Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
“Казанский (Приволжский) федеральный университет”
Институт геологии и нефтегазовых технологий
Кафедра высоковязких нефтей и природных битумов
Лабораторная работа.
«Кинетика и катализ».
Методическое указание
Казань
2012
Современные схемы переработки нефти и производства нефтехимической продукции.
Разработка рациональной технологической схемы нефтеперерабатывающего завода с подбором технологических установок и определением наиболее целесообразного варианта эксплуатации установок является наиболее важным этапом проектирования предприятия.
В настоящее время НПЗ строят в местах концентрированного потребления нефтепродуктов. В прошлом местонахождение НПЗ обуславливалось наличием сырья- именно так возникли центры нефтепереработки в Баку, Уфе, Грозном. В дальнейшем стало ясно, и это подтвердили технико- экономические расчеты, что гораздо рентабельнее транспортировать нефть к месту концентрированного потребления ГСМ, чем перевозить сами нефтепродукты с заводов, расположенных вблизи нефтяных промыслов. Поэтому и строят НПЗ в точках, удаленных на тысячи километров от нефтедобывающих районов (Новополоцк, Мозырь, Мажейкяй, Павлодар и др.).
Технологическая схема НПЗ определяется потребностью в нефтепродуктах того или иного ассортимента, качеством перерабатываемого сырья, состоянием разработки тех или иных технологических процессов. Решающим фактором является потребность в нефтепродуктах района, где находится предприятие (так называемая плотность потребления). Территория страны разбита на зоны тяготения, каждая из которых обеспечивается нефтепродуктами с одного- двух близлежащих заводов. Например, в зону тяготения Киришского НПЗ входят Ленинградская, Мурманская, Новгородская области и Карелия.
Балансом производства и потребления нефтепродуктов предусматриваются постоянные или временные перевозки нефтепродуктов из одного района в другой по схеме, обеспечивающей минимум затрат. Рациональными в пределах Европейской части страны считаются перевозки нефтепродуктов из восточных районов, где имеются избыточные мощности по переработки нефти, в районе с концентрированным потреблением нефтепродуктов.
Качество сырья не имеет такого решающего значения, как это было ранее, поскольку разработаны процессы, позволяющие получать основные сорта нефтепродуктов, в том числе и высокого качества, практически из любой нефти. Однако для производства таких продуктов, как битумы, нефтяной кокс, отдельные сорта смазочных масел требуются специальные виды сырья. Например, при современном уровне технологии из высокопарафинистых нефтей весьма сложно получить нефтяные битумы, а из высокосернистых нефтей- малосернистый электродный кокс.
Существует несколько вариантов технологических схем переработки нефти. Однако в общем виде эти схемы могут быть сведены к трем- четырем основным типам:
1) топливная с неглубокой переработкой нефти;
2) топливная с глубокой переработки нефти;
3) топливно- масляная;
4) топливно- нефтехимическая.
На заводах, работающих по первым двум схемам, выработываются в основном различные топлива- бензин, авиационный и осветительный керосин, дизельное, газотурбинное, печное и котельное топлива. При неглубокой переработке нефти отбор светлых нефтепродуктов составляет не более 40- 45%, а выработка котельного топлива достигает 50- 55% в расчете на исходную нефть.
Предприятия с неглубокой переработкой нефти строятся в тех районах, где отсутствуют такие источники энергии, как каменный уголь, природный газ и где в связи с этим для энергетических установок используется котельное топливо (мазут) или где в больших количествах расходуется котельное топливо для морского или речного транспорта (например, Кириши).
Заводы топливного профиля с глубокой переработкой нефти строятся в районах, где особенно велика потребность в бензине, реактивном и дизельном топливах, т.е. светлых нефтепродуктах, выход которых составляет 72- 75% на нефть, а котельное топливо вырабатывается только в количествах, необходимых для обеспечения собственной потребности предприятия.
В настоящее время в нефтепереработке проводится техническая политика, направленная на дальнейшее повышение глубины переработки нефти. Так, в 1985г. выход светлых нефтепродуктов в нашей стране составлял примерно 59%. На 1990г. планировалось увеличить глубину переработки и выход светлых должен был составить около 65%. В США выход светлых нефтепродуктов или глубина переработки нефти в настоящее время составляет 72- 75%.
