CC BY
6
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ КАТАЛИТИЧЕСКОГО
КРЕКИНГА
М.И. Шаймарданов, студент
М.Р. Валеев, аспирант
Г.Д. Ханнанова, аспирант
Р.Р. Фасхутдинов, канд. тех. наук, доцент
Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, г. Уфа)
DOI:10.24412/2500-1000-2023-12-5-72-78
Аннотация. Проведены анализ работы и цифровое моделирование блока газофракционирования установки каталитического крекинга 1-А/1М завода ПАО АНК «Башнефть» «Башнефть-Уфанефтехим». В результате проведенного анализа определены пути совершенствования процесса выделения пропан-пропиленовых, бутан-бутиленовых фракций. В рамках процесса моделирования были рассмотрены различные сценарии повышения эффективности процесса газоразделения. В результате работы выявлены оптимальные технологические параметры колонны.
Ключевые слова: каталитический крекинг, газофракционирование, пропан-пропиленовая фракция, бутан-бутиленовая фракция, фракционирующий абсорбер, жирный газ, Aspen Hysys, моделирование.
В данный момент наблюдается кризис сырьевой базы нефтехимической промышленности. Основное назначение нефтехимических предприятий состоит в использовании продуктов нефтеперерабатывающих заводов для производства синтетических материалов и изделий.
Основным сырьем для нефтехимических предприятий выступают продукты нефти и газопереработки, в том числе непредельные углеводородые газы, такие как пропан-пропиленовая фракция (ППФ), бутан-бутиленовая фракция (ББФ), которые вырабатываются в процессе каталитического крекинга. ППФ применяется в качестве сырья процессов полимеризации и алкилирования, ББФ является сырьем процесса алкилирования, также используется в производстве метилэтилкетона, по-лиизобутилена, синтетического каучука и т.д. [4; 5]
Каталитический крекинг (КК) является одним из основных крупнотонажных процессов углубленной переработки нефти. Установка КК состоит из следующих блоков: гидроочистки вакуумного газойля (сырьё процесса), реакторно-регенераторного, нагревательно
- фракционирующего и
газофракционирования.
Разделение газов осуществляется на блоке газофракционирования. Типичная схема блока газофракционирования состоит из фракционирующего абсорбера, компрессора, сепараторов, циркуляционных насосов и откачки продуктов [2].
В рамках данной работы рассмотрим методы интенсификации процесса разделение газов, полученных в процессе каталитического крекинга. Конкретизируем задачу на примере газофракционирующего блока установки КК 1-А/1М Филиала ПАО АНК «Башнефть» «Башнефть-
Уфанефтехим», где существует проблема потерь ППФ, ББФ в результате уноса с сухим газом КК.
Предложенный метод позволяет повысить качество разделения газофракциони-рующего блока установки с минимальными капитальными затратами. Проведен анализ работы текущей технологической схемы газофракционирующего блока установки КК 1-А/1М ПАО АНК «Баш-нефть» «Башнефть-Уфанефтехим», на основе которого были определены основные возможные направления модернизации, показано влияние основных технологиче-
ских параметров процесса на выход и качество получаемых продуктов.
Фракционирующий абсорбер представляет собой аппарат колонного типа с ре-бойлером.
Необходимая четкость отбора сухих и жирных газов может быть достигнута следующими методами:
1. Изменение технологических параметров процесса:
- Увеличение давления в колонне;
- Уменьшение температуры в кубовой части фракционирующего абсорбера;
- Увеличение кратности циркуляции абсорбента [3].
2. Изменение конструктивных особенностей газофракционирующего блока:
- Увеличение числа контактных устройств фракционирующего абсорбера.
- Модернизация внутренних контактных устройств фракционирующего абсорбера на более эффективные без изменения их количества.
- Регулирование количества циркуляционных орошений, их температуры, а также изменения тарелок их отбора и возврата [1].
