати процентов от перерабатываемой массы. При проведении пиролиза или так называемого, высокотемпературного крекинга, при довольно высокой температуре и атмосферном давлении, из нефтяного сырья получают газ, который применяют при изготовлении бензола, нафталина и прочих химических веществ.

При применении каталитического крекинга имеется возможность получить бензин с высоким октановым числом, а также дизельное топливо. При данном процессе осуществляется разложение тяжёлых фракций нефти с помощью катализаторов этого процесса. Использование каталитического крекинга способствует росту качества бензина по сравнению с применением термического крекинга.

Переработка нефти и нефтепродуктов, имеющих тяжёлые фракции, в которых содержится значительное количество серы и смолы, а также их соединений, осуществляется с применением гидрокрекинга - процесса крекинга, в котором используется водород. Следует отметить, что в ходе данного процесса выход готового продукта может увеличиться до семидесяти процентов.

Вторичные процессы являются также источником получения сырья для нефтехимии (газообразные и жидкие олефины, индивидуальные ароматические углеводороды высокой чистоты), на основе которого производят пластические массы, синтетический каучук, синтетические волокна и другие материалы.

1. Сырьевая база вторичной переработки нефти

Различают процессы первичной и вторичной переработки нефти. Процессы первичной переработки нефти, к которым относятся прямая перегонка под атмосферным давлением (получение топливных дистиллятов и мазута) и под вакуумом (получение масляных дистиллятов, гудрона), основываются на законах физического разделения нефти на узкие фракции. Продукты первичной переработки нефти, как правило, не являются товарными нефтепродуктами. В связи с этим, полученные при первичной переработке светлые нефтепродукты далее поступают на установки вторичных процессов, призванные осуществить улучшение качества нефтепродуктов и углубление переработки нефти.

Ко вторичным относятся процессы деструктивной переработки нефти, предназначенные для изменения ее химического состава путем термического и каталитического воздействия (каталитический крекинг, риформинг, изомеризация, гидроочистка и др.).

Сырьем для процессов вторичной переработки нефти являются нефтепродукты, полученные при первичной переработке нефти [2]. Сырьевая база для процессов вторичной переработки нефти представлена в таблице 1.

Одной из причин, обуславливающих необходимость вторичных процессов, является то, что прямая перегонка дает только тот выход светлых нефтепродуктов, который обусловлен природными свойствами нефти. Применение термокаталитических процессов позволяет получать дополнительное количество светлых нефтепродуктов из тяжелых нефтяных фракций. Например, каталитический крекинг вакуумного газойля (фракция 350-500°С, составляющая 20-30% масс. на нефть) может дать до 45-50% масс. бензина, т.е. дополнительно 10-15% бензина в пересчете на нефть. Одновременно получается фракция легкого газойля, которую после соответствующего облагораживания можно использовать в качестве дизельного топлива. Не менее важной причиной является и то, что прямая перегонка нефтей (в основном парафинистых) не может дать бензин удовлетворительных качеств [3].

Простейшей схемой первичной перегонки нефти является атмосферная трубчатая установка (AT). Из сырых нестабильных нефтей извлекают компоненты светлых нефтепродуктов бензина, керосина, дизельных топлив. Остатком атмосферной перегонки является мазут. Он подвергается вакуумной перегонке. При этом получают вакуумные газойли или масляные фракции и тяжелый

остаток гудрон. Для получения из мазута вакуумных газойлей или масляных фракций сооружают атмосферно-вакуумные установки (АВТ). Получаемые на них газойлевые, масляные фракции и гудрон используют в качестве сырья процессов последующей (вторичной) переработки их с получением топлив, смазочных масел, кокса, битумов и других нефтепродуктов.

Таблица 1 - Сырьевая база процессов вторичной переработки нефти

Наименование фракций	Интервалы кипения, °С	Где отбирается	Где используется (в порядке приоритета)
Стабильный прямогонный бензин (нафта)	н.к.-180	Вторичная перегонка бензина	Смешение бензина, товарная продукция
Стабильная легкая бензиновая	н.к.-62	Блок стабилизации	Изомеризация, смешение бензина, товарная продукция
Бензольная Толуольная Ксилольная	62-85 85-105 105-140	Вторичная перегонка бензина	Производство соответствующих ароматических углеводородов
Сырьё каталитического риформинга	85-180	Вторичная перегонка бензина	Каталитический риформинг
Тяжелая бензиновая	140-180	Вторичная перегонка бензина	Смешение керосина, зимнего дизтоплива, каталитический риформинг
Компонент керосина	180-240	Атмосферная перегонка	Смешение керосина, дизельных топлив
Дизельная	240-360	Атмосферная перегонка	Гидроочистка, смешение дизтоплив, мазутов
Мазут	360-к.к.	Атмосферная перегонка (остаток)	Вакуумная перегонка, гидрокрекинг, смешение мазутов
Вакуумный газойль	360-520	Вакуумная перегонка	Каталитический крекинг, гидрокрекинг, товарная продукция, смешение мазутов
Гудрон	520-к.к.	Вакуумная перегонка (остаток)	Коксование, гидрокрекинг, смешение мазутов

При первичной перегонке нефти получают широкий ассортимент фракций и нефтепродуктов, различающихся по температурным границам кипения, углеводородному и химическому составу, вязкости, температурам вспышки, застывания и другим свойствам, связанным с областью их применения и использования.

