Висбрекинг

Выход бензина при висбрекинге составляет – 2 ч 5 % масс. на сырье.

Принятая проектом технология процесса висбрекинга гудрона предусматривает термическое его разложение при высокой температуре (до 500 0С) и давлением до 37 кгс/см2 в трубчатой печи, сочетающей нагревательный и реакционный змеевик, с последующим охлаждением реакционной массы на выходе из печи циркулирующим потоком остатка висбрекинга (квенчинг) до 420 0С. разделение продуктов крекинга осуществляется в колонне при давлении 4,5ч4,8 кгс/см2, при малом (до одной минуты) времени пребывания жидкой фазы в ректификационной колонне первичного испарения.

Выделенная дизельная фракция в концентрационной части ректификационной колонны первичного испарения после охлаждения вовлекается совместно с рабочей жидкостью с вакуумного блока установки ЭЛОУ-АВТ-6 в количестве обеспечивающей получение мазута топочного вторичного.

Предусмотрены мероприятия, замедляющие коксообразование:

- использование в качестве турбулизатора  подачи в реакционный змеевик  печи П-104 водяного конденсата.

Важнейшими факторами, определяющими процесс легкого термического крекинга, являются давление, температура и продолжительность крекинга, подача турбулизаторов и рециркуляция продуктов крекинга и другие.

Давление существенного влияния на процесс висбрекинга не оказывает, если крекинг тяжелых нефтепродуктов протекает в жидкой фазе при температуре 420ч480 0С.

Влияние давления повышается, как только образующиеся продукты распада или исходное сырье переходят в паровую фазу (480ч500 0С).

 Обычно при крекинге остаточного сырья применяют невысокое давление в пределах 25 кгс/см2.

Это позволяет:

- вести процесс в жидкой фазе;

- быстро выводить из реакционного змеевика первичные продукты распада – газойлевые фракции, не давая им разлагаться на газ и бензин.

Повышение давления увеличивает количество продуктов уплотнения.

Температура и продолжительность крекинга являются факторами при определенных температурах взаимозаменяемыми. Увеличивая температуру крекинга и уменьшая продолжительность времени пребывания в зоне высоких температур, можно получить ту же глубину разложения сырья, что и при более мягкой температуре, но с большей длительности крекинга.

Процесс висбрекинга представляет собой совокупность реакций разложения и уплотнения молекул. При уменьшенных температурах 420-450 0С преобладают реакции полимеризации и уплотнения, а при более высоких 450-500 0С реакции расщепления. С повышением температуры скорость реакции обоего типа возрастает. Однако, скорость реакций разложения увеличивается значительно быстрее, чем реакций уплотнения и эта разница будет тем больше, чем выше температура.

Действие температуры наблюдается в широком диапазоне глубины превращения гудрона и объясняется разным значением энергии активации реакций распада и уплотнения.

При термическом крекинге гудрона средняя энергия активации распада составляет 55000 калл/моль, а уплотнения 30000 калл/моль, при этом температурные градиенты скорости реакций собственно равны 15 и 28 0С, т.е. реакции уплотнения значительно менее чувствительны к температуре, чем реакции распада. Таким образом, процесс термокрекинга остаточных фракций целесообразно вести при повышенных температурах.

Вязкость получаемого остатка висбрекинга во многом зависит от температуры.

С повышением температуры крекинга выход продуктов уплотнения уменьшается, а продуктов распада (особенно газа и бензина) возрастает.

От температуры крекинга зависит вязкость получаемого остатка висбрекинга. Температурный предел 500-510 0С считается оптимальным для снижения вязкости остатка висбрекинга при глубине крекинга 20 % и более.

Для получения товарного мазута вторичного топочного глубина разложения сырья должна быть на уровне 25-30 %. Такая глубина превращения обеспечивает получение средних фракций в количестве, необходимом для разбавления остатка висбрекинга, позволяющем снизить его вязкость и температуру застывания до нужной величины.

Оптимальная глубина разложения, обеспечивающая получение товарного мазута вторичного топочного, достигается при проведении процесса висбрекинга при температуре 480-500 0С и малом времени пребывания сырья.

Подача турбулизаторов и рециркуляция продуктов крекинга.

