CC BY
25УДК 54
Е.А. Икрянников, О.В. Анищенко
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БЛОКА ГИДРООЧИСТКИ СЫРЬЯ НА УСТАНОВКАХ ИЗОМЕРИЗАЦИИ БЕНЗИНОВЫХ ФРАКЦИЙ
В работе рассмотрен процесс гидроочистки сырья на установках низкотемпературной изомеризации "Penex". Проведен анализ работы блока гидроочистки с целью выявления узких мест, не позволяющих увеличивать производительность процесса, а также ограничивающих мощность установок в теплое время года. Предложены варианты модернизации для устранения ограничений и повышения производительности процесса.
Ключевые слова: бензиновые фракции, гидроочистка, изомеризация, бензин, Евро-5, нефтепереработка.
Современная топливная промышленность находится в постоянном движении и развитии. В первую очередь, это связано с модернизацией топливных систем автотранспорта и систематическим ужесточением к ним экологических требований. Сегодня всем нефтеперерабатывающим компаниям, оставаясь конкурентоспособными, необходимо не просто удовлетворять потребительский спрос на топливо, но и обеспечивать высокое качество продукции, соответствующее самым современным национальным и международным стандартам.
Что касается бензинового топлива, тенденции экологических стандартов ЕВРО сводятся к уменьшению содержания в товарных бензинах серы, азота, бензола, соединений ароматического класса. Так, с 1 июля 2016 года в Российской Федерации и других странах Таможенного союза запрещен выпуск в гражданский оборот автомобильного бензина экологическим классом ниже пятого (К5 или Евро-5). Введённый стандарт требований к качеству автобензинов Евро-5 гласит, что содержание серы в бензине должно составлять не более 10 мг/кг, бензола - не более 1 %, ароматических углеводородов - не более 35 %, а наличие моющих присадок обязательно. В Европе использование низкокачественного топлива ограничено с 2009 года из-за серьезного негативного влияния на окружающую среду. Сроки перехода России на более высокий стандарт Евро-6 окончательно не известны, однако, ряд нефтеперерабатывающих компаний освоил выпуск бензинов уровня Евро-6. В связи с этим особую ценность в последнее время приобрела технология изомеризации бензиновых фракций, как способ получения высокооктановых неароматических компонентов товарных топлив из прямогонных легких фракций нефти. Высокооктановый изомеризат, получаемый на установках изомеризации, имеет хорошие эксплуатационно-экологические характеристики. Вместе с тем увеличение производственных мощностей и повышение эффективности работы установок изомеризации невозможно без повышения производительности блоков гидроочистки сырья.
Процесс изомеризации легкой нафты начал развитие более шестидесяти лет назад. На целевой показатель - октановое число получаемого изомеризата, существенное влияние оказывает температура проведения процесса. При высоких температурах термодинамическое равновесие ограничивает выход изопа-рафинов, а низкие температуры ведут к низкой скорости реакции [1]. Температурный режим процесса определяется зависимостью активности катализатора от температуры. Наиболее широко применяемый тип процесса - низкотемпературная изомеризация на оксиде алюминия, промотированном хлором (120-180 °С) и на сульфатированных оксидах металлов (180-210 °С) [2].
Катализаторы на основе хлорированной окиси алюминия наиболее активны и обеспечивают самый высокий выход и октановое число изомеризата. Следует отметить, что в ходе изомеризации катализаторы теряют хлор, в результате чего их активность снижается. Поэтому предусматривается введение в сырье хлорсодержащих соединений-промоторов (обычно четырёххлористый углерод или перхлорэтилен) для поддержания высокой активности катализатора, и как следствие необходима щелочная промывка отходящих газов от органического хлорида в специальных скрубберах. Существенным недостатком является высокая чувствительность каталитической системы к примесям (сера, кислородсодержащие соединения, включая воду, азот, металлы), что неразрывно связано с обязательной предварительной гидроочисткой и осушкой сырья. Кроме того, не представляется возможным регенерировать катализаторы данного типа на производстве [1,2].
