Усовершенствование технологии установки висбрекинга

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Кафедра Химическая технология

Курсовой проект

по дисциплине:

“Химия и технология переработки композиционных материалов”

На тему: «Усовершенствование технологии установки висбрекинга гудрона мощностью по сырью 800 тысяч т/год”.

Выполнил:

Проверил:

2008

Содержание

Введение

Основная часть

I. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

I.I. Информационный анализ

1.2.Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции

1.3.Описание технологического процесса

1.4.Основные параметры технологического процесса

1.5. Техническая характеристика основного технологического оборудования

1.6.Технологические расчеты

1.6.1. Материальные расчеты

1.6.2. Расчет основного технологического оборудования

1.6.3. Энергетические расчеты

2 . РАЗДЕЛ «КИП и А»

3. РАЗДЕЛ «БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список используемой литературы

Введение

Нефть и газ– это основные источники энергии в современном мире. На топливах, полученных из них, работают двигатели сухопутного, воздушного и водного транспорта, тепловые электростанции. В настоящее время насчитывается 100 различных процессов первичной и вторичной переработки нефти, реализованных в промышленности. Намечается внедрение новых, весьма перспективных разработок, направленных на улучшение продукции и совершенствование технологии.

Производство нефтепродуктов и химического сырья из нефти организовано на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). Переработка нефти на НПЗ осуществляется с помощью различных технологических процессов, которые могут быть условно разделены на следующие группы:

1.первичная переработка ( обессоливание и обезвоживание, атмосферная и атмосферно – вакуумная перегонка нефти, вторичная перегонка бензинов, дизельных и масляных фракций);

2.термические процессы (термический крекинг, висбрекинг, коксование, гидролиз);

3.термокаталические процессы (каталический крекинг–реформинг, гидроочистка,

4.процессы переработки нефтяных газов (алкилирование, полимеризация, изомеризация);

5.процессы производства масел и парафинов ( деасфальтизация , депарафинизация, селективная очистка, адсорбционная и гидрогенизационная доочистка);

6.производство битумов, пластичных смазок, присадок, нефтянных кислот, сырья для получения технического углерода;

7.процессы производства ароматических углеводородов ( экстрация , гидроалкилирование, деалформинг, диспропорционирование).

Нефти по своему составу и свойствам различаются весьма значительно. Физико – химические свойства нефтей и составляющих их фракций оказывают влияние на выбор ассортимента и технологию получения нефтепродуктов. При определении направления переработки нефти стремятся по возможности максимально использовать индивидуальные природные особенности химического состава.

Переработку нефтей малосернистых высокопарафинистых и высокосернистых парафинистых осуществляют с одновременным получением фракций бензина, керосина, дизельного топлива, вакуумного газойля и гудрона.

Количество и ассортимент продукции, вырабатываемой нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностью, непрерывно увеличивается. Соответственно эти отрасли промышленности пополняются новой аппаратурой и осваивают новые технологические процессы переработки нефтяного сырья, направленные на улучшение качества, увеличения целевых продуктов и снижения себестоимости.

Наибольшую трудность в нефтепереработке представляет квалифицированная переработка гудронов (особенно глубоковакуумной перегонки) с высоким содержанием асфальто – смолистых веществ, металлов и других гетеросоединений, требующая значительных капитальных и эксплуатационных затрат. В этой связи на ряде НПЗ нашей страны и за рубежом ограничиваются переработкой гудронов с получением таких не топливных нефтепродуктов, как котельное топливо, битум, нефтяной пек, нефтяной кокс и т.д.

Гудроны, остатки после атмосферно – вакуумной отгонки фракций обессоленных нефтей, перегоняющихся до 480 – 500оС, содержатся в различных нефтях от 15 до 40% .

Получающийся гудрон непосредственно не может быть использован как котельное топливо из-за высокой вязкости. Для получения товарного котельного топлива из таких гудронов без их переработки требуется большой расход дистиллятных разбавителей, что сводит практически на нет достигнутое вакуумной перегонкой углубление переработки нефти. Наиболее простой способ неглубокой переработки гудронов – это висбрекинг с целью снижения вязкости, что уменьшает расход разбавителя на 20 – 25% масс, а также соответственно увеличивает общее количество котельного топлива.

Висбрекинг (в переводе с английского “cнижение вязкости”) – процесс крекинга гудрона, проводимый при температурах 450 – 480оС с целевым назначением снижения вязкости котельного топлива.