Снижение вязкости при висбрекинге происходит за счет разложения крупных молекул на более мелкие с образованием газа, низкооктанового бензина с высоким содержанием непредельных углеводородов и средних дистиллятных фракций.

 Наряду с дистиллятными фракциями, образуется значительное количество  газа и продуктов уплотнения, которые, оседая на стенках аппаратуры  и трубопроводов, приводят к быстрому  ее закоксованию.

Для увеличения выхода средних фракций и уменьшения коксоотложений весьма эффективны мероприятия, замедляющие реакции уплотнения, но не влияющие на скорость реакций разложения. К таким мероприятиям, относят:

- исключение рециркуляции средних  дистиллятных фракций;

- подачи турбулизаторов для предотвращения коксоотложений в трубопроводах и аппаратуре;

- подаче водяного конденсата  в среднюю часть реакционного  змеевика печи;

- подачи атикоксообразовательных  реагентов.

Использование водяного конденсата в качестве турбулизаторов препятствует коагуляции и уплотнению основных коксообразующих компонентов – асфальтенов, тем самым, снижая коксообразование и турбулизируя поток, препятствуют отложению продуктов уплотнения на стенках трубопроводов и аппаратуре.

 Основные регулируемые параметры висбрекинга – температура, давление, время пребывания сырья в зоне реакции. Увеличение любого из них приводит к ужесточению режима. Для достижения определенной жесткости режима данные параметры можно изменять в определенных диапазонах. При заданной жесткости, т.е. степени конверсии, или глубины превращения сырья, распределение выходов получаемых продуктов практически постоянны.

Увеличение выходов углеводородных газов и дистиллятов может быть достигнуто ужесточением режима висбрекинга, например, путем повышения температуры на выходе из печи. Ужесточение режима приведет также к сокращению расхода дистиллятов, добавляемых в котельное топливо для достижения его соответствия требованиям спецификации на готовый продукт.

Однако большая жесткость режима приводит и к крекированию тяжелых дистиллятов в более легкие компоненты, что нежелательно, так как эти дистилляты выполняют функцию растворителей асфальтовых составляющих. В случае крекирования дистилляты сепарируются, образуя коксовые отложения в трубах печи. Осуществление висбрекинга в таком режиме может привести к необходимости преждевременного ремонта установки; кроме того, существует вероятность получения нестабильного котельного топлива.(1,3)

Качественные показатели остатка висбрекинга различных фракций западносибирской нефти (фракции выкипающей выше 2000 С) представлены в таблице 1 (14).

Здесь же даны величины коэффициента снижения вязкости R, который равен отношению вязкости исходного продукта при температуре 800 С к вязкости остатка висбрекинга, определенной при этой температуре.

 

Таблица 1

Характеристика сырья

Температура кипения исходного сырья, 0 С	Содержание асфальтенов, % мас.	Вязкость сырья, ВУ80	Температура опыта и вязкость остатка висбрекинга
			4500 С		4700 С		4900 С		5100 С
			ВУ80	R	ВУ80	R	ВУ80	R	ВУ80	R
400-490 490-540 >400 >540	Отс. Сл. 3,2 7,6	2,6 46,2 18,6 783	2,1 5,0 7,7 107	1,2 9,2 2,4 7,3	- 5,3 - 95,9	- 8,7 - 8,2	2,0 4,3 6,4 -	1,5 10 2,4 -	2,2 - 6,6 71,7	1,2 - 2,8 10

 

Наибольшее снижение вязкости наблюдается при висбрекинге фракций, имеющих высокую исходную вязкость (фракции, выкипающие в пределах температур выше 4900 С), для которых коэффициент снижения вязкости 7-10. Как видно, повышение температуры более 450-4700 С не приводит к существенному снижению вязкости, но, как правило, вызывает ускорение закоксовывания технологического оборудования.