Углеводородный газ состоит преимущественно из пропана и бутанов, которые в растворенном виде содержатся в поступающих на переработку нефтях. В зависимости от технологии первичной перегонки нефти пропан-бутановую фракцию получают в сжиженном или газообразном состоянии. Ее используют в качестве сырья газофракционирующих установок с целью производства индивидуальных углеводородов, бытового топлива, компонента автомобильного бензина.

Бензиновая фракция 28-180°С преимущественно подвергается вторичной перегонке (четкой ректификации) для получения узких фракций (28-62, 62-85, 85-105, 105-140, 85-40, 85-180°С), служащих сырьем процессов изомеризации, каталитического риформинга с целью производства индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилолов), высокооктановых компонентов автомобильных и авиационных бензинов; применяется в качестве сырья пиролиза при получении этилена, реже как компонент товарных бензинов.

Керосиновая фракция 120-230(240)°С используется как топливо для реактивных двигателей, при необходимости подвергается демеркаптанизации, гидроочистке; фракцию 150-280°С из малосернистых нефтей используют как осветительные керосины, фракцию 140-200°С как растворитель (уайт-спирит) для лакокрасочной промышленности.

Дизельная фракция 140-320(340)°С используется в качестве дизельного топлива зимнего, фракция 180-360(380)°С в качестве летнего. При получении из сернистых и высокосернистых нефтей требуется предварительное обессеривание фракций. Фракции 200-320°С и 200-340°С из высокопарафиновых нефтей используют как сырье для получения жидких парафинов депарафинизацией.

Мазут остаток атмосферной перегонки нефти применяется как котельное топливо, его компонент или в качестве сырья установок вакуумной перегонки, а также термического, каталитического крекинга и гидрокрекинга.

Широкая масляная фракция 350-500 и 350-540(580)°С вакуумный газойль используется в качестве сырья каталитического крекинга и гидрокрекинга.

Узкие масляные фракции 320(350)-400, 350-420, 400-450, 420-490, 450-500°С используют как сырье установок производства минеральных масел различного назначения и твердых парафинов.

Гудрон остаток вакуумной перегонки мазута подвергают деасфальтизации, коксованию с целью углубления переработки нефти, используют в производстве битума, остаточных базовых масел.

Получаемая на атмосферном блоке бензиновая фракция содержит газы (в основном пропан и бутан) в объеме, превышающем требования по качеству, и не может использоваться ни в качестве компонента автобензина, ни в качестве товарного прямогонного бензина. Кроме того, процессы нефтепереработки, направленные на повышение октанового числа бензина и производства ароматических углеводородов в качестве сырья используют узкие бензиновые фракции. Этим обусловлено включение в технологическую схему первичной переработки нефти процесса вторичной перегонки, при которой от бензиновой фракции отгоняются сжиженные газы, и осуществляется её разгонка на 2-5 узких фракций на соответствующем количестве колонн. Процесс осуществляется на отдельных установках или блоках, входящих в состав AT и АВТ. Сырьем для вторичной перегонки является широкая бензиновая фракция н.к.-180°С.

Продукция:

1) фракция н.к.-62°С используется как компонент товарного автомобильного бензина и сырье установок изомеризации;

2) фракция 62-85°С является сырьем установок каталитического риформинга, на которых вырабатывается бензол;

3) фракция 85-105°С служит сырьем установок каталитического риформинга, на которых вырабатывается толуол;

4) фракция 105-140°С применяется в качестве сырья установок каталитического риформинга, на которых вырабатываются ксилолы;

5) фракция 140-180°С используется как компонент товарного автобензина и авиакеросина, сырье установок каталитического риформинга, работающих в режиме получения высокооктанового бензина и установок гидроочистки керосина.

Основное назначение процесса вакуумной перегонки мазута получение вакуумного газойля широкого фракционного состава (350-500°С), используемого как сырье установок каталитического крекинга, гидрокрекинга или пиролиза и в некоторых случаях термического крекинга с получением дистиллятного крекинг-остатка, направляемого далее на коксование с целью получения высококачественных нефтяных коксов. При вакуумной перегонке мазута топливного профиля получают следующие продукты:

1) газойлевая фракция 150-280°С компонент дизельного топлива;

2) легкий вакуумный газойль 250-380°С компонент дизельного, котельного и газотурбинного топлива;

3) вакуумный газойль (или утяжеленный вакуумный газойль) 300-500°С

4) (350-550°С) на гидроочистку и каталитический крекинг с получением ценных моторных топлив;

5) гудрон выше 500(550)°С на коксование или висбкрекинг, на получение битума, как компонент котельного топлива.

Продукты, получаемые при вакуумной перегонке по масляной схеме:

1) масляная фракция 350-420(420-500)°С на селективную очистку, депарафинизацию, гидроочистку с получением базовых дистиллятных масел;

2) гудрон выше 500°С деасфальтизация, селективная очистка, получение базового масла.

2. Характеристика способов вторичной переработки нефти

Поскольку приописании процессов вторичной переработки используются наименования групп углеводородов, входящих в состав нефти и нефтепродуктов, приведем краткие описания данных групп и влияние углеводородного состава на показатели качества нефтепродуктов [4].

Парафины насыщенные (не имеющие двойных связей между атомами углерода) углеводороды линейного или разветвленного строения. Подразделяются на следующие основные группы:

- нормальные парафины, имеющие молекулы линейного строения. Обладают низким октановым числом и высокой температурой застывания, поэтому многие вторичные процессы нефтепереработки предусматривают их превращение в углеводороды других групп.

