CC BY
137
50
ХИМИЯ
ботки. Тем самым будут созданы условия для заключительного аккорда экологизации автотранспорта - массового оснащения автомобилей устройствами каталитического дожита выхлопных газов.
Содержание технической части плана производства экологически чистого бензина не относится к обычным усовершенствованиям, а обусловлено объективными причинами и соответствует мировым тенденциям в этой области. Продолжительность его реализации нефтеперерабатывающим комплексом России может составить ориентировочно 15-20 лет.
Изложенные представления являются, по-нашему мнению, стержневой основой для разработки концепции производства экологически чистых автобензинов.
Литература
1. Rhodes A.K. Oil and Gas Journal. -1992. - №51. - S.41-51.
2. Beek R.J. Oil and Gas Journal. -1993. - № 4. -S.57-74.
3. Прохорова A.A. Химия и технология топлив и масел. -1991. - № 11. - С.32-39.
4. Государственный доклад "О состоянии окружающей природной среды РФ в 1996. - М., 1997.
5. Ежегодник выбросов загрязняющих веществ в атмосферу городов и регионов РФ. - СПб, 1997.
6. Емельянов В.Е. Тр. Ill сессии Междунар. школы "Инженерно-химическая наука для передовых технологий". - М.: НИФХИ им.Л.Я.Карпова. -1997.-Т.57.
7. Rhode A.K. Oil and Gas Journal. -1995. - 23 dec.
8. K.P.de Jong, Catalysis Today. -1996. - 29,171 -178.
20.07.98.
Дуллякин Валерий Кузьмич - д-р хим. наук, профессор кафедры "Технология органических веществ технического университета, директор Омского объединенного института катализа СО РАН.
УДК 665.644.2
В.П.Доронин, В.К.Дуплякин, Т.П.Сорокина, В.М.Фомичев, В.И.Горденко, В.П.Коновалова, В.В.Храпов, О.Г.Белявский, М.А.Плеханов,
Э.А.Леошкевич
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА В НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ РОССИИ
Рассматривается положительный опыт модернизации производства, повышения качества промышленного катализатора на Омском НПЗ и последствия сложившейся в отечественной нефтепереработке практики импорта катализаторов для базовых процессов производства моторных топлив.
Известно, что критерием квалифицированности переработки нефти является удельный вес вторичных, т.е. углубляющих и облагораживающих процессов. Сравнение структуры процессов в различных регионах мира и среднемировой (табл.1) свидетельствует не только об отставании отечественной нефтепереработки, но и актуальности создания новых мощностей углубляющих процессов - прежде всего каталитического крекинга.
Несмотря на ранее принятые решения по углублению переработки нефти (начиная с 80-х годов), включая Федеральную целевую программу Топливо и энергия" и ввод в эксплуатацию новых мощностей крекирования в Москве, Уфе, Омске и Грозном, удельный вес процесса каталитического крекинга в схеме нефтепереработки радикально не изменился. Даже при снижении объемов переработки нефти на 40 % более половины потенциала вакуумного газойля не используется для производства моторных топлив. Положение усугубляется еще
и тем, что значительная часть существующих мощностей крекирования относится к устаревшей технологии "термофор" (установки 43/102) и давно выработала свой ресурс. Вывод из эксплуатации установок 43/102 осуществляется по мере ввода новых мощностей, как это произошло на Омском НПЗ.
Совершенно очевидно, что стратегическая линия повышения эффективности нефтепереработки состоит в наращивании не менее чем вдвое мощностей каталитического крекинга. Это традиционный путь, который в 60-е годы прошли развитые страны. Сложившаяся в последние годы практика, когда более 70 % отечественных процессов крекинга работают на импортных катализаторах, не может быть признана правильной. Более того, ее сохранение и расширение в будущем представляется опасной для экономической безопасности России, поскольку речь идет о производстве топливно-энергетических ресурсов для экономики и обороны страны.
нимия
51
Таблица 1
Структура нефтепереработки в регионах мира (по данным Oil and Gas J., 23, 1996 г.)
