СПОСОБ ВИСБРЕКИНГА ТЯЖЕЛЫХ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ

Изобретение относится к области нефтепереработки, а более конкретно к способам термического крекинга нефтяных остатков.

Из предшествующего уровня техники известен способ переработки тяжелых нефтяных остатков (US-А-3562146, 1968), включающий смешение исходного сырья с рециркулятом - газойлевыми фракциями с температурой кипения не ниже 400^oС, нагрев смеси до температуры 370-480^oС и подачу ее в реакционную камеру для проведения в ней термокрекинга при температуре 485-500^oC и давлении 1,5-3 МПа с последующей ректификацией продуктов термокрекинга и отбором целевых продуктов.

К недостаткам указанного выше способа относятся: низкая стабильность целевого продукта, обусловленная обратным перемешиванием потока смеси в реакционной камере; сложность очистки внутренней поверхности реакционной камеры от кокса; сложная технологическая схема сепарации продуктов термокрекинга, в частности необходимость использования вакуумной ректификационной колонны.

Известен также способ висбрекинга тяжелых нефтяных остатков (Валявин Г. Г. и др. Висбрекинг гудрона с получением котельного топлива. Химия и технология топлив и масел, 2, 1999, с. 25-27), взятый в качестве прототипа и включающий предварительный нагрев исходного сырья (гудрона), смешение его в специальной сырьевой емкости с углеводородным турбулизатором с последующим легким термокрекингом полученной смеси в трубчатой печи в присутствии водяного пара и при температуре 460-490^oС на ее выходе, ректификацией продуктов легкого термокрекинга в атмосферной колонне, работающей с подачей острого и циркуляционных орошений, а также водяного пара в низ колонны с выделением газа, бензиновой фракции, газойля с пределами отбора фракций от 200^oС до 500^oС и крекинг остатка. Полученный газойль отпаривают, а затем разделяют на два потока. Первый поток отпаренного газойля используют в качестве углеводородного турбулизатора, а второй поток совместно с частью крекинг-остатка направляют в котельное топлива. Водяной пар подают в каждый змеевик трубчатой печи через соответствующий патрубок, установленный на входе змеевика в трубчатую печь, при этом количество подаваемого в змеевики трубчатой печи водяного пара к массе исходного сырья составляет 0,6-1,05 мас.%.

Способ, взятый в качестве прототипа, характеризуется высокой степенью гибкости по подводу тепла, что позволяет осуществлять регулирование температурного режима процесса висбрекинга, а также с высокой точностью контролировать температуру смеси. Конструкция используемой для осуществления данного способа трубчатой печи змеевикового типа позволяет использовать эффективную паровоздушную систему выжига кокса, что позволяет уменьшить до минимума длительность простоев печи из-за ремонта. Кроме того, возможность обеспечения высокой температуры на выходе из трубчатой печи позволяет увеличить выход газойля без использования дорогостоящей вакуумной ректификационной колонны.

Недостатком взятого за прототип способа является значительное коксообразование в змеевиках трубчатой печи, что приводит к уменьшению длительности (до 6 мес) межремонтного пробега трубчатой печи. Причин здесь несколько. Во-первых, при вводе водяного пара в одну точку на входе каждого змеевика трубчатой печи происходит нарушение структуры движения парожидкостного потока в змеевиках трубчатой печи, поскольку водяной пар, попадая в зону высоких температур и увеличиваясь в объеме, оттесняет жидкость от стенки трубы, при этом, чем выше расход водяного пара, тем больше вероятность оттеснения им жидкости от стенки труб. Это ведет к ухудшению теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемому парожидкостному потоку и, следовательно, повышению температуры стенки трубы. В результате соприкосновения тяжелых коксообразующих компонентов сырья с перегретым участком трубы образуются коксовые отложения. Во-вторых, смешение исходного сырья с углеводородным турбулизатором (отпаренным газойлем) в специальной сырьевой емкости (помимо связанных с этим больших теплопотерь или энергозатрат) не обеспечивает ни однородности парожидкостного потока, ни стабильности его расхода. Дело в том, что отпаренный газойль, попадая в горячую специальную сырьевую емкость интенсивно испаряется, что приводит к попаданию паровых пробок в линию подачи смеси в трубчатую печь, что также приводит к преждевременному закоксованию змеевиков трубчатой печи. В-третьих, значительное содержание в углеводородном турбулизаторе легких углеводородных фракций (200-320^oС), в составе которых преобладают углеводороды алифатического характера, являющиеся высадителями асфальтенов, также приводит к коксоотложению в змеевиках трубчатой печи.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по снижению скорости коксоотложения в змеевиках трубчатой печи при изменении в широком диапазоне (до 10 раз) вязкости поступающих на переработку тяжелых нефтяных остатков и без увеличения энергозатрат. Достигаемый при этом технический результат - увеличение длительности межремонтных пробегов при тех же затратах времени на ремонт, иными словами - повышение производительности висбрекинга.