Заводы топливно- масляного профиля проектируются таким образом, чтобы обеспечить получение заданного количества и качества смазочных масел. Попутно с производством масел вырабатываются парафины и церизины. На базе асфальтов и экстрактов, являющихся побочными продуктами установок очистки масел, получают битумы и нефтяной кокс.
Ассортимент продукции значительно расширяется, если включить в состав НПЗ нефтехимические производства. Нефтехимические производства используют такие виды сырья, как прямогонный бензин, индивидуальные легкие парафиновые углеводороды, ароматические углеводороды (бензол, толуол), смеси высших алканов (жидкие и твердые порафины). Как правило, нефтехимические цеха являются частью крупных производственных объединений, в состав которых входят и НПЗ. Сырье с нефтеперерабатавающей на нефтехимическую часть передается по трубопроводам. Так запроектированы, в частности, предприятия в Перми, Ангарске, Салавате. В отдельных случаях нефтехимические производства функционируют независимо от НПЗ и получают сырье по магистральным продуктопроводам или железной дороге.
Головным производством НХЗ в большинстве случаев является пиролиз с получением этилена, пропилена, бутилен- дивинильный фракции, жидких продуктов, в которых содержится 60- 90 мас.% ароматических и 10- 40 мас.% неароматических углеводородов (в основном, диенов, олефинов и циклоолефинов). На основе полученных продуктов осуществляется широкая гамма нефтехимических синтезов.
Планирование нефтепереработки, проектирование НПЗ, правильная их эксплуатация и постоянное совершенствование технологии процессов требуют глубокого знания сырья и его потенциальных возможностей. Изучение сырья осуществляется при лабораторных исследованиях, результаты которых представляются в виде кривых разгонки нефтей, т.е. кривых ИТК, ОИ, а также графиков плотности, молекулярного веса, вязкости, температуры вспышки, температуры застывания и других констант различных нефтяных фракций. Методика получения этих данных заклячается в том, что производят разгонку нефти на стандартной установке АРН- 2 в соответствии с ГОСТ 11011- 64. При перегонке отбирают 3% мас. Фракции. Каждую фракцию анализируют и определяют вышеназванные показатели и наносят их на график.
Более подробно этот материал будет рассмотрен на практических занятиях.
Исходные данные для разработке технологической части проекта.
Разработка технологической части проектов НПЗ и НХЗ ведется на основании комплекса данных, которые выдаются НИИ. Эти данные могут быть условно разделены на несколько групп.
В первую группу входит характеристика исходного сырья, которое предполагается использовать на проектируемом заводе, данные о количестве и качестве промежуточных и товарных продуктов, которые могут быть получены из этого сырья.
Вторую группу составляют показатели отдельных технологических процессов, используемых при переработке для получения определенного ассортимента товарных продуктов.
В отдельную группу выделяются данные о мероприятиях, которые должны быть предусмотрены для охраны водного и воздушного бассейнов и почвы от загрязнений вредными выбросами.
Перед началом проектирования определяется головной НИИ по выдаче данных для проектирования. Головной НИИ проводит детальное исследование сырья, которое подвергается переработке на пилотных или полупромышленных установках, воспроизводящих реальные технологические процессы, намечаемые к осуществлению на проектируемом заводе.
Основные принципы составления материальных балансов производства и схем материальных потоков завода.
Руководствуясь данными НИИ и типовых повторно применяемых проектов технологических установок, составляют схему материальных потоков предприятия, в которой увязываются между собой (по сырью и товарной продукции) все установки и производства. В результате составления схемы материальных потоков определяется количество и качество отдельных компонентов товарной продукции, рассчитывается качество товарных продуктов с учетом имеющихся в наличии компонентов, и, наконец, составляется сводный материальный баланс предприятия в целом.