Эффективность процесса разделения зависит от таких технологических параметров, как температура, давление, количество контактных устройств, а также соотношение величины потоков пара и жидкости по высоте колонны. В контексте работы фракционирующего абсорбера К-51 необходимо выделение сухого газа, не содержащего в своем составе ППФ, ББФ. ППФ и ББФ выводятся с куба колонны вместе с бензином КК, и направляются на дальнейшее разделение [6].
Сформированная модель газофракцио-нирующего блока в системе моделирования Aspen Hysys позволила оценить эффективность работы абсорбера и разработать мероприятия по корректировке режима его работы для повышения качества продуктов и увеличения выхода целевых компонентов в кубовом продукте. На базе модели были рассмотрены различные сценарии работы фракционирующего абсорбера К-51, с целью нахождения оптимальных значений давления верха и низа колонны, при которых удалось достигнуть повышения качества газоразделения.
Модель была построена на основе уравнения состояния Пенга-Робинсона.
Уравнение имеет следующий вид:
R ■ Т___а(Г)
V~vm-h V2+2.bVm-V
где р - давление газа, кПа;
Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК); Уш - молярный объём, м3/моль; Т - температура газа, К.
Достоинством уравнения является то, что свойства чистого газа описываются этим уравнением с помощью только трёх индивидуальных свойств: температуры и давления критической точки газа, а также ацентрического фактора Питцера. Эти параметры определены для широкого круга веществ [8].
При расчёте смесь рассматривается как некоторый гипотетический газ, параметры критической точки которого являются известной функцией концентраций исход-
ных компонентов и термодинамических параметров их критических точек [8].
На установке 1-А/1М Филиала ПАО АНК «Башнефть» «Башнефть-
Уфанефтехим» в настоящее время есть проблема потери жирных газов в составе сухого газа, выводимого с верха фракционирующего абсорбера К-51. Для анализа пути интенсификации процесса выделения газов жирных газов из сухого газа КК была сформирована модель абсорбера К-51 в среде Aspen Hysys.
Для сравнительного анализа вариантов работы фракционирующего абсорбера К-51 была воспроизведена технологическая схема, представленная на рисунке 1. Со-
став сырья и технологические параметры фракционирующего абсорбера установки 1-А/1М представлены в таблицах 1 и 2.
К-51 - фракционирующий абсорбер; Е-31 - газосепаратор; СК-1 - газовый компрессор; Н-23, 24, 25, 36а, 36в - насос; ВХ-51/22,23 - аппарат воздушного охлаждения; Х-51 - теплообменник
Рис. 1. Схема газофракционирующего блока установки 1-А/1М
Для достижения необходимой степени отбора сухих и жирных газов, методы, связанные с изменением конструкций газофракционирующего блока, не рассматриваются в рамках решения производственной задачи, что связанно с высокими капитальными затратами и длительными сроками реализации проекта модернизации.
Увеличение кратности циркуляции абсорбента не позволит должным образом выделить сухой газ в качестве верхнего
продукта без увеличения диаметра колонны, что обусловленно повышенным расходом жидкого потока над паровым на контактных устройствах в верхней части фракционирующего абсорбера и физическим уносом жидкой фазы с сухим газом [7].
Уменьшение температуры в кубе фракционирующего абсорбера уменьшает отпаривание легких компонентов, и повышают концентрацию компонентов сухого газа С1-С2 в кубовом продукте.
Таблица 1. Исходный состав сырья колонны К-51
Наименование компонента Состав, % масс.