Висбрекинг проводят при менее жестких условиях, чем термокрекинг, вследствие того, что во – первых, перерабатывают более тяжелое, следовательно, легче крекируемое сырье; во – вторых, допускаемая глубина крекинга ограничивается началом коксообразования ( температура 440 – 500оС, давление 1,4 – 3,5 МПа ).

При относительно невысоких температурах и протекании реакций в жидкой фазе образующиеся крупные радикалы преимущественно стабилизируются и процесс

протекает в направлении уменьшения среднего размера молекул:

R1R2 R1* + R2*

R1*( R2* ) + RH R1H + R2H + R*,

в результате чего, после отделения газообразных продуктов и бензиновых фракций, остаток имеет меньшую вязкость, чем исходное сырье.

Исследованиями установлено, что по мере увеличения продолжительности (тоесть углубления) крекинга, вязкость крекинг-остатка в начале интенсивно снижается, достигает минимума, а затем возрастает. Экстремальный характер изменения зависимости вязкости остатка от глубины крекинга можно объяснить следующим образом. В исходном сырье (гудроне) основным носителем вязкости являются нотивные асфальтены “рыхлой” структуры. При малых глубинах превращения снижение вязкости обуславливается образованием в результате термо – декструктивного распада боковых алифатических структур молекул сырья на более компактных подвижных вторичных асфальтенов меньшей молекулярной массы. Последующее возрастание вязкости крекинг – остатка объясняется образованием продуктов уплотнения – карбенов и карбоидов, также являющихся носителями вязкости. Считается, что более интенсивному снижению вязкости крекинг – остатка способствует повышение температуры при соответствующем сокращении продолжительности висбрекинга.

К преимуществам висбрекинга перед другими процессами относятся: гибкость процесса, что позволяет непосредственно перерабатывать тяжелые нефтяные остатки, относительная простота технологии, низкие капитальные и эксплуатационные затраты. Висбрекинг характеризуется невысокой конверсией нефтяных остатков, но позволяет в 10 и более раз снизить вязкость исходного сырья с целью получения стандартного котельного топлива, что дает возможность высвободить большую часть прямогонного вакуумного газойля для продажи.

Процесс висбрекинга гудрона в технологической схеме НПЗ играет важную роль, поскольку оказывает очень сильное влияние на глубину переработки нефти и на общие экономические показатели производства нефтепродуктов. Позволяет корректировать структуру выхода продуктов, для более полного соответствия потребностям рынка, и достичь следующих целей:

увеличить глубину переработки нефти на 16 – 18% и достичь уровня 70 – 72%

высвободить дополнительный объем вакуумного газойля для продажи.

увеличить производство более ценного топочного мазута.

повысить выработку автомобильного бензина на 1,4-2% масс на нефть.

Внедрение процесса Висбрекинга гудрона позволяет значительно улучшить экономические показатели предприятия.

Основная часть

1.Технологический раздел

Информационный анализ

Висбрекинг – особая разновидность термического крекинга, термодеструктивный процесс превращения тяжелого нефтяного сырья в жидкие, газообразные и твердые продукты. Сырьем процесса являются, главным образом, гудроны, полугудроны и мазуты. Эти нефтяные остатки характеризуются сложным химическим составом и агрегатным состоянием отдельных компонентов, строением, свойствами и размерами частиц структурных образований, уровнем молекулярного взаимодействия в системе.

Согласно представлениям (4) остаточный нефтепродукт может быть представлен как коллоидная система, в котором дисперсная фаза состоит из мицеллы, содержащей асфальтены, смолисто-асфальтеновые вещества и высокомолекулярные мальтены.

Мицелла состоит из ядра асфальтенов, на которых адсорбированы высокомолекулярные ароматические углеводороды из мальтеновой фракции. Эти высокомолекулярные углеводороды с повышенным (по сравнению с асфальтенами) содержанием водорода на ядрах. В стабильном нефтепродукте система сорбируемых мальтенов такова, что все сорбционные силы оказываются нейтрализованными. Мицелла находится в физическом равновесии с окружающей вязкой фазой. Другими словами, асфальтены пептизированы и находятся в коллоидно-дисперсном состоянии.

Сорбционное равновесие может быть нарушено несколькими способами, например, добавлением углеводородов с высоким содержанием водорода (алифатические углеводороды), повышением температуры или другими воздействиями. Часть сорбированных компонентов растворяются в сплошной мальтеновой фазе, за счет преципитации асфальтеновых цепей.(4)

Представления о нефти и о нефтепродуктах как о нефтяных дисперсных системах, во многом проясняют химизм и механизм реакций, протекающих в них и, таким образом, позволяют прогнозировать поведение системы и пути интенсификации процессов.

