9. Основы переработки нефти. Бессель Валерий Владимирович, профессор кафедры Термодинамики и тепловых двигателей
 Скачать 3.24 Mb.
|
|
Национальный исследовательский университет Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина Москва, 2020 год Основы переработки нефти. Бессель Валерий Владимирович, профессор кафедры «Термодинамики и тепловых двигателей» РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина; исполнительный вице-президент ГК «НьюТек Сервисез». «Современные нефтегазовые технологии» Мощности нефтепереработки нефтяных компаний Суммарная мощность по переработке нефти РФ (2009 г.) Средняя глубина переработки нефти Индекс Нельсона на НПЗ в РФ Показателем, характеризующим сложность технологических процессов, применяемых на НПЗ, является получивший признание в мировой практике индекс технологической сложности НПЗ индекс Нельсона ( Wilbur L. Nelson in1960-61). Чем выше индекс Нельсона, тем более сложной обработке подвергается сырая нефть и тем более сложные продукты нефтехимии (наряду с обычным бензином и дизельным топливом) способен производить завод. Чернышева Е.А., РГУ нефти и газа Энергетическая эффективность нефтепереработки Основы переработки нефти Кипение воды Температура кипения сырой нефти Кривая разгонки и нефтяные фракции Кривая разгонки сырой нефти и полученные фракции Перегонка нефти и назначение продуктов Простейший перегонный аппарат – самогонный куб Разделение потоков в ректификационной колонне Понятие о ректификации Барботаж (от фр. barbotage — «перемешивание»), или барботирование, — это процесс пропускания газа или пара через слой жидкости. Газ продавливается через слой жидкости с помощью труб с мелкими отверстиями (3–6 мм), называемых барботёрами, ситчатых или колпачковых тарелок абсорберов и ректификационных колонн. При барботировании создаётся большая межфазная поверхность на границе жидкость — газ, что способствует интенсификации тепло- и массообменных процессов, а также более полному химическому взаимодействию газов с жидкостями. Барботажные колпачки в тарелках нужны для того, чтобы пары жидкости, поднимающиеся вверх, пробулькивали через слой жидкости толщиной около 10 см. Нефтеперерабатывающая индустрия Нефтеперерабатываю щая индустрия – это отрасль производства, которая позволяет из сырой нефти получать нефтепродукты, удовлетворяющие потребностям пользователей. Нефтепереработка — это многоступенчатый процесс физической и химической обработки сырой нефти, результатом которого является получение комплекса нефтепродуктов. Нефтеперерабатывающая индустрия Технологические процессы НПЗ принято классифицировать на физические и химические. Физическими (массообменными) процессами достигается разделение нефти на составляющие компоненты (топливные и масляные фракции) без химических превращений и удаление (извлечение) из фракций нефти, нефтяных остатков, масляных фракций, газоконденсатов и газов нежелательных компонентов (полициклических ароматических углеводородов, асфальтенов, тугоплавких парафинов), неуглеводородных соединений. В химических процессах переработка нефтяного сырья осуществляется путем химических превращений с получением новых продуктов, не содержащихся в исходном сырье. Процесс нефтепереработки Процесс переработки нефти можно разделить на 3 основных этапа Разделение нефтяного сырья на фракции, различающиеся по интервалам температур кипения (первичная переработка) Переработка полученных фракций путем химических превращений содержащихся в них углеводородов и выработка компонентов товарных нефтепродуктов (вторичная переработка) Смешение компонентов с вовлечением различных присадок и получением товарных нефтепродуктов с заданными показателями качества (товарное производство) Нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) Нефтепереработка - непрерывное производство, период работы производств между капитальными ремонтами на современных заводах составляет до 3-х лет. Функциональной единицей нефтеперегонного (нефтеперерабатывающего) завода (НПЗ) является технологическая установка - производственный объект с набором оборудования, позволяющего осуществить полный цикл того или иного технологического процесса. Профили НПЗ По своему профилю нефтеперерабатываю щие заводы делятся на: топливные, топливно-масляные, заводы с нефтехимическими производствами. Принято также характеризовать заводы по глубине переработки нефти или уровню отбора светлых нефтепродуктов. Нефтеперерабатывающий завод нпз Технологические установки по переработке являются основой любого НПЗ, именно там сырая нефть превращается в нефтепродукты. Вспомогательное оборудование и инженерные сети