- изопарафины с молекулами разветвленного строения. Обладают хорошими антидетонационными характеристиками (например, изооктан эталонное вещество с октановым числом 100) и пониженной, по сравнению с нормальными парафинами, температурой застывания.

- нафтены (циклопарафины) насыщенные углеводородные соединения циклического строения. Доля нафтенов положительно влияет на качество дизельных топлив (наряду с изопарафинами) и смазочных масел. Большое содержание нафтенов в тяжёлой бензиновой фракции обуславливает высокий выход и октановое число продукта риформинга.

- ароматические углеводороды - ненасыщенные углеводородные соединения, молекулы которых включают в себя бензольные кольца, состоящие из 6 атомов углерода, каждый из которых связан с атомом водорода или углеводородным радикалом. Оказывают отрицательное влияние на экологические свойства моторных топлив, однако обладают высоким октановым числом. Поэтому процесс, направленный на повышение октанового числа прямогонных фракций - каталитический риформинг, предусматривает превращение других групп углеводородовв ароматические углеводороды. При этом предельное содержание ароматических углеводородов и, в первую очередь, бензола в бензинах ограничивается стандартами.

- олефины - углеводороды нормального, разветвлённого или циклического строения, молекулы которых содержат двойные связи между атомами углерода. Во фракциях, получаемых при первичной переработке нефти, практически отсутствуют, в основном содержатся в продуктах каталитического крекинга и коксования. Ввиду повышенной химической активности, оказывают отрицательное влияние на качество моторных топлив.

2.1 Классификация способоввторичной переработки нефти

Четкая классификация вторичных процессов переработки нефтяного сырья затруднительна. Ниже приводится краткая характеристика вторичных процессов, частично сгруппированных по родственным признакам [3].

2.1.1 Термические процессы. К этим процессам, получившим широкое распространение, относятся:

а) термический крекинг при повышенном давлении (2,0-4,0 МПа) жидкого (в настоящее время в основном тяжелого) сырья с получением газа и жидких продуктов;

б) коксование тяжелых остатков или высокоароматизированных тяжелых дистиллятов при невысоком давлении (до 0,5 МПа) с получением кокса, газа и жидких продуктов;

в) пиролиз (высокотемпературный крекинг) жидкого или газообразного сырья при невысоком давлении (0,2-0,3 МПа) с получением газа, богатого непредельными углеводородами, и жидкого продукта;

Эта группа процессов характеризуется высокими температурами в зоне реакции от 450 до 900°С. Под действием высокой температуры нефтяное сырье разлагается (собственно крекинг). Этот процесс сопровождается вторичными реакциями уплотнения вновь образовавшихся углеводородных молекул.

Термический крекинг под давлением применяли ранее для переработки различного сырья-лигроина, газойлей, мазутов - с целью получения автомобильного бензина. При переработке тяжелых нефтяных остатков (полугудроны, гудроны) целевым продуктом обычно является котельное топливо, получаемое за счет снижения вязкости исходного остатка. Такой процесс неглубокого разложения сырья носит название легкого крекинга, или висбрекинга. Висбрекинг проводят при давлении ~2 МПа и температуре 450-500 °С.

Коксование нефтяных остатков проводят в направлении их «декарбонизации», когда асфальто-смолистые вещества, содержащиеся в исходном сырье, концентрируются в твердом продукте - коксе; в результате получаются более богатые водородом продукты - газойль, бензин и газ. Обычно целью процесса является получение кокса, но остальные продукты также находят квалифицированное применение.

Разновидность термического крекинга нефтяных остатков при невысоком давлении - деструктивная перегонка - направлена на получение максимального выхода соляровых фракций при минимальном количестве тяжелого жидкого остатка.

Коксование и деструктивную перегонку проводят при 450-550 °С.

Пиролиз - наиболее жесткая форма термического крекинга. Сырье пиролиза весьма разнообразно. Температура процесса 700-900°С, давление близко к атмосферному. Цель процесса - получение газообразных непредельных углеводородов, в основном этилена и пропилена; в качестве побочных продуктов образуются ароматические углеводороды (бензол, толуол, нафталин).

К разновидности термических процессов часто относят и термоокислительные процессы (производство битума, газификация кокса, углей и др.).

2.1.2 Термокаталитические процессы. К ним относятся:

а) каталитический крекинг;

б) каталитический риформинг;

в) каталитическая изомеризация;

г) гидрогенизационные процессы (гидроочистка, гидрообессеривание, гидрокрекинг).

Основное назначение каталитического крекинга - получение высококачественного бензина; кроме того, получают газ, богатый бутан-бутиленовой фракцией (сырье для производства компонента высокооктановых бензинов), и газойлевые фракции. Катализаторы - алюмосиликаты, аморфные или более совершенные - кристаллической структуры (цеолиты). По температурному режиму процесс аналогичен термическому крекингу (470-540°С), но скорость реакций на несколько порядков больше, а качество получаемого бензина гораздо выше.

Сущность каталитического риформинга - ароматизация бензиновых фракций, протекающая в результате преобразования нафтеновых и парафиновых углеводородов в ароматические. Продуктами являются высокооктановый ароматизированныйбензин или (после соответствующих операций с целью их извлечения) индивидуальные ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы), которые используют в нефтехимической промышленности. Процесс осуществляют на катализаторах (платформинг) при 480-540°С и 2-4 МПа.