При составлении технологических схем и материальных балансов НПЗ, следует учитывать ряд соображений:
1) производительность установок или секций обессоливания должна обеспечить подготовку всей нефти поступающей на завод. Расчет материального баланса НПЗ ведется на обессоленную нефть, и в плановых и проектных документах всегда указывается мощность завода по подготовленной нефти;
при составлении баланса по прямогонным бензинам следует предусматривать полное использование бензиновых фракций (кроме легкого бензина н.к.620С) для каталитического риформинга. При этом фракции 62- 850С и 85- 1050С направляются на установку риформинга с блоком экстракции ароматических углеводородов для получения, соответственно, бензола и толуола. Поскольку потребность в бензоле значительно выше, чем в толуоле, при составлении балансов следует предусматривать первоочередное использование фракции 62- 850С. Остаток фракции 85- 1050С, а также фракции 105- 1400С, 140- 1800С направляются на установки риформинга для плучения высокооктанового компонента автобензина. Использование на установках риформинга, работающих в режиме облагораживания, фракции 62- 850С нецелесообразно, так как при ее вовлечении в сырье не удается получить катализат с октановым числом выше 90 пунктов (по исследовательскому методу);
мощность завода по гидроочистке должна обеспечить получение дизельного топлива с содержанием серы ниже 0,2 мас.%. Рациональная схема материальных потоков НПЗ предусматривает получение дизельного топлива смешением неочищенной легкой дизельной фракции 180- 2300С, в которой обычно содержится не выше 0,3 мас.% серы, и гидроочищенной фракции 230- 3500С. Следует иметь в виду, что такое решение не только позволяет более рационально использовать мощности гидроочистки, но и улучшает защитные свойства дизельных топлив за счет вовлечения неочищенного компонента;
выработка авиакеросина на НПЗ обычно оговаривается в задании. Исходя из заданного объема, на производство этого продукта частично отвлекаются бензиновые и дизельные фракции;
дизельное топливо зимнее получают парафинизацией прямогонных фракций. Целесообразно на установки депарафинизации направлять гидроочищенные продукты;
при разработке схем глубокой переработки нефти, если НПЗ должен производить максимальное количество автобензина, то в его состав включают установку каталитического крекинга, а если задачей углубления является увеличение выработки керосина и дизельного топлива, то следует предусматривать строительство установок гидрокрекинга. В проектах можно предусматривать установки как каталитического, так и гидрокрекинга, что позволяет значительно увеличить отбор светлых нефтепродуктов;
одним из наиболее важных и ценных продуктов переработки нефти является нефтяной кокс. В состав многих НПЗ в настоящее время включается производство кокса методом замедленного коксования мощностью 600 и 1500 тыс.т/год по сырью. При составлении балансов следует иметь в виду, что для получения кокса, удовлетворяющего требованиям стандартов по содержанию серы и металлов (ванадия, никеля и др.), из сернистых нефтей, может потребоваться сооружение комплекса, включающего не только установку замедленного коксования, но и несколько установок подготовки сырья (гидроочистка вакуумного газойля, термический крекинг гидгоочищенного вакуумного газойля). Получить стандартный нефтяной кокс непосредственно замедленным коксованием гудрона можно только из нефтей с относительно невысоким содержанием серы и ванадия;
полученная при замедленном коксовании,висбрекинге и термическом кгекинге бензиновая фракция характеризуется низким октановым числом и химической нестабильностью. В настоящее время она, как правило, используется в качестве компонента бензинов А- 72 и А- 76 (после добавления соответствующих ингибиторов окисления и антидетонаторов). В перспективе следует предусмотреть гидрогенезационное облагораживание этой фракции.
Разработаны две схемы гидрирования вторичных бензинов- в смеси с легким газойлем и в смеси с прямогонными бензинами. Гидрированные бензины направляются затем на установки каталитического риформинга;
9) для получения высокооктановых легкокипящих компонентов автобензина в состав завода включаются установки изомеризации и алкилирования. Сырьем процесса изомеризации может служить либо пентан- изогексановая фракция н.к.- 620С, либо пентан- гексановая фракция н.к.- 700С. Во втором случае значительно расширяется выработка изокомпонента за счет вовлечения в процесс изомеризации номального гексана, однако при этом существует опасность потери некоторого количества бензола из- за попадания во фракцию н.к.- 700С бензолообразующих фракций. Составляя схему и баланс НПЗ, следует также оценить, обеспечит ли действующие установки первичной перегонки получение фракции н.к.- 700С, поскольку традиционно они расчитаны только на выработку фракции н.к.- 620С.
