CC BY
205
ё Хорхе Анчита
Технология HYDRO-IMP для переработки тяжелой нефти
УДК 665.637.3
ТЕХНОЛОГИЯ HYDRO-IMP ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ
Хорхе АНЧИТА
Национальный политехнический институт, Мексиканский институт нефти, Мехико, Мексика
Гидроочистка является одним из наиболее важных процессов в нефтеперерабатывающей отрасли не только для переработки тяжелой нефти, но и для производства топлива с низким содержанием примесей, а также подготовки сырья для различных деструктивных процессов. В работе представлены результаты экспериментов, полученные на стадиях опытного и полупромышленного внедрения переработки тяжелой нефти. Во всех экспериментах использовалась мексиканская тяжелая нефть (10, 13 и 16°API) с высоким содержанием примесей (плотность в градусах API и относительная плотность нефти при базовой температуре 15,6 °С могут быть легко преобразованы: 10°API = 998 кг/м3, 13°API = 977,3 кг/м3, 16°API = 957,4 кг/м3). Гидроочистка последовательно проводилась в двух реакторах с неподвижным слоем катализатора при средней интенсивности реакции. Очистка от серы, металлических примесей и асфальтенов, а также изменения плотности и вязкости отслеживались при различных условиях реакции в режиме рабочего времени. Полученная в результате переработки нефть содержала меньшее количество примесей и имела более высокую плотность, при этом осадкообразование находилось ниже предельно допустимого уровня. Очистка от примесей на стадии полупромышленного внедрения была более эффективной по сравнению с экспериментами на опытной установке. Было доказано, что чем тяжелее сырье, тем большим будет прирост качества продукции. Например, сырая нефть плотностью 10°API после переработки может иметь плотность ~22°API (920 кг/м ) (Д°АР1 = 12), тогда как сырая нефть плотностью 16°API - плотность до ~25°API (902,3 кг/м3) (Д°АР1 = 9). Осадкообразование также поддерживалось на уровне менее 0,05 % от общей массы сырья, никаких других проблем (чрезмерный перепад давления в реакторе, закупорка и т.д.) в ходе экспериментов не наблюдалось.
Ключевые слова: гидроочистка, тяжелая нефть, переработанная нефть
Как цитировать эту статью: Анчита Хорхе. Технология HYDRO-IMP для переработки тяжелой нефти // Записки Горного института. 2017. Т. 224. С. 229-234. DOI: 10.18454/PMI.2017.2.229
Введение. Мировое потребление энергии растет с каждым годом. На сегодняшний день 33 % от общемировых поставок электроэнергии приходится на нефть [8] и, вне всякого сомнения, это самый распространенный источник жидкого топлива.
Ожидается, что этот сценарий будет продолжаться следующие 50 лет [1, 2]. Мировое потребление продуктов нефтепереработки значительно выросло за последние 20 лет (рис.1). В частности, за последнее десятилетие использование нефтепродуктов возросло на 12,2 %. Эта тенденция объясняется быстрорастущим спросом на автомобильное и авиационное топливо, особенно в развивающихся странах и регионах, таких как Китай, Россия и Латинская Америка [7].
Растущая добыча тяжелой сырой нефти требует новых методов подготовки и переработки. Тяжелая сырая нефть содержит значительное количество смол, асфальтенов и сложных соединений, которые негативно сказываются не только на качестве нефтепродуктов, но и на работе оборудования. Еще одной отличительной чертой тяжелой нефти является ее высокая вязкость, которая может достигать 10000 мПа-с [6].
а б
4500
4000 -
3500
£
U £
о
с
3000
2500 -
2000
1990
4000т
3500-
3000
ft &
ю
2000
й §
Л
ю
о «
1500
1000 500
1995
2000
2005 2010 Год
1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 Год
Рис. 1. Мировое потребление продуктов нефтепереработки (а), добыча сырой нефти в Мексике (б)
1 - сверхлегкая; 2 - легкая; 3 - тяжелая
3
1
ё Хорхе Анчита
Технология HYDRO-IMP для переработки тяжелой нефти
Существует множество исследований, которые пытаются найти наилучший способ переработки тяжелой нефти, один из них - это метод, включающий в себя деасфальтизацию, гидроочистку, замедленное коксование, деметаллизацию и процессы термического разложения, или газификации [10].