Поставленная задача решена тем, что в способе висбрекинга тяжелых нефтяных остатков, включающем предварительный нагрев исходного сырья, смешение его с углеводородным турбулизатором с последующим легким термокрекингом полученной смеси в трубчатой печи в присутствии водяного пара и при температуре 475-490^oС на ее выходе, ректификацией продуктов легкого термокрекинга в атмосферной колонне с выделением газа, бензиновой фракции, крекинг-остатка и газойля, который используют при формировании углеводородного турбулизатора, согласно изобретению из атмосферной колонны раздельно выводят первую газойлевую фракцию, выкипающую в интервале от 180^oС до 320^oС, вторую газойлевую фракцию, выкипающую при температурах выше 320^oС, но ниже 500^oС, на входе в трубчатую печь осуществляют смешение в соотношении 1:(3-20)•10^-2 исходного сырья с углеводородным турбулизатором, в качестве которого используют в зависимости от вязкости исходного сырья вторую газойлевую фракцию или смесь ее с первой газойлевой фракцией, которые подают непосредственно из атмосферной колонны, подачу водяного пара в каждый змеевик трубчатой печи осуществляют рассредоточенно в точки, расположенные последовательно по ходу движения смеси от входа в трубчатую печь до зоны с температурой 460-470^oС, при этом общее количество подаваемого в змеевики трубчатой печи водяного пара по отношению к массе исходного сырья удовлетворяет соотношениям:
П = K₁ + K₂ • (B-30), (1)
0,2 ≤ П ≤ 1,0, (2)
где П - количество водяного пара по отношению к массе исходного сырья, мас.%;
В - условная вязкость по ВУБ-1 исходного сырья, с;
К₁ и К₂ - коэффициенты, при этом К₁=0,3 мас.%, а К₂=(0,4-1,2)•10^-2 мас.% • с^-1.

Кроме того, состав углеводородного турбулизатора формируют в зависимости от вязкости - В исходного сырья при следующем соотношении первой - М₁ и второй - М₂ газойлевых фракций:
М₁:М₂=1:(2-4), при 60≤В<70,
М₁:М₂=1:(1-2), при 70≤В<80,
М₁:М₂=1:(0,5-1), при 80≤В<90,
М₁:М₂=1:(0,25-0,5), при В≥90,
где М₁ и М₂ - масса соответственно первой и второй газойлевых фракций в смеси,
В - условная вязкость при 80^oС по ВУБ-1 (ГОСТ 6258-85) исходного сырья, с.

Преимущество предложенного способа перед известным заключается в том, что при его осуществлении существенно замедляется процесс коксоотложения в змеевиках трубчатой печи, поскольку подачу водяного пара в каждый змеевик трубчатой печи осуществляют рассредоточенно в точки, расположенные последовательно по ходу движения парожидкостной смеси от входа в трубчатую печь до зоны с температурой 460-470^oС при общем количестве подаваемого в змеевики трубчатой печи водяного пара по отношению к массе исходного сырья от 0,2 мас. % до 1,0 мас. %. В результате обеспечиваются более плавный режим точения парожидкостного потока в зонах ввода водяного пара и существенно меньшая протяженность участков с нарушенной структурой парожидкостного потока. Увеличение же стабильности течения парожидкостной смеси по змеевикам трубчатой печи приводит к улучшению теплопередачи от стенок труб к нагреваемому парожидкостному потоку в зонах ввода водяного пара, а следовательно, уменьшается вероятность перегрева этих участков труб и связанное с ним коксоотложение. Рассредоточенный ввод в змеевики трубчатой печи водяного пара позволяет также независимо регулировать время пребывания исходного сырья в камерах конвекции и радиации, а также в зоне реакции трубчатой печи. Иными словами, достигаемый при этом дополнительный технический результат заключается в увеличении технологической гибкости способа. Зона трубчатой печи с температурой 460-470^oС выбрана исходя из того, что при более высоких температурах существенно возрастают энергетические затраты. Рассредоточенный ввод в змеевики трубчатой печи водяного пара позволил обеспечить (за счет подачи водяного пара в количестве, определяемом соотношением (1)) оптимальное время пребывания исходного сырья в зоне реакции в зависимости от его вязкости, что также приводит к снижению коксоотложения в змеевиках. Здесь следует отметить также, что, если верхний предел количества водяного пара, подаваемого в змеевики трубчатой печи, практически такой же, как в прототипе (1,05 мас. %), то рассредоточенный ввод водяного пара позволил существенно снизить нижний предел до 0,2 мас. % по сравнению с 0,6 мас. % по прототипу, что позволило уменьшить также и энергозатраты при переработке исходного сырья с условной вязкостью не выше 50 с по ВУБ-1.