 Стабильность остатка висбрекинга как товарного продукта является основным критерием жесткости режима процесса. Неверно выбранная жёсткость, или степень конверсии, может привести к фазовому расслоению котельного топлива даже после его компаундирования. Стабильность начинает уменьшаться, как только уровень жёсткости режима и, следовательно, конверсия переходят при увеличении определенную точку зависящую от характеристик сырья

Важным параметром процесса висбрекинга является давление. Давление, в особенности для сырья с пониженными температурами начала кипения, определяет как фазовое состояние реакционной системы, так и направление, и скорость реакций. Давление должно обеспечивать жидкое агрегатное состояние крекируемого сырья, так как крекинг в жидкой фазе обеспечивает наиболее высокие коэффициенты теплопередачи отсутствие механических перегревов ,минимальное коксообразование, возможность провести процесс в малогабаритных аппаратах, минимальный расход топлива и в конечном счёте эффективность процесса. Кроме того, повышение давление позволяет несколько увеличить производительность установки.(12)

 С повышением давления уменьшается выход газообразных продуктов распада и сокращается объём газовой фазы, причём плотность её растёт примерно пропорционально давлению. Влияние высокого давления проявляется в реакциях гидрирования : по мере увеличения давления от 0,2 до 5 МПа , доля непредельных в лёгких продуктах крекинга снижается в полтора – два раза, при этом увеличивается доля продуктов уплотнения.(22)

Типичным сырьем висбрекинга являются мазуты и гудроны. Степень конверсии этих остатков обычно составляет 10-15% в зависимости от их физико-химических характеристик и режима. Она служит критерием жесткости процесса и определяется как количество фракции >343оС мазута или фракции >482оС гудрона, превращаемой в более легкие компоненты.

Степень конверсии ограничивается рядом характеристик сырья: содержанием асфальтенов и натрия, коксуемостью по Конрадсону. Сырье с высоким содержанием асфальтенов характеризуется меньшей степенью конверсии, чем сырье с содержанием асфальтенов, не превышающим нормы, при одинаковом объеме производства стабильного котельного топлива. В присутствии натрия, а также при высокой коксуемости по Конрадсону коксообразование в трубах печи усиливается.

Изменения качества сырья влияют на степень его конверсии при заданной жесткости режима. Анализ данных, полученных при висбрекинге на пилотной установке различного сырья, показал, что для каждого конкретного сырья с увеличением жесткости режима вязкость фракции >204оС сначала уменьшается, а затем при достаточно жестком режиме резко увеличивается, что свидетельствует об образовании промежуточных коксообразующих соединений. Точка, в которой направление изменения вязкости меняется на обратное, для каждого сырья различна, но обычно совпадает с точкой выхода 20,2 - 23,6 м 3/ м 3 газа С1 – С6 в нормальных условиях. Считают, что после достижения этой точки котельное топливо становится нестабильным.

Между отдельными результатами пилотных испытаний установлена взаимосвязь. Точка, в которой меняется направление изменения вязкости, может быть предсказана и использована для определения расчетных параметров конкретного сырья при проектировании, чтобы избежать образования нестабильного котельного топлива и добиться максимальной конверсии сырья.

В промышленности используют две технологии висбрекинга:

- проведение реакции в печном  змеевике;

- проведение реакции в реакционной  камере.

Нефтяные остатки после нагрева в печи до высокой температуры поступают при заданном давлении в сокинговую (реакционную) зону, находящуюся либо в печи, либо во внешнем аппарате. Выходящий из этой зоны поток быстро охлаждается для прекращения реакции с помощью особого технологического приема – квенчинга.

При печном варианте висбрекинга конструкция печи должна обеспечивать оптимальное время пребывания сырья в реакционной зоне для достижения нужного образования продуктов реакции и минимизацию коксовых отложений.

Процесс в реакционной камере происходит при более низкой температуре с более длительным временем нахождения, чем в реакционном змеевике. Схема с камерой позволяет понизить температуру после печи, уменьшить ее тепловую нагрузку, однако приводит к установке сложного аппарата значительного объема, к периодической выгрузке из него кокса, что может повлиять на длительность пробега установки. При этом следует иметь в виду, что существенного отличия в выходах фракций не ожидается.

 

2 Технологическая часть

 

2.1 Змеевиковый (печной) висбрекинг

 

Предлагают фирмы «Foster Wheeler Co.» и «UOP». В этом случае высокотемпературный крекинг осуществляется в специальном реакционном змеевике печи. Поскольку степень конверсии сырья в первую очередь зависит от его температуры и времени пребывания в зоне реакции, змеевиковый висбрекинг можно определить как высокотемпературный кратковременный процесс. Фирма «Foster Wheeler» успешно спроектировала большое число печей данного типа для НПЗ в разных странах мира.(9)