Самыми распространенными являются катализаторы компании UOP. Катализатор первого поколения I-8, впоследствии был усовершенствован в более активный катализатор марки I-80. Современными разработками компании UOP являются высокоэффективные катализаторы I-8 Plus, I-82, I-84 для процесса
© Икрянников Е.А., Анищенко О.В., 2020.
Penex. В мире эксплуатируется более 120 установок по технологии Penex. В России наибольшее распространение получил катализатор Ь82 по причине наибольшей стойкости, способности выдерживать жесткие условия и подходящий для изомеризации сырья с содержанием нафтенов и бензола не более 15% и 2,5%, соответственно [2,3].
Установки изомеризации предназначены для переработки легкой бензиновой фракции в высокооктановый компонент товарного бензина по технологии низкотемпературной изомеризации "Пенекс" с применением высокоактивного катализатора изомеризации Ь82. Структурно-функциональная схема типичной установки изомеризации представлена на рисунке 1. Установка представляет собой технологическую систему, состоящую из взаимосвязанных технологическими потоками каталитических процессов:
- гидроочистки сырья изомеризации;
- изомеризации легкой бензиновой фракции.
Применение колонны деизопентанизации (ДИП) перед реакторным блоком позволяет получить большие значения октанового числа изомеризата, увеличивает степень конверсии н-пентанов и одновременно уменьшает нагрузку на реакторный блок изомеризации. Включение в схему колонны деизогексани-зации (ДИГ) после реакторов изомеризации - наиболее простой способ получения изомеризата с более высоким октановым числом. Применение одной лишь колонны ДИГ позволяет увеличить конверсию гек-санов, но не повышает содержание изопентана в продукте [4]. Поэтому, для обеспечения полной конверсии всех парафинов нормального строения в изомеры на установке реализована их рециркуляция с помощью блоков ДИП и ДИГ.
Изопентановая фракция (ОЧ=92)
Фракция ^
Рис. 1. Структурно-функциональная схема установки изомеризации
Качество сырья изомеризации, подготовленного в процессе гидроочистки, оказывает существенное влияние на стабильность работы процесса изомеризации "Пенекс" и срок службы катализатора. Эффективность работы установки зависит от чистоты подготовленного сырья, наличия примесей, являющихся ядами для бифункционального платиносодержащего катализатора изомеризации. При проскоке серы, азота или воды катализатор необратимо утрачивают свою активность, что придает особую важность проведению процесса предварительной гидроочистки. Условия проведения процесса гидроочистки следующие: катализатор HR-626 фирмы "Аксенс"; температура в реакторе 285-340 оС; давление в реакторе 2,53,5 МПа; объемная скорость подачи сырья 4-12 ч-1; перепад давления по реактору - не более 0,45 МПа. Блок гидроочистки установки изомеризации позволяет обеспечивать содержание примесей в потоке сырья изомеризации в пределах требуемых значений:
1) Общая сера - 0,1 ppm масс.
2) Общий азот - 0,1 ppm масс.
3) Содержание кислородсодержащих соединений - 0,1 ppm масс.
4) Содержание хлоридов - 0,5 ppm масс.
5) Медь, свинец, мышьяк - отсутствие.
Согласно распространённым проектам производительность блока гидроочистки установки изомеризации по сырью - легкой бензиновой фракции, составляет 384,7 тыс. тонн в год (46354 кг/ч или 1112,5 т/сут). В настоящее время существуют возможности поддерживать максимальную производительность блока гидроочистки установкок изомеризации без потери качества продуктов и с соблюдением требований
безопасности на уровне 474,7 тыс. тонн в год (57200 кг/ч или 1372,8 т/сут) по сырью, что подтверждается общеизвестными данными о продолжительной эксплуатации объектов при данных мощностях.
