Переработка Нефти

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ

Что за трещетка уши нам терзает Неугомонным шумом лишних слов'' В Шекспир. «Король Иоанн»

На ранних стадиях развития нефтеперерабатывающей промышленности потребности в автомобильном бензине росли быстрей, чем потребности в тяжелом жидком топ­ливе (например, в дизельном топливе), и соответствен­но росло количество сырой нефти, которую нужно было превратить в бензин. Нефтепереработчикам стало ясно, что если производить прямогонный бензин в количест­ве, достаточном для удовлетворения потребности рынка, то рынок будет одновременно затоварен тяжелым топли­вом. Экономическим следствием сложившейся ситуации стал постоянный рост цен на бензин при падении цен на более тяжелые фракции.

Чтобы справиться с этой физической и экономической проблемой, находчивые

Придумали несколько крекинг-процессов, из которых наиболее широко распространен каталитический крекинг.

Технологический процесс

В двух предыдущих главах обсуждались некоторые ас­пекты химизма процесса крекинга, а также химия нефти в целом. Здесь мы будем рассматривать технологический про­цесс крекинга: в крекинг-установке прямогонные фрак­ции тяжелого газойля нагревают при повышенном давле­нии в контакте с катализатором, который способствует протеканию процесса.

Катализатор — это вещество, которое ускоряет или даже вызывает химическую реакцию, но когда реакция заканчивается, катализатор остается в неизменном виде — таким же, каким был сначала. Другими словами, он не изменяется химически, но заставляет другие вещества ре­агировать друг с другом. Катализаторы похожи на некото­рых десятилетних детей, с которыми обычно ничего не случается, но там, где они появляются, обязательно что - нибудь происходит.

Сырьем для процесса каталитического крекинга обыч­но является прямогонный тяжелый газойль, а также лег­кая фракция вакуумной перегонки. Температура кипения сырья для крекинга должна находиться в пределах 340— 590°С (650—1100°F). Чтобы процесс начался, требуется нагревание; температура в реакторе во время крекинга находится в районе 480°С (900°F).

Процесс разработан так, чтобы особым образом со­действовать протеканию крекинга. Задача состоит в том, чтобы превратить тяжелые фракции в бензин. В идеале температуры кипения продуктов крекинга должны ле­жать в интервале, соответствующем бензину, но техно - логия не бывает идеальной. Во время работы установки происходит несколько процессов. Когда большие молеку­лы разрываются на части, то водорода оказывается недо­статочно, чтобы насытить все молекулы, и поэтому не­которая часть углерода переходит в кокс, который почти целиком состоит из атомов углерода, слепленных вместе. При разрыве крупных молекул получается полный набор мелких — от метана и выше. Поскольку водорода недо­статочно, многие из образующихся молекул оказывают­ся олефинами. Если некоторые молекулы в сырье состоят из нескольких ароматических или нафтеновых циклов, соединенных вместе, они разваливаются на меньшие аро­матические или нафтеновые молекулы и олефины. И, наконец, молекулы, состоящие из нескольких аромати­ческих или нафтеновых циклов й длинных боковых це­пей, как правило, теряют боковые цепи. Полученные в результате молекулы, хотя и содержат меньше атомов углерода, но оказываются более тяжелыми, то есть име­ют более высокую относительную плотность. Кроме того, их температуры кипения обычно также выше. Самое смешное, что эти молекулы образуют продукт, который

Тяжелее, чем исходное сырье. Таким образом, продукта­ми крекинга является полный набор углеводородов, от метана до остатка и, кроме того, кокс.

Аппаратурное оформление каталитического крекинга состоит из трех частей: реактора, регенератора и ректи­фикационной

Реактор

Центральной частью установки каталитического кре­кинга является реактор (рис. 6.1). Сырье проходит через нагреватель, смешивается с катализатором и поступает в вертикальную трубу (райзер), ведущую в нижнюю часть большого сосуда, похожего на резервуар для воды, кото­рый называется реактором. В момент, когда сырье посту­пает в реактор, процесс уже идет, поэтому время пребы­вания сырья в реакторе — всего несколько секунд. В более современных конструкциях крекинг, в основном, проис­ходит уже в райзере. Таким образом, реактор нужен толь­ко для отделения углеводородов от катализатора. Это про­изводится с помощью циклона, механического приспо­собления, использующего центрифугирование.