В практике нефтепереработки наиболее распространенными являются нефтяные дисперсные системы с дисперсионной фазой в твердом, жидком и газообразном состоянии и жидкой дисперсной средой.

Термическое превращение нефтяных фракций - сложный химический процесс. Сырье, поступающее на висбрекинг, состоит из трех основных классов углеводородов: парафиновых, нафтеновых и ароматических. Превращение углеводородов разных классов при умеренном термическом крекинге происходит с различной трудностью. Легче всего подвергаются крекированию (расщеплению) парафиновые углеводороды, наиболее устойчивые к температурному воздействию ароматические, нафтеновые углеводороды занимают промежуточное положение.

Скорость распада углеводородов одного и того же класса возрастает с увеличением молекулярного веса. Поэтому на промышленных установках легкое сырье (лигрол, керосино-газойлевые фракции) крекируются при более жестком температурном режиме 530-540 0С и 500-510 0С соответственно, а тяжелое сырье (гудрон) при более мягком температурном режиме 470-490 0С. Для крекинга парафиновых углеводородов характерны реакции их распада на более низкомолекулярные компоненты с образованием алкена и алкана. Низкомолекулярные углеводороды - этан, пропан и бутаны могут также дегидрироваться:

CnH2 n+2 CnH2 n+H2

С увеличением молекулярного веса алкана, вероятность дегидрирования уменьшается. Продукты первичного распада реагируют с другими углеводородами и между собой, а также распадаются дальше.

Термическая устойчивость простейших газообразных парафиновых углеводородов очень велика. Так, этан при температуре ниже 700-800 0С практически не разлагается. По мере увеличения молекулярного веса алкана термическая устойчивость его падает и преобладающим становятся реакции расщепления по связям С-С, менее прочной, чем связь С-Н.

Место разрыва, а, следовательно, преимущественное образование тех или иных продуктов реакции зависит от температуры и давления. Чем выше температура и ниже давление, тем место разрыва углеродной цепи все больше смещается к ее концу и значительно возрастает выход газообразных продуктов.

При температуре 400-500 0С разрыв происходит по середине цепи.

Нафтеновые углеводороды термически стабильны. Однако, при крекинге нафтеновые углеводороды с длинными боковыми цепями ведут себя так же, как парафиновые: с увеличением длины боковой цепи их термическая устойчивость снижается.

Для нафтеновых углеводородов наиболее характерны следующие типы превращения при высоких температурах:

- деалкилирование или отщепление боковых алкановых цепей;

- дегидрирование кольца с образованием цикло-олефинов и ароматических углеводородов;

- частичная или полная дециклизация полициклических нафтенов после деалкилирования;

- распад моноциклических нафтенов на олефины или парафин-диолефины.

Ароматические углеводороды наиболее термически устойчивы. Поэтому они накапливаются в жидких продуктах крекинга тем в больших количествах, чем выше температура процесса.

Голоядерные (лишенные боковых цепей) ароматические углеводороды, так же как и алкилированные углеводороды с короткими боковыми цепями, практически не подвергаются распаду. Единственным направлением их превращений является конденсация с выделением водорода. В результате происходит накопление полициклических углеводородов.

В результате конденсации бензола, нафталина и других голоядерных углеводородов образуются дифенил, динафтил и им подобные углеводороды:

2C6H6 C6H5 – C6H5 + H2

2C10H8 C10H7 – C10H7 + H2

Для алкилароматических углеводородов характерна конденсация через метильные группы, а не путем соединения бензольного кольца.

2CH3 – C6H4 – CH3 CH3 – C6H4 – CH2 – CH2 – C6H4 – CH3 + H2

Ароматические углеводороды с длинными боковыми цепями способны деалкилироваться.

Если длина цепи алкилированного ароматического углеводорода значительна, то по термической стабильности он приближается к парафиновому углеводороду.

Развитие реакций конденсации разнообразных циклических углеводородов приводит в конечном итоге к образованию карбоидов (кокса). Эта особенность ароматических углеводородов делает их нежелательными компонентами сырья крекинга.

В сырье для крекинга ненасыщенные углеводороды отсутствуют, но роль их в химии крекинга велика, т.к. они всегда образуются при распаде углеводородов других классов. Олефинами свойственны самые разнообразные реакции. Умеренные температуры (до 500 0С) и высокие давления способствуют протеканию реакций полимеризации олефинов, высокие температуры и низкие давления вызывают реакции распада.

