CC BY
27
зависимости от того, насколько он важен для организации. Если инструменты будут заменены или добавлены, рассмотрите их важность с точки зрения их непосредственной необходимости для организации и создайте порядок, в котором они должны быть реализованы.
Существует три основных типа цифровых экосистем: экосистема дигитайзера, экосистема платформы и экосистема суперплатформы.
Экосистемы Digitizer сосредоточены на оцифровке существующего продукта с помощью деловых партнеров, при этом сохраняя низкую сложность управления. Экосистемы Digitizer могут добавлять новые функции в системы и приносить доход от цифровых услуг. Эта экосистема обычно включает от 20 до 100 существующих партнеров в пяти отраслях.
Экосистема дигитайзера лучше всего подходит для компаний с сильными возможностями продукта, ограниченными цифровыми возможностями и преимущественно внутренней направленностью. Это хорошо работает для организаций, которые хотят сделать свой продукт умным и подключенным. Примером экосистемы дигитайзера является производитель автомобилей, который сотрудничает с целью получения технологий и интеллектуальной собственности (ИС), необходимых для подключения их автомобилей к соответствующим цифровым услугам. Список использованной литературы:
1. Акимова, Т.В. Экология. Человек-Экономика-Биота-Среда: Учебник для студентов вузов / Т.А. Акимова, В.В. Хаскин; 2-е изд., перераб. и дополн.- М.:ЮНИТИ, 2017.- 556 с.
2. Акимова, Т.В. Экология. Природа-Человек-Техника.: Учебник для студентов техн. направл. и специал. Вузов / Т.А.Акимова, А.П.Кузьмин, В.В.Хаскин.- Под общ. ред. А.П.Кузьмина; Лауреат Всеросс. конкурса по созд. новых учебников по общим естественнонауч. дисципл. для студ. вузов. М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2016.- 343 с.
3. Архангельский, В.И. Гигиена и экология человека: Учебник / В.И. Архангельский, В.Ф. Кириллов. -М.: ГЭОТАР-Медиа, 2017. - 176 с.
4. Бродский, А.К. Общая экология: Учебник для студентов вузов / А.К. Бродский.- М.: Изд. Центр «Академия», 2016. - 256 с.
5. Воронков, Н.А. Экология: общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов вузов / Н.А. Воронков.- М.: Агар, 2016. - 424 с.
©Атаева М., Пуханова Б., 2023
УДК 665.64
Габидуллина Алия Эльбрусовна
Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет Научный руководитель: Зиннурова Ольга Васильевна
Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет
г. Казань, РФ
КАТАЛИЗАТОРНАЯ ПЫЛЬ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА
И ОСНОВНЫЕ ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
Аннотация
Каталитический крекинг в псевдоожиженном слое катализатора играет важную роль на нефтехимической площадке во всём мире, так как является важнейшим конверсионным процессом
переработки нефтесырья в ценные продукты. Благодаря работе этих установок можно с легкостью определить конкурентоспособность нефтеперерабатывающего предприятия, как на внутреннем, так и на мировом рынке. Однако, установки каткрекинга относятся к одним из главных загрязняющих объектов на НПЗ, а именно - регенератор. Учитывая, что за последние годы контроль за выбросами в атмосферу заметно усилился и были приняты более строгие стандарты допустимого содержания вредных примесей в отходящих газах, многие предприятия были вынуждены идти на большие затраты, чтобы снизить количество выбросов и иметь возможность продолжать работу. Всё это привело к интенсивным разработкам катализаторов с лучшими физическими свойствами и созданию нового очистного оборудования. Возможно, в будущем станет необходимым полное улавливание катализаторной пыли, что потребует больше усилий и вложений для решения данной проблемы. В этом обзоре обсуждаются актуальность новых эффективных способов улавливания пылевидных частиц и почему это важно.
Ключевые слова
Катализатор, катализаторная пыль, каталитический крекинг, экология, система очистки, регенератор, КК.
Gabidullina Aliya E.
Kazan National Research Technological University Supervisor: Zinnurova Olga V.