Метан 1,57
Этан-этиленовая фракция 2,35
Пропан-пропиленовая фракция 7,11
Бутан-бутиленовая фракция 11,59
H2S 0,11
O2 0,10
Ъ 0,05
N2 1,23
ТО 0,10
ТО2 0,30
H2O 6,32
фр. н.к. - 50 °С 22,82
фр. н.к. - 50-78 °С 11, 7
фр. н.к. - 78-106 °С 7,31
фр. н.к. - 106-134 °С 5,47
фр. н.к. - 134-162 °С 12,6
фр. н.к. - 162-190 °С 5,09
фр. н.к. - 190-218 °С 1,72
фр. н.к. - 218-246 °С 1,14
фр. н.к. - 246-274 °С 1,32
Итого: 100
Таблица 2. Нормы технологического режима фракционирующего абсорбера К-51
Наименование параметра Единицы измерения Рабочие значения Расчетные значения
Давление верха колонны кгс/см2 10,72 15,0
Давление низа колонны кгс/см2 11,11
Температура верха колонны °С 42,0 150,0
Температура низа колонны °С 96,3
Наиболее предпочтительным является регулирование давления
фракционирующего абсорбера.
Полученная модель позволила оценить эффективность процесса разделения газов фракционирующего абсорбера К-51. Зафиксированные значения массовых расходов С3-С4, при различных сценариях изменений давления в колонне К-51, представлены в таблицах 3-4 (* в таблицах отмечены оптимальные значения параметров).
В таблице 3 представлены результаты расчета программы по значениям массового выхода жирного газа и изменение массовых расходов с укрепляющей (12 поток) и кубовой (17 поток) части фракционирующего абсорбера при изменении дав-
лении на 1 кгс/см2 с постоянным перепадом давления. Исходя из полученных результатов следует, что увеличение давления приводит к уменьшению содержания смеси ППФ и ББФ в сухом газе.
Исходя из значений таблицы 4 можно сделать вывод, что увеличение давления приводит к повышению концентрации целевых компонентов в кубе колонны и уменьшению массового расхода верхнего продукта колонны, что коррелирует со снижением потерь целевых компонентов. Прослеживается динамика увеличения массового расхода с куба колонны по жирному газу и другим компонентам.
Таблица 3. Зависимость массового выхода и расхода С3-С4 от давления в К-51
Параметр Вариант №
1 2 3* 4 5
Давление верха, кгс/см2 11,7 12,7 13,7 14,7 15,7
Давление низа, кгс/см2 12,1 13,1 14,1 15,1 16,1
Массовый выход С3-С4 с верха, % 21,80 14,54 8,08 7,44 6,90
Массовый выход С3-С4 с низа, % 20,57 21,23 21,66 21,63 21,60
Массовый расход с верха, кг/ч 12052,32 10658,5 9472,49 8812,55 8208,09
Массовый расход с низа, кг/ч 121596,4 122988,17 124174,44 124834,67 125439,03
Таблица 4. Зависимость массового выхода и расхода С3-С4 от давления в К-51
Параметр Вариант №
1 2 3* 4 5
Давление верха, кгс/см2 11,7 12,7 13,7 14,7 15,7
Давление низа, кгс/см2 12,1 13,1 14,1 15,1 16,1
Массовый выход С3-С4 в потоке 12, % 21,80 14,54 8,08 7,44 6,90
Массовый выход других компонентов в потоке 12, % 78,20 85,46 91,92 92,56 93,10
Массовый расход С3-С4 в потоке 12, кг/ч 2627,41 1549,26 765,42 655,51 566,28
Массовый расход других компонентов в потоке 12, кг/ч 9424,91 9109,25 8707,07 8157,03 7641,81
Массовый расход С3-С4 в потоке 17, кг/ч 25016,38 26116,01 26894,71 27000,88 27091,67
Массовый расход других компонентов в потоке 17, кг/ч 96580,01 96872,16 97279,73 97833,80 98347,37
После моделирования был проанализирован количественный и качественный состав газа, уходящего с верха газофракцио-нирующего абсорбера. Как видно из рисунка 2 и таблиц, представленных выше, изменение давления с укрепляющей и от-
гонной части колонны К-51, при неизменном градиенте давлений, позволяет улучшить абсорбцию жирных компонентов газа, в следствии чего уменьшить потери С3-С4 вместе с сухим газом.