Разложение олефинов может протекать в различных направлениях:

CnH2n 2CmH2 (деполимеризация);

CnH2n CmH2m + CgH2g (распад);

CnH2n CmH2m + 2 + CgH2g + CpH2p – 2 (деструктуризация конденсата);

CnH2n CmH2m – 2 + H2 (деструктивная конденсация);

CnH2n CmH2m – 2 + CgH2g + 2 (распад).

В области умеренных температур, где константы скорости термической полимеризации олефинов уменьшаются с повышением молекулярного веса исходного углеводорода.

В области высоких температур наблюдается обратное явление: подобное парафинам, с увеличением молекулярного веса олефинов термическая устойчивость их падает.

Наряду с полимеризацией и разложением идет циклизация и дегидроциклизация олефинов, а также протекает реакция перераспределения водорода с образованием системы парафин-диолефин.

Основная масса сернистых соединений нефти имеет большую молекулярную массу и высокую температуру кипения. Поэтому от 70 до 90 % всех сернистых соединений концентрируется в мазуте и гудроне.

При разложении сернистых соединений выделяется сероводород, который уходит вместе с газами крекинга, образуются жидкие сернистые компоненты (например, меркаптаны), переходящие в бензиновые фракции крекинга. Возможно, выделение свободной серы:

R – S – RI H2S + олефины;

R – S – RI R-S-H + олефины

Термически устойчивые сернистые соединения (тиофены и им подобные) накапливаются в высокомолекулярных продуктах.

Механизм крекинга.

Сырьем для промышленных установок термического крекинга является смесь многих углеводородов сложного строения. Детально и точно объяснить механизм крекинга не представляется возможным из-за одновременного протекания различных реакций.

Считается, что распад углеводородов имеет цепной характер и подчиняется теории свободных радикалов.

На основании, ряда работ Н.Н. Семенов показал, что реакции крекинга полностью протекают по радикально-цепному механизму.

Согласно этой теории первичный распад алканов под воздействием повышенной температуры происходит по связям С-С с образованием двух радикалов различной молекулярной массы.

CH3 (CH2) 5CH3 C4H9 + C3H7

Радикалы весьма реакционно способны и в зависимости от их размеров и применяемых условий могут:

- взаимодействовать с другими углеводородами;

- разлагаться на олефин и меньший радикал;

- рекомбинировать с другими свободными радикалами;

- вступать в реакции с поверхностями металла.

Радикалы, содержащие более двух атомов углерода, диспропорционируют на меньший радикал и олефин:

C8H17 C4H8 + C4H9

C3H6 + CH3

Распад радикалов продолжается до образования метильных и этильных радикалов или же олефинов и атомарного водорода.

Метильный и этильный радикалы реагируют с молекулами исходного углерода, образуя при этом СН4, С2Н6 и новый радикал:

С6Н5 + С6Н4 С2Н6 + С6Н13

Цепная реакция свободных радикалов обрывается в результате рекомбинации двух радикалов:

С6Н13 + СН3 С7Н16

или в результате взаимодействия радикала с поверхностью металла.

Механизм распада алкенов так же как алканов, имеет цепной характер.

Теория свободных радикалов позволяет объяснить протекание реакций разложения, она объясняет образование более тяжелых соединений, чем молекулы исходного сырья. Эти соединения, выводимые на промышленных установках в виде котельного топлива, образуются в результате полимеризации олефинов и реакций уплотнения ароматических углеводородов с последующей конденсацией в полициклические асфальтеновые компоненты.

Термодинамика крекинга.

Реакции, происходящие при термическом крекинге, представляют собой совокупность реакций разложения и конденсации. Поскольку преобладают реакции разложения, сопровождающиеся поглощением тепла, то они перекрывают экзотермический эффект реакций конденсации.

Суммарный тепловой эффект термического крекинга отрицателен, и поэтому необходимо подводить тепло со стороны.

Значение величин теплоты реакции необходимо при проектировании реакционных аппаратов. Теплота реакции может быть определена по уравнению:

Н = 50000 (Мс – Мп) / МсМп, где

Н – теплота крекинг-процесса в ккал/кг при 25 0С и I ат;

Мс – молекулярный вес сырья;

Мп – молекулярный вес продуктов реакции.

Чаще теплоту реакции крекинга определяют при помощи закона Гесса:

Qреак. = Qг + QБ + Q п.ф. + Qо – Qс, где

Qреак. – теплота реакции;

Qг, QБ, Qп.ф., Qо, Qс – теплота сгорания газа, бензина, промежуточной фракции, остатка и сырья полученные экспериментально.