Kazan National Research Technological University
Russia, Kazan
CATALYST FINES AS AN ENVIRONMENTAL ISSUES OF CATALYTIC CRACKING AND THE MAIN SOLUTIONS OF THEM
Abstract
The fluid catalytic cracking is very significant for petrochemical industry because it is the most important conversion process of processing crude oil into valuable products. For most refineries the operation of these installations determines the competitive capabilities of the enterprise in the domestic and global markets. However, at the same time catalytic cracking unit is the one of the main pollutants in oil refineries. On top of that, in recent years the control over the purity of the air has been strengthened and stricter standards have been introduced for the permissible content of harmful impurities in exhaust gases, which forced many managers of oil refineries to go to large expenses with the sole purpose of reducing the level of dust emissions and being able to continue working. This led to an intensive search for denser, more abrasion-resistant catalysts and to the development of new methods for capturing dust particles. In the future, it may be necessary to completely remove catalyst dust, and this will require the development of catalysts with better physical properties and new equipment. In this review, the relevance of new effective methods of catching catalyst dust and their importance is discussed.
Keywords
Fluid catalytic cracking, FCC, reactor, oil refinery process, environmental ecology, particulate matter.
В ходе получения все более глубоких знаний о воздействии химических процессов на окружающую среду, стало очень важно вносить изменения в производство, чтобы максимально минимизировать пагубное влияние на экологию. Независимо от конструкции и размера регенераторов каталитического крекинга в псевдоожиженном слое (ККФ каталитический крекинг-флюид) в процессе регенерации закоксованных катализаторов образуются дымовые газы содержащие
в себе взвешенные частицы (размером 0-20 мкм), соединения СО, SOx, NOx и М, и при отсутствии эффективного способа очистки они выбрасываются в воздух в повышенных концентрациях. Установка ККФ обычно производит около половины от общего объема выбросов на нефтеперерабатывающем заводе, но за последние два десятилетия был достигнут значительный прогресс в снижении концентрации сбрасываемых загрязняющих веществ.
Таблица 1
Показания выбросов дымовых газов регенератора FCC [2, с. 337]
Параметры Твердые частицы, зерно/фактический фут3 Твердые частицы, мг/Нм3
Концентрация катализатора ККФ, выходящего из циклонов регенератора 0,08-0,15 180-340
Тем не менее в настоящее время, когда предпринимаются все больше усилий для создания «эффективного» процесса с «нулевыми показателями выброса парниковых газов», экологические требования становятся жестче, а состав сырой нефти становится тяжелее, процессы регенерации катализатора должны быть еще более интенсифицированы для все большего сокращения выбросов в атмосферу.
Мелкодисперсная пыль катализатора или взвешенные частицы (PM - Particulate Matter) выходят из трубы регенератора вместе с дымовыми газами. Такие выбросы поражают больше людей, чем любой другой загрязнитель. В то время как частицы диаметром 10 мкм или менее (PM10) могут проникать и оседать глубоко в легких, еще более вредными для здоровья являются частицы диаметром 2,5 мкм или менее (PM2,5). Последние могут проникает через трудно проницаемый аэрогематический барьер легких и попадать в кровеносную систему. Их постоянное воздействие на человека увеличивает риск развития сердечно-сосудистых и респираторных заболеваний, а также рака легких [13, с. 7]. Наличие никеля в катализаторе делает такие выбросы канцерогенными. Согласно CONCAWE 2015А1 коэффициент выброса PM10 регенератором составляет 0,55 кг/м3 свежего сырья, PM2.5 - 0,24 кг/м3 свежего сырья [3, с. 18]. В будущем допустимая концентрация будет намного строже из-за стремления мира достижения углеродной нейтральности к 2050 году, Россия и Китай - 2060. [1].
Неблагоприятные условия эксплуатации (например, скачки давления газа при пуске и т.п.), износ катализатора со временем (образование частиц размером до 50 мкм), ухудшение эффективности циклонов и т.д. являются источниками высокого выброса твердых частиц [7]. Основные традиционные способы устранения этой проблемы включают в себя: переход на высокоэффективные регенераторы, внедрение мокрой очистки дымовых газов, системы трёх- или четырехступенчатых циклонов (Third Stage Separator - TSS) и использование электрофильтра (Electrostatic Precipitator - ESP).
1. Циклоны.
