ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВОВЛЕЧЕНИЯ ФРАКЦИИ 195-340 0С КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА В КАЧЕСТВЕ СЫРЬЯ ДЛЯ УСТАНОВКИ ГИДРООЧИСТКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

STUDY OF THE POSSIBILITY OF INVOLVING THE 195-340 ⁰С FRACTION OF CATALYTIC CRACKING AS A RAW MATERIAL FOR A DIESEL FUEL HYDROTREATING UNIT

Bakhtiyar Batkenov

master's student, Department of Chemistry and Chemical Technology, Toraighyrov University,

Republic of Kazakhstan, Pavlodar

Madeniyet Yelubay

scientific supervisor, Candidate of Chemical Science, professor, Dean of the Faculty of Natural Sciences  Toraighyrov University,

Republic of Kazakhstan, Pavlodar

АННОТАЦИЯ

В данном научном исследовании предлагается рассмотреть возможность дополнительного вовлечения фракций 195–340 °C каталитического крекинга в качестве сырья установки гидроочистки дизельного топлива для увеличения выхода светлых нефтепродуктов (дизельного топлива и бензинов), что позволит больше переработать серосодержащие высококипящие углеводородные фракции, a знaчит позволит улучшить кaчecтвo пoлучaeмыx пpoдуктoв пpи пoмoщи гидpoгeнизaциoнныx пpoцeccoв, снизить воздействие на окружащую среду и и улучшить экологические и экономические показатели завода.

Вырабатываемые в процессе каталитического крекинга фракция с температурным интервалом 195–340 °C, содержат большое количество ценных углеводородов, которые при правильной очистке могут быть использованы в производстве товарного дизельного топлива высокого качества.

Как известно состав фракции 195–340 °C характеризуется высоким содержанием серосодержащих соединений и ароматических углеводородов, что требует дополнительной и тщательной технологической оценки возможности их вовлечения в процесс гидроочистки.

Особый интерес представляет применение такой технологии на казахстанских нефтеперерабатывающих предприятиях, в частности на Павлодарском нефтехимическом заводе (ПНХЗ), одном из ключевых объектов топливной инфраструктуры страны.

ABSTRACT

This scientific study proposes to consider the possibility of additionally involving 195–340°C catalytic cracking fractions as a feedstock for a diesel fuel hydrotreating unit to increase the yield of light petroleum products (diesel fuel and gasoline), which will allow more sulfur-containing high-boiling hydrocarbon fractions to be processed, and thus improve the quality of the products obtained using hydrogenation processes, reduce the impact on the environment, and improve the environmental and economic performance of the plant.

The fraction produced in the catalytic cracking process with a temperature range of 195–340 °C contains a large amount of valuable hydrocarbons, which, if properly purified, can be used in the production of high-quality commercial diesel fuel.

As is known, the composition of the 195–340 °C fraction is characterized by a high content of sulfur-containing compounds and aromatic hydrocarbons, which requires additional and thorough technological assessment of the possibility of their involvement in the hydrotreating process.

Of particular interest is the use of such technology at Kazakhstani oil refineries, in particular at the Pavlodar Petrochemical Plant (PNHZ), one of the key facilities of the country's fuel infrastructure.

Ключевые слова: нефть, каталитический крекинг, гидроочистка, модернизация, нефтепродукты, дизельное топливо.

Keywords: oil, catalytic cracking, hydrotreating, modernization, petroleum products, diesel fuel.

В настоящее время в период стремительного развития нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей требуется постоянное совершенствования технологии и технологических процессов для повышения выхода светлых нефтепродуктов, улучшения качества продукции и соблюдение требования экологического законодательства.

Важным путем увеличения выхода нефтепродуктов является переработка промежуточных фракций, которые получаются в процессе каталитического крекинга, для дальнейшего их использования в качестве дополнительного сырья для смежных установок, таких как установки гидроочистки дизельного топлива, установка гидроочистки бензина.

В современных условиях нефтепереработки одним из приоритетных направлений является получение дизельного топлива высокого качества, соответствующего международным стандартам экологической безопасности (например, Евро-5 и выше) [1]. Основным сырьём для получения дизельного топлива являются прямогонные фракции, однако в последние годы возрастает интерес к использованию вторичных продуктов переработки нефти, в частности высокотемпературные фракций каталитического крекинга. Каталитический крекинг является термокаталитическим процессом расщепления тяжёлых нефтяных фракций с образованием лёгких углеводородов.

Наиболее эффективным способом доведения дизельных фракций до товарного уровня является гидроочистка, являющаяс  процессом, направленным на удаление серы, азота, кислорода, металлов и непредельных соединений с использованием водорода и катализаторов.

Процесс гидроочистка – это одноступенчатый процесс, который протекает в наиболее мягких условиях по сравнению с гидрокрекингом и деструктивной гидрогенизацией [2].