Катализатор бывает обычно одного из двух типов: ша­рики или микросферы. Диаметр шариков обычно 0,3 или 0,6 см. Микросферы гораздо меньше, и такой катализа­тор выглядит как детская присыпка. В настоящее время шарики уже вышли из моды. Микросферы обладают дву­мя необычными свойствами. Если сосуд с порошком ка­тализатора встряхивать или наклонять, порошок ведет себя как жидкость. Поэтому такой процесс иногда назы­вают крекинг с псевдоожиженным катализатором.

Второе свойство присуще не только порошку, но и шарикам, но оно не заметно невооруженным глазом. Под у микроскопом можно видеть, что каждая микросфера (или шарик) имеет множество пор и, следовательно, огром­ную площадь поверхности. Поскольку действие катализато - | ра определяется его контактом с сырьем, большая пло­щадь поверхности — очень важное свойство катализатора.

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ

Регенератор

Та часть углеводородов, которая во время крекинга превращается в кокс, оседает в виде отложений на ката­лизаторе. Когда поверхность катализатора покрывается отложениями, катализатор становится неактивным (от­работанным). Чтобы удалить эти углеродные отложения, отработанный катализатор подают в сосуд, называемый регенератором (рис. 6.2), где его смешивают с горячим воздухом, нагретым приблизительно до 600°С (1100°F). В результате происходит следующая химическая реакция:

С + О2 СО и СО2 (в более старых моделях),

С + О2 -> С02 (в более новых моделях).

О

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ

Отработанный катализатор

/

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ

Нагретый воздух

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ

Свежий катализатор

Рис. 6.2. Регенерация катализатора.

Этот процесс называется окислением кокса и напоми­нает сжигание древесного угля в брикетах, потому что в обоих случаях углерод соединяется с кислородом, и при этом образуется диоксид углерода и иногда моно­

Оксид углерода (СО), а также выделяется большое коли­чество тепла. Тепло в виде горячего потока СО и обычно используют в какой-либо части процесса, на­пример, чтобы нагреть сырье в теплообменнике. В более старых моделях поток отправляют в печь, где

СО доокисляется до прежде чем наконец от­

Правляется в атмосферу.

Восстановленный катализатор выходит из нижней ча­сти регенератора. Его можно снова смешать с сырьем и направить в реактор. Таким образом, катализатор нахо­дится в непрерывном движении, проходя по циклу кре­кинг—регенерация.

Ректификационная колонна крекинга

Тем временем углеводородная смесь, полученная в ре­зультате крекинга, подается (перекачивается) в ректифи-

Крекинг-газ

Ґ

\

Крекинг-бензин

Продукт из

Реактора

І

Легкий крекинг-газойль

Ч

Тяжелый крекинг-газойль

Насос для

Иидачи

Сырья Рециркулирующий газойль

Рис. 6.3. Фракционирование.

Кационную колонну, предназначенную для разделения продуктов каталитического крекинга. В колонне смесь обычно разделяется на следующие фракции: углевод ород - ные газы и более легкие, то есть крекинг-бен­

Зин, легкий крекинг-газойль, тяжелый крекинг-газойль и кубовый остаток, который называется газойль. Последний продукт может использоваться разны­ми способами, но чаще всего его смешивают со свежей порцией сырья, с которой он снова поступает в процесс. Если число циклов достаточно велико, рециркулирующий газойль может полностью исчезнуть. Такой вариант носит зловещее название рециркуляция до уничтожения.

Тяжелый крекинг-газойль можно использовать как сы­рье для термического крекинга или как компонент оста­точного топлива (мазута). Легкий газойль является хоро­шим компонентом дизельного и дистиллятного топлива, а крекинг-бензин служит эффективным компонентом ав­томобильного бензина.

Граница между бензиновой фракцией и фракцией лег­кого газойля не является строго фиксированной. Переме­щение этой границы позволяет регулировать соотноше­ние между бензином и дистиллятом в зависимости от времени года. Когда наступает зимний отопительный се­зон, многие нефтеперерабатывающие заводы переходят на режим максимального количества дистиллята. Для это­го изменяют точку выкипания для крекинг-бензина, так чтобы большее количество продукта попало во фракцию легкого газойля. Летом, чтобы перейти на режим макси­мального количества бензина, границу между фракциями сдвигают в противоположном направлении.