В то время как двухступенчатые циклоны могут достигать 99% эффективности очищения от остатков катализатора, мелкие частицы все равно попадают в потоки дымовых газов. Концентрация катализаторной пыли, выходящих из таких циклонов, колеблется в пределах 90-265 мг на фактический м3, что превышает стандартное законодательство о выбросах. Одним из новых и более эффективных вариантов удаления является многоступенчатое очищение, которое может представлять собой циклоны большого диаметра или трехступенчатая система циклонов малого диаметра, соединенные с фильтром нижнего потока 4-й ступени. Это может снизить уровень твердых частиц до 50 мг/Нм3 [14, с. 28]. Однако, производительность и жизнеспособность этих конструкций зависит от количества и объема циклонов, плотности твердых частиц на входе, равномерности распределения дымовых газов и т.д.
1 Комиссия по сохранению чистого воздуха и воды (Европа)
2. Сухой и влажный электрофильтры (DESP и WESP, соответственно).
Электрофильтр работает по принципу разделения путем электростатического осаждения твердых частиц, находящихся в дымовых газах регенератора. Такой аппарат не требует больших капитальных затрат и работает с относительно низкими эксплуатационными расходами. Принцип действия электрофильтра прост: в нем используются высоковольтные электроды для передачи отрицательного заряда катализаторной пыли в дымовых газах, которые после притягиваются и осаждаются на положительно заряженных пластинах (осадителях); в сухом электрофильтре сбор происходит под действием силы тяжести при механическом постукивании, во влажном используется промывочная вода, которая удаляет пыль при низких температурах дымовых газов.
Эффективность улавливания электрофильтров зависит от удельного сопротивления катализатора; последнее отражает степень восприимчивости твердых частиц к электроотрицательному заряду. Основными факторами, способствующими снижению удельного сопротивления, являются: высокое содержание влаги, высокая температура на входе, высокая концентрация углерода, редкоземельных металлов и т.д. Сухие электрофильтры являются более предпочтительными из-за их возможности работать при высоких температурах дымовых газов, но часто бывает трудно собрать ультратонкие частицы с высоким электрическим сопротивлением [10].
Влажный электрофильтр хоть и неэффективен при высоких температурах газа, но обладает некоторыми исключительными преимуществами, например, полное отсутствие осаждений на противоположно заряженном электроде. Также такой способ отлично подходит для очистки при гораздо более высокой скорости дымовых газов. Согласно эксперименту Чуэн-Джинн Цай (англ. Chuen-Jinn Tsai) и его коллег [6], эффективность улавливания наноразмерных частиц катализатора на 99,2-99,7% была достигнута с помощью влажного электрофильтра.
Нагата (англ. Nagata) и другие [11] открыли новый тип мокрой очистки с использованием электрофильтра вертикального типа, эффективный для удаления PM2.5; уникальным отличием изобретения от обычных горизонтальных WESP является использование системы переменного высокого напряжения для сбора пылевидных частиц как на положительных, так и на отрицательных электродных пластинах (см. рисунок 1). Это одно из последних достижений в разработке эффективного электрофильтра.
W
Рисунок 1 - Механизмы работы сухого и влажного электрофильтров (DESP & WESP) [12]
3. Регенеративный и нерегенеративный скрубберы дымовых газов
Применения как регенеративных, так и нерегенеративных технологий очистки дымовых газов (щелочной скруббер) для эффективного удаления не только остатков катализатора, но и SO2 из потока дымовых газов ККФ является коммерчески зрелым и перспективным решением. Конструкция очень проста и имеет высокую механическую прочность, но несмотря на это довольно дорога, так как требует больше капитальных и эксплуатационных затрат. Выбор наиболее подходящей системы мокрой очистки зависит от соответствия экологических норм, технической надежности и гибкости, а также от финансовой составляющей каждой технологии. Принцип работы вкратце: горячий дымовой газ, содержащий твердые частицы, выходя из циклонов третьей ступени регенератора или из других установок обрабатывается в системе скруббера с использованием воды высокой плотности и едкого натра (NaOH); очищенный газ затем отводится через трубу в атмосферу. Извлечение щелочного раствора является основным различием между регенеративной и нерегенеративной системами; более 95% существующих скрубберов дымовых газов КК имеют нерегенеративную конструкцию. В регенеративные конструкции часто встраивается отдельная технологическая установка для вывода реагента, в то время как отходящий газ, богатый SO2, направляется на установку Клауса для получения серы. Это однозначно минимизирует затраты, но первоначальные инвестиции обычно удваиваются по сравнению с нерегенеративным типом (см. рисунок 2).
