CC BY
441
УДК 665.644.2-404
Е. И. Черкасова, А. Х. Хакимов
МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА 43-103
Ключевые слова: установка 43-103, каталитический крекинг, катализатор, очистка дымовых газов.
Рассмотрены установка каталитического крекинга АО «ГАЗПРОМНЕФТЬ-ОНПЗ» (Омский нефтеперерабатывающий завод), этапы ее модернизации за весь срок эксплуатации и описана технология процесса. Разработан вариант дальнейшей реконструкции установки с целью уменьшения количества выбросов в атмосферу, содержащих катализатор и оказывающих негативное воздействие на окружающую среду и организм человека.
Keywords: installation 43-103, catalytic cracking, the catalyst, cleaning of flue gases.
Catalytic cracking equipment of JSC «GAZPROMNEFT-Omsk refinery», the stages of it's modernization for the entire period of operation are examined and technology of process is described. A version of its future reconstruction is developed with the aim of reducing the amount of emissions containing a catalyst and having a negative effect on the environment and the human body.
За длительный период своего развития, начиная с 30-х годов прошлого века, каталитический крекинг значительно совершенствовался как в отношении способа контакта сырья и катализатора ( в стационарном слое, в движущемся слое шарикового катализатора, в «кипящем» слое микросферического катализатора в аппаратах с лифт-реактором), так и в отношении применяемых катализаторов (таблетиро-ванные - на основе природных глин, шариковые синтетические алюмосиликаты, микросферические алюмосиликаты, в том числе цеолитсодержащие).
Эти усовершенствования влекли за собой радикальные изменения технологии процесса в целом, позволившие увеличить выход целевого продукта -компонента автобензина от 30-40 % мас. до 50-70 % мас. максимально [1].
В каталитическом крекинге тяжелые нефтяные фракции при 5000С в наибольшей степени превращаются в компоненты, выкипающие в пределах температур кипения бензина, и продуктов в газовой фазе, которые используются как сырье для химического синтеза или для производства высокооктановых компонентов бензина. Главным преимуществом каталитического крекинга перед термическим процессом является ценность получаемых продуктов -диенов и этана при высоком выходе углеводородов С3-С4 (особенно изобутана) и наименьший выход метана [2].
Установка 43-103 каталитического крекинга вакуумного дистиллята в «кипящем слое» микросферического алюмосиликатного катализатора, проектной мощностью 1,2 млн.т/год по сырью, была введена в эксплуатацию на АО «ГАЗПРОМНЕФТЬ-ОНПЗ» (Омском нефтеперерабатывающем заводе) в 1972 году [3].
На рисунке 1 приведена схема реакторного блока по проекту. Основными отличительными особенностями установки являются:
- обладает равновесным реактором и регенератором с и-образным катализаторопроводом между ним;
- расположение шиберных задвижек на подъемных стояках, которые предназначены для регулирования скорости циркуляции катализатора с помощью электропривода.
Однако, увеличение расхода пара в дуге иногда приводило не к стабилизации, а к срывам циркуляции катализатора из-за образования встречных турбулентных потоков прокатализаторной фазы. В тоже самое время снижение подачи пара на аэроцион-ные точки также вело к срыву циркуляции катализатора из-за недостаточного количества транспортного агента [4].
Рис. 1 - Схема реакторного блока установки 43-103 по проекту
Работа установки по данной схеме осуществляется следующим образом. Сырье, совместно с водяным паром, подается к катализаторопровод через пять сырьевых форсунок и затем в реактор. Движение катализатора в реактор осуществляется за счет разности давлений и подачи сырья с водяным паром. Сырье, водяной пар и регенерированный катализатор находится в псевдоожиженном состоянии в аппарате.
Таким образом, продукты крекинга, находящиеся в парообразном состоянии, проходят через систему циклонов для отделения катализаторной пыли от
продуктов реакции и поступают в ректификационную часть установки 43-103.