Гидроочистка - это проверенная технология, применяемая в нефтеперерабатывающей отрасли на протяжении последних 60 лет для повышения качества углеводородных потоков. Это базовый процесс переработки, используемый для широкого диапазона потоков, от прямогонной нафты до вакуумных остатков или даже тяжелой и сверхтяжелой сырой нефти [9]. Путем гидроочистки тяжелая нефть может быть преобразована в более легкие нефтепродукты и одновременно очищена от серы, металлов и асфальтеновых соединений. Раньше считалось, что гидроочистка экономически нецелесообразна для переработки тяжелой нефти. По крайней мере два фактора ослабляли интерес к технологии: высокая стоимость водорода и способность существующих технологий удовлетворить спрос на высококачественные нефтепродукты за счет переработки обычной сырой нефти. Тяжелая нефть и нефтяные остатки, как правило, считаются низкокачественным сырьем для нефтеперерабатывающей промышленности. Поэтому они часто рассматриваются в качестве исходного материала в различных вариантах переработки. На самом деле существует тенденция снижения качества исходной сырой нефти, поскольку сегодня сырье для нефтепереработки в среднем характеризуется более высокой плотностью и большим содержанием серы, чем нефтяное сырье двадцатилетней давности. Это означает большие объемы остатков и более тяжелую нефть, поступающую в переработку.
Существует несколько веских причин для использования водорода при переработке тяжелой нефти, а именно: снижение содержания, или полное удаление, серы из нефтепродуктов; производство продукции, имеющей приемлемую спецификацию; повышение выхода (и стабильности) бензина; снижение дымности керосина; совершенствование теплотехнических характеристик топливной фракции с учетом экологических требований [4].
В целом за последние 30 лет была зафиксирована растущая зависимость от высокосернистой тяжелой нефти и нефтяных остатков как результат постоянно растущих цен на традиционную сырую нефть и снижения ее доступности в связи с истощением запасов в разных регионах мира. Более того, набирающее силу стремление перерабатывать как можно больше низкокачественного исходного сырья в жидкие нефтепродукты приводит к росту общего содержания серы в конечной продукции. Это значит, что очистительные установки должны по-прежнему удалять существенные объемы серы из более легких продуктов, но остатки и тяжелая сырая нефть представляют собой особенно сложную проблему. На сегодняшний день ясно, что существуют и другие проблемы, связанные с переработкой тяжелого сырья, и это тяжелое сырье, постепенно превращающееся в жидкое топливо будущего, требует особого внимания.
Гидроочистка нефтяных фракций уже давно является неотъемлемой частью нефтепереработки и в той или иной форме используется на каждом современном нефтеперерабатывающем заводе. Процесс происходит за счет каталитической реакции сырья с водородом, в ходе которой образуются углеводородные продукты более высокого качества. Технология гидроочистки хорошо известна для газойлей и низкокипящих продуктов, но нет исчерпывающего источника информации относительно переработки тяжелой сырой нефти и нефтяных остатков. Действительно, переработка тяжелой нефти и остатков сопряжена с некоторыми проблемами, которые отсутствуют при переработке дистиллятов и которые требуют изменения процесса для выполнения ряда особых требований, необходимых для сероочистки тяжелого сырья [5].
Цель данной работы - показать основные аспекты процесса переработки тяжелой нефти и нефтяных остатков, разработанного в Мексике. В работе отмечается, что гидроочистка в реакторе с неподвижным слоем катализатора при средней интенсивности реакции является технически и экономически привлекательным вариантом для переработки мексиканской тяжелой нефти.
Характеристика процесса HYDRO-IMP. Мексиканский нефтяной институт разработал каталитический процесс (HYDRO-IMP), основная цель которого заключается в переработке тяжелой и сверхтяжелой сырой нефти. Технология HYDRO-IMP помогает получить продукцию с низким содержанием примесей (серы, металлов, асфальтенов), легко поддающуюся переработке и имеющую более высокую цену на рынке [3].
ё Хорхе Анчита
Технология HYDRO-IMP для переработки тяжелой нефти
Процесс HYDRO-IMP основан на каталитической гидроочистке (гидрокрекинге) тяжелой нефти при умеренных условиях эксплуатации и достигает высокой степени очистки от металлов, серы, азота и асфальтенов, а также существенного преобразования тяжелых фракций сырья в более ценные дистилляты, при этом поддерживая осадко- и шламообразование на очень низких уровнях. Наиболее важными характеристиками данного процесса являются относительно низкие инвестиционные и эксплуатационные затраты, а также перспективная доходность вложений.
Основные области применения процесса HYDRO-IMP:
- умеренное преобразование тяжелой и сверхтяжелой сырой нефти в промежуточный дистиллят, имеющий большую ценность на рынке;
- частичное преобразование тяжелой и сверхтяжелой сырой нефти для производства легко-транспортируемых продуктов путем снижения вязкости;
- преобразование нефтяных остатков на НПЗ.