Если изомеризация может быть включена в состав любого НПЗ, то алкилирование входит в состав только тех заводов, на которых имеются установки каталитического крекинга, вырабатывающие непредельные углеводороды С3- С4. Сырьем установок алкилирования обычно является бутан- бутиленовая фракция, которая содержит и бутены и изобутан, причем в необходимом для реализации процесса соотношении. С целью расширения ресурсов сырья и увеличения выхода алкилата рекомендуется привлекать на эти установки пропан- пропиленовую фракцию. Однако для алкилирования в этом случае нелбходим получаемый со стороны изобутан;
при составлении материальных балансов следует иметь в виду, что для обеспечения требуемого давления насыщенных паров автобензинов к ним добавляют бутаны. В летний период в бензинах содержится до 2 мас.% бутанов, а зимний- до 5-7 мас.%. Учитывая ценность изобутана как сырья алкилирования, необходимо предусматривать разделение суммарной бутановой фракции на nC4 и iC4 и iC4 не направлять в бензин;
11) сырьем заводов СК являются легкие углеводороды, вырабатываемые на НПЗ- бутаны и пентаны. Потребность заводов СК в сырье весьма высока, причем особенно дефицитен изопентан. При составлении схем материальных потоков НПЗ нужно предусматривать не только использование изопентана в качестве компонента высокооктанового бензина, но и его выработку как товарного продукта. Выработка товарного изопентана обычно оговаривается в задании на проектирование. Сдедует, однако, иметь в виду, что содержанием пентан- гексановых фракций определяется такой важный показатель качества бензина, как температура 10%-го отгона, и при чрезмерной выработке товарного изопентана этот предусмотренный стандартами показатель не будет обеспечен;
12) в составе каждого НПЗ должно быть предусмотрено производство битума, потребность в котором из года в год увеличивается. Мощность современных НПЗ по выпуску битума составляет 4-7мас.% в расчете на нефть.
На заводах топливного профиля битум получают из гудрона с добавлением вакуумного дистиллята, а на предприятиях топливно- масляного профиля в сырье битумных установок вовлекаются побочные продукты производства масел- асфальт и экстракты. На заводах с неглубокой переработкой нефти головными обычно являются установки атмосферной перегонки нефти, на которых остатком от перегонки служит мазут. Чтобы получить на этих НПЗ сырье для производства битумов, блок вакуумной перегонки мазута включается в состав битумных установок. Мощность вакуумного блока определяется потребностью в гудроне;
13) мощность комплекса по производству масел (в расчете на товарные масла) определяется заданием на проектирование и составляет обычно 3-4 мас.% от общей мощности завода по нефти. Сырьем комплекса по производству масел являются узкие дистиллятные фракции, получаемые при вакуумной перегонке мазута и гудрона. Узкие фракции получает на АВТ или отдельно предусмотренных вакуумных установках. На последних удается получить масляные фракции более высокого качества;
14) для повышения эксплуатационных свойств смазочных масел к ним добавляют различные присадки. В зависимости от заданного ассортимента масел при составлении материального баланса определяют ассортимент и количество присадок, необходимых для приготовления товарной продукции. Получаемые со стороны присадки к маслам и ПАВ, необходимые для получения битумов, при составлении приходной части баланса, учитываются балансы более 100%;
15) на НПЗ с неглубокой переработкой нефти потребность в водороде для гидрогенезационных процессов удается обеспечить за счет ВСГ риформинга. На НПЗ с глубокой переработкой нефти наблюдается нехватка водорода, поэтому следует предусматривать специальные установки по его производству;
16) на каждой из установок НПЗ имеют место потери, величина которых оговорена нормами технологического проектирования. В нормах указана также величина безвозвратных потерь на НПЗ в зависимости от его мощности и профиля переработки. Разница между общей величиной потерь по всем установкам НПЗ и величиной безвозвратных потерь соответствует количеству ловушечного нефтепродукта, возвращаемого с очистных сооружений для повторной переработки. В составе завода целесообразно предусматривать установку для разделения ловушечного продукта на светлые и темные нефтепродукты. За последнее время в практике многих НПЗ принято направлять ловушечный продукт в мазут, что не приводит к ухудшению качества мазута.
При разработке технологической схемы завода требуется детально изучить все возможные варинты производства необходимого количества и качества товарных нефтепродуктов при наименьших капитальных и эксплуатационных затратах. Многовариантность и трудоемкость расчетов, связанных с выбором оптимальной технологической схемы, стали основной причиной привлечения к решению этой задачи математических методов оптимизации. В качестве основного метода решения задачи по выбору оптимальной технологической схемы НПЗ используется линейное программирование. Составной частью этого метода является методика составления математической модели НПЗ с помощью технологических бланков установок. Кроме бланков для технологических установок составляются математические модели расчета баланса и дефицита водорода, смешения (компаундирования) автобензинов и других товарных продуктов, сводного материального баланса НПЗ и задания на получение необходимых количеств нефтепродуктов. Составляется также математическая модель расчета стоимости приведенных затрат.