Закоксованный катализатор поступает в катали-заторопровод, где за счет подачи водяного пара осуществляется его транспорт в регенератор. Кокс отложившийся на катализаторе сгорает за счет подачи кислорода воздуха в регенератор, тем самым восстанавливает его активность. Для поддержания температуры и давления в регенераторе предусмотрена подача жидкого топлива, водяного пара и конденсата. Дымовые газы проходят через систему циклонов, далее выводятся в атмосферу.
С момента ввода в эксплуатацию установки 43103 обслуживающий персонал столкнулся с рядом проблем безопасной и безаварийной эксплуатации оборудования:
- нарушение циркуляции катализатора из-за образования встречных турбулентных потоков про-катализаторной фазы, вызванный ограниченной проходимостью через шиберы задвижек;
- поддержание большого количества в системе равновесного катализатора большого содержания мелкой фракции, являющейся подушкой для движения катализатора по катализаторопроводам;
- большие потери катализатора на выносе из циклонов [4].
С начала эксплуатации производство подвергалось нескольким этапам модернизации:
- монтаж ТВР-1(Т-образный воздухораспределитель) в регенераторе (1983г.);
- применение промотора (1983г.);
- внедрение выносных циклонов (1984г.);
- монтаж ТВР-2 в регенераторе (1984г);
- удлинение напорного стояка регенератора (1985г.);
- модернизация тракта нагрева сырья с использованием тепла ВЦО (верхнего циркуляционного орошения) и ПЦО (промежуточного циркуляционного орошения) (1990г.);
- монтаж дополнительных АВЗ на продуктах верха К-1 (1990г.);
- внедрение схем ВЦО и ПЦО ректификационной колонны (1990г.);
- изменение узла ввода закоксованного катализатора в регенератор (1995г.);
- внедрение шарнирного крепления клапанов-мигалок на циклонах (1996г.);
- замена купольной части и сборной камеры регенератора, морально и физически устаревших внутренних циклонов регенератора, десорбера реактора, 40 % торкрет бетонного покрытия в регенераторе (1999г.);
- модернизация системы циркуляции катализатора, монтаж баллистического сепаратора в реакторе, монтаж шиберных задвижек с гидравлическими приводами на транспортных линиях катализатора и дымовых газах регенератора, замена купольной части и сборной камеры реактора, замена циклонов в реакторе, замена 20 % торкрет-бетонного покрытия в регенераторе, изменение узлов ввода сырья и шлама в реактор (2001г.);
- заужение рабочей зоны в регенераторе, замена ТВР регенератора на более эффективные, модерни-
зация тракта захолаживания паров верха колонны К-1, модернизация схемы вывода дымовых газов из регенератора (2002г.)
Результатом данных реконструкции было:
- увеличение выхода продуктов бензина и ре-флюкса;
- увеличение конверсии сырья на 11 %.
На увеличение эффективности процесса повлияло и бесспорное улучшение эксплуатационных характеристик последних моделей катализаторов КМЦ (катализатор микросферический цеолитсо-держащий).
После реконструкции установки значительно изменилась сама технология. Существенным изменением стало внедрение прямоточного лифт-реактора с баллистическим сепаратором.
На рисунке 2 приведена схема реакторного блока после реконструкции.
Рис. 2 - Схема реакторного блока установки 43-103 после реконструкции
Сырье поступает на пять форсунок, где распыляется совместно с водяным паром, далее смешивается с регенерированным катализатором. В течение короткого промежутка времени, 4-6 сек., происходят реакции каталитического крекинга. Далее продукты реакции и катализатор разделяются в отстойной зоне. Пары продуктов реакции проходят через систему циклонов, где происходит отделение остаточного катализатора, и поступают в ректификационную часть установки. Закоксованный катализатор попадает в зону десорбции реактора, где из пор катализатора выпариваются остаточные продукты. Через шиберную задвижку катализатор совместно с кислородом воздуха направляется в регенератор, для дальнейшего его восстановления.