Упрощенная схема процесса HYDRO-IMP приведена на рис.2. Начальный этап представляет собой разделение всего потока тяжелой сырой нефти (ТСН) на легкую и тяжелую фракции (как правило, остаток атмосферной перегонки). Тяжелая фракция подвергается гидроочистке в первом реакторе с фиксированным слоем катализатора, где производится удаление большинства металлов и асфальтенов, а также хотя бы части серы и азота. Далее частично переработанная продукция поступает во второй реактор для достижения требуемых уровней серо- и азотоочистки, а также среднего уровня гидрокрекинга. Выходящий из реактора поток направляется в сепаратор высокого давления, где жидкие нефтепродукты отделяются от газов. Поток жидких нефтепродуктов на выходе из сепаратора подвергается дополнительному отпариванию для удаления оставшегося растворенного сульфида водорода. Газовая смесь из сепаратора попадает в скруббер для очистки от сульфида водорода и аммиака, а выходящий поток, состоящий практически из чистого водорода, заново сжимается и возвращается обратно в систему реакторов. Наконец, либо поток жидких нефтепродуктов смешивается с легкой фракцией для получения нефти более высокого качества, либо оба потока (нефтепродукты из реакторов и легкая фракция после фракционирования) могут быть направлены на дальнейшую переработку нефти. Первый вариант нацелен на производство нефти более высокого качества из коммерческих соображений (сектор разведки и добычи), а задача второго варианта - осуществить предварительную подготовку сырой нефти до ее попадания в колонну атмосферной перегонки.
Подача H2
Переработка H2
Легкая фракция
Тяжелая сырая нефть
Тяжелая фракция
А
L
а
Очистка
Скруббер
Регенерированный ДЭА
п
Реакторы гидроочистки
(
Насыщенный ДЭА
Серосодержащий газ
Отпарная колонна
>
Сепаратор высокого давления
Переработанная нефть
Рис.2. Упрощенная схема процесса HYDRO-IMP для переработки тяжелой нефти и нефтяных остатков
Рис.3. Общий внешний вид экспериментального оборудования а - опытная установка; б, в - некоторые секции полупромышленной установки
а
30
25
< 20
я н о ч
с
10
1000 2000 3000
Время, ч
4000
б
л
<D О <D S
я й
О
U
3 -
1 -
1000
2000 Время, ч
3000
4000
300
250 -
в 200 -
150
£ 100 -
50 -
1000
2000 Время, ч
3000
4000
Рис. 4. Экспериментальные результаты, полученные на опытной установке а - °АР! = 12,71; б - массовое содержание серы в сырье = 5,22 %; в -№ + V в сырье = 507 wppm
4
2
5
0
0
в
0
ё Хорхе Анчита
Технология HYDRO-IMP для переработки тяжелой нефти
Результаты и обсуждение. Гидроочистка тяжелой нефти (13°API) производилась на опытной установке, расположенной на производственной площадке Мексиканского нефтяного института. Основные характеристики установки следующие: два последовательно расположенных реактора с фиксированным слоем катализатора, 500 мл катализатора на реактор, эксплуатация в изотермическом режиме, производительность порядка 1 барреля/день. Полупромышленные испытания проводились на установке производительностью ~ 10 баррель/день, расположенной в Нью-Джерси (США). Внешний вид обеих установок представлен на рис.3.
Экспериментальные результаты. Результаты по изменению плотности, содержания серы и металлов, полученные на опытной установке и представленные как функция от времени, приведены на рис.4. Этот долгосрочный эксперимент продолжался 5 мес., за это время не наблюдалось проблем с осадкообразованием, которое постоянно поддерживалось на уровне менее 0,05 % от общей массы сырья. В ходе эксперимента имелись небольшие эксплуатационные сложности, однако все они были оперативно решены. Температура реакторов постоянно корректировалась для получения переработанной нефти постоянной плотности (21-22°API) из сырья плотностью порядка 13°API. Также было получено принципиально важное снижение содержания серы (с 5,22 до ~2-2,5 % от общей массы) и металлов (Ni+V) (с 507 до ~ 200 wppm).
Результаты, полученные в ходе полупромышленных испытаний с использованием того же сырья (сырая нефть плотностью 13°API), катализаторов и условий эксплуатации, хорошо согласуются с опытными данными. Фактически, очистка от примесей на стадии полупромышленного внедрения была даже более эффективной по сравнению с экспериментами на опытной установке (массовая доля серы снижена до 1,1 %, металлов - до 98 wppm). На стадии полупромышленных испытаний также была использована другая тяжелая нефть, отличающаяся по своей плотности, при этом наблюдалось аналогичное поведение сырья в различных реакциях. Характерные результаты для изменения плотности нефти, полученные на полупромышленной стадии, а также соответствующие условия реакции представлены на рис.5. Видно, что, чем тяжелее сырье, тем больше прирост качества продукции. Например, сырая нефть плотностью 10° API после переработки может иметь плотность ~22°API (A°API = 12), тогда как сырая нефть плотностью 16° API -плотность до ~25° API (A° API = 9). Осадкообразование также поддерживалось на уровне менее 0,05 % от общей массы сырья, никаких других проблем (чрезмерный перепад давлений в реакторе, закупорка и т.д.) в ходе экспериментов не наблюдалось.
