CC BY
154
УДК 665.6
К. О. Шаронова, Л. Р. Байбекова
ПРОЦЕСС ПЕРЕРАБОТКИ ТЯЖЕЛОГО НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ HOUP ОТ RED MOUNTAIN ENERGY
Ключевые слова: тяжелое нефтяное сырье, облагораживание тяжелой нефти.
В данной статье рассматривается способ облагораживания тяжелой нефти за счет снижения ее вязкости по технологии компании Red Mountain. Данный процесс не требует применения катализаторов и водорода, используется только водяной пар.
Keywords: heavy oil feedstock, heavy oil upgrading.
This article describes a method of refining heavy oil by reducing its viscosity as-nology company Red Mountain. This process does not require the use of catalysts and hydrogen using water vapor.
Введение
В настоящее время общей тенденцией нефтяной отрасли является уменьшение разведанных запасов лёгкой нефти, практически весь прирост запасов происходит за счет тяжелой вязкой сернистой нефти. Запасы нефти, удобные для добычи и переработки, истощаются ускоренными темпами. В то же время, по данным экспертов, мировые запасы тяжелой нефти составляют более 810 миллиардов тонн. Геологические запасы высоковязкой и тяжелой нефти в России достигают 6-7 миллиардов тонн, однако их применение и извлечение требует использования специальных дорогостоящих технологий.
Таким образом, в недалекой перспективе придется перерабатывать исключительно тяжелую нефть. Но переработка тяжелой нефти весьма затруднительна, энергоёмка и, как следствие, низкорентабельна или убыточна. Для обеспечения приемлемой глубины переработки такой нефти с помощью известных технологий требуются большие капиталовложения, высокие процентные нормы эксплуатационных затрат и оборотных средств.
Кроме того, в последнее время усиливается тенденция переработки в бензин и дизельное топливо продуктов растительного происхождения. Это принципиально неверная позиция, которая может привести к серьезным социальным и экологическим последствиям в масштабах всей планеты. Гораздо перспективнее приложить усилия к увеличению (в перспективе практически до 100% без учета потерь и неорганических примесей) глубины переработки классического сырья для этих целей - нефти и нефтяных остатков [2].
Тяжелая нефть - это разновидность сырой нефти битуминозного и вязкого типа, обладающей плотностью 0,917-1,022 г/см3 и характеризующейся наличием в ее составе очень крупных молекул, состоящих на 90% из серы и различных металлов. Тяжелую нефть в ее природном состоянии невозможно выкачивать обычными методами. В большинстве случаев для того, чтобы обеспечить течение горючей жидкости подобного типа по трубопроводу или поступление ее в скважину, необходимо провести ее предварительное растворение или нагревание.
Для тяжелых нефтей характерно более низкое содержание средних дистиллятных фракций (бензиновая и дизельная фракции) по сравнению с обычной
нефтью, что ведет к значительному снижению цены по сравнению с обычными нефтями. На диаграмме приведено сравнение выхода различных фракций из сверхтяжелой нефти и обычной нефти с плотностью 898 кг/м3. Очевидно, что выход наиболее ценных светлых фракций из нефти с плотностью 1004,1 кг/м3 значительно меньше.
Состав - сравнение тяжелой нефти с легкой
■Li
|
■10
. Ii .. ll ll
Не :т= керосн^днгель .■ |Ы |Ы Остаток
■ ■ И*'. 1 I V'
Рис. 1 - Состав - сравнение тяжелой нефти с легкой
Природа тяжелой нефти такова, что она больше похожа на «тяжелый остаток перегонки», образующийся на нефтеперерабатывающих заводах из обычной нефти.
Наиболее крупными запасами тяжёлой и битуминозной нефти располагает Канада и Венесуэла, а также Мексика, США, Кувейт, Китай. Россия также обладает значительными ресурсами трудноизвлекаемых запасов (ТИЗ), и их объём составляет около 55 % от общих запасов российской нефти. Российские месторождения высоковязкой нефти (ВВН) расположены в Пермской области, Татарстане, Башкирии и Удмуртии. Наиболее крупные из них: Ван-Еганское, Северо-Комсомольское, Усинское, Русское, Гремихинское и др., при этом более 2/3 всех запасов высоковязкой нефти находятся на глубинах до 2000 м. Добыча ТИЗ нефти, транспортировка её к пунктам сбора и подготовки и, наконец, переработка с целью получения конечных продуктов - одна из актуальных задач нефтедобывающей промышленности [3].
Основными процессами углубления переработки нефти на сегодняшний день являются термический и каталитический крекинг (включая гидрокрекинг). Все эти процессы являются весьма дорогостоящими и трудоемкими при установлении и применении на промыслах и в отдаленных районах с неразвитой инфраструктурой. Поэтому для снижения вязкости тяжелой нефти для ее дальнейшей транспортировки и переработки возможно применение такого процесса как, например, процесс компании Red Mountain, который перерабатывает ее в легко транспортируемую и пригодную для переработки на нефтеперерабатывающем заводе синтетическую нефть.