Процессы Регионы Среднемировая
Зап.Европа США СНГ Россия
мощность процессов, % от первичной перегонки
Каталитический крекинг 16,4 34,4 5,2 17,1
Термические процессы 14,2 12,3 6,9 9,5
Гидрокрекинг 6,5 8,7 0,38 4,6
Сумма углубляющих процессов 37,1 55,4 12,48 31.2
Гидропереработка 17,7 12,2 0,08 9,9
Гидроочистка 41,1 53,4 32 35
Алкилирование и олигомеризация 2,8 7.6 0,16 2,5
Изомеризация 5.2 5,9 0 3.0
Каталитический риформинг 15,9 23,6 12.4 14.6
Сумма каталитических процессов 105,6 145,8 50.2 86,7
Производство катализаторов крекинга в России
До 1993 г. РФ располагала потенциалом по производству шарикового катализатора -10 тыс. т/год в Салавате и 10 тыс. т/год в Грозном, микросферического катализатора -12 тыс. т/год в Уфе и 5 тыс. т/год в Омске, импортным оборудованием для производства 20 тыс. т/год микросферического катализатора в г. Ишимбае.
В настоящее время остановлено производство в г. Уфе, т.к. оно не выдержало конкуренции с катализаторами инофирм, прекращено производство в г. Грозном, не строится мощность в г. Ишимбае. Шариковый катализатор производится в Салавате (4 тыс. т/год), а микросферический - в Омске (2,5 тыс. т/год) для собственных нужд.
Ежегодный импорт микросферических катализаторов составляет около 6 тыс. т/год на сумму 1214 млн. долл. США. Поставщиками катализаторов являются фирмы Грейс-Девисон и Энгельгард.
В мире выпускаются десятки модификаций катализаторов крекинга, совершенствование их является самой динамичной областью развития промышленного катализа. Исходя из оценки состояния нефтепереработки и экономики России в целом, очевидная политика этих американских фирм, мировых лидеров в этой области, состоит в том, чтобы сбросить на российский рынок устаревшие, созданные 10-15 лет назад модификации катализаторов, укрепиться в качестве основных поставщиков и законсервировать существующее положение, препятствуя совершенствованию имеющегося российского производственного потенциала.
Учитывая существующее положение и перспективу развития, наиболее актуально остановиться только на производстве микросферических катализаторов, потребление которых для существующих установок крекинга составляет 7,0-7,5 тыс.т/год и будет увеличиваться по мере ввода новых мощностей каталитического крекирования.
Совершенствование технологии и повышение уровня катализатора крекинга на ОАО " Омский НПЗ"
Начиная с 1987 года Омский филиал Института катализа СО РАН совместно с ОАО "Омский НПЗ" проводит систематические работы по совершенствованию технологии и созданию новых катализаторов серии КМЦ на установке 43/6. За этот период без привлечения капитальных вложений осуществлена модернизация производства, создана новая технология, изменена химическая формула катализатора и обеспечен рост его технического уровня. Этот процесс совершенствования продолжается и в настоящее время.
Основой новой технологии и ноу-хау производства являются:
- режимные параметры синтеза цеолита, что обеспечило высокую фазовую чистоту, кристалличность и регулирование размера частиц цеолита;
- технологическая схема и условия модифицирования цеолита. В результате этого цеолит сохраняет кристалличность в ходе его термохимических обработок и содержит меньше оксида натрия;
- новый состав матрицы катализатора, что позволяет повысить термостабильность цеолитного компонента, регулирует пористую структуру ката-
52
нимия
лизатора и обеспечивает его высокие механические свойства;
- освоенное новое оборудование и внедренная технология термостабилизации и частичного деа-люминирования цеолитного компонента катализатора. Внедрение данной стадии производства и возможности смешанной полусинтетической матрицы катализатора позволили разработать номенклатуру катализаторов крекинга для различных целей
при их эксплуатации, в том числе новейших модификаций на основе ультрастабильных цеолитов.
В результате проведенных работ вторая стабильная активность катализатора повысилась с 19 - 21 до 46 - 52, что соответствует уровню зарубежных катализаторов. Это подтверждается сравнительными испытаниями одной из модификаций промышленного катализатора КМЦ-95 и катализатора фирмы "Engelhard" по методу микроакгивносги (табл. 2).