Каталитическая изомеризация легких бензиновых углеводородов (н-пентан и н-гексан) служит для повышения их октанового числа и использования в качестве компонентов высокооктановых бензинов. Подобно риформингу процесс осуществляют на алюмо-платиновых катализаторах под давлением водорода.

В результате термокаталитических преобразований нефтяного сырья под давлением водорода можно получать продукты весьма благоприятного состава. В зависимости от глубины воздействия водорода и назначения различают три разновидности гидрогенизационных процессов:

1. Гидроочистку проводят с целью облагораживания бензинов, дизельных топлив, масел и других нефтепродуктов путем разрушения содержащихся в них сернистых соединений и удаления серы в виде сероводорода. Наряду с обессериванием происходит насыщение непредельных углеводородов, а при более глубокой форме процесса - гидрирование ароматических углеводородов до нафтеновых.

2. Целью гидрообессеривания является снижение содержания серы в тяжелых остатках сернистых нефтей с целью использования этих остатков в качестве котельного топлива.

3. Гидрокрекинг - глубокое термокаталитическое превращение нефтяного сырья (в основном тяжелых сернистых дистиллятов) для получения бензина, реактивного и дизельного топлив.

Основные формы промышленных гидрогенизационных процессов характеризуются последовательным использованием катализаторов гидрообессеривания (А1-Со-Мо или А1-Ni-Мо) и катализаторов расщепления (Pt и Pd на носителе). Температуры лежат в пределах 350-500°С; давление в зависимости от глубины процесса меняется от 3 МПа (гидроочистка) до 15-20 МПа (гидрокрекинг).

2.1.3 Низкотемпературный каталитический процесс каталитическое алкилирование изобутана олефинами на основе заводских газов.

Процесс ведут в присутствии серной кислоты или жидкого фтористого водорода, базируясь на изобутане из газов каталитического крекинга и на бутиленах (или на пропилене), содержащихся в газах каталитического крекинга и термических процессов. Обе разновидности процесса проводят при низких температурах и давлениях (0-30°С, 0,4-0,5 МПа). Целевым продуктом является алкилат высокооктановый компонент автомобильных и авиационных бензинов.

Существует три основных направления переработки нефти:

- топливное;

- топливно-масляное;

- нефтехимическое или комплексное (топливно-нефтехимическое или топливно-масляно-нефтехимическое).

При топливном направлении нефти и газовый конденсат в основном перерабатываются на моторные и котельные топлива. Переработка нефти на НПЗ топливного профиля может быть глубокой и неглубокой. Технологическая схема НПЗ с неглубокой переработкой отличается небольшим числом технологических процессов и небольшим ассортиментом нефтепродуктов. Выход моторных топлив по этой схеме не превышает 55-60 % масс. и зависит в основном от фракционного состава перерабатываемого нефтяного сырья. Выход котельного топлива составляет 30-35 %.

При глубокой переработке стремятся получить максимально высокий выход высококачественных моторных топлив путём вовлечения в их производство остатков атмосферной и вакуумной перегонки, а также нефтезаводских газов. Выход котельного топлива в этом варианте сводится к минимуму. Глубина переработки нефти при этом достигается до 70-90 % масс.

По топливно-масляному варианту переработки нефти наряду с моторными топливами получают различные сорта смазочных масел. Для производства последних подбирают обычно нефти с высоким потенциальным содержанием масляных фракций с учётом их качества.

Нефтехимическая и комплексная переработка нефти предусматривает наряду с топливами и маслами производство сырья для нефтехимии (ароматические углеводороды, парафины, сырьё для пиролиза и др.), а в ряде случаев - выпуск товарной продукции нефтехимического синтеза.

Глубокая степень переработки нефти достигается широким использованием вторичных процессов, таких как каталитический крекинг (36%), каталитический риформинг (19%), гидроочистка (41%), гидрокрекинг (9,3%), коксование, алкилирование, изомеризация и др.

На рисунке 2 представлена схема глубокой переработки нефтина НПЗ топливного профиля.

Рассмотрим наиболее значимые процессы вторичной переработки нефти.

Рисунок 2 Схема глубокой переработки нефти [1]

2.2 Характеристика термических процессов

2.2.1 Термический крекинг

Термический крекинг процесс переработки нефтяных фракций путем их термического разложения с целью получения дополнительного количества светлых нефтепродуктов (бензина), термогазойля для производства сажи и крекинг-остатка для производства игольчатого кокса. Известно несколько вариантов процесса: крекинг в реакционном змеевике без выделения зоны крекинга в отдельную секцию, крекинг с сокинг-секцией, крекинг с выносной реакционной камерой с уровнем жидкой фазы и без него, повторный крекинг дистиллятных продуктов в отдельной печи или в смеси с исходным сырьем, крекинг с дополнительной разгонкой крекинг-остатка под вакуумом. Особую разновидность термического крекинга представляет собой висбрекинг (легкий крекинг) процесс, предназначенный для превращения гудрона в котельное топливо с низкими вязкостью и температурой застывания.

Сырьем установок термического крекинга являются мазуты, гудроны, асфальты, экстракты, тяжелые газойли каталитического крекинга, нефтяные остатки с очистных сооружений.