Рис. 2. График зависимости изменения процентного содержания выхода С3-С4 с верха колонны от давления
Таким образом, можно утверждать, что оптимальное разделение без увеличения диаметра фракционирующего абсорбера достигается при давлении 13,7 кгс/см2, и входит в интервал расчетных технологических параметров данной колонны согласно допустимым нормам по проекту. Массовый выход С3-С4 с верха колонны при уве-
личении давления до 13,7 кгс/см2 уменьшается на 13,72% масс., а расход кубового продукта - на 2579,83 кг/ч, одновременно с этим, выход С3-С4 с куба абсорбера увеличится на 1% масс., а расход соответственно на 2578,04 кг/ч. Данное давление можно считать оптимальным, так как при дальнейшем повышении давления наблю-
дается незначительное повышение каче- «Башнефть-Уфанефтехим» позволяет со-ства разделения, однако нагрузка на обо- здавать давление в колонне К-51 11,2 рудование и энергозатраты значительно кгс/см2, поэтому необходима его замена. увеличиваются. Затраты при этом будут на порядок ниже
Действующий компрессор на установке замены самого фракционирующего абсор-1-А/1М Филиала ПАО АНК «Башнефть» бера на установке.
Библиографический список
1. Анищук Е.А. Модернизация газофракционирующего блока установки каталитического крекинга / Е.А. Анищук, А.В. Ганцев // Новые технологии - нефтегазовому региону: материалы Международной научно-технической конференции: в 2 т. - Тюмень: ТИУ, 2016. 2 т. - С. 148-150.
2. Ахметов С.А. и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: Учебное пособие / С.А. Ахметов, Т.П. Сериков, И.Р. Кузеев, М.И. Баязитов; Под ред. С.А. Ахметова. - СПб.: Недра, 2006. - 868 с.
3. Задегбейджи Р. Каталитический крекинг в псевдоожиженном слое катализатора. Справочник по эксплуатации, проектированию и оптимизации установок ККФ: пер. с англ. яз. 3-го изд; под ред. О.Ф. Глаголевой. - СПб.: ЦОП «Профессия», 2014. - 384 с.
4. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 30-2017 «Переработка нефти». - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.rst.gov.ru/portal/gost/home/activity/NDT/sprav_NDT_2017 (дата обращения 09.10.2023).
5. ЛакПром. Нефтехимический комплекс. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://lkmprom.ru/analitika/neftekhimicheskiy-kompleks—zadachi-i-perspektivy/ (дата обращения 09.10.2023).
6. Мейерс Р.А. Основные процессы нефтепереработки. Справочник: пер. с англ. 3-го изд. / Р.А. Мейерс и др.; под ред. О.Ф. Глаголевой, О.П. Лыкова. - СПб.: ЦОП «Профессия», 2011. - 944 с.
7. Мясин Я.О., Мясина Е.А., Ганцев А.В., Мустафин И.А. Повышение эффективности разделения продуктов каталитического крекинга в результате моделирования и анализа работы газофракционирующих блоков // Башкирский химический журнал. - 2017. -Том 24. № 3. - С. 77-84.
8. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер. с англ. под ред. Б.И. Соколова. - Л.: Химия, 1982. - 592 с.
INTENSIFICATION OF THE PROCESS OF SEPARATION OF CATALYTIC
CRACKING GASES
M.I. Shaimardanov, Student M.R. Valeev, Graduate Student G.D. Khannanova, Graduate Student
R.R. Faskhutdinov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Ufa State Petroleum Technical University (Russia, Ufa)
Abstract. An analysis of the operation and digital modeling of the gas fractionation unit of the 1-A/1M catalytic cracking unit of the Bashneft-Ufaneftekhim plant of PJSC Bashneft was carried out. As a result of the analysis, ways to improve the process of separating propane-propylene and butane-butylene fractions were determined. As part of the modeling process, various scenarios for increasing the efficiency of the gas separation process were considered. As a result of the work, the optimal technological parameters of the column were identified.
Keywords: catalytic cracking, gas fractionation, propane-propylene fraction, butane-butylene fraction, fractionating absorber, wet gas, Aspen Hysys, modeling.