Рис. 2. Технологическая схема процесса гидроочистки: 1 - буферная емкость гидроочистки;
2, 18, 19 - насосы; 3, 12, 13 - теплообменники; 4, 20 - печи; 5 - реактор гидроочистки; 6 - насос промывочной воды; 7 - емкость воды; 8, 15 - воздушные холодильники конденсаторы; 9 - сепаратор продукта гидроочистки; 10 - сепаратор циркуляционного компрессора; 11 - циркуляционный компрессор гидроочистки; 14 - отпарная колонна; 16 - водяной холодильник-конденсатор; 17 - емкость орошения отпар-ной колонны; 21 - адсорбер сероочистки; I - фракция НК-75 оС; II - стабильный гидрогенизат;
III - кислая вода; IV - углеводородный газ; V - свежий водородсодержащий газ; VI - оборотная вода
На рисунке 2 представлена технологическая схема блока гидроочистки установки изомеризации "Penex". Сырье, фракция НК-75 поступает с установки вторичной перегонки бензинов в буферную емкость 1, откуда насосом 2 подается в тройник смешения с циркулирующим ВСГ. После чего газосырьевая смесь проходит стадию подогрева в теплообменниках 3 и печи 4 и поступает в реактор 5, где проходит процесс гидроочистки. Газопродуктовая смесь с реактора 5 охлаждается в теплообменниках 3, после чего конденсируется в воздушных холодильниках 8 и поступает в сепаратор 9 для выделения водородсодержа-щего газа из нестабильного гидрогенизата. Перед воздушными холодильниками 8 предусмотрена подача свежего водородсодержащего газа с установок риформинга. Нестабильный гидрогенизат, предварительно подогретый в теплообменниках 12, 13, поступает в отпарную колонну 14, для стабилизации гидрогенизата, за счет отпарки легких углеводородных газов, сероводорода, аммиака и воды. Стабильный гидрогенизат из куба колонны 14 охлаждается, проходит адсорбер дополнительной сероочистки 21 и далее используется в технологической схеме установки изомеризации.
Проведенный анализ работы установки изомеризации показал, что в теплый период года часть кон-денсационно-холодильного оборудования не справляется с охлаждением продуктовых потоков, а именно
на блоке гидроочистки легкой бензиновой фракции, вследствие чего установка в теплый период года эксплуатируется на низкой производительности - 1240 т/сут, что также приводит к снижению загрузки блока изомеризации, и непосредственно к уменьшению отборов высокооктановых компонентов - изопентана и изомеризата. Ограничение по запасу поверхности теплообмена конденсационного оборудования не позволяет увеличить производительность блока гидроочистки до 1550 т/сут с сохранением отборов гидроочищенных высокооктановых компонентов. При повышении температуры окружающего воздуха и оборотной воды в жаркий период происходит потеря ценных углеводородов, что, в свою очередь, ведет к уменьшению прибыли предприятия.
Данные об опытно-промышленных пробегах установок, проводимые в условиях умеренных температур окружающего воздуха, подтверждают возможность работы блока гидроочистки при загрузке до 97 м3/ч (1515 т/сут). Содержание общей серы в сырье изомеризации находилось в пределах требуемого уровня - "не более 0,1 ррт" (факт 0,03 ррт). Октановое число высокооктановых компонентов по исследовательскому методу составляло:
- изопентановой фракции - 91,9-92,0 (норма - не менее 91,9);
- объединенного изомеризата - 86,6 (норма - не менее 87,0).
Показатели работы блока гидроочистки при проведении промышленных пробегов поддерживались в следующих границах:
1) загрузка сырья на блок гидроочистки - 92,2-97 м3/ч;
2) кратность циркуляции водородсодержащий газ / сырье - 244-271 нм3/м3 (норма - не менее 150 нм3/м3);
3) среднее давление на входе в реактор гидроочистки - 2,47 МПа (норма - 2,0-3,5 МПа);
4) перепад давления по реактору гидроочистки - 0,008 МПа (норма - не более 0,45 МПа);
5) температура в реакторе гидроочистки - 305 °С (норма - 280-345 °С);
6) давление на нагнетании компрессора гидроочистки - 3,09 МПа (норма - не более 3,9 МПа);
7) перепад давления по блоку гидроочистки - 0,95 МПа (норма - не более 1,9 МПа);
8) объёмная скорость подачи сырья 9,4-9,93 ч-1 (норма - не более 12 ч-1).
