РОЛЬ ВИСБРЕКИНГА В УГЛУБЛЕНИИ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ

Ахмадова Хава Хамидовна

доцент, канд. техн. наук, профессор, ГГНТУ, г. Грозный

E-mail: 

Сыркин Алик Михайлович

профессор, канд. хим. наук, УГНТУ, г. Уфа

E-mail: 

Садулаева Альбика Супьяновна

доцент, канд. техн. наук, ГГНТУ, г. Грозный

E-mail: 

Для современной нефтеперерабатывающей промышленности России характерно следующее:

1. Высокий износ большинства технологических установок, который является самым высоким в топливно-энергетическом комплексе России и составляет около 80 %;
2. Относительно низкая загрузка большинства НПЗ (в среднем около 83 %). Опыт эксплуатации зарубежных НПЗ показывает, что эффективная работа предприятия обеспечивается при загрузке мощностей на уровне 90 % (в США 95 % и выше);
3. Недостаточная глубина переработки нефти.
4. Отставание в экологических и эксплуатационных требова­ниях к моторным топливам, по сравнению со странами запада.

Низкая глубина переработки остается одной из главных проблем отечественной нефтепереработки. В среднем она составляет 71,7 %, что значительно ниже уровня мировых показателей [3]. Для сравнения глубина переработки нефти в Европе составляет 85 %, в США — 95 %, т. е. Россия существенно отстает от других стран по этому показателю. Фактически отечественная нефтепереработка производит сырье для переработки в Европе.

Среди лидеров по глубине переработки — заводы Башнефть (86,2 %), Лукойл (76,7 %), Газпром (74,6 %), затем идут НПЗ ТАИФ-НК (68,01 %), ТНК-ВР (66,7 %), Роснефть (64,5 %), Альянс (62,0 %), Русснефть (56,7 %) и далее Сургутнефтегаз (43,2 %).

Соответственно, перед нефтепереработкой России стоят важные задачи по углублению переработки нефти с 71,7 % в настоящее время до 80—85 % в 2015 г. и 85—90 % в 2020 г. (Энергетическая стратегия России до 2020 г.)

Достичь таких показателей можно интенсивным внедрением на отечественных НПЗ углубляющих процессов.

Исходя из особенностей ТЭК страны, технологическая структура мощностей переработки формировалась без достаточного развития процессов углубляющих переработку нефти и улучшающих качество продукции. Доля углубляющих процессов в России составляет примерно 20 % от объема переработки нефти, а в США более 73 %. Существенно отстает и развитие процессов обеспечивающих улучшение качества нефтепродуктов (алкилирование, изомеризация, производство оксигенатов) [7].

Период формирования новой Российской нефтепереработки сов­пал с существенным ужесточением мировых требований к качеству нефтепродуктов. Впервые было сформулировано понятие «экологи­чески чистые моторные топлива».

В развитие процессов, углубляющих переработку нефти, Россия отстает от среднемирового и европейского уровня в два раза, от уровня США — более чем в три раза, а в развитии важнейшего из этих процессов, каталитического крекинга и гидрокрекинга в 4—7 раз. Вследствие этого в России ограничена возможность выработки моторных топлив, в то время как выработка топочного мазута составляет около 30 % от объема перерабатываемой нефти, в то время как в США — 5 % [7].

Решение проблемы углубления переработки нефти в России до 85—90 % к 2020 г. будет предопределяться наличием сырья для загрузки мощностей углубляющих процессов и освоения новых техно­логий для вовлечения в глубокую переработку нефтяных остатков, т.е. процессов каталитического крекинга, висбрекинга, коксования, гидрогенизационных процессов.

Расчеты показывают, что для достижения заданных показателей необходимо построить на российских НПЗ семь установок катали­тического крекинга с предварительной гидроочисткой исходного вакуумного газойля с общей мощностью около 13 млн т/год и 8 установок гидрокрекинга общей мощностью порядка 11 млн т/год, а также расширить мощности термических процессов ( висбрекинг, коксование) [7].

Из 27 российских НПЗ общей мощностью 248,8 млн т/год 9 заво­дов не имеют углубляющих процессов. На 18 НПЗ с глубокой перера­боткой нефти соотношение углубляющих процессов следующее [5, 6]:

4 НПЗ имеют 4 углубляющих процесса, 2 НПЗ — 3 углубляющих процесса, 10 НПЗ — 2 углубляющих процесса и 2 НПЗ — 1 углубляющий процесс.

Каталитический крекинг, как один из наиболее углубляющих переработку нефти процесс внедрен на 13 российских НПЗ. Всего установок каталитического крекинга в отрасли — 20. Доля КК от первичной переработки — 7 %.