Однако, несмотря на проведенную модернизацию, остается проблема уноса катализатора из регенератора в атмосферу в количестве 1,8 т/сутки, и содержание в дымовых газах окислов серы, что отрицательно влияет на экологию окружающей среды [3].
Взрослый человек ежесуточно потребляет 12 м3 воздуха. Все эти загрязнители оказывают влияние на здоровье людей. Медиками установлена прямая связь между загрязнением воздуха и рядом заболеваний. Например, продолжительность течения респираторных заболеваний у детей, проживающих в относительно загрязненных районах, в 2-2,5 раза больше. В городах с неблагоприятной экологической обстановкой у детей отмечены функциональные отклонения в системе иммунитета и кровообразования и нарушения компенсаторно-адаптационных механизмов к условиям внешней среды. Есть исследования, установившие связь между загрязнением воздуха и смертностью людей. В некоторых случаях до 90 % городских территорий являются зонами с превышением предельно допустимых концентраций (ПДК) по NOх, СО, оксидам серы и др., которые приводят к дистрофическим изменениям в почках, печени и сердце, а также к токсикозам, врожденным аномалиям, сердечной недостаточностью и т. п. Таким образом, атмосферные загрязнения могут быть причиной возникновения у человека неинфекционных заболеваний, а ухудшение санитарных условий жизни людей и причиняют экономический ущерб [5].
Согласно Постановлению Правительства РФ от 13 сентября 2016 г. N 913 «О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах» и в соответствии со статьей 16.3 Федерального закона «Об охране окружающей среды» Правительства Российской Федерации предприятия, чья деятельность подразумевает выбросы вредных веществ в окружающую среду должны выплачивать денежные компенсации [6, 7].
Согласно Парижскому соглашению от 15 декабря 2015 года Российская Федерация и ряд других стран приняли решение снизить количество выбросов в окружающую среду [8].
Для решения данной проблемы предложено введение в эксплуатацию установки 43-103 блока очистки дымовых газов от катализаторной пыли с дальнейшим ее использованием на катализаторной фабрике и очистке оксида серы, с получением соли сульфата натрия. Возврат катализатора в процессе улавливания блока очистки дымовых газов позволяет восстановить его активность на катализаторной фабрике и использовать его вторично, а так же снизить выбросы диоксида серы с получением соли.
Существуют различные способы очистки [9]:
— физические способы включают: механический (аэродинамический, гидродинамический, фильтрационный), электрический, магнитный, акустический, оптический, ионизирующий, термический;
— химический;
— физико-химический;
— биохимический;
— физико-биохимический.
Каждый из указанных способов имеет определенную область применения и широту использования. В своей основе они базируются на одном (или нескольких) из следующих процессов обеспыливания: осаждения, коагуляции, удаления, обеззараживания, сжигания и улавливания.
Исходя из опыта действующих установок и патентного исследования решено использовать мокрое пылеулавливание, раствором щелочи.
Мокрые пылеуловители имеют ряд преимуществ перед аппаратами других типов:
— отличаются сравнительно небольшой стоимостью и более высокой эффективностью улавливания взвешенных частиц по сравнению с сухими механическими пылеуловителями;
— могут быть применены для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм (например, скрубберы Вентури);
— могут не только успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как рукавные фильтры и электрофильтры, но и использоваться в тех случаях, когда эти аппараты обычно не применяются, например, при высокой температуре и повышенной влажности газов, при опасности возгорания и взрывов очищенных газов, в качестве теплообменников смешения.
Перечисленные преимущества аппаратов мокрого пылеулавливания позволяют широко их применять в системах пылеочистки сушильных установок, особенно во вторых ступенях очистки.