обеспечивают технологическую линию всем необходимым: электроэнергией, топливом, паром, сжатым воздухом, очистными мощностями. Резервуарный парк играет важнейшую роль. На НПЗ требуется большое количество емкостей для хранения различных сортов сырой нефти, служащей сырьем для переработки, всевозможных промежуточных продуктов и, наконец, готовой продукции, обычно занимает более половины всей территории НПЗ. Установки по смешиванию и отгрузке . На последней стадии производства нефтепродуктов происходит смешивание различных компонентов для получения готовой товарной продукции по заданным спецификациям. Далее готовую продукцию отправляют потребителям по железной дороге, автоцистернами, танкерами или по продуктопроводу. Технологические потоки НПЗ топливного профиля Поставка нефти на НПЗ Основные объёмы сырой нефти, поставляемой на переработку, поступают на НПЗ от добывающих объединений по магистральным нефтепроводам. Небольшие количества нефти, а также газовый конденсат, поставляются по железной дороге. В государствах- импортёрах нефти, имеющих выход к морю, поставка на припортовые НПЗ осуществляется водным транспортом. Принятое на завод сырьё поступает в соответствующие емкости товарно-сырьевой базы , связанной трубопроводами со всеми технологическими установками НПЗ. Количество поступившей нефти определяется по данным приборного учёта, или путём замеров в сырьевых емкостях. Для удаления солей нефть, поступающая из сырьевых емкостей, смешивается с водой, в которой соли растворяются, и поступает на ЭЛОУ - электрообессоливащую установку . Процесс обессоливания осуществляется в электродегидраторах - цилиндрических аппаратах со смонтированными внутри электродами. Под воздействием тока высокого напряжения (25 кВ и более), смесь воды и нефти (эмульсия) разрушается, вода собирается внизу аппарата и откачивается. Для более эффективного разрушения эмульсии, в сырьё вводятся специальные вещества - деэмульгаторы. Температура процесса - 100-120°С. Подготовка нефти к переработке (электрообессоливание) Первичная переработка нефти Обессоленная нефть с ЭЛОУ поступает на установку атмосферно- вакуумной перегонки нефти, которая на российских НПЗ обозначается аббревиатурой АВТ - атмосферно-вакуумная трубчатка . Такое название обусловлено тем, что нагрев сырья перед разделением его на фракции, осуществляется в змеевиках трубчатых печей за счет тепла сжигания топлива и тепла дымовых газов. АВТ разделена на два блока - атмосферной и вакуумной перегонки Установка вакуумной перегонки мощностью 1,6 млн. тонн в год на НПЗ "ЛУКОЙЛ-ПНОС". На переднем плане - трубчатая печь (жёлтого цвета). Атмосферная перегонка предназначена для отбора светлых нефтяных фракций - бензиновой, керосиновой и дизельных , выкипающих до 360°С, потенциальный выход которых составляет 45-60% на нефть. Остаток атмосферной перегонки - мазут Процесс заключается в разделении нагретой в печи нефти на отдельные фракции в ректификационной колонне - цилиндрическом вертикальном аппарате, внутри которого расположены контактные устройства (тарелки), через которые пары движутся вверх, а жидкость - вниз. Ректификационные колонны различных размеров и конфигураций применяются практически на всех установках нефтеперерабатывающего производства, количество тарелок в них варьируется от 20 до 60. Предусматривается подвод тепла в нижнюю часть колонны и отвод тепла с верхней части колонны, в связи с чем температура в аппарате постепенно снижается от низа к верху. В результате сверху колонны отводится бензиновая фракция в виде паров, а пары керосиновой и дизельных фракций конденсируются в соответствующих частях колонны и выводятся, мазут остаётся жидким и откачивается с низа колонны. Атмосферная перегонка нефти Вакуумная перегонка предназначена для отбора от мазута масляных дистиллятов на НПЗ топливно- масляного профиля, или широкой масляной фракции (вакуумного газойля) на НПЗ топливного профиля. Остатком вакуумной перегонки является гудрон Необходимость отбора масляных фракций под вакуумом обусловлена тем, что при температуре свыше 380 °С начинается термическое разложение углеводородов (крекинг), а конец кипения вакуумного газойля - 520°С и более. Поэтому перегонку ведут при остаточном давлении 40-60 мм рт. ст., что позволяет снизить максимальную температуру в аппарате до 360-380°С. Вакуумная перегонка нефти Получаемая на атмосферном блоке бензиновая фракция содержит газы (в основном пропан и бутан) в объёме, превышающем требования по качеству. 