CC BY
57
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2015, Т. 1, №2
УДК 665.6/.7
ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИИ СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТЯЖЕЛОГО ВАКУУМНОГО ГАЗОЙЛЯ в товарное топливо
А.В. Выжанов., А. А. Дегтярев
THERMOCATALYTIC METHOD FOR PROCESSING OF HEAVY VACUUM GASOIL
IN FUEL COMMODITY
A.V. Vyzhanov., A.A. Degtyarev
Аннотация. В статье рассматривается способ переработки тяжелых нефтяных фракций, в готовый высококачественный продукт. Способ основан на вторичной переработке тяжелой газойлевой фракции (печное топливо), формирующейся при первичной разгонки нефти, и заключается в низкотемпературном каталитическом воздействии с введением матриц в жидкую фазу и с последующей отгонкой товарного дизельного топлива удовлетворяющего стандартам Евро-5.
Ключевые слова: гидроочистка; каталитический крекинг; печное топливо; нефть; сера; информационная структура; активные каталитические системы.
Abstract. The article observes a way of processing heavy oil fractions into a finished high-quality product. This method is based on a heavy gasoil fraction (furnace oil) recycling which is formed at primary oil distillation, and also consists in low-temperature catalytic influence with insertion of matrices to a liquid phase and the subsequent rundown of the commodity of diesel fuel which satisfies the Euro-5 standards.
Key words: hydrofining; catalytic cracking; furnace oil; oil; sulfur; information structure; active catalytic systems.
Введение
В настоящее время нефть является основным источником энергии. Топлива получаемые из нефти имеют глобальную область применения. Основным стратегическим продуктом нефтепереработки является дизельное топливо.
В связи с ужесточением технического регламента «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», введение санкций на использование современных зарубежных технологий, а так же не рациональное использование нефтяного сырья, ставят перед отечественными нефтеперерабатывающими предприятиями задачу модернизации своей технологии с минимальными затратами.
Нерациональное использование нефтяного сырья приводит к получению большого количества тяжелых остатков (мазут, печное топливо), которые имеют узкую область применения.
Постановка задачи
Разработка каталитических процессов переработки тяжелых нефтяных остатков в товарное топливо на существующем оборудовании или с минимальными затратами на реконструкцию является актуальной задачей требующей решения.
Переработка тяжелых нефтяных остатков с температурой кипения до 400°С по схемам, используемым в промышленности, осуществляется в результате реализации двух термокаталитических процессов [1]:
- гидроочистка;
http://vestnik-nauki.ru/
- каталитический крекинг.
Технология позволяет обеспечить выход бензиновых и дизельных фракций не более 70%, при обеспечении нормативных требований на содержание серы. и характеризуется большими энергозатратами при использовании дорогостоящего высокотехнологического оборудования.
Недостатками представленной технологии является:
- большие энергозатраты;
- использование дорогостоящего высокотехнологичного оборудования;
- дорогостоящие катализаторы;
- высокие капитальные затраты;
- не высокий выход по целевому продукту.
Предлагается газойлевую фракцию (печное топливо), формирующуюся при первичной разгонки нефти, имеющую температуру кипения от 250°С до 400°С подвергнуть низкотемпературному каталитическому воздействию, введением в нее структур матриц с последующей отгонкой дизельного топлива с температурой конца кипения 350° С.
Осуществление процесса таким образом обеспечит выход дизельных фракций до 91 % с содержанием серы согласно техническому регламенту «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту» [2].
Реализация предлагаемого способа возможна при использовании аппарата, обеспечивающего смешение нефтяных фракций с матричной структурой и установки разгонки. Технологическая схема переработки печного топлива в товарные виды топлив с использованием матричных структур представлена на рис. 1.
Рисунок 1 - Технологическая схема переработки печного топлива в товарные виды топлив с использованием матричных структур: 1 - шнековый питатель 2 -емкостной аппарат и пропеллерной мешалкой, 3 - ультразвуковая установка, 4, 4.1 - подогреватель (теплообменник), 5 - смеситель проточного типа, 6 - печь нагревателя, 7 - колонна разделения, 8 - конденсатор, 9 - флегмоделитель.
Процесс переработки печного топлива в товарные виды топлив с использованием матричных структур осуществляется следующим образом.
Печное топливо поступает по трубопроводу и, проходя через рекуперационный подогреватель 4, нагревается до температуры 70°С. Нагретое печное топливо затем подается в смеситель проточного типа, туда же вводится предварительно подготовленная суспензия матричной структуры. Приготовление суспензии матричной структуры осуществляется в емкостном аппарате 2, оборудованным пропеллерным перемешивающим устройством и ультразвуковой установкой 3. Необходимая навеска матричной структуры загружается в
http://vestnik-nauki.ru/
2015, Т 1, №2
аппарат при помощи шнекового питателя 1 закрепленного на тензометрических весах. Жидкая фаза суспензии матричной структуры подается по трубопроводу через объемный расходомер. Диспергирование в аппарате 2 проводят при интенсивном перемешивании и ультразвуковом воздействии (20 кГц ) в течении 5 мин. Смешение печного топлива с суспензией матричной структуры осуществляется в объемном соотношение 50:1 в проточном смесителе 5. Полученная смесь попадает в рекуперационный подогреватель 4.1, где греется до температуры 200 °С и подается в печь нагревателя 6, где подогревается до температуры 400 °С. Нагретое печное топливо попадает в колонну разделения 7, представляющую собой сложную конструкцию, состоящую из двух тарельчатых частей, между которыми расположена насадочная часть. Нижняя часть колонны состоит из 15 тарелок, с штуцером отбора масляной фракции с температурой кипения 300-3 70 °С на 3-ей тарелке. Насадочная часть представляет собой носитель К-99 (цилиндры диаметром 5 мм, изготовленные из пористой керамики, с нанесенным на поверхность матричной структурой-2). Высота насадки равна трем теоретическим тарелкам. Верхняя тарельчатая часть состоит из 21 тарелки. Отбор дизельной фракции с температурой кипения 250-350°С осуществляется со 2-ой тарелки снизу, керосиновой с температурой кипения 200-300°С отбирают с 11-ой тарелки. Отвод бензиновой фракции с температурой кипения 40-200°С осуществляют с помощью конденсатора 8 из флегмоделителя 9. Тяжелая мазутная фракция с температурой кипения 360-400 °С с низа колонны частично возвращается в поток подогреваемого печного топлива, а другая часть его выводится из колонны в качестве готового продукта. Выходящее из колонны дизельное топливо используется в качестве теплоносителя в теплообменнике 4.1. Керосин в качестве теплоносителя используется в теплообменнике 4.
