CC BY
409
УДК 661.183
Получение новой продукции из попутного нефтяного газа
А.А. МЕГЕДЬ, к.х.н., глав. специалист отдела предпроектной проработки А.Ю. АДЖИЕВ, д.т.н., проф., глав. науч. сотр., советник генерального директора ОАО «НИПИгазпереработка», (Россия, 350000, г. Краснодар, Центральный округ, ул. Красная, 118). E-mail: info@nipigas.ru
В статье рассмотрены процессы переработки попутного нефтяного газа с получением новой квалифицированной продукции - сконденсированного авиационного топлива (АСКТ), концентрата ароматических углеводородов. Приведены принципиальные технологические схемы и режимные параметры установки производства АСКТ и процесса Аркон® для получения бензол-толуол-ксилольной фракции из углеводородного сырья. Даны направления использования новой продукции в народном хозяйстве. Ключевые слова: попутный нефтяной газ, широкая фракция легких углеводородов, авиационное топливо, технологический процесс, режимные параметры, ректификационная колонна, реактор, цеолитсодержащий катализатор, ароматические углеводороды.
Если следовать официальной статистике, то добыча попутного нефтяного газа (ПНГ) в Российской Федерации в последние годы составила 68-70 млрд м3/год, из них считаются сожженными в факелах 16-17 млрд м3 [1], остальные объемы поставлены на ГПЗ, а также использованы на собственные нужды нефтяных компаний: для закачки в пласт и для производства электроэнергии. Неофициальная статистика оценивает объемы сжигания ПНГ намного выше. Такие оценки, основанные на спутниковых наблюдениях из космоса, представлены, в частности, Всемирным фондом защиты дикой природы (WWF). Интенсивность горения факелов в районах нефтедобычи в России свидетельствует о ежегодном сжигании от 20 до 50 млрд м3 попутного газа, более четверти мировой добычи ПНГ [2, 3]. Неопределенность во многом связана с тем, что в большинстве случаев замер добычи и сжигания ПНГ производится не контрольно-измерительными приборами, а исходя из средних показателей содержания растворенного попутного газа в добываемой нефти.
При сжигании ПНГ происходят потери ценного углеводородного сырья и наносится серьезный ущерб окружающей среде, влияющий на усугубление парникового эффекта в атмосфере. Такие потери связаны с недостаточным развитием инфраструктуры для его сбора, подготовки, транспортировки и переработки, а также с отсутствием потребителей, приближенных к месту его добычи. В среднем потен-
циал углеводородов С3+выше, которые сжигаются в факелах, можно оценить на уровне 10-25 млн т/год.
Финансовые потери от сжигания ПНГ оцениваются в $11-15 млрд/год, и это без учета возможной переработки ПНГ в высоколиквидные продукты [4]. К основным технологиям утилизации ПНГ, которыми могут воспользоваться нефтедобывающие компании в зависимости от характеристики и расположения нефтяного месторождения, относятся [3]:
• переработка на ГПЗ;
• сжигание в газоэлектрогенераторах (мини-ТЭЦ) для выработки электроэнергии и тепла;
• закачивание в пласт для повышения нефтеотдачи;
• подготовка на промысле с помощью малотоннажных установок;
Таблица 1
• переработка в синтетическое топливо.
Сжигаемый в огромных объемах ПНГ является потенциальным сырьем для производства в районах нефтегазодобычи авиационного сконденсированного топлива (АСКТ), пропана автомобильного (ПА), пропан-бутана автомобильного (ПБА), которые могут быть использованы в непосредственной близости от места производства.
Специалистами ОАО «НИПИгазпереработка» в сотрудничестве с ведущими институтами авиационного профиля разработана технология получения АСКТ [5, 6].
Авиационное сконденсированное топливо представляет собой смесь парафиновых углеводородов от пропана до гексана (с доминированием бутана) с небольшой примесью более тяжелых парафиновых углеводородов (вплоть до С10).
Для выработки топлива разработаны и утверждены технические условия ТУ39-1547-91, согласно которым новое авиационное топливо - АСКТ, сконденсированное из нефтяного газа, должно соответствовать следующим нормам (табл. 1).