Верхние погоны, выходящие из ректификационной ко­лонны крекинга, отличаются по составу от легких фрак­ций, получающихся при ректификации сырой нефти. В процессе крекинга образуются олефины, поэтому поток углеводородных газов содержит не только метан, этан, пропан и бутаны, но также водород, этилен, пропилен и бутилены. Из-за этих дополнительных компонентов кре­кинг-газ направляют для разделения на установку фракци­онирования крекинг-газа. В этом состоит отличие от газа, полученного, например, при ректификации сырой нефти (а также, как мы увидим позже, при гидроочистке, гид­рокрекинге, риформинге и т. д.), который содержит толь­ко насыщенные соединения. В последнем случае газ на­правляют на установку фракционирования насыщенного газа. Изобутан, пропилен и бутилены, полученные с установ­ки каталитического крекинга, оказываются полезными для процесса алкилирования, в котором эти олефины пре­вращаются в компоненты компаундированного бензина.

Все узлы установки каталитического крекинга, соеди­ненные в общую систему, показаны на рисунке 6.4. Об­ратите внимание, что в системе имеется два циркулиру­ющих потока. В левой части рисунка катализатор выходит из зоны реакции, проходит регенерацию и снова возвра­щается в зону реакции. В правой части углеводороды вхо­дят в систему и уходят из нее, но за счет фракции рецир - кулирующего газойля некоторые компоненты постоянно циркулируют в системе.

Выходы продуктов крекинга

Задачей каталитического крекинга является превра­щение тяжелого газойля в бензин и более легкие фрак­ции. Ниже приведены типичные выходы продуктов, ко­торые показывают, в какой мере эта цель достигается.

Сырье:

Объемные %

Тяжелый газойль

40,0

Легкая фракция вакуумной перегонки

60,0

Рециркулирующий газойль

(10,0)*

Всего:

100,0

Продукты:

Кокс

8,0

Газы

35,0

Крекинг-бензин

55,0

Легкий крекинг-газойль

12,0

Тяжелый крекинг-газойль

8,0

Рециркулирующий газойль

(10,0)*

Всего:

118,0

* Циркулирующий продукт не учитывался при подсчете сум марного объема.

Поскольку рециркуляция ведется до полного исчезно­вения, простая схема каталитического крекинга не учи­тывает его ни на входе, ни на выходе. Однако более важный результат, а именно, увеличение объема, отчетли­во виден. Действительно, сумма объемов продуктов, вы­ходящих с установки, составляет от объема сырья, поступающего на установку. Это ни в коей мере не связа­но с циркулирующим потоком, а определяется только соотношением плотностей продуктов и сырья. Если бы Мы измеряли выход в весовых, а не в объемных процен­тах, суммарное количество продуктов оказалось бы рав­ным 100%. Но поскольку большинство нефтепродуктов по объему, а не по весу, их количество обычно выражают в объемных единицах. И поскольку во время

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ

Крекинга происходят приключения с плотностью, выхо­ды продуктов показывают значительную прибавку. Иног­да эта прибавка становится навязчивой идеей нефтепере­работчиков, и они стараются «раздуть баррель».

Параметры процесса

Обычно установка каталитического крекинга работа­ет, пока не достигает предела своих возможностей в от­ношении выжигания кокса. Это может произойти раз­личным образом, но становится очевидным, когда начи­нает падать выход бензина, а количество газов или тяжелого газойля при этом начинает возрастать Выходы продуктов с установки крекинга зависят от разных фак­торов, в том числе от качества сырья, температуры в реакторе, скорости подачи сырья и скорости циркуля­ции, и, что удивительно, от времени суток и температу­ры окружающего пространства.

Качество сырья. Реакция крекинга весьма сложна, и существует достаточно много данных, которые могут быть использованы для предсказания выходов на основании различных характеристик сырья. Важными характеристи­ками являются плотность сырья и содержание в нем па­рафинов, нафтенов и ароматики.

Температура в реакторе. Чем выше температура, тем интенсивнее протекает реакция крекинга, но в какой-то момент количество образующихся газов резко возрастает за счет уменьшения количества бензина или легкого га­зойля. Оптимальная температура в реакторе определяется экономическими соображениями.