Следующий по значимости углубления переработки нефти процесс — гидрокрекинг (ГК). На шести российских НПЗ функционируют шесть установок гидрокрекинга, работающие по технологии гидрокрекинга в мягких условиях и гидрокрекинга под давлением. В перспективе в России намечается строительство еще 9 установок гидрокрекинга.

Доля процесса замедленного коксования в отечественной нефтепереработке от первичной переработки составляет — 3,0 %. Семь установок расположены на 5 НПЗ. В 2011 г. намечается закончить строительство установки коксования мощностью 1 млн тонн на Комсо­мольском НПЗ (Роснефть). В перспективе намечается строительство установок коксования в Ачинске, Перми.

Процесс висбрекинга — это процесс, косвенно углубляющий переработку нефти. Доля висбрекинга от первичной переработки сос­тавляет 9,7 %, т. е. больше, чем доля других углубляющих процессов.

Всего на отечественных НПЗ эксплуатируется 13 установок висбрекинга. Из них: Лукойл — 2, ТНК — ВР — 2, Роснефть — 1, Башнефтехим -3, Газпромнефть — 1, МНТК-1, Славнефть -1, ТАИФ-НК -1, ОАО Салаватнефтеоргсинтез — 1. В перспективенамечается строительство установок висбрекинга — в Кириши, Перми [5, 6].

Наибольшее количество построенных установок по углубляющим процессам за период 2003—2010 г. приходится на висбрекинг, хотя процесс висбрекинга дает самую низкую глубину переработки нефти.

В отсутствие на НПЗ установок висбрекинга при приготовлении товарного мазута для обеспечения его вязкостных характеристик значительная часть газойля используется в качестве разбавителя.

При включении в схему переработки нефти процесса висбрекин­га экономятся газойлевые фракции, так как висбрекинг гудрона позволяет получить тяжелый компонент товарного мазута (гудрон) более низкой вязкости и, как следствие, дополнительные объемы вакуумного газойля.

Таким образом, пуск установок висбрекинга косвенно способствует увеличению глубины переработки нефти на НПЗ, значительно сокращая выпуск мазута и увеличивая производство вакуумного газойля.

Основной экономический аспект применения процесса висбре­кинга — высвобождение вакуумного газойля и средних дистиллятов, ранее вовлекаемых в производство товарного мазута как разбавителей для достижения необходимых параметров вязкости [1].

В результате висбрекинга гудрона снижается его вязкость, что уменьшает расход разбавителя для приготовления котельного топлива на 20—25 % масс. и, тем самым, увеличиваются ресурсы дистил­лятного сырья для каталитических процессов. При этом уменьшается общее количество котельного топлива. Процесс висбрекинга — это один из недорогих и малозатратных процессов переработки нефтяных остатков, который как процесс претерпел в последние годы значи­тельные изменения и получил новые потенциальные возможности.

На сегодняшний день получили распространение два варианта осуществления процесса [2]:

• печной или висбрекинг в печи с сокинг-секцией, при котором высокая
• температура (480—500⁰С) сочетается с коротким временем пребывания сырья в реакционной зоне (1,5—2 мин);
• висбрекинг с выносной реакционной камерой. Требуемая степень конверсии достигается при более мягком температурном режиме (440—450⁰С) и длительном времени (10—15 мин).

Опыт работы с реализацией печных вариантов показывает, что они не обеспечивают снижение вязкости тяжелых нефтяных остатков до норм, предъявляемым к товарным котельным топливам, а получаемый крекинг-остаток требует вовлечения дополнительного количества разбавителей.

Вариант висбрекинга с реакционными камерами более эконо­мичен, т. к. при одной и той же конверсии тепловая нагрузка на печь меньше, но при печном получается меньший выход газа и бензина и повышенный выход газойлевых фракций. Однако крекинг-остаток, который используется в качестве котельного топлива, содержит серы не меньше, чем исходное сырье, т. е. экологические проблемы использования сернистых топлив этом случае не решаются.

Для получения менее сернистого котельного топлива может быть использован такой альтернативный вариант, при котором происходит гидрообессеривание глубоковакуумного газойля с температурой конца кипения до 590⁰С, а утяжеленные гудроны подвергаются висбрекингу. После их смешивания можно получить менее сернистое котельное топливо.

Непрерывное развитие процесса висбрекинга привело к значи­тельному повышению глубины конверсии сырья и минимизации выхода котельного топлива. Дооборудование установки висбрекинга вакуумными колоннами позволяет значительно увеличить отбор дис­тиллятных фракций и снизить выход остатка висбрекинга до 50—60 % масс на сырье [4].