Щелочной скруббер
Регенеративный скруббер
0% 50% 100% 150% 200% 250% 300% ■ Капитальные затраты ■ Эксплуатационные расходы
Рисунок 2 - Экономические последствия применения систем мокрой очистки [8, с. 14]
Скрубберы влажной очистки обычно сконструированы таким образом, чтобы обеспечить максимальную площадь поверхности контакта между жидкостью и дымовыми газами для получения по меньшей мере 95% эффективности удаления [8]. Тем не менее, в процессе контакта жидкости с дымовыми газами образуются мельчайшие капельки жидкости в виде пара, которые снижают эффективность улавливания загрязняющих веществ. Было разработано несколько высокоэффективных каплеотбойников, включая волнообразные, лопастные, проволочно-сетчатые [45, 9], но они также сталкиваются с угрозой закупорки и частого технического обслуживания из-за накопления частиц и солей на их поверхностях.
Также большой интерес вызывают разработки интегрированных технологий, как система влажных скрубберов для одновременного улавливания множества загрязняющих веществ, таких как CO2 и NOx, наряду с SO2 и каталитической пылью [15-16]. Гао (англ. Gao) и другие [15] продемонстрировали, что 90-99% удаления CO2 может быть достигнуто благодаря системе очистки пиперазинамином. Такой способ не требует больших энергозатрат. Ван и с коллегами [16]
аналогичным образом в лабораторных условиях в процессе электрохимической регенерации амина (electrochemical^ mediated amine regeneration - EMAR) добились выделения около 80% CO2 из потока дымовых газов при стабильных условиях работы. Одновременное удаление SO2 и NOx из дымовых газов также достигается с помощью системы очистки-электролитической регенерации. Эти результаты интересны, даже несмотря на то, что они являются демонстрациями лабораторного масштаба: использование таких модульных систем является очень многообещающей идеей. Однако необходимы всесторонние исследования, чтобы подчеркнуть необходимость масштабного проектирования и совместного удаления всех загрязняющих веществ.
Кроме того, Трагессер [14] предложил комбинированные технологические установки в качестве альтернативного решения, которое включает в себя: добавление влажного газоочистителя, сухого электрофильтра, высокотемпературных барьерных фильтров, изготовленных из железо-алюминиевых сплавов, и физической фильтрации (см. рисунок 3). Сообщается, что они могут снизить выбросы твердых частиц в дымовых газах до менее чем 10 мг/Нм3, но коммерческого успеха этой конструкции нет.
(1) реактор; (2) регенератор; (3) трехступенчатый сепаратор; (4) парогенератор (СО);
(5) фильтр дымовых газов; (6) глушитель; (7) дымовая труба
Вывод.
Значимость вторичной переработки нефти в мировом топливно-энергетическом комплексе и нефтехимии неоспорима. Наращивание производственных мощностей сильно нагружает окружающую среду и вопрос чистоты воздуха встает остро. Поэтому рассмотрение воздействия нефтеперерабатывающих предприятий на экологию является актуальной задачей.
В целом, оптимизация сокращения выбросов — это непрерывный процесс, поскольку продолжает усиливаться ужесточение контроля за выбросами загрязняющих веществ. Экономически эффективные технологии снижения выбросов загрязняющих веществ в регенераторе FCC являются обязательными для повышения рентабельности нефтеперерабатывающего завода.
Усовершенствования механических конструкций и модификации катализаторов обеспечили более строгий контроль выбросов в соответствии с требованиями действующего законодательства. Однако существующие стратегии контроля должны быть еще более усилены.
Список использованной литературы: 1. Антониу Гутерриш. Достижение углеродной нейтральности к 2050 году: самая неотложная
глобальная задача // Организация Объединенных Наций. 11 декабря 2020. URL:
https://www.un.org/sg/ru/content/sg/articles/2020-12-11/carbon-neutrality-2050-the-
world%E2%80%99s-most-urgent-mission
2. Задегбейджи Р. Каталитический крекинг в псевдоожиженном слое катализатора. Справочник по конструкциям, процессам и оптимизации установок ККФ. СПб: Санкт-Петербург: Профессия, 2014. C. 337.