На установке гидроочистки основным аппаратом является реактор гидроочистки: который представляет собой цилиндрический аппарат с двумя эллиптическими крышками, тип ввода сырья – аксиальный, катализатор кобальт и никельсодержащий на алюминиевом носителе, заполнение катализатора в несколько слоев, защитный и основной слои [3]. Между двумя слоями подается холодный ВСГ (квенч) для поддержания равномерной температуры в реакторе и предотвращения водородного голодания в реакторе. Температура процесса 320 – 350 °С, давление в системе 4 – 4,8 МПа [4].

Фракции с температурным интервалом 195–340 °C, получаемые в процессе каталитического крекинга, представляют собой смесь углеводородов различного строения, включая парафиновые, нафтеновые, ароматические соединения, а также серо-, азот- и кислородсодержащие компоненты [5].

В таблице 1 отображены основные параметры, подлежащие контролю при оценке пригодности фракций [6].

Таблица1

Основные параметры, подлежащие контролю при оценке пригодности фракций

Из таблицы 1 видно, что фракции 195–340 °C значительно уступают товарному дизельному топливу по ключевым параметрам, особенно по содержанию серы и ароматических соединений [7].

Эти особенности требуют глубокой очистки, в частности, интенсификации процесса гидроочистки: повышения температуры, давления, выбора катализаторов с высокой активностью по удалению серы и ароматических углеводородов.

Тем не менее, наличие значительного количества углеводородов дизельного диапазона делает данные фракции потенциально ценным сырьем при наличии соответствующих технологических решений [8].

Необходимо отметить возможности и ограничения использования фракций 195–340 °C в гидроочистке дизельного топлива.

Фракции каталитического крекинга с температурой кипения 195–340 °C обладают рядом свойств, делающих их потенциально пригодными для использования в качестве сырья на установках гидроочистки дизельного топлива.

Для оценки возможности использования фракций 195–340 °C каталитического крекинга в качестве сырья для установки гидроочистки дизельного топлива необходимо проанализировать их физико-химические характеристики [9].

В таблице 2 показаны результаты лабораторного анализа фракции 195–340 °C.

Таблица 2.

Результаты лабораторного анализа фракции 195–340 °C

Данные были получены по результатам лабораторных анализов проб, отобранных на установке каталитического крекинга ТОО «ПНХЗ».

Анализ данных:

- температурный диапазон соответствует дизельной фракции, что делает данный поток подходящим по фракционному составу;

- плотность 860 кг/м³ — выше средней плотности прямогонного дизеля, что свидетельствует о большем содержании ароматических и циклических соединений;

- содержание серы (1,85 %) значительно превышает нормативные требования (<0,001 % для Евро-5), что указывает на необходимость глубокой десульфурации;

- высокая ароматичность (60 %) снижает цетановое число и усложняет процесс гидроочистки.

Также требует применения катализаторов с высокой гидрогенизирующей активностью [10];

- цетановый индекс (32) слишком низкий для использования в чистом виде, поэтому требуется смешение или применение присадок;

- содержание азота и кислородсодержащих соединений оказывает негативное влияние на активность катализатора, особенно в длительном режиме.

Фракции каталитического крекинга, получаемые на ПНХЗ, потенциально пригодны к использованию на установке гидроочистки дизельного топлива при условии корректировки режима работы установки и применения более активных катализаторов.

Основными препятствиями являются высокое содержание серы и ароматических углеводородов, а также низкий цетановый индекс.

Тем не менее, при технологически грамотном подходе возможно получить продукт, соответствующий стандартам качества, особенно при совместной переработке с прямогонными фракциями.

На основании характеристик фракции 195–340 °C, полученной на установке каталитического крекинга ПНХЗ, была выполнена оценка возможности её вовлечения в состав сырья для установки гидроочистки дизельного топлива [11].

При этом учитывались следующие параметры:

- конструктивные и технологические характеристики действующей установки;

- физико-химические свойства фракции;

- требования к товарному дизельному топливу;

- режимы работы катализаторов.

В таблице 3 указаны характеристики установки гидроочистки на ПНХЗ (УГДТ).

Таблица 3

Характеристики установки гидроочистки на ПНХЗ (УГДТ)

Для оценки эффективности вовлечения фракций каталитического крекинга в процесс гидроочистки на ПНХЗ был проведён ориентировочный расчет выхода и качества дизельного топлива при различных долях добавления фракции 195–340 °C к основному сырью (прямогонному дизельному дистилляту) [12].

Условия моделирования:

- базовым сырьем является прямогонная дизельная фракция;

- в роли добавки – фракция каталитического крекинга 195–340 °C;

- общий объём подачи составляет 1000 тонн;

- установка: УГДТ ПНХЗ;

- температура составляет 360 °C;

- давление составляет 6,8 МПа;

- катализаторами являются  NiMo/Al₂O₃.

В таблице 4 показаны сравнительные показатели качества дизельного топлива при добавлении фракций крекинга [13, 14].