В результате проведенных исследований и разработок установлены, изменены и введены новые показатели качества в рецептуру производства АСКТ [7]:
• потенциальное содержание пропана в АСКТ увеличено с 7,2 до 12,0% мас.;
Техническая характеристика АСКТ по ТУ 39-1547-91
Наименование показателя
Норма
Массовое содержание пропана, %, не более
7,2
Давление насыщенных паров при 45 °С, МПа (кгс/см2), не более
0,5 (5,0)
Плотность в жидком состоянии при 20 °С, кг/м3, не менее
585
Теплота сгорания низшая, кДж/кг (ккал/кг), не менее
45 200 (10 800)
Содержание сернистых соединений в пересчете на серу,% мас., не более
0,002
Содержание свободной воды
Содержание щелочи
Содержание механических примесей
Ъш
W-ТЕХНОЛОГИИ, ПРОЕКТЫ
• допускается наличие жидких углеводородов до С12;
• допускается наличие ароматических и нафтеновых углеводородов до 6,0 % мас.;
• допускается наличие олефиновых углеводородов до 10,0% мас.;
• уточнено возможное содержание сернистых соединений с намного более жесткими нормами по сравнению с авиакеросином.
Неизменным остается требование к давлению насыщенных паров при температуре 45 °С - 0,5 МПа (абс.), обусловленное характеристиками топливной системы вертолетов.
Основным сырьем для получения АСКТ является попутный нефтяной газ или природный газ, в котором АСКТ находится в естественном виде в смеси с другими газами. Также АСКТ возможно получать из широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), которая вырабатывается на газоперерабатывающих и нефтеперабатывающих заводах, других объектах.
Таким образом, в России для организации производства АСКТ имеется долговременная и сверхдостаточная ресурсная база ПНГ, использование которого позволит внести существенный вклад в решение государственной программы по утилизации попутного нефтяного газа на уровне 95% в промысловых условиях; технология производства АСКТ достаточно проста, не требует использования сложного технологического оборудования и может быть успешно реализована на различных объектах подготовки и переработки нефти и газа; АСКТ обладает рядом преимуществ по сравнению с авиакеросином, что позволит увеличить моторесурс и межремонтный пробег авиационных двигателей, снизить стоимость авиаперевозок.
Наиболее просто производство АСКТ может быть налажено на ГПЗ, где первым и основным продуктом переработки ПНГ является ШФЛУ.
Рассматривая вопрос о получении АСКТ на ГПЗ, следует исходить из того, что в ближайшее время потребность в этом продукте, вероятно, может составлять сравнительно небольшую часть от потенциально возможной выработки. Это значит, что производство АСКТ не повлияет существенно на традиционный ассортимент продукции завода.
Принципиальная технологическая схема блока получения АСКТ из части ШФЛУ, вырабатываемой на ГПЗ или транспортируемой по продуктопрово-ду, приведена на рис. 1.
Блок включает в себя ректификационную колонну с сопутствующей обвязкой по верху и низу (теплооб-менные аппараты, емкости, насосы). В ректификационной колонне исходное сырье (ШФЛУ) разделяется на верхний продукт - пропановую фракцию (пропан автомобильный) или пропан-бутановую фракцию (пропан-бутан автомобильный), соответствующую требованиям к автомобильному топливу, и нижний продукт - АСКТ. Такой блок получения АСКТ, кроме размещения на ГПЗ, может быть использован на продуктопроводе, на эстакадах слива-налива ШФЛУ, а также в местах ее хранения.
В зависимости от схемы ГПЗ получение на нем авиационного топлива АСКТ может быть осуществлено путем более или менее сложного дооборудования. На ГПЗ, имеющих в своем составе газофракционирующую установку (ГФУ) для разделения ШФЛУ на узкие фракции, достаточно несложного дооборудования для отвода части потока из продукта с низа колонны-депропанизатора. Этот продукт будет соответствовать по своим свойствам топливу АСКТ. Потребуется также обустройство в цехе готовой продукции позиции для отдельного хранения и отгрузки товарного АСКТ. На некоторых ГПЗ, не имеющих в своем составе ГФУ, предусмотрены узлы (блоки) для получения из ШФЛУ пропана высокой степени чистоты для использования в качестве хладагента для собственных нужд завода и отгрузки его как товар-
ного продукта. На этих блоках возможна выработка АСКТ аналогично процессу, описанному выше.
Получение нефтехимической продукции на основе разработки малоотходных и экологически чистых промышленных способов переработки природного газа, попутного нефтяного газа, а также широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) является одним из возможных направлений квалифицированной утилизации легких углеводородов.
В ОАО «НИПИгазпереработка» на протяжении ряда лет совместно с Институтом катализа им. Г.К. Борескова СО РАН ведутся работы по отработке технологии ароматизации сжиженного углеводородного газа (СУГ), про-пан-бутановой фракции (ПБФ), широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) в процессе Аркон® [8-11].