Технология компании Red Mountain Energy использует только водяной пар и не требует катализатора или водорода, поэтому хорошо подходит производителям тяжелого нефтяного сырья как для решения задачи доставки продукции на рынок, так и обеспечения более быстрой окупаемости инвестиций.
И хотя мировые резервы тяжелой нефти превышают резервы обычной, добыча тяжелой нефти составляет менее 12 % от общей добычи нефти. Причина - до сих пор не существовало эффективного процесса переработки тяжелой нефти. В этом отношении предлагаемые технологии Red Mountain весьма актуальны для рынка.
Принцип действия процесса переработки тяжелого нефтяного сырья компании Red Mountain
Процесс HOUP относится к области переработки тяжелого нефтяного сырья. Предлагается способ переработки тяжелого углеводородного сырья и реактор термического крекинга углеводородного сырья, содержащий две последовательно расположенные и сообщающиеся между собой реакционные камеры, при этом объем первой реакционной камеры меньше объема второй реакционной камеры минимум в пять раз (рис. 1). Первая реакционная камера имеет средства подачи сырья и перегретого водяного пара, вторая реакционная камера имеет средство вывода продуктов реакции, диаметр и объем второй реакционной камеры выполнены с возможностью обеспечения снижения давления и температуры реакционной смеси до температуры и давления, при которых протекание реакций термического крекинга является маловероятным, при этом используется комбинированный способ подвода энергии, необходимой для протекания реакций крекинга в первой реакционной камере с использованием перегретого водяного пара [1].
Способ переработки углеводородного сырья, заключается в том, что нагревают перерабатываемое сырье и параллельно готовят перегретый водяной пар. Сырая нефть впрыскивается в поток перегретого пара с помощью инжекторов запатентованной конструкции. Крекинг сырья происходит практически только в инжекторе. Температуру перерабатываемого сырья устанавливают меньше температуры в первой
реакционной камере. Сырье нагревают до температуры в интервале от на 30°С меньше и до на 15°С больше температуры начала термического разложения углеводородного сырья. А температуру водяного пара устанавливают выше температуры в первой реакционной камере (от 500°С до 800°С), температура и давление перерабатываемого сырья, температура и давление перегретого водяного пара устанавливаются на значения достаточные для осуществления термического крекинга. Среднее время пребывания реакционной смеси в первой реакционной камере менее 0,1 секунды. Среднее время пребывания реакционной смеси во второй реакционной камере не менее 10 секунд. Кратность подачи водяного пара к сырью составляет от 0,6 кг водяного пара на 1 кг сырья до 1,5 кг водяного пара на 1 кг сырья. Перед нагревом сырья, в углеводородное сырье добавляют воду в количестве до 15% масс. Это снижает вероятность нежелательного на этапе нагрева термического крекинга углеводородного сырья и снижает образование коксовых отложений на поверхности теплообменных аппаратов. [1]
Сочетанием тепла от пара и гидравлического усилия подводится как раз такое количество энергии, чтобы разрушить самые слабые связи огромной молекулы сырья, что ведет к ее разрыву приблизительно пополам.
Рис. 2 - Принципиальная схема реактора с двумя реакционными камерами.
В соответствии с данным способом достигается низкий уровень газообразования, так как во второй реакционной камере реакция термического крекинга практически прекращается и, соответственно, снижается вероятность образования короткоцепочных углеводородов и твердых остатков, что означает низкое газообразование и низкое коксообразование при высокой степени конверсии сырья.
В качестве сырья используются тяжелые и сверхтяжелые нефти, сверхвязкие нефти, природные битумы, и нефтяные остатки, такие как остатки атмосферной перегонки и продукты на их основе или с их содержанием, остатки вакуумной перегонки и продукты на их основе или с их содержанием, остатки процесса висбрекинга.
В результате этого процесса образуются два основных продукта: синтетическая нефть и тяжелый остаток, называемый пёком. Выход синтетической сырой нефти из тяжелых нефтей типично находится в диапазоне 85-95 % об. Пёк представляет собой вязкий продукт, который может быть использован, как при производстве дорожного битума, так и различных видов печного топлива. Также пёк является отличным сырьем для газификации.
В то время как стандартные тепловые и гидрогенизационные процессы (с катализатором и без него) разрывают молекулы нефтяного сырья с образованием большого количества газов разложения и кокса, при процессе переработки тяжелой нефти, применяемого в Red Mountain, образуется незначительное количество этих побочных продуктов.
Процесс переработки проводился при следующих параметрах:
- давление подачи сырья - 24 атм;
- температура нагрева сырья - 400-410 °С;
- температура начала разложения сырья - 391°С
- давление подачи перегретого водяного пара - 30 атм;
- температура перегретого водяного пара - 620 °С;
- средняя температура в первой реакционной камере -460°С;
- кратность водяной пар/сырье - 0,8.
Синтетическая нефть, получаемая в процессе переработки тяжёлого нефтяного сырья компании Red Mountain, имеет плотность ниже (является более легкой), чем исходное сырье. Например, из тяжелой нефти плотностью 1,0042 кг/м3 вполне возможно получить синтетическую нефть с плотностью 0,9218 кг/м3.