Для сокращения выхода крекинг-остатка разработаны схемы, где процесс висбрекинга комбинируются с вакуумной перегонкой и термическим крекингом.

Технологическая схема установок висбрекинга определяется назначением процесса: существуют схемы, позволяющие получать максимальное количество котельного топлива при минимальном выходе газа и бензина, или схемы, обеспечивающие максимальное количество легких дистиллятов типа дизельного топлива. Сейчас за рубежом работают несколько десятков установок висбрекинга различных вариантов. В их разработке принимали участие ведущие фирмы Луммус, Шелл, ФИН.

Наиболее простая типичная схема, предназначенная для получе­ния котельного топлива, включает печь с сокинг-секцией (или печь и сокинг камеру). В отличие от процесса термического крекинга, где продукты реакции из печи проходят выносную реакционную камеру сверху вниз, на этих установках движение продуктов организовано снизу вверх. Это позволяет значительно увеличить время пребывания жидкой фазы в зоне реакции и приводит к увеличению степени превращения исходного сырья.

В связи с постоянным снижением спроса на котельное топливо, новые установки висбрекинга оборудуются секциями четкого фракционирования, позволяющими увеличить отбор дистиллятов.

Другая схема висбрекинга направлена на максимальное получение вакуумного газойля — сырья каталитического крекинга или гидро­крекинга и включает вышеописанную схему и вакуумную колонну [4, 7].

Для снижения выхода крекинг-остатка применяется схема, соче­тающая висбрекинг гудрона с термическим крекингом тяжелого газойля.

Выход крекинг-остатка по этой схеме снижается до 66 % масс, выход дизельной фракции увеличивается до 23 % масс.

Более сложная схема может включать один или два глубокова­куумных блока: один для вакуумирования исходного сырья, другой — крекинг-остатка. При включении двух вакуумных блоков достигается высокая степень конверсии: выход фракции дизельного топлива дости­гает 30 %, а вязкость остатка снижается в 10 раз.

При работе по этой схеме вакуумные дистилляты из блоков глубоковакуумной перегонки сырья и блока вакуумной перегонки остатка в смеси с тяжелым газойлем, отбираемым в качестве бокового погона ректификационной колонны, подвергаются термическому крекингу в печи термического крекинга. При переработке гудрона по этой схеме увеличивается выход газа, бензина, среднего дистиллята, понижается температура застывания котельного топлива.

Средний выход продуктов (% масс.) при работе по этой схеме следующий [7]:

С₁—С₄                                                  до 4

С₅—195⁰С                          до 7

165—350⁰С                       25—30

Котельное топливо         остальное

В настоящее время наиболее распространены варианты висбрекинга с получением максимального количества дистиллятов с концом кипения 350⁰С и ниже. Современные установки висбрекинга работают при максимально возможной глубине конверсии, которая лимитируется стабильностью получаемого котельного топлива.

Первые установки низкотемпературного висбрекинга с выносными реакционными камерами были построены в 1962 году.

Применение выносной реакционной камеры позволяет снизить глубину превращения сырья в реакционном змеевике печи и довести ее до нужного значения в реакционной камере. Температура печи при этом может быть снижена на 25—30⁰С и увеличивается межремонтный пробег установки до 1 года против 3—6 месяцев при печном варианте висбрекинга. В процессе висбрекинга с выносной реакционной камерой получается более стабильное котельное топливо, что является очень важным преимуществом этого варианта осуществления процесса.

Разработчиком этого процесса является фирма Shell, лицензиар и проектировщик процесса по технологии Shell —фирма Lummus Crest Inc. Камеры начали широко использоваться с конца 70-х годов ХХ в.

Реакционные камеры (сокинг-камеры) фирмы Shell принципиаль­но отличаются от применявшихся ранее камер на установках термического крекинга [4]:

• рассчитаны на переработку более тяжелого сырья;
• сырье подается в нижнюю, а не верхнюю часть камеры;
• крекинг проходит в жидкой фазе.

Процессом висбрекинга занимаются многие зарубежные фирмы: Shell, Lummus,Kellog,UOP, Foster Wheeller.

Разработками технологии процесса висбрекинга раннее в СССР и в настоящее время в России занимаются такие ведущие научно-исследовательские институты, как ГУП Нефтехимпереработка РБ, ГрозНИИ, ВНИИ НП и ВНИПИНефть [8].

В последние годы процесс висбрекинга претерпел значительные изменения, исследователями предложены различные его технологи­ческие модификации.