Процесс Аркон® - это одностадийный каталитический процесс получения смеси ароматических углеводородов (бензол, толуол, ксилолы, фракция С9, фракция С
10+выше:
со-
стоящая преимущественно из нафталиновых углеводородов) из легкого углеводородного сырья, представляющего собой в основном углеводороды С3-С5 различного происхождения. В зависимости от состава исходных углеводородных газов и режима проведения каталитического процесса применительно к нуждам потребителей может быть получен концентрат ароматических углеводородов с различным содержанием компонентов.
Принципиальная технологическая схема блока получения АСКТ на ГПЗ и продуктопроводах:
К-1 - ректификационная колонна; Т-1 - теплообменник; И-1 -испаритель; ВХ-1, ВХ-2 - аппараты воздушного охлаждения; Е-1 - рефлюксная емкость; Е-2 - емкость с АСКТ
Подготовленный газ <=-
ПНГ
ШФЛУ "=>—
Г Блок получения АСКТ Т= 45... 60 °C ШФЛУ из деэтанизатора
Г
ГПЗ
Продуктопровод ШФЛ У
ВХ-1
4оо1
I
ШФЛ У
100 %
Т-1
Н-1 &
Е-1
ПА (ПБА) потребителю или в ШФЛУ
К-1
Т = 95. 105 °С И-1
40.58 %
<1Г~!Н
т
ВХ-2
_Е-2
АСКТ
■=3
60.42 %
Рис. 1
£ ■о-
Рис. 2
Принципиальная технологическая схема установки Аркон®
Р-1.. .Р-4 - каталитические реакторы; П-1.. .П-4 - печи ; С-1.. .С-3 - сепараторы; К-1 - ректификационная колонна; Т-1, Т-2 - рекуперативные теплообменники; ВХ-1.ВХ-4 - аппараты воздушного охлаждения; Т-3, Т-4 - нагреватели; КС-1 - воздушный компрессор; ЦК-1 - циркуляционный компрессор; Е-1.Е-3 - емкости; Н-1...Н-3 - насосы; МБ - мембранный блок; РВ-1 - азотный ресивер; РВ-2 - воздушный ресивер. I - сырье; II - продукты катализа; III - нестабильный катализат; IV - газ в топливную сеть; V - ПБФ; VI - ароматический концентрат; VII - воздух; VIII - сдувка кислородной фракции; IX - азот; X - газы регенерации; XI - сдувка газов регенерации
Процесс Аркон® может быть реализован на малогабаритных блочных установках (МГБУ), расположенных непосредственно в районах газо- и нефтедобычи, на установках подготовки нефти (УПН), установках подготовки газа (УПГ), установках комплексной подготовки газа (УКПГ). Гибкая технология процесса позволяет также использовать его в составе нефтехимических производств, например в составе установок пиролиза СУГ и ШФЛУ для получения дополнительных количеств ароматических углеводородов из образующейся в процессе Аркон® этан-пропановой фракции, являющейся идеальным сырьем пиролиза для получения мономеров.
Принципиальная технологическая схема установки Аркон® приведена на рис. 2.
В состав установки входит реакторный блок, блок сепарации и стабилизации продуктов катализа, мембранный блок получения технического азота для продувок и регенерации катализатора и узел окислительной регенерации катализатора азотно-воздушной смесью в циркуляционном контуре.
Реакторный блок включает две параллельно работающие линии (в каждой из них по два последовательно подключенных реактора), одна из которых находится в работе, одна на регенерации.
Процесс Аркон® прошел полный комплекс лабораторных исследований и опытно-промышленные испытания на демонстрационной установке, созданной на экспериментальной базе ОАО «НИПИгазпереработка». Испытания проводились совместно с представителями Института катализа СО РАН. Был использован катализатор ИК-17М, синтезированный в промышленных условиях в ОАО «Новосибирский завод химконцентратов».
В качестве сырья использовали СУГ следующего состава, % мас.: этан 3,5; пропан 40,9; изобутан 22,1; н-бутан 23,8; бутилены 0,3; изопентан 5,9; н-пентан 3,1; гексаны 0,4.
Была применена технологическая схема однопроходной ароматизации с двумя последовательно соединенными реакторами и промежуточным подогревом реакционной смеси на входе во второй реактор. Общая загрузка ката-
лизатора составила 120 л. При этом в первый реактор было загружено 40 л катализатора, во второй реактор - 80 л катализатора. Последовательная двух-реакторная схема позволяла компенсировать эндотермический эффект реакции, который в условиях испытаний составил в первом реакторе 50°, и увеличить эффективность работы второго реактора, выраженную в уменьшении эндоэффекта до 20° и создании оптимального профиля температур по высоте слоя катализатора, что благоприятно сказалось на стабильном выходе ароматических продуктов.