В качестве аналога предложено взять проект «Очистка дымовых газов регенерации», реализованный на ООО «ЛУКОЙЛ-Нижегород-нефтеоргсинтез», г. Кстово [10]. В состав блока входят:
- узел мокрой очистки;
- узел продувки (удаление катализаторной пыли и окисления сульфитов до сульфатов);
- узел кристаллизации.
Технологический процесс основан на растворении сернистых газов и на смачивании катализатор-ной пыли дымовых газов в туманно-капельной водной среде. Принципиальная схема блока очистки, приведенная на рисунке 3, разработана в программе AutoCad Plant 3D.
Рис. 3 - Б&ГО-схема блока очистки дымовых газов
Принцип действия организован на тесном контакте газа и жидкости в скруббере, в результате которого SOх поглощается очищающей (орошающей) жидкостью, а частицы, содержащиеся в дымовом газе - катализаторная пыль, смачиваются жидко-
стью и оседают на дно скруббера [9]. В скруббере обеспечивается тесный контакт газа и жидкости, в результате которого SOх поглощается очищающей (орошающей) жидкостью. Уровень рН очищающей жидкости регулируется добавлением щелочного раствора из щелочной системы установки.
Технико-технологический расчет показал, что при установке данного блока очистки дымовых газов с производительностью 125 000 кг/час, степень очистки от катализаторной пыли составит 98-99 %, а количество выбросов сокращается на 1 071 т/год. Степень очистки от оксида серы составит 97-98 %, следовательно выбросы оксида серы сократятся на 564,47 т/год.
Таким образом, внедрение данной технологии позволит использовать полученные продукты в производстве и сократить вредные выбросы Омского НПЗ. Профессиональный подход к данному проекту позволит использовать данную технологию не только на установке каталитического крекинга, но и во многих других процессах.
Литература
1. Н. Л. Солодова, Н. А. Терентьева / Современное состояние и тенденции развития каталитического кре-
кинга нефтяного сырья // Вестник Казанского технологического университета. 2012, №1. С. 141-147.
2. Р. Ш. Шайхутдинов, В. М. Мурзин / Получение дополнительной электроэнергии в процессе каталитического крекинга вакуумного газойля // Вестник технологического университета. 2015, №9. С. 129-130.
3. АО «Газпромнефть-ОНПЗ» Технологический регламент установки каталитического крекинга 43-103, 2016г.
4.В.Н. Генералов / Опыт эксплуатации, поэтапной реконструкции и перспективы повышения эффективности процесса каталитического крекинга на установке 43-103 // Нефтепереработка и нефтехимия, 2001, №11. С.33-39.
5. Ю. Г. Володин, О. П. Марфина, М. С. Цветкович, А. П. Кирпичников / Влияние технического состояния и режимов работы дымовых труб на окружающую среду // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18, №24. С. 130-135.
6. Электронный ресурс - http://www.consultant.ru/docu-ment/cons_doc_LAW_204671/
7. Электронный ресурс - http://www.consultant.ru/docu-ment/cons_doc_LAW_34823/2b668f71b04cd6b6239a4827e c1430801c9da45b/
8. Электронный ресурс - https://ru.wikipedia.org/wiki/Па-рижское_соглашение_(2015)
9. А.Г. Ветошкин, Процессы и аппараты пылеочистки. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. -210с.
10. ООО «ЛУКОЙЛ-Нижегороднефтеоргсинтез» Технологический регламент. Секция 6000. Очистка дымовых газов регенерации.
© Е. И. Черкасова - канд. техн. наук, доцент каф. ХТПНГ КНИТУ, cherkasova.kstu@yandex.ru; А. Х. Хакимов - магистрант гр. 415-МП41 той же кафедры, aidar1hakimov@gmail.com.
© E. I. Cherkasova - Ph.D., Associate Professor, Kazan State Technological University, Department HTPNG, cherkasova.kstu@yandex.ru; А. Kh. Khakimov - Undergraduate gr. 415-MP41, Kazan State Technological University, Department HTPNG, aidar1hakimov@gmail.com.