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 переработки нефти процесса, при котором от бензиновой фракции отгоняются сжиженные газы, и осуществляется её разгонка на 2-5 узких фракций на соответствующем количестве колонн. Продукты первичной переработки нефти охлаждаются в теплообменниках , в которых отдают тепло поступающему на переработку холодному сырью, за счет чего осуществляется экономия технологического топлива, в водяных и воздушных холодильниках и выводятся с производства. Аналогичная схема теплообмена используется и на других установках НПЗ. Установки вторичной перегонки бензина и атмосферной перегонки на НПЗ "Славнефть-ЯНОС" (слева направо). Стабилизация и вторичная перегонка бензина Классификация методов вторичной переработки нефти МЕТОДЫ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ ТЕРМИЧЕСКИЕ ТЕРМИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ КОКСОВАНИЕ ПИРОЛИЗ КАТАЛИТИЧЕСКИЕ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ РИФОРМИНГ ГИДРОГЕНИЗАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ Термический крекинг 1. Мазут 2. Тяжелые нефтяные остатки 1.Топливные компоненты 2. Газ 3. Крекинг-остаток T= 520-550 °C P= 4-6 МПа СЫРЬЕ Термический крекинг – процесс разложения высокомолекулярных углеводородов на более легкие. При высоких температуре и давлении длинноцепочные молекулы сырья расщепляются. ПРОДУКТ Технологическая схема термического крекинга В печах сырье нагревается до температур в пределах 520—550°С. Время пребывания сырья в змеевиках, проходящих через печи, поддерживают небольшим, чтобы там не происходили слишком глубокие химические превращения. В противном случае будет образовываться кокс, который быстро забьет (закоксует) змеевик, что может привести к остановке всего процесса. Затем нагретое сырье поступает в реакционную секцию , которая должна находиться под достаточно высоким давлением (около 4-6 атм), что способствует крекингу, но не коксованию. На выходе из реактора продукт смешивается с более холодным рециркулирующий потоком, что останавливает процесс крекинга. Оба потока подаются в секцию разгонки , где легкокипящие продукты сразу поднимаются вверх, так как давление в этой секции понижено (как это происходит в колонне вакуумной перегонки прямогонного остатка). На дне остается тяжелый крекинг-остаток, часть которого направляется снова в реакционную камеру в качестве рециркулята ; то, что остается, обычно используется как компонент остаточного топлива . Легкокипящие продукты из верхней части секции разгонки подают в ректификационную колонну. Коксование 1. Мазут 2. Тяжелые нефтяные остатки T= 450-550 °C P= 0,1-0,6 МПа СЫРЬЕ 1. Газ 2. Бензин 3. Керосино - газойлевые фракции 4. Кокс Коксование — это термический крекинг тяжелого нефтяного сырья в более жестких условиях, при котором в качестве одного из продуктов получается твердый остаток — кокс. ПРОДУКТ Технологическая схема коксования Благодаря высоким температурам и очень высоким скоростям подачи сырья, коксообразования при реакции термического крекинга не происходит, пока сырье не выходит из узких змеевиков в печах в большой уравнительный резервуар. Если углеводородную смесь задержать в изолированной емкости, которая называется коксовый барабан , то можно провести управляемые процессы глубокого крекинга и коксования. Технология коксования позволяет эффективно проводить этот процесс, включив его в непрерывный режим крекинга, однако при этом требуется более сложное оборудование, так как приходится иметь дело с коксом, т.е. твердым веществом. Сырье для коксования (то же, что и для крекинга) нагревают приблизительно до 550°С и подают в нижнюю часть коксового барабана. Легкокипящие продукты крекинга поднимаются вверх и откачиваются из верхней части барабана. Высококипящие продукты остаются и, поскольку нагревание продолжается, разлагаются до кокса, который представляет собой твердое вещество, похожее на уголь. Пары из верхней части барабана направляют на ректификацию, так же, как и продукты термического крекинга. Продукты, выходящие с установок коксования и термического крекинга При термическом крекинге количество остатка уменьшается на 80%. В случае коксования остатка вообще нет, но образуется около 30% кокса, для которого нужен рынок сбыта. В обоих процессах образуются также бензин, нафта и газойль. Пиролиз 1. Легкие углеводороды, содержащиеся в газах 2. Бензины первичной перегонки 3. Керосины термического крекинга 4. Керосино-газойлевая фракция 1. Непредельные углеводороды (этилен, пропилен) 2. Ароматические углеводороды T= 750-900 °C P= 0,1 МПа СЫРЬЕ Пиролиз (от греч. pýr — огонь, жар и lýsis — разложение, распад) – термическое разложение без доступа воздуха. Пиролиз - процесс глубокого термического превращения нефтяного и газового сырья, проводимый при температуре 750-900ºС и давлении, близком к атмосферному, заключающийся в деструкции молекул исходных веществ, их изомеризации и других изменениях с целью получения сырья для нефтехимического производства. Пиролиз — один из важнейших промышленных методов получения сырья для нефтехимического синтеза. ПРОДУКТ Выходы основных продуктов пиролиза (% по массе) Продукты пиролиза Сырье этан пропан бензин (легкий) газойль (лег кий) Этилен……... Пропилен….. Дивинил и Бутилены…... Бензол……… Толуол……... 