Скорости подачи сырья и циркуляции. Слишком высокая скорость подачи плохо сказывается на выходах, поэтому следует соблюдать баланс с объемом остатка от фракци­онирования, который либо направляют на циркуляцию, либо оставляют во фракции тяжелого

Время суток и температура. Для регенерации отрабо­танного катализатора через регенератор постоянно про­пускают воздух. Если температура воздуха за пределами установки понижается, воздух становится более плотным. Так как насосы, подающие воздух, работают при посто­янной скорости, то в действительности холодного возду­ха в регенератор подается больше, чем теплого. Чем боль­ше кислорода, тем больше кокса выжигается с поверх­ности катализатора. Чем свежее катализатор, тем эффек­тивнее реакция. Чем эффективнее реакция, тем больше получается бензина. Автоматическая запись параметров процесса действительно позволяет зафиксировать откло­нения стрелок: например, ночью, когда температура воз­духа ниже, выходы продуктов оказываются выше. Днем, когда становится жарко, выходы падают. То же самое относится к результатам, полученным зимой и летом, и это уже плохо, потому что потребности в бензине выше как раз летом, когда выходы снижаются.

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ

Технологическая схема нефтепереработки:

— прямогонный бензин;

— прямогонная нафта;

— прямогонный керосин;

— прямогонный легкий газойль;

— прямогонный тяжелый газойль;

— легкая фракция вакуумной перегонки;

— бензин каталитического крекинга;

— легкий газойль каталитического крекинга;

— тяжелый газойль каталитического крекинга.

Резюме. С точки зрения технологии, установку катали­тического крекинга можно условно изобразить на общей технологической схеме нефтеперерабатывающего завода как некий ящик с входящим сырьем и выходящими про­дуктами. До данного момента мы успели рассмотреть рек­тификацию сырой нефти, вакуумную перегонку и ката­литический крекинг. На рисунке 6.5 показано, как все это выглядит в комплексе. Кроме того, на этом рисунке приведены сокращения, которые мы будем использовать в дальнейшем.

УПРАЖНЕНИЯ

Заполните пропуски:

А. Установка каталитического крекинга включает два циркулирующих потока. В одной части установки это, а в другой — .

Б. На поверхности отработанного катализатора отклады­вается. В процессе регенерации он уда­ляется за счет реакции с с образова­нием и.

В. Задача каталитического крекинга — превращение в.

Г. Сырье каталитического крекинга обычно поступает с установок и.

Д. содержатся в крекинг-газе, но не со­

Держатся в потоках насыщенного газа.

Е. Остаток от фракционирования продуктов каталитичес­кого крекинга называется и обычно

за счет смешивания с сырьем.

Используйте условия и ответы из предыдущих глав, а также данные по выходам продуктов, приведенные в этой главе. Предположим, что сырьем для крекинга является вся верхняя фракция, полученная с установ­ки вакуумной перегонки, и весь прямогонный тяже­лый газойль (фракция между прямогонным легким га­зойлем и остатком, идущим на вакуумную перегонку). Сколько легкого крекинг-газойля будет получено на установке каталитического крекинга?

Признаком того, какими сложными могут быть опе­рации нефтепереработки, является число возможных способов, которыми можно изменить объемы потоков. Назовите шесть способов увеличения объема легкого крекинг-газойля.

Переработка Нефти

ЦЕННОСТЬ ТОПЛИВА — ЕГО ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Если Вам слишком жарко, уходите из кухни Гарри С Трумэн Многие экономические соображения, влияющие на производство различных нефтепродуктов, связаны с ко­личеством теплоты, которое выделяется при их сжига­нии. Действительно, чтобы выбрать, …

Переработка Нефти

Уильям Д. Леффлер Начало—самая важная часть работы Платон «Республика» Если Вы открыли эту книгу, Вам уже не требуется введение в ее предмет — Вы и так им занимаетесь. Вряд ли …

КОМПАУНДИРОВАНИЕ БЕНЗИНА

Все хорошие вещи в жизни приходят не поодиночке, а вместе с другими вещами Чарльз Лэмб Бензин — наиболее широко известная смесь углеводо­родов, но тем не менее, о его свойствах знают …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.