Товарный баланс завода.
Товарный баланс НПЗ и НХЗ составляются на основе сводных материальных балансов. Расходная часть товарного баланса представляет собой перечень продуктов, которые являются товарной прдукцией завода, которая им реализуется потребителям.
В товарном балансе не учитываются те продукты, которые используются на самом предприятии в качестве реагентов или топлива. Из числа продуктов, традиционно производимых на НПЗ и НХЗ, на собственные нужды чаще всего расходуются: этан, этилен и пропан (как хладоагенты), бензол, толуол, метилэтилкетон и фенол (как реагенты в производстве масел), серная кислота, сухой газ (как топливо), технический водород. Товарную выработку мазута определяют после того, как будет рассчитан расход топлива на собственные нужды предприятия. При составлении товарного баланса необходимо учитывать возврат ловушечного продукта.
Определение потребности НПЗ в реагентах катализаторах, сжатом воздухе, азоте, водороде.
Первоначально по данным НИИ и содержащим в типовых, повторно применяемых и индивидуальных проектах, устанавливают перечень необходимых реагентов, катализаторов, адсорбентов и т.д., а затем рассчитывают максимальное потребление (годовой, суточный расход, единовременную занрузку). На основании полученных результатов проектируются склады реагентов, поступающих в мелкой таре катализаторов и адсорбентов, а также реагентное хозяйство.
Воздух на НПЗ и НХЗ используется для пневматических систем автоматического регулировния и разнообразных технологических целей (выжиг кокса из змеевиков печей, регенерация катализаторов, окисление нефтепродуктов в технологии получения битума, различных кислосодержащих соединений и т.д.). Расход сжатого воздуха определяется по данным, приводимым в паспортах и проектах технологических установок и объектов общезаводского хозяйства, инструкциях на приборы и оборудование. Используя собранные сведения, составляют баланс потребности в сжатом воздухе.
В соответствии с нормами технологического проектирования потребителям на НПЗ и НХЗ должен подаваться сжатый воздух трех параметров:
1) высокого давления (5-7 мПа) для регенерации катализаторов и опрессовки;
2) низкого давления (0,8 мПа) осушенный- для приборов контроля и автоматики;
3) низкого давления (0,8 мПа) неосушенный- для различных технологических нужд.
Баланс производства и расхода воздуха составляется для каждого из указанных параметров. После чего приступают к проектированию общезаводских воздушных компрессорных и установок осушки воздуха.
На НПЗ и НХЗ используется инертный газ (азот). Инертный газ применяется при регенерации катализаторов, для создания «подушек» в емкостях, где хранятся легкоокисляемые продукты, для продувки аппаратуры и оборудования перед ремонтом, при проведении пневматических испытаний на прочность и испытаний трубопроводов на плотность. На НПЗ и НХЗ применяется инертный газ высокого (6-7 мПа) и низкого (0,8 мПа) довлений. Расход инертного газа определяется по проектным данным отдельных производств и сводится в таблицы, где указываются количества и периодичность потребления азота.
На НПЗ и НХЗ широкое распространение получили гидрогенезационные процессы и в связи с этим возникла необходимость проектирования специальных систем снабжения водородом. Поэтому важной частью технологической части проекта завода является баланс производства и потребления водорода. Определив потребность в водороде и имеющиеся ресурсы ВСГ, устанавливают необходимость строительства на НПЗ и НХЗ установок производства водорода. Промышленно освоены два метода производства водорода из нефтезаводских газов: каталитической высокотемпературной конверсией в присутствии кислорода в шахтный печах и каталитической конверсией в присутствии водяного пара в трубчатых печах. Разрабатывается процесс получения водорода методом парокислородной газификации нефтяных остатков.
При решении задач, связанных со снабжением предприятий водородом, необходимо помнить, что водород содержится в сухих газах, сбрасываемых в топливную сеть с установок риформинга и гидроочистки. Выделить водород из этих газов можно с помощью метода низкотемпературного концентрирования.
|