Основной реакцией при термическом крекинге является реакция разложения (расщеплении, крекинга). Легче всего подвергаются крекингу парафиновые углеводороды, затем нафтеновые; наиболее устойчивы ароматические углеводороды. В каждом гомологическом ряду легче подвергаются крекингу углеводороды большей молекулярной массы. Таким образом, более тяжелые фракциинефтяных продуктов менее стабильны и крекируются значительно легче, чем более легкие.

При крекинге технического парафина, состоящего главным образом из углеводородов С₂₄Н₅₀, С₂₅Н₅₂ и C₂₆H₅₄. образуются парафиновые углеводороды и олефины, состоящие из 12,13 и 14 атомов углерода, т. е. приблизительно из половины углеродных атомов исходного парафина. Это указывает на то, что разрыв С-С-связей при крекинге парафинов высокой молекулярной массы происходит в средней части молекулы. В результате крекинга вновь образовавшиеся парафиновые углеводороды в свою очередь могут распадаться на более простые молекулы, образуя также одну молекулу парафинового углеводорода и одну молекулу олефинового.

При крекинге нафтеновых углеводородов основными реакциями являются деалкилирование (отщепление парафиновых боковых цепей) и дегидрогенизация шестичленных нафтеновых углеводородов в ароматические углеводороды; эти реакции могут происходить одновременно.

В процессе термокрекинга, наряду с реакциями разложения, в результате которых получаются газ и бензин, идут вторичные реакции уплотнения образовавшихся продуктов, в результате которых получается крекинг-остаток и кокс. На химизм процесса оказывают влияние его продолжительность (время пребывания углеводородов в реакционной зоне), характер исходного сырья, давление.

Поскольку сырье для промышленных установок термического крекинга является смесью многих углеводородов сложного строения, детально объяснить механизм термического крекинга невозможно вследствие одновременного протекания различных реакций. Однако считают, что большинство реакций термического крекинга можно объяснить, основываясь на теории образования свободных радикалов.

Промышленный процесс термического крекинга проводится в двух печах. В одной из печей легкому крекингу (при 470-485°С и 4-4,5 МПа) подвергают тяжелую часть мазута, а во второй печи при том же давлении, что и в первой, глубокому крекингу при 500-510°С керосино-газойлевые фракции, содержащиеся в исходном сырье (мазуте) и образующиеся после его легкого крекинга.

Повышение температуры увеличивает скорость протекающих реакций, глубину процесса, а также приводит к преобладанию реакций расщепления по сравнению с реакциями уплотнения. Глубина процесса 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 вначале растет, затем достигает некоторого максимума и начинает снижаться. Данное явление связано с тем, что скорость разложения бензина на газ начинает превышать скорость образования бензина.

Давление заметно не влияет на скорость крекинга и образование бензина при обычных его выходах. Однако крекинг под давлением обеспечивает наиболее желательные условия для распределения тепла и устранения местного перегрева и поэтому дает меньший выход смол и кокса, протекает с максимальным эффектом и минимальным расходом топлива. Повышение давления позволяет увеличить производительность установок.

К основным продуктам превращения термического крекинга относятся:

1. Газ содержит сероводород, непредельные и предельные углеводороды, направляется для дальнейшей переработки на ГФУ.

2. Бензин имеет октановое число 54-70, 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.

3. Газойлевые фракции используются в производстве технического углерода (сажи), как компонент котельного топлива, а после гидроочистки для приготовления дизельных и газотурбинных топлив.

4. Крекинг-остаток направляется на установки замедленного коксования для производства кокса, применяется как компонент котельного топлива.

Выход бензина при термическом крекинге зависит наряду с прочими условиями от вида сырья: он составляет (по массе) для гудрона 10-12%, мазута 30-35, газойля 50-55, керосина 60-65. Бензины термического крекинга содержат непредельные углеводороды и имеют низкое качество.

Автомобильные бензины, приготовляемые смешением бензинов первичной перегонки нефти и термического крекинга мазута, в последние годы перестали удовлетворять требованиям потребителей по октановой характеристике (из-за повышения степени сжатия горючей смеси в цилиндрах двигателей). Поэтому роль термического крекинга уменьшилась и на смену ему пришли каталитический крекинг, каталитический риформииг и другие каталитические процессы. Эти процессы позволяют получать бензин, более стабильный и с большим октановым числом (83-95 по моторному и 90-103 по исследовательскому методу). Поэтому новых установок термического крекинга сейчас не строят, а старые, в том числе и двухпечные, приспосабливают для термической обработки сырья для сажи, реконструируют или демонтируют.

Реконструкция установок термического крекинга осуществляется в двух направлениях: для легкого крекинга (висбрекиига) гудронов с получением из них стандартных (по вязкости) топочных топлив и сортовых мазутов и для первичной перегонки нефти.

2.2.2 Коксование

Назначение производство кокса, дистиллятных продуктов (бензина, газойлей) из тяжелых углеводородных остатков. Существует несколько модификаций процесса: периодическое коксование в кубах, замедленное коксование в необогреваемых камерах, коксование в псевдоожиженном слое порошкообразного кокса.

Коксование тяжелых нефтяных остатков можно рассматривать как форму более глубокого термического крекинга, который осуществляют обычно при 445-540°С и давлении от атмосферного до 0,6 МПа. Для коксования характерны те же химические превращения, которые происходят при термическом крекинге. Аналогично влияютна процесс такие факторы, как температура, давление, продолжительность пребывания в реакционной зоне. При коксованииважное место приобретают вопросы получения кокса с заданными показателями, которые решаются путем подготовки сырья и подбора условий коксования с учетом принципов физико-химической механики нефтяных дисперсных систем.