Сопоставление выходов продуктов крекинга на катализаторах КМЦ - 95 и ISOPLUS-10ОО (Engelhard)
Таблица 2
Выход продуктов, % вес. КМЦ-95 ISOPLUS-1000
Сухой газ, С2- 1,3 2,0
Пропан-пропиленовая фракция (ППФ) 4,2 6Д
Бутан-бутиленовая фракция (ББФ) 10,9 12,2
Бензин, н.к - 221°С 57,0 57,1
Легкий газойль, 221 - 317°С 15,5 12,5
Тяжелый газойль 6,9 7,5
Кокс 4,2 2,6
Сумма светлых нефтепродуктов 72,5 69,6
Как видно из табл. 2, по выходу бензина катализатор КМЦ-95 не уступает, а по выходу светлых нефтепродуктов превосходит импортный катализатор. В 1998 г. было проведено сопоставление по методу микроактивности катализаторов ведущих фирм мира (Grace и Akzo Nobil) и новой модифи-
кации катализатора серии КМЦ, выполненное совместно ОАО "Омский НПЗ" и Омским филиалом ИК СО РАН. Исследования показали, что катализаторы серии КМЦ по активности и селективности превращений вакуумного газойля находятся в группе лидирующих катализаторов (см. табл. 3).
Таблица 3
Сопоставление выходов продуктов крекинга на различных катализаторах, % вес.
Катализатор 0nuiicat-150 (Grace) Cobra-32 (Akzo Nobil) КМЦ-95
Сухой газ 1,5 2,8 2,8
ППФ 4,3 7,8 7,2
ББФ 8,6 13,8 12,9
Бензин, н.к.-216°С 48,2 49,8 48,6
Легкий газойль, 216-343°С 24,1 16,4 18,1
Тяжелый газойль 6,8 3,8 5.0
Кокс 6,5 5,6 5,4
Полученные практические результаты стали основанием того, что установка Г-43-6 осталась в России единственной мощностью по производству микросферического катализатора. Ее остановка означает не только тотальный переход на использование исключительно импортных катализаторов, но и, что еще более важно, свертывание научных разработок в этой области и утрату опыта, инженерных разработок и практической работы по производству катализаторов крекинга. Последствия
такого решения во всех аспектах: научном, техническом, экономическом - являются однозначно отрицательными.
В настоящее время завершен первый этап модернизации производства - достигнут мировой уровень активности катализатора. Следующим этапом является создание ассортимента катализаторов. Наличие различных модификаций дает возможность выбора катализатора для конкретных условий эксплуатации с учетом качества сырья, сезон-
нимия
53
ных колебаний сбыта, топливной или нефтехимической направленности технологической схемы конкретного НПЗ.
Принимая во внимание современное состояние установки Г-43-б и изложенные выше аргументы, представляется совершенно очевидной необходимость не просто сохранения работающей мощности, а серьезная реконструкция, предусматривающая увеличение мощности до 10 тыс. т/год и качественное техническое перевооружение.
Опыт промышленной эксплуатации катализаторов серии КМЦ
Установка 43/103 является опытно-промышленной, ее мощность в настоящее время составляет 1.5 млн. тонн. С современной точки зрения даже после неоднократных модернизаций установ-
Качество применяемого сырья
В период обследования на установке применялось сырье смешанного состава: утяжеленный вакуумный газойль (98% выкипает при 560-575°С), тяжелый газойль коксования, экстракт, гач и атмос-
ка содержит ряд неудачных технических и конструктивных решений, которые приводят к повышенному расходу катализатора и недостаточной эффективности разделения продуктов крекинга. Катализаторы серии КМЦ, совместной разработки Омского филиала ИК СО РАН и ОАО "Омский НПЗ", эксплуатируются на установке с 1987 года. Последнее обследование работы установки проведено в первом квартале 1998 года при дозагрузке катализатора КМЦ-96М вместо КМЦ-95 (катализатор КМЦ-96М характеризуется более высокой селективностью по бензину, меньшей селективностью по коксу и предназначен для эксплуатации на установках типа 43/103, 1А/1М).