Кроме того, подача в зависимости от вязкости исходного сырья углеводородного турбулизатора в количестве 3-20 мас. % на исходное сырье непосредственно в трубопровод (на входе в печь) для подачи исходного сырья позволяет повысить не только однородность получаемой смеси, но и обеспечить высокую стабильность загрузки трубчатой печи при изменении условной вязкости исходного сырья в широких пределах (до 200 с по ВУБ-1). Благодаря этому в процессе работы трубчатой печи не наблюдались кратковременные колебания расхода, которые, как уже отмечалось выше, являются причиной преждевременного закоксовывания змеевиков трубчатой печи.

Что касается состава углеводородного турбулизатора, то вторая газойлевая фракция, выкипающая при температурах выше 320^oС, но ниже 500^oС, содержит больше ароматических углеводородов по сравнению с первой газойлевой фракцией, а следовательно, в большей степени предотвращает выпадение асфальтенов в отдельную фазу вследствие меньшего содержания легкокипящих углеводородов. Однако использование в качестве углеводородного турбулизатора только второй газойлевой фракции потребовало бы (при высокой вязкости исходного сырья) значительных энергозатрат, поскольку для разбавления и турбулизации высоковязкого исходного сырья потребовалось бы до 40 мас. % второй газойлевой фракции на исходное сырье. При указанных выше пределах содержания углеводородного турбулизатора в смеси с исходным сырьем, а также при указанных в (3) составах углеводородного турбулизатора на основе смеси первой и второй газойлевых фракций обеспечивается высокая стабильность загрузки трубчатой печи, разбавление и турбулизация исходного сырья без увеличения энергозатрат при изменении вязкости исходного сырья в широких пределах (до 200 с по ВУБ-1). При этом даже при высоком содержании в углеводородном турбулизаторе первой газойлевой фракции (при использовании только исходного сырья с условной вязкостью более 80-90 с) длительность межремонтного пробега составляла 8-9 мес, что на 30-50% лучше, чем в прототипе. Длительность же межремонтного пробега в случае использования исходного сырья, условная вязкость которого изменяется в пределах 50-90 с была достигнута продолжительность межремонтного пробега в 10-12 мес.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной выше совокупностью существенных признаков требуемого технического результата. Естественно, что формы реализации предложенного технического решения не ограничены изложенным ниже примером.

На чертеже схематически изображена технологическая схема переработки исходного сырья (тяжелых нефтяных остатков) в соответствии с настоящим изобретением.

На чертеже показаны: трубчатая печь 1, содержащая первый 2 и второй 3 змеевики, атмосферная ректификационная колонна 4, содержащая тарелки Т-1 - Т-35, насос 5 и регулируемый смеситель 6, содержащий первый 7, второй 8 входы, выход 9 и вход 10 управления.

Выход насоса 5 посредством трубопровода 11 соединен с входом первого 2 и входом второго 3 змеевиков, смонтированных внутри трубчатой печи 1, а выход первого 2 и выход второго 3 змеевиков соединены с входом 12 подачи продуктов легкого термокрекинга атмосферной ректификационной колонны 4 (АРК), имеющей четыре вывода 13, 14, 15 и 16. Вывод 14 с верхнего аккумулятора АРК 4 соединен со вторым входом 6 регулируемого смесителя 6, а вывод 15 с нижнего аккумулятора АРК 4 соединен с первым входом 7 регулируемого смесителя 6 и с полостью АРК 4 на уровне тарелки Т-29. Выход 9 регулируемого смесителя соединен с трубопроводом 11. Первый змеевик 2 снабжен тремя патрубками 17, 18 и 19 для подачи водяного пара, а второй змеевик 3 снабжен также тремя патрубками 20, 21 и 22 для подачи водяного пара. Патрубки 17 и 20 установлены на входах соответствующих змеевиков в трубчатую печь l (перед камерой конвекции). В предпочтительном варианте осуществления предложенного способа патрубки 18, 19 и 21, 22 установлены, например, в зоне температур 380-450^oС трубчатой печи 1 последовательно по ходу движения смеси в соответствующем змеевике.