Сырьем установок коксования являются остатки перегонки нефти мазуты, гудроны, производства масел асфальты, экстракты, термокаталитических процессов крекинг-остатки, тяжелая смола пиролиза, тяжелый газойль каталитического крекинга. За рубежом, кроме того, используют каменноугольные и нефтяные пеки, гильсонит, тяжелую нефть и др. Основные требования к качеству сырья определяются назначением процесса и типом установки; в частности, для установок замедленного коксования при производстве электродного кокса содержание компонентов подбирается так, чтобы обеспечить, во-первых, получение кокса заданного качества, во-вторых, достаточную агрегативную устойчивость, позволяющую нагреть сырье до заданной температуры в змеевике печи; в-третьих, повышенную коксуемость для увеличения производительности единицы объема реактора по коксу. Значения показателей качества сырья устанавливают экспериментально, исходя из сырьевых ресурсов конкретного завода.

К основным продуктам процесса коксования относятся:

1. Нефтяной кокс применяется в производстве анодов и графитированных электродов, используемых для электролитического получения алюминия, стали, магния, хлора и т. д., в производстве карбидов, в ядерной энергетике, в авиационной и ракетной технике, в электро- и радиотехнике, в металлургической промышленности, в производстве цветных металлов в качестве восстановителя и сульфидсодержащего материала.

2. Газ по составу близок к газу термического крекинга. Газ направляют на ГФУ или используют в качестве топлива. При коксовании сернистых остатков газ коксования предварительно очищают от сероводорода. Газ коксования содержит значительно меньше непредельных углеводородов, чем газ термического крекинга. Например, в газе термического крекинга содержится 20-26% олефинов С₂-С₄, а в газе замедленного коксования 5-15%, поэтому он является менее ценным сырьем для дальнейшей переработки.

3. Бензин отличается повышенным содержанием непредельных углеводородов, имеет низкую химическую стабильность, после гидроочистки и риформирования его применяют как компонент бензина.

4. Легкий газойль (фр. 160-350°С) используется в качестве компонента дизельного, печного, газотурбинного топлива непосредственно или после гидроочистки.

5. Тяжелый газойль (фр. >350°С) добавляют в котельное топливо или подвергают термическому крекингу для получения сажевого сырья и дистиллятного крекинг-остатка; последний применяют для производства кокса «игольчатой» структуры.

К технологическому оборудованию, с помощью которого проводится процесс коксования, относятся трубчатые печи, коксовые камеры, колонная аппаратура, насосы, запорная и переключающая арматура, теплообменники, конденсаторы и др.

2.2.3 Пиролиз

Пиролиз наиболее жесткая форма термического крекинга нефтяного и газового сырья, осуществляемая обычно при 700-900°Сс целью полученияуглеводородного газа с высоким содержанием непредельных. Режим может быть направлен на получение максимального выхода этилена, пропилена или бутиленов и бутадиена. Наряду с газом образуется некоторое количество жидкого продукта смолы, содержащей значительные количества моноциклических(бензол, толуол, ксилолы) и полициклических ароматических углеводородов (нафталин, антрацен). Долгое время, пока не был разработан процесс каталитического риформинга, пиролиз являлся практически единственным промышленным методом получения ароматических углеводородов из нефти.

Пиролизу присуще глубокое преобразование исходного сырья, приводящее к легким газообразным углеводородам, к ароматическим моно- и полициклическим углеводородам, а также к продуктам глубокого уплотнения (кокс и сажа).

Если обратиться к графику изменения энергии Гиббса для некоторых углеводородов в зависимости от температуры, станет очевидным, что в области высоких температур наиболее стабильны олефины и ароматические углеводороды. Выше 790°С этилен становится стабильнее этана; при еще более высоких температурах (>1120°С) наиболее стабилен ацетилен; таким образом, интервал 790-1120°С является термодинамически возможным для получения этилена из этана. Аналогичные соображения для пиролиза пропана с целью получения этилена позволяют установить примерный температурный интервал от 660 до 930°С.

Реакции образования ароматических углеводородов при пиролизе весьма многообразны. В результате термической сополимеризации непредельных образуются циклоолефины, которые далее дегидрируются до ароматических углеводородов. Эта и подобные ей реакции, относящиеся к так называемому диеновому синтезу, свойственны пиролизу и обусловливают ароматизированный состав смолы.

В процессе пиролиза бензина (нафты) получают пирогаз (по С₄ включительно), пиробензин (С₅-190°С), пироконденсат тяжелое масло (выше 190°С) и пар. Получаемый при пиролизе этилен используется для производства оксида этилена, этилового спирта, полимеров (полиэтилена), стирола, пластмасс и др. Пропилен является исходным мономером для производства полипропилена, акрилонитрила и бутадиена.

Основные направления использования жидких продуктов пиролиза бензола и других ароматических углеводородов, нефтеполимерных смол, как компонент автобензинов, котельных топлив, сырья для производства технического углерода, пеков, высококачественных коксов и др.

Сырьём в процессах пиролиза служат газообразные и жидкие углеводороды: газы, лёгкие бензиновые фракции, газоконденсаты, рафинаты каталитического риформинга и реже керосиногазойлевые фракции.