Теплота реакции термического крекинга выражается в расчете на 1 кг. Крекируемого или превращенного сырья. Так, тепловой эффект висбрекинга тяжелого нефтяного сырья составляет 28-56 ккал на 1 кг. сырья.

При глубине разложения 25-30 % тепловой эффект реакции находится на уровне 28-30 ккал/кг сырья.

Глубина превращения сырья

При крекинге не очень тяжелого по фракционному составу сырья глубину его превращения характеризуют выходом бензина.

Для тяжелого остаточного сырья выход бензина менее характерен, т.к. первичными продуктами разложения являются более тяжелые фракции и цель процесса – получение крекинг-остатка пониженной вязкости или газойлевых фракций.

При висбрекинге целевым продуктом является крекинг-остаток. Потенциальный выход последнего определяется его качеством. Основным требованием, предъявленным к качеству остатка, является его вязкость.

При неглубоком крекинге остаточного сырья остаток по плотности и вязкости может отличаться от сырья совсем незначительно. С углублением процесса остаток разбавляется, с одной стороны, образующимися при крекинге газойлевыми фракциями, с другой маловязкими полимерами. При этом, чем меньше плотность и вязкость получаемого остатка висбрекинга, тем ниже будет выход бензина.

Выход бензина при висбрекинге составляет - 2ч5 % масс. на сырье.

Технологическое оформление процесса.

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.

Факторы, влияющие на процесс.

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

Давление.

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.

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.

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

Таблица 1

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 ввиду, что существенного отличия в выходах фракций не ожидается.

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)

Основное преимущество змеевиковой печи — наличие двух зон нагрева. Такая конструкция обеспечивает: большую гибкость подвода тепла, что позволяет лучше регулировать температуру нагрева сырья: легкость удаления кокса из труб печи паровоздушным способом; получение стабильного котельного топлива, что особенно важно для нефтеперерабатывающих заводов с ограниченными возможностями смешивания топлив.

Схема базовой установки висбрекинга гудрона показана на рис.1.4.1.

Рис.1.4.1 Схема базовой установки висбрекинга : 1-печь; 2-фракционнирующая колонна; 3-воздушный холодильник-конденсатор; 4-колонна отпарки газойля;

5-сепаратор; 6-воздушный холодильник; 7-узел нагрева и выработки пара.

1-сырьё; 2-водяной пар; 3-углеводородный газ; 4-кислая вода; 5-нестабильная бензиновая фракция; 6-газойлевая фракция; 7-котельное топливо.

Висбрекинг с сокинг-камерой.

В альтернативном процессе конверсия частично происходит в печи. Однако, основная ее доля приходится на сокинг-камеру, где двухфазный поток из печи выдерживается при повышенной температуре в течение заданного времени. Сокерный висбрекинг определяется как низкотемпературный процесс с длительным пребыванием сырья в зоне реакции. Лицензиаром этого процесса является фирма «Shell». Ряд проектов установок висбрекинга сокерного типа выполнила и фирма «Foster Wheeler».

Реакционная камера, обеспечивая необходимое время пребывания сырья, позволяет работать с потоком более низкой температуры на выходе из печи и тем самым экономить печное топливо. Несмотря на очевидные экономические преимущества, этот процесс имеет ряд недостатков, основной из которых — сложность очистки печи и сокерной камеры от кокса. Эта очистка проводится реже, чем на установке со змеевиковой печью, однако для нее требуется более сложное оборудование.

Схема установки висбрекинга гудрона с выносной реакционной камерой показана на рис.1.4.2.

Рис.1.4.2. Схема базовой установки висбрекинга с сокинг - камерой : 1-печь; 2-фракционнирующая колонна; 3-воздушный холодильник-конденсатор; 4-колонна отпарки газойля;5-сепаратор; 6-воздушный холодильник; 7-узел нагрева и выработки пара; 8-сокинг-камера.

Обычно кокс из сокера удаляют путем резки водой под высоким давлением. В результате образуется значительное количество воды, загрязненной частицами кокса, которую необходимо удалять, фильтровать и возвращать для повторного использования. В отличие от установок замедленного коксования (УЗК.) установки висбрекинга обычно не оснащены оборудованием для резки кокса и очистки загрязненной воды. Затраты на это оборудование на установке висбрекинга экономически не оправданы,

Качество и выходы продуктов на установках обоих типов при одинаковой жесткости режима в целом одинаковы и не зависят от конфигурации установки.(9)

Россия, на пороге XXI века, несмотря на спад