Таблица 4

Сравнительные показатели качества дизельного топлива при добавлении фракций крекинга

Вывод фракции 195 – 340 ^оС в сырье С-300 ПППН№1 является технологически приемлемым вариантом, при этом достигаются следующие эффекты:

- улучшение низкотемпературных характеристик компонентов ДТ (в т.ч. и товарного ДТ) путем извлечения высокопарафинистого компонента из дизельных фракций (температура помутнения фр. 230-350 ^оС (Т-114 С-100 ПППН№1) при совместном выводе – 5 ^oC; при выводе фракции андеркат на ПГПН№3 – 13 ^oC), представленных в таблице 5:

Таблица 5

Влияние вывода фракции 330-360 ^оС на качество ДТ

В схеме очистки фракции 195-340⁰С планируется использование фильтров F-502. Система фильтрации тяжелого газойля коксования B100K-F-502 предназначена для обеспечения бесперебойного процесса непрерывной очистки тяжелого газойля коксования от механических частиц. Система состоит из трех параллельно подключенных фильтров обратной промывки (один в работе, два в резерве) и трубопроводной обвязки с запорно-регулирующей арматурой, установленных на рамной конструкции, укрытых термочехлами и теплоизоляцией с греющим кабелем. Обвязка установки включает в себя линию подачи фильтруемой смеси, обеспечивающую подачу и отсечение рабочей среды на фильтры обратной промывки, линию выхода отфильтрованной смеси, линию сброса избыточного давления из корпусов фильтров, линию сжатого воздуха КиП и линию слива фильтрата из системы. Установка оснащена локальной системой автоматизации, выведенной на местный щит управления с возможностью дистанционного контроля.

Заключение

На основе теоретического анализа установлено, что данные фракции имеют существенные отличия от традиционного сырья для гидроочистки, включая повышенное содержание серы, ароматических соединений и низкое цетановое число.

Эти характеристики требуют адаптации технологических параметров установки, выбора активных катализаторов и контроля за составом сырьевого потока.

Анализ технологических и лабораторных данных ПНХЗ показал, что установка гидроочистки дизельного топлива обладает достаточным потенциалом для переработки данных фракций при условии их дозированного вовлечения (до 20 %).

При этом обеспечивается повышение выхода товарного дизельного топлива и экономическая выгода, при сохранении соответствия требованиям экологических стандартов.

Расчёт показал, что добавление до 20 % фракций крекинга позволяет увеличить выход дизельного топлива на 1,5–2 %, при этом содержание серы и ароматики остаётся в пределах допустимых значений после глубокой гидроочистки.

Список литературы:

1. Технический регламент Таможенного союза "О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту" (ТР ТС 013/2011).
2. Афанасьев И.П., Лебедев Б.Л., Ишмурзин А.В., Талалаев С.Ю., Вышенцев А.Ю., Антипин С.Г. Мониторинг процесса депарафинизации дизельного топлива и реактивация катализатора СГК-1 // Нефтепереработка и нефтехимия. – 2014. – № 4. – C. 18-22.
3. Киселева Т.П., Гизетдинова А.Ф., Алиев Р.Р., Скорникова С.А. Влияние природы цеолита на эффективность катализаторов гидроизомеризации и гидродепарафинизации нефтяных фракций // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. – 2015. – № 4. – 2015. – С. 17-24 с.
4. Герасимов Д.Н., Фадеев В.В., Логинова А.Н., Лысенко С.В. Гидроизомеризация длинноцепочечных парафинов: механизм и катализаторы. Часть 1 // Катализ в промышленности. – 2015. – № 1. – С. 27-54.
5. Кулешов А.И., Иванов В.П. Процессы каталитического крекинга. — М.: Недра, 2010. — 368 с.
6. Официальный сайт ТОО «Павлодарский нефтехимический завод» — https://www.pnhz.kz
7. Беркутов А.В., Баймагамбетов Б.С. Перспективы развития нефтепереработки в Казахстане. // Вестник КазНТУ. — 2020. — №4(146). — С. 89–95.
8. Сидорович В.И. Гидроочистка нефтяных фракций. — М.: Химия, 2007. — 320 с.
9. Герасимов Я.И., Гуреев А.А. Каталитические процессы переработки нефти. — М.: Химия, 2004. — 512 с.
10. Сагдиев А.А. Технология переработки нефти и газа: Учебник. — Алматы: КазНТУ, 2015. — 432 с.
11. KazEnergy. Ежегодный аналитический обзор «Энергетика Казахстана». — 2023. — [Электронный ресурс].
12. Дорохов И.И. Катализаторы для гидроочистки и гидрокрекинга. — М.: Техносфера, 2013. — 290 с.
13. Нефтеперерабатывающие заводы Казахстана: текущее состояние и модернизация // Доклад Министерства энергетики РК. — Астана, 2022.
14. OECD Environmental Performance Reviews: Kazakhstan 2020. — Paris: OECD Publishing, 2020.