От сырья и технологического режима пиролиза зависят выходы продуктов. Наибольший выход этилена получается при пиролизе этана. По мере утяжеления сырья выход этилена снижается и увеличивается выход жидких продуктов смол пиролиза.

Из технологических параметров на выход низших олефинов наибольшее влияние оказывает температура, время контакта и парциальное давление углеводородов в реакционной зоне.

При данной температуре с увеличением времени контакта (ф) концентрация олефина в пиролизе (следовательно, и его выход) растёт, достигает максимального значения при ф_опт, затем падает. С повышением температуры величина максимума выхода олефинов растёт, и этот максимум достигается при меньших значениях ф_опт. Причём для каждого индивидуального олефина имеется свой оптимальный режим пиролиза, обеспечивающий максимум его выхода (этиленовый, пропиленовый или бутиленовые режимы пиролиза).

Увеличению выхода олефинов способствует также снижение парциального давления сырья в реакционной зоне путём разбавления его водяным паром или, что более эффективно, водородом.

Разбавление сырья пиролиза водяным паром и особенно водородом приводит не только к увеличению выхода этилена, но, и, что исключительно важно, эффективно замедляет скорость вторичных реакций синтеза, приводящих к образованию пироуглерода. Водород в условиях пиролиза является не только разбавителем, но и гидрирующим компонентом, тормозящим образование тяжёлых продуктов конденсации, в том числе пироуглерода.

Современные установки пиролиза очень сложны. Основными частями их являются: печи, секции конденсации, абсорбции H₂S и СО₂, секции осушки, сжижения, группа колонн для выделения отдельных фракций и углеводородов, узел закалочного охлаждения, оборудование для обеспечения холода в регенерации тепла и др. На современных установках пиролиз углеводородов сырья осуществляют в трубчатых печах с повышенной теплонапряженностью и малым временем пребывания сырья в зоне реакции. На установках предусмотрено максимальное использование тепла и получение пара высокого давления до 12 МПа (120 кгс/см²), применяемого для привода турбокомпрессоров и пара среднего давления, используемого для разбавления и нагрева сырья пиролиза.

Существенные недостатки печей установок пиролиза (необходимость остановок для выжигания кикса, большая металлоемкость, в том числе и высококачественных легированных сталей) явились причиной поисков других методов пиролиза. За последнее время интенсивно изучены и опробованы термоконтактный пиролиз, особенно в псевдоожиженном слое теплоносителя, гомогенный пиролиз в токе водяного пара, предварительно перегретого до 2000°С, а также пиролиз углеводородного сырья в условиях конденсации паров таких металлов, как кадмий, цинк и свиней.

2.2.4 Производство битумов

В настоящее время области использования битумов чрезвычайно широки: дорожное строительство, изготовление кровельных материалов, строительство зданий и сооружений, для изоляции трубопроводов, применение в лакокрасочной и кабельной промышленности, для заливочных аккумуляторных мастик и др.

Битумы принято классифицировать по назначению на дорожные, кровельные, изоляционные, строительные и специальные. Они представляют сложную коллоидную систему, состоящую из асфальтенов, высокомолекулярных смол и масел: асфальтены придают твёрдость и высокую температуру размягчения; смолы повышают цементирующие свойства и эластичность; масла являются разжижающей средой, в которой растворяются смолы и набухают асфальтены.

Для производства нефтяных битумов используют три основных способа:

1) концентрирование ТНО (тяжёлые нефтяные остатки) путём их перегонки под вакуумом (остаточные битумы);

2) окисление кислородом воздуха различных ТНО (окисленные битумы);

3) компаундирование остаточных и различных ТНО (компаундированные битумы).

Битумы вырабатываются в основном их тяжёлых нефтяных остатков: гудронов, мазутов тяжёлых нефтей, асфальтов деасфальтизации, крекинг-остатков и др. Оптимальным сырьём для производства битумов являются остатки из асфальто-смолистых нефтей нафтенового или нафтено-ароматического основания. Чем выше в нефти отношение асфальтенов к смолам и ниже содержание твёрдых парафинов, тем лучше качество получаемых из них битумов и проще технология их производства. Нефти, из остатков которых вырабатывают битумы должны быть хорошо обессолены. Наличие сернистых и других гетеросоединений в сырье не ухудшает товарных свойств битумов.

Основными факторами процесса окисления (окислительной дегидроконденсации) являются температура, расход воздуха, давление.

Чем выше температура окисления, тем быстрее протекает процесс. Но при слишком высокой температуре ускоряются реакции образования карбенов и карбоидов, что недопустимо.

Чем больше вводится в зону реакции воздуха, тем меньше времени требуется для окисления (то есть кислород является инициатором процесса). При слишком большой подаче воздуха температура в реакционной зоне может подняться выше допустимой. Так как реакция окисления экзотермическая, то изменением расхода воздуха можно регулировать температуру процесса.

С повышением давления в зоне реакции процесс окисления интенсифицируется и качество окисленных битумов улучшается благодаря конденсации части масляных паров. В частности, повышается пенетрация битума при одинаковой температуре его размягчения. Обычно давление колеблется от 0,3 до 0,8 МПа.

Основным аппаратом установок непрерывного действия для производства битума является либо трубчатый реактор, либо окислительная колонна.

Окислительные колонны предпочтительны для производства дорожных битумов, трубчатые реакторы - в производстве строительных битумов. Отдельные установки в своём составе имеют оба аппарата.