Диапазоны изменения качества равновесного катализатора в период обследования работы установки приведены в табл. 4.
ферный газойль. Доля вторичных продуктов в суммарном сырье установки составляла около 32%. Характеристики качества сырья приведены в табл.5.
Материальный баланс работы установки 43/103 на конец обследования - в табл. 6.
Таблица 5
Наименование показателя Величина показателя
Плотность сырья при 20 °С, кг/м3 898 - 904
Фракционный состав, °С Н.к.,% 260 - 270
50 420 - 430
90 510-525
98 560 - 575
Содержание серы. % вес. 0.76 - 0.79
Содержание смол, % вес. 3.4-3.5
Таблица 4
Характеристика равновесного катализатора
Наименование показателя Начало периода Конец периода
1.Гранулометрический состав, % вес. Крупнее 0.315 мм 0-0.4 0-0.4
Крупнее 0.160 мм 7-9 7-9
Меньше 0.100 мм 72-77 72-77
Меньше 0.040 мм 6-10 6-10
Меньше 0.020 мм 0-1.5 0 - 1.5
2. Физические свойства
Насыпная плотность, кг/м3 930 - 950 940 - 970
3.Химический состав, % вес.
Оксидов РЗЭ Оксида натрия Оксида железа Оксида алюминия 2.1-2.2 0.47- 0.52 1.8 -2.0 0.44-0.45
0.35-0.37 25-27 0.30- 0.32 26-28
4. Активность, % вес. 54 -56 55-57
Щ нимия
Таблица 6
Продукты % вес.
Взято: сырье 100
Получено:
Сухой газ 7
Рефлюкс 8
Бензин 48
Легкий газойль 25
Тяжелый газойль 7
Кокс + потери 5
Итого 100
Октановое число бензина (по моторному методу) во время пробега изменялось от 79,5 до 81 пункта в зависимости от температуры процесса. Выход бензина за время пробега увеличился на 23 % и составил к концу пробега около 48 % вес. за счет снижения выхода тяжелого газойля. Выход легкого газойля остался на прежнем уровне (около 24-25 % вес). Отбор светлых нефтепродуктов составил к концу периода обследования около 72 % вес. Содержание кокса на катализаторе из Р-1 за время обследования снизилось с 1 до 0,9 %, при этом удалось снизить температуру в регенераторе с 700 до 680 °С.
Как видно из табл. 7, материальный баланс работы установки в отношении основных продуктов при замене катализатора изменился незначительно. Некоторые вариации в распределении продуктов крекинга связаны с изменениями технологического режима работы установки (температура реактора составляла 515-519 °С, соотношение катализатор/ сырье от 6.5 до 7.5). Расход катализатора составил 0.37 кг на тонну перерабатываемого сырья (по сравнению с 0.35 для импортного катализатора). За время пробега было отмечено повышение моторного октанового числа бензина на 0.8-1.0 пункта.
Новые разработки В течение многих лет в Омском филиале Института катализа проводятся исследования по конструированию катализаторов крекинга и других цеолитсодержащих катализаторов на основе цеолитов Y, L, ЦВК, ZSM. Что касается катализаторов
Результаты работы установки 43/103 показывают, что катализатор КМЦ-96М может обеспечивать эффективную переработку вакуумного газойля совместно с нефтепродуктами вторичного происхождения. Одна из модификаций разработанных катализаторов (КМЦ-95) догружалась на установке 43/107 взамен импортного катализатора ДА-250. Проведена замена около 65 % импортного катализатора. В период опытного пробега на установке перерабатывался негид-роочищенный утяжеленный вакуумный газойль. Материальный баланс установки, % вес., при работе на катализаторе ОА-250 и после замены около 60 % его на катализатор КМЦ-95 при сопоставимых режимах их эксплуатации дан в табл. 7.
Таблица 7
крекинга, работа развивается по двум направлениям:
- синтез цеолита, модификация его свойств, методы получения ультрастабильных цеолитов Y,
- разработка матрицы, включающая химический состав, пористую структуру, методы активации глин и их интернирование.