Всего было проведено два опытных пробега с окислительной регенерацией катализатора в циркуляционном контуре после каждого пробега. Время первого пробега составило 120 ч, время второго пробега - 240 ч. В ходе каждого пробега проводили ступенчатый подъем температуры в реакторах для компенсации падения активности катализатора вследствие отложения кокса на поверхности катализатора Результаты опытных пробегов катализатора процесса Аркон® приведены в табл. 2.
-о1
ТЕХНОЛОГИИ, ПРОЕКТЫ
Таблица 2
Результаты опытных пробегов катализатора в процессе Аркон®
Наименование показателя Первый пробег Второй пробег
Время пробега, ч 120 240
Загрузка катализатора ИК-17М, л:
- в первый реактор 40 40
- во второй реактор 80 80
Температура в реакторе , °С:
- первый реактор (начало цикла/окончание) 530/542 530/570
- второй реактор (начало цикла/окончание) 540/553 540/580
Давление в реакторе, кгс/см2:
- первый реактор 4,2-4,3 4,1-4,2
- второй реактор 3,4-3,5 3,3-3,4
Расход сырья (СУГ), л/ч 120-140 120-140
Выход ароматических углеводородов на поданное сырье, % мас. 31,7 29,2
Таблица 3
Характеристики ароматического концентрата
Наименование показателя Значение
Плотность при 20 °С, кг/м3 875,0
Фракционный состав ароматического концентрата, °С:
температура начала кипения 83
10% об. 105
30% об. 112
50% об. 124
70% об. 141
90% об. 198
температура конца кипения 251
выход, % об. 98,4
остаток в колбе, % об. 1,0
потери, % об. 0,6
Состав ароматического концентрата, % мас.:
бензол 26,28
толуол 43,85
этилбензол 2,70
ксилолы 19,46
ароматические С9-С10 3,31
нафталин 2,62
метил- и диметилнафталины 1,78
Характеристики полученного ароматического концентрата приведены в табл. 3.
В ходе опытных пробегов был отработан режим окислительной регенерации цеолитсодержащего катализатора азотно-воздушной смесью в замкнутом контуре с использованием циркуляционного компрессора газов регенерации катализатора. Кратность циркуляции газов регенерации при этом составила 330-420 ч-1. Начальная температура окисления кокса определена в интервале 300-350 °С при концентрации кислорода в смеси 1,0-1,5 % об. Максимальная температура в слое катализатора при окислении кокса не превышала 550 °С. Время регенерации с подготовительными операциями составило 72 ч.
При проведении процесса за проход получают в среднем 30-32% мас. ароматического концентрата. Остальное составляет водородсодержащий газ, обогащенный метаном и этаном и содержащий непревращенный пропан и бутан. При организации рециркуляции отходящего газа в реактор выход ароматического концентрата может быть увеличен до 56-60% мас. в расчете на поданное сырье. Процесс имеет широкий диапазон по производительности.
В дальнейшем ароматический концентрат может использоваться по различным направлениям:
• сольвент для обработки призабой-ной зоны скважины с целью удаления парафиноотложений;
• закачка в пласт для повышения нефтеотдачи;
• получение индивидуальных ароматических углеводородов на НПЗ;
• деалкилирование БТК-фракции с получением бензола, используемого в дальнейшем для синтеза стирольных каучуков;
• гидрирование нафталина, метил- и диметилнафталинов с получением вы-сокоцетановых компонентов дизельного топлива - декалина и метилдека-линов. НГХ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аджиев А.Ю., Пуртов П.А. Подготовка и переработка попутного нефтяного газа в России. - Ч. 1. - Краснодар: ЭДВИ, 2014. 776 с.
2. Кутепова Е.А., Книжников А.Ю., Кочи К.В. Проблемы и перспективы использования попутного нефтяного газа в России: Ежегодный обзор. Вып. 3. - М.: WWF России, 2011. 43 с.
3. Рачевский Б.С. Технологии коммерческой утилизации факельных попутных газов нефтяных месторождений // Мир нефтепродуктов. 2008. № 7.
С. 24-31.
4. Ечевский Г.В. Получение ароматических углеводородов из ПНГ и других легких фракций // Нефтегазовые технологии. 2012. № 4. С. 92-96.
5. Бащенко Н.С., Пуртов П.А., Аджиев А.Ю. и др. Возможности производства нового авиационного топлива АСКТ // Транспорт на альтернативном топливе, 2012. № 3 (27). С. 43-46.
6. Бащенко Н.С., Пуртов П.А., Аджиев А.Ю., Зайцев В.П. Получение нового авиационного топлива АСКТ на газоперерабатывающих заводах // Недропользование XXI век. 2011. № 6. С. 34-38.