Выводы
1. Технико-экономическое исследование, проведенное для оценки применения технологии на установках переработки тяжелой сырой нефти и на традиционном нефтеперерабатывающем оборудовании, выявило важные преимущества процесса HYDRO-IMP по сравнению с существующими технологиями, экономически эффективными для переработки тяжелых остатков.
2. Улучшение качества тяжелой сырой нефти, полученное за счет применения технологии HYDRO-IMP, характеризуется более высоким выходом дистиллятов, снижением содержания серы, металлов, асфальтенов и предшественников кокса, более низкой кислотностью, коррозионностью, вязкостью и тенденцией к отложению осадков. Эти характеристики упрощают погрузку, транспортировку и переработку тяжелой и сверхтяжелой сырой нефти и увеличивают их рыночную стоимость.
3. Результаты, полученные в ходе полупромышленного внедрения технологии с использованием аналогичного сырья (нефть плотностью 13°API), катализаторов и условий эксплуатации оборудования, хорошо согласуются с данными опытных испытаний.
си < 28
g 27
% 26 «
И 25
й н о ю й Л
& 23
и
24
22
21
ё 20
8 10 12 14 16 18 20 Плотность сырой нефти, °API
22
Рис.5. Плотность переработанной нефти как функция плотности исходного сырья
6
ё Хорхе Анчита
Технология HYDRO-IMP для переработки тяжелой нефти
4. Очистка от примесей на стадии полупромышленного внедрения была более эффективной по сравнению с экспериментами на опытной установке (массовая доля серы снижена до 1,1 %, металлов - до 98 wppm).
5. Чем тяжелее сырье, тем больше прирост качества продукции. Например, сырая нефть плотностью 10°API после переработки может иметь плотность ~22°API (A°API=12), тогда как сырая нефть плотностью 16°API - до ~25°API (A°API=9). Осадкообразование также поддерживалось на уровне менее 0,05 % от общей массы сырья, никаких других проблем (чрезмерный перепад давлений в реакторе, закупорка и т.д.) в ходе экспериментов не наблюдалось.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ancheyta J. Heavy oils and residua / J.Ancheyta, J.G.Speight. Chapter 1. In Hydroprocessing of Heavy Oils and Residua. CRC Press, Taylor & Francis, Boca Raton. FL, 2007. P. 17-30.
2. Ancheyta J. Hydroprocessing chemistry / J.Ancheyta, J.G.Speight. Chapter 3. In Hydroprocessing of Heavy Oils and Residua. CRC Press, Taylor & Francis, Boca Raton. FL, 2007. P. 52-68.
3. Ancheyta J. Changes in asphaltene properties during hydrotreating of heavy crudes / J.Ancheyta, G.Centeno, F.Trejo, G.Marroquin // Energy Fuels. 2003. N 17(5). Р. 1233-1238.
4. Alvarez A. Modeling residue hydroprocessing in a multi-fixed-bed reactor system / A.Alvarez, J.Ancheyta // Appl. Catal, 2008. N 351(2). P. 148-158.
5. Alvarez A. A modeling study on the effect of reactor configuration on the cycle length of heavy oil fixed-bed hydroprocess-ing / A.Alvarez, J.Ancheyta, G.Centeno, G.Marroqui // Fuel. 2011. N 90(12). P. 3551-3560.
6. Boitsova A. Changes in the properties of heavy oil from yarega oilfield under the action of magnetic fields and microwave radiation / A.Boitsova, N.Kondrasheva // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2016. Vol. 50. N 5. P. 847-851.
7. Enerdata // Global Energy Statistical Yearbook. 2011.Available on http://www.enerdata.net.
8. International Energy Agency // Key world energy statistics. 2010. Available at: http://www.iea.org.
9. Jimenez F. Modeling of trickle bed reactor for hydrotreating of vacuum gas oils: Effect of kinetic type on reactor modeling / F.Jimenez, K.Ojeda, E.Sanchez, V.Karafov, R.Maciel Filho; Ed. V.Plesu, P.S.Agachi // In 17th European Symposium on Computer Aided Process Engineering - ESCAPE17. Elsevier BV, Amsterdam, the Netherlands, 2007. 247 p.
10. Kondrasheva N. Research the possibility of obtaining high-quality petroleum coke from heavy Yaregskaya oil / N.Kondrasheva, V.Vasilyev, A.Boytsova // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2016. N 6. Р.14-18.
Автор Хорхе Анчита, д-р техн. наук, профессор, руководитель проекта, jancheyt@imp.mx (Национальный политехнический институт, Мексиканский институт нефти, Мехико, Мексика). Статья принята к публикации 30.11.2016.