3. Карло Троцци, 1.B.2.a.iv Неорганизованные выбросы: Переработка и хранение нефти. (RU) Руководство 2016. / Карло Троцци, Марлен Плейдруп, Марк Делорье и Стивен Ричардсон. // Руководство EMEP/EAOS по инвентаризации выбросов 2016. С. 18. URL: https://www.eea.europa.eu/ru/publications/rukovodstvo-emep-eaos-po-inventarizaciivybrosov-2016/chast-b-glavy-posvyaschennye-tehnicheskim-aspektam/1-energetika/1-b-neorganizovannye-vybrosy-obrazuyuschiesya/1-b-2-a-iv
4. Azzopardi, B. J., Sanaullah K. S. Re-entrainment in wave-plate mist eliminators // Chemical Engineering Science 57 (2002). Р. 3557 - 3563.
5. Brunazzi E., Paglianti A. Design of complex wire-mesh mist eliminators // AlChE Journal. June 2000. Vol. 46, No. 6. Р. 1131-1137.
6. Chen T.M. An efficient wet electrostatic precipitator for removing nanoparticles, submicron and micron-sized particles / Chen, T.M.; Tsai, C.J.; Yan, S.Y.; Li, S.N. // Sep. Purif. Technol. 2014. Р. 27-35.
7. Chen, Y.M. Recent advances in FCC technology // Powder Technol. 2006. P. 2-8.
8. Edwin H. Weaver. Wet scrubbing system control technology for refineries-An evaluation of regenerative and non-regenerative systems // Refining China 2006 Conference. Beijing, China. 24-26 April 2006. Р. 1-15. URL: https://hydrocarbonchina.com/uploads/post/2013/belco_eng.pdf
9. Galletti C., Brunazzi E., Tognotti L. A numerical model for gas flow and droplet motion in wave-plate mist eliminators with drainage channels. // Chemical Engineering Science 63. 2008. Р. 56339-5652.
10. Guo B.-Y., Su Y.-B., Yang D., Yu A.-B. Predictions of the gas-liquid flow in wet electrostatic precipitators // Appl. Math. Model. 2017. P. 175-188.
11. Nagata C. Wet type electrostatic precipitator technology for industrial and power applications / Nagata C., Suzuki S., Miyake K., Tomitatsu K. // In Proceedings of the 13th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP XIII). Bangalore, India. September 2013. Р. 1-8. URL: http://youornot.com/isespscreensv8/papers/xiii/wettype.pdf
12. Nagata et al. Historical Review of Wet type Electrostatic Precipitator Technology for Industrial and Power Applications in MHI-MS / C. Nagata, S. Suzuki, K. Miyake, and K. Tomimatsu. // Presented at the XIII International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP 2013), in September 2013. P. 27.
13. Shaherin Basith. The Impact of Fine Particulate Matter 2.5 on the Cardiovascular System: A Review of the Invisible Killer / Shaherin Basith, Balachandran Manavalan, Tae Hwan Shin, Chan Bae Park, Wang-Soo Lee. // Nanomaterials 2022. Р. 7.
14. Tragesser, S. FCC Regenerator Design to Minimize Catalyst Deactivation and Emissions // Shaw Energy and Chemicals Group: Houston, YX, USA. 2018. Р. 1-37. URL: https://businessdocbox.com/Green_Solutions/ 113964355-Fcc-regenerator-design-to-minimize-catalyst-deactivation-and-emissions-steve-tragesser-shaw-energy-and-chemicals-group.html
15. Tianyu Gao, Joseph L. Selingera, Gary T. Rochelle. Demonstration of 99% CO2 removal from coal flue gas by amine scrubbing. // 14th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies. 21 -25 October 2018, Melbourne, Australia. Р. 2-14.
16. Wang M., Rahimi M., Kumar A., Hariharan S., Choi W., Hatton T.A. Flue gas CO2 capture via electrochemically mediated amine regeneration: System design and performance. // Elsevier. 2019. Р. 1-17.
© Габидуллина А.Э., 2023