Способ висбрекинга тяжелых нефтяных остатков осуществляется следующим образом. Исходное сырье - тяжелый нефтяной остаток (гудрон), поступающее, например, с установки ЭЛОУ-АВТ-6, нагревают до температуры 300-340^oС в теплообменниках (на чертеже не показаны), в которых в качестве теплоносителей используют поступающие с выводов 14 и 16 АРК 4 соответственно первую газойлевую фракцию, выкипающую в интервале от 180^oС до 320^oС и крекинг-остаток. После предварительного нагрева исходное сырье с помощью насоса 5 подают в трубопровод 11, в котором осуществляют смешение его с углеводородным турбулизатором в соотношении l:(3-20)•10^-2, при этом в качестве углеводородного турбулизатора в зависимости от вязкости исходного сырья используют при условной вязкости В<60 с (здесь и далее приведены значения условной вязкости исходного сырья при 80^oС по ВУБ-1, ГОСТ 6258-85) вторую газойлевую фракцию, выкипающую при температуре выше 320^oС, но ниже 500^oС, и которую выводят с нижнего аккумулятора АРК 4 через вывод 15, или смесь второй газойлевой фракции с первой газойлевой фракцией согласно соотношениям (3). Подача (в зависимости от вязкости исходного сырья) углеводородного турбулизатора в количестве 3-20 мас. % на исходное сырье непосредственно в участок трубопровода 11 вблизи входа в трубчатую печь l обеспечивает однородность получаемой смеси, высокую стабильность загрузки трубчатой печи l при изменении условной вязкости исходного сырья в широких пределах (до 200 с). Верхний предел (20 мас. %) содержания предложенного углеводородного турбулизатора целиком определяется экономическими показателями (затратами энергии на его подачу), так как дальнейшее увеличение содержания углеводородного турбулизатора в смеси (в рассматриваемом диапазоне изменения условной вязкости исходного сырья) не приведет к заметному улучшению показателей, касающихся стабильности загрузки трубчатой печи 1, турбулизации и разбавления исходного сырья.

Что касается состава углеводородного турбулизатора, определяемого соотношениями (3), то при выполнении указанных выше соотношений между первой и второй газойлевыми фракциями в смеси обеспечивается хорошее разбавление и турбулизация исходного сырья также без увеличения энергозатрат.

Полученную смесь из трубопровода 11 направляют в змеевики трубчатой печи 1 (в данном конкретном случае в первый 2 и второй 3 змеевики), где происходит нагрев движущейся смеси до температуры, необходимой для протекания реакций легкого термокрекинга. Температуру на выходе трубчатой печи 1 поддерживают на уровне 475-490^oС. В змеевик 2 через патрубки 17, 18 и 19 рассредоточенно подают водяной пар, при этом количество водяного пара, подаваемого в патрубки 17, 18 и 19, по отношению к массе исходного сырья определяют в зависимости от условной вязкости исходного сырья согласно соотношениям (1) и (2). Аналогично через патрубки 20, 21 и 22 осуществляется подача водяного пара в змеевик 3. В рассматриваемом примере реализации предложенного способа расходы водяного пара через патрубок 17 (20) и через патрубки 18, 19 (21, 22) поддерживают в следующем соотношении l:(3-5). Что касается давления, то его поддерживают на входе в трубчатую печь 1 на уровне 2,6-3,0 МПа и соответственно на выходе - 0,6-0,7 МПа. На выходе из трубчатой печи l продукты реакции легкого термокрекинга охлаждают до 415-420^oС путем подачи квенчинга в каждый из потоков вблизи выхода змеевиков 2 и 3 из трубчатой печи l (на чертеже не показано). В результате резкого охлаждения потоков реакции легкого термокрекинга прекращаются. Целесообразно использовать комбинированный квенчинг, а именно смесь крекинг-остатка и первой газойлевой фракции.