7. Патент РФ № 2458101. Способ получения авиационного сконденсированного топлива (варианты) / Аджиев А.Ю. Пуртов П.А., Бащенко Н.С., Карепина Л.Н. Опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22.
8. Патент РФ № 2370482. Способ получения ароматических углеводородов и низших олефинов / Аджиев А.Ю., Анненков Д.Н., Вилесов В.К. и др. Опубл. 20.10.2009. Бюл. № 29.
9. Мегедь А.А., Аджиев А.Ю., Корсаков С.Н., Севостьянова С.Ф. Ароматизация низших парафинов в процессе Аркон® // Нефть, Газ и Бизнес. 2003. № 3. С. 55-57.
10. Климов О.В., Аксенов Д.Г., Коденев Е.Г. и др. Разработка технологии БИМТ-Аркон® для комплексной переработки углеводородного сырья // Катализ в промышленности. 2005. № 1. С. 18-25.
11. Патент РФ № 2265042. Способ получения бензина и дизельного топлива (варианты) / Климов О.В., Аксенов Д.Г., Коденев Е.Г. и др. Опубл. 27.11.2005. Бюл. № 33.
NEW PRODUCTS FROM ASSOCIATED PETROLEUM GAS
Meged' A.A., Cand.Sci.(Chem)
Adzhiev A. Yu., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Chief Researcher, Advisor to General Director
JSC NIPIgaspererabotka (Krasnaya str., 118, Krasnodar, 350000, Russia). E-mail: info@nipigas.ru
ABSTRACT
The article describes the processes for the processing of associated gas to produce qualified new products - condensed aviation fuel, concentrate aromatics. Process flow diagram and operating parameters and production unit condensed aviation fuel of Akron for benzene-toluene-xylene fraction of hydrocarbons. Given the direction of the use of new products in the national economy.
Keywords: associated petroleum gas, light hydrocarbons, jet fuel, process, operational parameters, distillation column reactor, zeolite catalyst, aromatic hydrocarbons.
REFERENCES
1. AdzhiyevA.Yu., Purtov P.A. Podgotovka ipererabotka poputnogo neftyanogo gaza vRossii [Preparation and processing of associated petroleum gas in Russia]. Part 1. Krasnodar, EDVI Publ., 2014, 776 p.
2. KutepovaYe.A., KnizhnikovA.Yu., Kochi K.V. Problemy i perspektivy ispol'zovaniya poputnogo neftyanogo gaza v Rossii, yezhegodnyy obzor [Problems and prospects for the use of associated gas in Russia: the annual review], Issue 3. Moscow, WWF Rossii Publ., 2011, 43 p.
3. Rachevskiy B.S. Mir nefteproduktov. 2008, no. 7, pp. 24-31.(In Russ.)
4. Yechevskiy G.V. Neftegazovyyetekhnologii. 2012,no. 4,pp. 92-96.(In Russ.)
5. Bashchenko N.S., Purtov P.A., Adzhiyev A.YU., KovalevI.Ye., Mavritskiy V.I., Zaytsev V.P. Transport na al'ternativnom toplive. 2012,no. 3 (27),pp. 43-46.
6. Bashchenko N.S., Purtov P.A., AdzhiyevA.YU.,Zaytsev V.P. Nedropol'zovaniye XXI vek. 2011, no. 6, pp. 34-38
7. Adzhiyev A.YU. Purtov P.A., Bashchenko N.S., Karepina L.N. Sposob polucheniya aviatsionnogo skondensirovannogo topliva (varianty) [A method of producing condensed aviation fuel (variants)]. Patent RF, no. 2458101, 2012.
8. Adzhiyev A.YU., Annenkov D.N., Vilesov V.K. Sposob polucheniya aromaticheskikh uglevodorodov i nizshikh olefinov [A process for producing aromatic hydrocarbons and lower olefins]. Patent RF, no. 2370482, 2009.
9. Meged' A.A., Adzhiyev A.YU., Korsakov S.N., Sevost'yanova S.F. Neff, Gazi Biznes. 2003, no. 3, pp. 55-57.
10. Klimov O.V., Aksenov D.G., KodenevYe.G. Kataliz vpromyshlennosti. 2005, no. 1, pp. 18-25.
11. Klimov O.V., Aksenov D.G., KodenevYe.G. Sposob polucheniya benzina i dizel'nogo topliva (varianty) [A method for producing gasoline and diesel fuel (variants)]. Patent RF, no. 2265042,2005.
lwww.intecheco.ru
j:
* I fH
[Шестая Межотраслевая конференция]
fil
fil
ШшшШ 51