Отпарная колонна блока гидроочистки обеспечивала эффективную отпарку из гидрогенизата сероводорода, хлористого водорода, воды и легких углеводородов. Максимальное количество сжиженного газа направлялось на орошение колонны, избыточное количество с установки не выводилось.
Для исключения ограничений по производительности до 80 м3/ч в летний период года, и обеспечения нормальной эксплуатации установки при загрузке 1550 т/сут, предложен ряд возможных мероприятий, направленных на устранение выявленных ограничений, которые отрицательно влияют на нормальное ведение технологического процесса. Так, требуемая производительность в 100 м3/ч существенно выше рабочего диапазона эксплуатируемых сырьевых насосных агрегатов блока гидроочистки, поэтому необходимо рассмотреть возможность замены насосных агрегатов на более эффективные аналоги, способные обеспечить производительность не менее 100 м3/ч (электродвигатели мощностью не менее 315 кВт). Кроме этого, при эксплуатации объекта в теплый период года накладывается сдерживающий фактор мощности конденсационно-холодильного оборудования блока гидроочистки. Для устранения данного ограничения требуется установить дополнительную секцию аппарата воздушного охлаждения, а именно: одну дополнительную секцию (типа АВГ-20-6,3-Б1-В 1Т/6-2-8; электродвигатель ВАСО4-22-14У1) площадью поверхности 4800 м2. Также, исходя из плана расположения оборудования блока, возможен вариант с установкой дополнительного водяного холодильника-конденсатора (тип - с плавающей головкой) после существующих секций аппаратов воздушного охлаждения, что помимо увеличения производительности позволит значительно экономить электроэнергию в холодный период года.
Увеличение производительности блока гидроочистки установки изомеризации легкой бензиновой фракции, и как следствие, увеличение производительности всей установки изомеризации, в перспективе позволит увеличить выработку высокооктановых неароматических компонентов - изопентана и изомери-зата, что приведет к экономии при приготовлении товарных бензинов высокооктановых добавок алкилата и метил-трет-бутилового эфира, закупаемых у сторонних поставщиков, а также даст возможность нарастить объемы выпуска топлива стандарта Евро-5 и в будущем перейти на выпуск высококачественного топлива стандарта Евро-6. В зимний период времени наблюдается влияние пониженного спроса на высокооктановые бензины, поэтому избытки гидроочищенного топлива возможно использовать в технологических схемах предприятий, в частности в качестве сырья для установок производства водорода, что даст возможность экономить на закупке сырья для производства у сторонних поставщиков. На основании общеизвестных данных о динамике спроса на топливо высоких экологических классов, повышенная производительность установки изомеризации в целом, включая блок гидроочистки, актуальна в период с апреля по сентябрь, что позволяет достичь экономического эффекта по году около 50,0 млн. рублей, а простой срок окупаемости предложенных решений составит 3,4 года.
Библиографический список
1.Хаимова, Т. Г. Изомеризация как эффективный путь производства высокооктановых компонентов бензина / Т. Г. Хаимова, Д. А. Мхитарова. - Информационно-аналитический обзор. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2005. - 80 с.
2.Ясакова Е. А. Тенденции развития процесса изомеризации в России и за рубежом / Е. А. Ясакова, А. В. Ситдикова, А. Ф. Ахметов // Нефтегазовое дело. - 2010. - № 1. - С. 153-161.
3.Isomerization. [Электронный ресурс]: UOP LLC. - Режим доступа: http://www.uop.com/products/catalysts/isom-erization/
4.Буй Чонг Хан, Нгуен Ван Ты, Ахметов А. Ф. Сравнительный анализ различных схем изомеризации пентан-гексановой фракции // Нефтепереработка и нефтехимия - 2008. - № 2 - С. 22-25.
ИКРЯННИКОВ ЕГОР АЛЕКСАНДРОВИЧ - магистрант, Волгоградский государственный технический университет, Россия.
АНИЩЕНКО ОКСАНА ВИТАЛЬЕВНА - кандидат химических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, Россия.