Новую технологию процесса представляет каталитический висбре­кинг в присутствии водяного пара. Технология разработана фирмой PDVSA-INTERVEP-UOP [4]. Этот процесс, называемый Акваконверсия, отличается от традиционного, повышенным выходом дистиллятных фрак­ций при сохранении низких капитальных затрат, присущих висбрекингу.

Остаточное сырье нагревают в печи до температуры термического крекинга. В отличие от традиционного термокрекинга, при котором реакции полимеризации снижают выход дистиллятов и увеличивают выход асфальтенов, в этом процессе реакции полиме­ризации и конденсации подавляются. Это достигается в результате мягкого гидрирования, образующихся в процессе радикалов. Гидрирование происходит в результате переноса водорода из небольшого количества воды (пара), добавляемой к сырью, в присутствии активного катализатора (добавки), состав которого является ноу-хау фирмы PDVSA-INTERVEP-UOP. При этом достигается значительно большая глубина превращения без осаждения асфальтенов. В схеме предусмотрено отделение активного катализатора в блоке рекуперации с последующим его возвратом в сырьевую линию.

Следующая интересная модификация процесса висбрекинга — это процесс японских компаний «Тойо инжиниринг» и «Мицуи Косян Кемиклз» — висбрекинг с выносной реакционной камерой с высокой степенью конверсии. Аналогичный вариант был предложен ранее в 1980-е годы грозненской школой.

От обычного висбрекинга процесс отличается более высокой степенью конверсии сырья, большой стабильностью остатка и меньшим содержанием непредельных в дистиллятах. Предназначен для переработки тяжелого сырья с высоким содержанием серы и металлов. Для повышения степени превращения сырья используется камера особой конструкции.

Совместное предприятие Французского института нефти и французских фирм Эльф и Тоталь разработало модификации процесса висбрекинга: висбрекинг без водорода; гидровисбрекинг; каталитический гидровисбрекинг.

Компанией Эксон разработан донорно-сольвентный висбрекинг — HDDV, компанией Лурги разработан донорно-сольвентный висбрекинг DSV.

Анализ становления и развития процесса висбрекинга в отечест­венной нефтепереработке показывает, что совершенствование этого процесса на отечественных НПЗ проходило несколько отлично от зарубежных. На отечественных нефтеперерабатывающих заводах внедрение процесса висбрекинга наиболее широко осуществлялось за счет реконструкции простаивающих установок термокрекинга, атмосферной перегонки, замедленного коксования.

Таким образом, процесс висбрекинга в настоящее время набирает вторую волну технологической востребованности. Если раньше висбрекинг использовался только для снижения вязкости гудронов, то теперь для углубления переработки нефти. Ведущими мировыми фирмами и отечественными институтами разработаны за последние годы оригинальные решения по процессу висбрекинга.

Основное достоинство новых процессов в том, что они предназначены для глубокой переработки тяжелых нефтяных остатков с целью увеличения выхода дистиллятных фракций на 40—60 %.

Список литературы:

1. Антонов М. Л. Переработка нефтяных остатков на предприятиях группы «ЛУКОЙЛ»: опыт и перспективы // Мир нефтепродуктов — 2009. — № 5. — С. 6—9.
2. Ахмадова Х. Х., Сыркин А. М., Махмудова Л. Ш. Становление и развитие процесса висбрекинга тяжелого углеводородного сырья. М.: Химия, 2008. 208 с.
3. Галлеев Р. Г. Хавкин В. А., Данилов А. М. О задачах российской нефтепереработки // Мир нефтепродуктов — 2009. — № 2. — С. 3—7.
4. Давлетшин А. Р. Исследование закономерностей термолиза нефтяных остатков в процессе висбрекинга с реакционной камерой с восходящим потоком. Дисс. канд. техн. наук. Уфа., 2008. 118 с.
5. Капустин В. М. Роль отечественных компаний в модернизации российских нефтеперерабатывающих заводов // Мир нефтепродуктов — 2007. — № 7. — С. 18—20.
6. Капустин В. М. Глубокая переработка углеводородного сырья в условиях финансового кризиса // Мир нефтепродуктов — 2009. — № 3. — С. 8—10.
7. Современные технологии производства компонентов моторных топлив / Козин В. Г., Солодова Н. Л, Башкирцева Н. Ю., Абдуллин А. И. Казань. 2009. 328 с.
8. Хаджиев С. Н. Внедрение имеющихся разработок позволит России осуществить технологический прорыв // ThechemicalJournal — 2008. —№ 6. — Р. 30.