Товарная синтетическая нефть, полученная по технологии HOUP, имеет вязкость, близкую к вязкости воды и легко транспортируется в отличие от тяжелой нефти, из которой она была произведена.
Испытания стабильности синтетической сырой нефти с течением времени являются исключительно важными, как для любого продукта, полученного крекинг-процессом. В данном процессе получается синтетическая нефть практически свободная от материалов, связанных с пиролизным бензином. Для подтверждения этого образцы синтетической нефти были переданы на нижеуказанные испытания, которые обычно используются в Канаде для измерения стабильности, которые были проведены в первый день, а затем были повторены на 7, 15 и 30 день.
• Вязкость
• Содержание нерастворимых в пентане компонентов
• Тест фильтрации в горячем состоянии по
Shell.
Со временем не было обнаружено практически никаких изменений, что демонстрирует стабильность товарной синтетической сырой нефти в течение длительного периода времени.
Испытания также показали, что синтетическая сырая нефть, полученная по технологии от Red Mountain, практически не содержит тяжелых металлов.
Сравнение процесса переработки тяжелой
нефти с другими процессами
В настоящее время одним из наиболее распространенных методов переработки тяжелой нефти и нефтяных остатков является процесс коксования. Процесс замедленного коксования является процессом, обычно применяемым для переработки битума или остатков нефтеперегонки. Независимой экспедиторской фирмой для компании Petrotrin в Тринидаде было проведено сравнение процесса замедленного коксования с производительностью 2700 т/день с процессом переработки тяжелой нефти от Red Mountain.
Таблица 1 - Сравнение процесса замедленного коксования и процесса переработки тяжелой нефти от Red Mountain
2 700 т/день Замедленное Процесс переработки
вакуум коксование тяжелой нефти от Red Mountain
Бензин, т/день 470 200
Дизель, т/день 300 750
Газойль, т/день 1 110 1 260
Пёк, т/день 0 490
Кокс, т/день 820 0
Выход, % объемной 70,5 84,0
жидкости,
за исключением
пека
Технология переработки тяжелой нефти от Red Mountain обладает рядом преимуществ по сравнению с процессом замедленного коксования, а именно:
• Для замедленного коксования требуется на 46 % больше капитальных вложений
• Доход почти в два раза выше для процесса переработки тяжелой нефти от Red Mountain
• Выход жидкого продукта выше на 14 % для процесса при переработке тяжелой нефти по технологиям Red Mountain
• Процесс от Red Mountain не требует операций с твердыми продуктами (выгрузка кокса)
• В процессе переработки тяжелой нефти от Red Mountain производятся жидкие продукты более высокого качества
• Процесс переработки тяжелой нефти от Red Mountain улучшает газовый баланс нефтеперерабатывающего завода.
Заключение
В процессе облагораживания улучшаются характеристики сырья:
• значительно повышается содержание дистиллятных фракций за счёт конверсии преимущественно смол и асфальтенов;
• происходит снижение плотности (прибавка в 6-17 пунктов API);
• снижается содержание металлов.
Все эти улучшения способствуют повышению рыночной стоимости облагороженной синтетической нефти и облегчают её дальнейшую переработку.
Увеличение объёмов переработки тяжёлой □ нефти на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) приводит к росту нагрузки на установки, направленные на увеличение глубины переработки, таких как каталитический □ крекинг, гидрокрекинг, коксование. С утяжелением исходного сырья, поступающего на переработку, увеличивается выход тяжёлых нефтяных фракций и остатков.
Технология HOUP может быть использована для переработки части или всего объёма атмосферного остатка, вакуумного газойля или вакуумного остатка. Это особенно актуально для НПЗ, на которых отсутствуют или исчерпаны ресурсы по увеличению мощности перечисленных вторичных процессов.
Комбинированное использование процесса HOUP совместно с существующими процессами позволяет увеличить производительность НПЗ по тяжёлым фракциям. При этом отпадает
необходимость в затратной реконструкции или строительства новых установок глубокой переработки нефти.
Важной особенностью процесса HOUP является его дизель-ориентированность. В отличие от существующих процессов, крекинг высокомолекулярных соединений нефти происходит с преимущественным образованием среднедистиллятных фракций. Это позволяет увеличить выход дизельного топлива и улучшить соотношение дизельного топлива к бензину в продуктовой корзине НПЗ [4].
Литература
1. Пат. № W02013009218 A2
2. В.А. Золотухин, к.т.н. - Глубокая переработка тяжелой нефти и нефтяных остатков, 2012 (http ://www.ngfr.ru/article)
3. М. Этрекова, - Добыча тяжелой высоковязкой нефти, 2010 (http://www.to-inform.ru/index.php/arkhiv/item)
4. Официальный сайт Red Mountain Energy (http://www.redmn.com/)
5. Официальный сайт Premium Engineering (http://www.premen.ru/ru/news/447/)
© К. О. Шаронова - студент каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, [email protected]; Л. Р. Байбе-кова- доцент кафедры химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, [email protected].
© X. O. Sharonova - stud. of KNRTU, [email protected]; L. R. Baibekova, assistant professor of HTPNG KNRTU [email protected].