77,7 2,8 2,7 0,9 0,2 42,0 16,8 4,3 2,5 0,5 33,5 15,5 8,8 6,7 3,3 26,0 16,1 9,4 6,0 2,9 Сырьё для пиролиза : от газообразных углеводородов (этана, пропана) до тяжёлых дистиллятов и сырой нефти. Однако основная масса перерабатываемого пиролизом сырья представлена газообразными углеводородами и бензинами. Эти виды сырья дают наибольшие выходы целевых продуктов при наименьшем коксообразовании. На основе этих углеводородов получают полимеры для производства пластических масс, синтетических волокон, синтетических каучуков. Каталитический крекинг 1. Вакуумный газойль 2. Продукты термического крекинга 3. Продукты коксования мазутов и гудронов 1. Газ 2. Бензин 3. Легкий и тяжелый газойль 4. Кокс T= 450-500 °C P= 0,2 МПа Катализаторы (алюмосиликаты, цеалиты) СЫРЬЕ Каталитический крекинг – процесс разложения высокомолекулярных углеводородов при температуре 450-500ºС и давлении 0,2 МПа в присутствии катализаторов – веществ, ускоряющих реакцию крекинга и позволяющих осуществлять ее при более низких, чем при термическом крекинге, давлениях. ПРОДУКТ Продукция: Выход % на сырье Гидроочищенный вакуумный газойль (350-500°С) 100 Получено всего: H2 0,04 СН4 (метан) 0,25 C2H6 (этан) 0,23 C2H4 (этен, этилен) 0,36 C3H8 (пропан) 0,85 С3H6 (пропен, пропилен) 2,73 С4Н10 (бутан) 0,89 С4Н8 (бутен, бутилен) 2,5 изобутан 4,20 бензиновая фракция (ОЧИ - 91/92) 58,62 газойль (легкий+тяжелый) 27,17 кокс + потери 2,17 Типичный материальный баланс процесса каталитического крекинга гидроочищенного вакуумного газойля Риформинг 1. Низкооктановые бензиновые фракции 1. Высокооктановые компоненты бензина 2. Ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол, этилбензол) Т= 500°C P= 2-4 МПа Катализаторы СЫРЬЕ ПРОДУКТ Риформинг – каталитический (в присутствии различных катализаторов: платиновых, платинорениевых и полиметаллических, содержащих платину) процесс переработки низкооктановых бензиновых и лигроиновых фракций нефти с целью получения высокооктановых бензинов и ароматических углеводородов, осуществляемый при температуре 500ºС и давлении 2-4 МПа. В процессе каталитического риформинга образуются газы и жидкие продукты (риформат). Риформат можно использовать как высокооктановый компонент автомобильных и авиационных бензинов или направлять на выделение ароматических углеводородов, а газ, образующийся при риформинге, подвергают разделению. Установка риформинга бензиновой фракции Назначение установки: Процесс каталитического риформинга используется для получения высокооктановых компонентов бензинов. Продукты установки: • высокооктановый компонент бензина (риформат); • водородосодержащий газ; • топливный газ. Гидрогенизационные процессы 1. Нефтяные фракции 1. Светлые нефтепродукты (увеличивается выход) 2. Удаляются примеси серы, кислорода, азота (гидрочистка) T= 260-430 °C P= 2-32 МПа Катализаторы СЫРЬЕ Гидрогенизационные процессы – процессы переработки нефтяных фракций в присутствии водорода, протекающие при температуре 260-430ºС и давлении 2-32 МПа в присутствии катализаторов. Водород ПРОДУКТ Гидроочистка дизельного топлива, керосиновой и бензиновой фракций Назначение установки: Целью предварительной гидроочистки бензиновой фракции является превращение и удаление веществ, отравляющих платиновый катализатор. К этим веществам относятся: сернистые, азотистые и кислородосодержащие соединения, содержащие металлы и галогены, непредельные олефиновые углеводороды, вода. Продукты установки: Гидроочищенная фракция с низким (менее 0,25% масс.) содержанием сернистых соединений. Побочным продуктом является сероводородосодержащий газ. Доли различных видов вторичных процессов от мощности первичной переработки нефти (в среднем по России) КК – каталитический крекинг; ТК – термический крекинг; ГК – гидрокрекинг; К – коксование; Р – риформинг; Г – гидроочистка дистиллятов; Б – битумное производство Федеральная служба государственной статистики РФ Структура цены на нефть и бензин Аи-92 ЛЕВ ФЕОДОСЬЕВ, МЭРТ Сравнение структуры цены на бензин России и США Доля налогов в стоимости топлива в разных странах Спасибо за внимание! Вопросы? vbessel@nt-serv.com 48 |