На основе полученных новых знаний разработаны прописи приготовления катализаторов различного назначения: максимального выхода бензина, с пониженным выходом кокса при приемлемом выходе бензина.
Эффективность развиваемых подходов к конструированию катализаторов крекинга иллюстрируется сопоставительными данными по результатам испытаний (принятым в России методом), катализаторов фирмы Grace DA-250 L, предназначенных для получения максимального выхода светлых нефтепродуктов, и перспективного катализа-
Катализатор DA-250 КМЦ-95
Взято: сырье 100 100
Получено: Сухой газ 5.1 4.8
Жирный газ 11.5 11.6
Бензин 51.0 50.8
Легкий газойль (195-310°С) 15.5 16.8
Тяжелый газойль (310+) 12.4 10.7
Кокс + потери 4.5 5.3
кимия
Таблица 8
Показатели Б А -250 Ь Перспективный
Выход бензина,% вес 52 60-62
Селективность по бензину 79 81-82
Выход кокса, % вес. 2.5 3.3
тора лабораторного приготовления (табл. 8).
Совокупность приведенных данных показывает, что по каталитическим свойствам перспективный катализатор превосходит уровень зарубежного - фирмы лидера в этой области.
Таким образом, уже в настоящее время создан задел научных разработок, освоение которых на реконструированной установке Г-43-6 может обеспечить лидерство ОАО "Омский НПЗ",а квалификация и опыт сложившегося коллектива - высокую эффективность работ в этом направлении.
Заключение
Положительный опыт модернизации производства и повышение качества промышленного катализатора на Омском НПЗ обеспечил:
- сохранение единственной работающей мощности в России,
- эффективность путей модернизации старых технологий,
- противостояние конкуренции фирмам-лидерам в производстве микросферических катализаторов,
- эффективность использования отечественного катализатора в кипящем слое (установка 43/103) и с лифт-реактором (современная установка 43/107),
- прогресс в разработке новых технологий и новых модификаций катализаторов как научной базы и задела для развития и совершенствования ката-лизаторного производства.
Значение полученных результатов выходит за рамки интересов одного завода (Омского НПЗ) или компании "Сибнефть", поскольку отвечает стратегии модернизации нефтеперерабатывающего комплекса России в целом и непосредственно связано с экономической безопасностью страны. Поэтому поддержка производства и развития микросферических катализаторов в масштабах страны яв-
ляется государственной задачей.
Альтернатива состоит в опоре на импортные катализаторы, что означает утрату самостоятельности в таком важном секторе экономики, как производство моторных топлив. Поэтому сложившаяся в последние годы практика импорта нефтяными компаниями катализаторов для базовых процессов производства моторных топлив является порочной и ведет к развалу собственной катализа-торной подотрасли. Предпочтение сиюминутной выгоде оборачивается возможностью возникновения таких реальностей, когда без собственных катализаторов отечественная нефтепереработка в состоянии будет производить лишь осветительный керосин и мазут.
20.07.98.
Доронин Владимир Павлович - ведущий научн. сотрудник, канд. техн. наук Омского филиала Института катализа СО РАН.
Дуплякин Валерий Кузьмич - д-р хим. наук, директор Омского филиала Института катализа СО РАН.
Сорокина Татьяна Павловна - мл. научн. сотрудник Омского филиала Института катализа СО РАН.
Фомичев Виктор Михайлович - директор газокаталитического завода ОАО "Омский НПЗ".
Горденко Владимир Иванович - зам. гл. инженера газокаталитического завода ОАО "Омский НПЗ".
Коновалова Валентина Павловна - ведущий технолог газокаталитического завода ОАО "Омский НПЗ".
Храпов Валерий Владимирович - нач. цеха комплекса КТ-1/1 газокаталитического завода ОАО "Омский НПЗ".
Белявский Олег Германович - гл. технолог газокаталитического завода ОАО "Омский НПЗ".
Плеханов Михаил Анатольевич - зам. начальника центральной лаборатории ОАО "Омский НПЗ".
Леошкевич Эдуард Александрович - инженер центральной лаборатории ОАО "Омский НПЗ".