2.3 Характеристика термокаталитических процессов

2.3.1 Каталитический крекинг

Основное целевое назначение каталитического крекинга - производство с максимально высоким выходом (до 50 % и более) высокооктанового бензина и ценных сжиженных газов - сырья для последующего производства высокооктановых компонентов бензинов изомерного строения: алкилата и метил-трет-бутилового эфира, а также сырья для нефтехимических производств. Получающийся в процессе легкий газойль используется обычно как компонент дизельного топлив, а тяжёлый газойль с высоким содержанием полициклических аренов - как сырьё для производства технического углерода или высококачественного электродного кокса (игольчатого).

Физико-химические основы процесса каталитического крекинга подробно описаны в разделе 3.

В качестве сырья в процессе каталитического крекинга традиционно используется вакуумный газойль (дистиллят) широкого фракционного состава 350-500°С. В ряде случаев в сырьё каталитического крекинга вовлекаются газойлевые фракции термодеструктивных процессов, гидрокрекинга, рафинаты процессов деасфальтизации мазутов и гудронов, полупродукты масляного производства и др.

Наилучшим для процесса каталитического крекинга по выходу целевых продуктов (бензина и сжиженных газов) является сырье с преобладанием парафиновых и циклоалкановых углеводородов. Полициклические арены и смолы сырья в условиях крекинга дают мало бензина и много тяжёлых фракций и кокса. Сернистые и кислородные соединения однотипного по химическому составу сырья не оказывают существенного влияния на материальный баланс каталитического крекинга, но ухудшают качество продуктов. Однако следует отметить, что с увеличением содержания гетероорганических соединений в сырье, как правило, одновременно повышается содержание в нем полициклических углеводородов и смол.

Целевые продукты процесса авиационные и высокооктановые автомобильные бензины (октановое число 90-92 по исследовательскому методу, выход на сырье до 50%), а также газойли, которые после облагораживания используют как дизельное топливо или компоненты котельных топлив. В процессе каталитического крекинга образуется газ, который разделяется на сухой газ (0,5-5% на сырье), используемый в качестве топлива, и жирный газ (6,5-22% на сырье, пропан-пропиленовая и бутан-бутиленовая фракции), который служит сырьем для нефтехимии. Кокс (2,5-6%) является нежелательным продуктом. Высокие результаты крекинга сырья при использовании цеолитсодержащих катализаторов обеспечиваются при содержании кокса на них после реактора не более 0,8-1,0% и при остаточном коксе после регенерации катализатора не более 0,05-0,10%. Содержание кокса на катализаторе зависит от кратности циркуляции катализатора в процессе.

Состав и выход продуктов каталитического крекинга зависят от характеристики сырья, свойств катализаторов (их активности и селективности), температурного режима в аппарате, кратности циркуляции катализатора и типа установки. В процессах каталитического крекинга применяют алюмосиликатные и цеолитсодержащие катализаторы в виде шариков диаметром 3-4 мм или микросфер со средним диаметром 60-65 мм. Подробно данные аспекты описаны в разделе 3.

Процесс каталитического крекинга в своем развитии претерпел ряд стадий, отличающихся способами контактирования сырья с катализатором: 1) крекинг в стационарном слое в аппаратах, работающих периодически в сменно-циклическом режиме реакции и регенерации; 2) крекинг в непрерывно работающих аппаратах с плотным движущимся слоем катализатора; 3) крекинг с псевдоожиженным слоем катализатора в реакторе и регенераторе; 4) установки с лифтами-реакторами, где реакция крекинга осуществляется в сквозном потоке при пневмотранспорте катализатора. Такое многообразие аппаратурного исполнения процесса связано с совершенствованием состава и свойств катализаторов, что обеспечивает возможность сокращения времени их контактирования с сырьем от 600-1800 с для установок с движущимся плотным слоем, до 90-180 с для установок с псевдоожиженныи слоем и до 2-6 с для лифтов-реакторов.

Процесс каталитического крекинга эндотермичен и требует подвода тепла. Тепло, выделяемое при регенерации катализатора, частично поступает с катализатором в реактор, а его избыток используется для получения водяного пара.

Технологическая схема процесса каталитического крекинга приведена в разделе 4.

2.3.2 Каталитический риформинг

При помощи каталитического риформинга низкооктановые бензиновые фракции, получаемые при первичной перегонке нефти, превращают в высокооктановые компоненты автомобильного и даже авиационного бензина. Обычно такой вариант процесса называют каталитическим риформннгом с целью облагораживания, другим вариантом является каталитический риформинг для получения бензола, толуола и ксилолов, являющихся важным сырьем для органического синтеза. Исходным сырьем являются те же бензиновые фракции или более узкие. В настоящее время процесс получения ароматических углеводородов указанным способом наиболее экономичен. В отдельных случаях каталитический риформинг используют для получения других продуктов, например топливного газа из легких углеводородов. Возможность выработки столь разнообразных продуктов объясняет широкое применение этого процесса.

Особенностью каталитического риформинга является его протекание в среде водородсодержащего газа при высоких температурах, сравнительно низких давлениях и с применением высокоактивных катализаторов. При этом образуется избыток водорода, который выводят из системы в виде водородсодержащего газа (в нем содержится до 80% об. водорода). Этот водород значительно дешевле водорода, получаемого на специальных установках; его используют при гидроочистке нефтяных дистиллятов.