Охлажденные потоки продуктов легкого термокрекинга объединяют и одним потоком подают на вход 12 подачи продуктов легкого термокрекинга АРК 4. Предпочтительно ввод продуктов легкого термокрекинга в АРК 4 осуществляют с помощью сепарирующего устройства на верхнюю каскадную тарелку отгонной части АРК 4.

В АРК 4, работающей с подачей острого и циркуляционного орошений, а также водяного пара в низ колонны, осуществляется разделение продуктов легкого термокрекинга. С верха АРК 4 через вывод 13 осуществляют вывод углеводородного газа, сероводорода, водяного пара и бензиновой фракции. С верхнего аккумулятора АРК 4 осуществляют через вывод 14 отбор первой газойлевой фракции, выкипающей в интервале температур от 180^oС до 320^oС. Часть первой газойлевой фракции подают на второй вход 8 регулируемого смесителя 6. С нижнего аккумулятора АРК 4 через вывод 15 осуществляют отбор второй газойлевой фракции, выкипающей в интервале температур от 320^oС до 500^oС. Поток второй газойлевой фракции разделяют на два потока, один из которых направляют на первый вход 7 регулируемого смесителя 6, а второй поток возвращают в АРК 4 на тарелку Т-29. Таким образом, в зоне тарелок Т-29 и Т-30 осуществляется промывка паров, поступающих в укрепляющую часть АРК 4. Здесь следует отметить, что пределы отбора первой и второй газойлевых фракций выбраны таким образом, что при изменении вязкости исходного сырья обеспечивается приблизительно одинаковый выход каждой фракции. В результате отпадает необходимость в какой-либо корректировке процесса за исключением лишь указанных выше параметров, зависящих от вязкости исходного сырья.

Через вывод 16 крекинг-остаток забирают насосом (не показан) и направляют в теплообменники предварительного нагрева исходного сырья. После этого крекинг-остаток разделяют на, по крайней мере, два потока, один из которых направляют для получения квенчинга (как уже отмечалось выше), а второй поток сначала (в предпочтительном варианте осуществления) направляют в дезинтегратор, а затем смешивают с отпаренной частью первой газойлевой фракцией с получением котельного топлива.

В соответствии с количеством поступающего в трубопровод 11 исходного сырья, а также в соответствии с его условной вязкостью с помощью регулируемого смесителя 6 путем, например, подачи на его вход 10 управления соответствующего сигнала формируют на его выходе 9 поток углеводородного турбулизатора требуемого расхода и состава, либо содержащего только вторую газойлевую фракцию, либо смесь ее с первой газойлевой фракцией в соответствии с (3). Поток углеводородного турбулизатора подают в трубопровод 11 вблизи входа в трубчатую печь 1. Здесь следует отметить, что определение условной вязкости исходного сырья является наиболее простым, оперативным и показательным методом определения качества исходного сырья (гудрона), поскольку пропорционально росту вязкости исходного сырья возрастает содержание в нем асфальтенов, его коксуемость, а следовательно, и склонность к коксоотложениям. Кроме того, вязкость исходного сырья можно определить не только при непосредственном анализе, но и с высокой точностью предсказать заранее по качеству поступающей на нефтеперерабатывающее предприятие сырой нефти. Подача же на входы 7 и 8 регулируемого смесителя 6 первой и второй газойлевых фракций непосредственно из АРК 4 (с выводов 14 и 15) позволяет уменьшить энергозатраты на нагрев исходного сырья.

Эффективность предложенного способа оценивалась по измеренным временным зависимостям количества отложившегося в змеевике кокса по отношению к прошедшему через него исходного сырья, в качестве которого использовались гудроны, полученные из западносибирской, саратовской и башкирской нефти, а также их смесей, с условной вязкостью от 51 до 196 с. На основании полученных зависимостей определялись сначала усредненные значения скорости коксоотложения для исходного сырья различной вязкости, а затем рассчитывались соответствующие им длительности непрерывной работы змеевиков до их закоксовывания. В результате для исходного сырья с вязкостью не более 90 с время межремонтного пробега составило 10-12 месяцев, а для исходного сырья с более высокой вязкостью - 8-9 месяцев.

Предложенный способ может быть использован без существенных капитальных затрат на существующих нефтеперерабатывающих предприятиях, но наибольший результат от его использования будет достигнут на нефтеперерабатывающих заводах, на которых качество поступающей на переработку нефти постоянно меняется и/или часто изменяется номенклатура вырабатываемой продукции.