Процесс реализуется путем однократного испарения дизельной фракции, что гарантирует минимальные затраты. Технология обладает целым рядом преимуществ по сравнению с известными методами:
- простое аппаратурное оформление;
- отсутствие дорогостоящего оборудования;
- низкие энергозатраты;
- низкие эксплуатационные затраты;
- высокий выход и качество получаемого топлива;
- соответствие качественных показателей стандартам Евро - 5 и Евро - 6;
- возможность использования данной технологии на существующем оборудовании НПЗ, с минимальными затратами на реконструкцию.
Методы исследования
Для обеспечения процесса термокаталитического преобразования печного топлива и обессеривания полученного дизельного топлива необходимо:
1) Получить информационные структуры рабочих сред, используемых для создания конфигураций матриц для термокаталитического разделения печного топлива и обессеривания дизельного. Информационные структуры создаются путем сжигания сред в муфельной печи при температуре 600 °С [2].
2) Определить элементный состав информационных структур рентгенофлуоресцентным анализом.
3) Получить матричные структуры сборки дизельного топлива, разборки печного и обессеривания.
Матричные структуры сборки дизельного и разборки печного топлива были получены путем прокалки информационных структур рабочих сред с нанометаллами и катализатором широкого элементного состава в муфельной печи. Матричную структуру обессеривания получали прокалкой пепла химически чистой серы с неметаллами в наноструктурированной форме и катализатором широкого элементного состава.
http://vestnik-nauki.ru/
4) Провести процесс термокаталитического разделения печного топлива и обессеривания товарного продукта (дизельного топлива) [3].
Процесс термокаталитического преобразования печного топлива с использованием структур матриц проводили на лабораторной установке представленной на рис. 2.
Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки для разделения печного топлива с использованием структур матриц: 1 - колбонагреватель, 2 - колба круглодонная ТС, 3 - аллонж переходной, 4 - холодильник обратный, 5 -аллонж, 6.1, 6.2 - прямой холодильник, 7-колба- приемник бензиновой фракции, 8 - колба - приемник дизельной и керосиновой фракции, 9 -держатель, 10 - вход охлаждающей жидкости, 11 - выход охлаждающей жидкости, 12 - фильтр, 13 - насадка, 14 - термометр электронный, 15 -компьютер, 16 - плата ЦАП, 17 - электронный вентиль.
Конденсацию паров вели в системе, состоящей из двух прямых холодильников Либиха 6.1 длинной 500 мм и 6.2 длинной 300 мм изготовленных из стекла и одного обратного холодильника (шарикового типа) 4. В качестве охлаждающей жидкости в холодильниках использовали проточную воду. Все три холодильника соединяли между собой переходными аллонжами 5. Сконденсировавшиеся пары дизельной, керосиновой и бензиновой фракции на выходе из прямых холодильников собирали в колбы - приемники 7.1 и 7.2. Температуру разделения печного топлива в точках Т1, Т2, Т3 контролировали с помощью трехканального электронного термометра testo 735 - 2 14, снабженного тремя термопарами (типов K/T/J/S/Pt100) измеряющими температуру в кубе (Т1), в месте отбора дизельных (Т2) и бензиновых фракций (Т3). Температурные характеристики регистрируются в памяти прибора, анализируются и выводятся в виде графических зависимостей и таблиц на компьютер 15.
Установка оснащена контуром регулирующим подачу охлаждающей жидкости в обратный холодильник 4, состоящий из электронного вентиля Alco Controls EX8 17, выносной платы ЦАП L-783M 16, компьютера и электронного термометра testo 735 - 2 14.
Процесс конденсации паров вели следующим образом. При достижении температуры 50°С в точке Т2 электронный вентиль 17 открывал проходное сечение на У часть. Далее процесс нагрева осуществляли до достижения температуры в 50°С в точке Т3 и подавали охлаждающую жидкость в холодильник 6.1. При достижении температуры паров 195°С в точке Т3 проходное сечение электронного вентиля увеличивали и в дальнейшем температуру
в точке Т3 поддерживали электронным вентилем 17. При повышении температуры свыше 195 °С в точке Т3 при полном открытом сечении электронного вентиля, осуществляли снижение нагрузки на колбонагревателе 1. При достижении температуры 194°С в точке Т3 электропитание колбонагревателя 1 стабилизировали. При падении температуры в точке Т3 электропитание колбонагревателя выходит на номинальное значение. При достижении температуры 250°С в точке Т2 осуществляли подачу охлаждающей жидкости в холодильник 6.2 где происходила конденсация керосиновой фракции с температурой кипения 200 - 250°С. Температура в точке Т2 поддерживалась на постоянном уровне, изменением электропитания колбонагревателя 1. По окончании процесса конденсатообразования в холодильнике 6.2 проводили смену приемной колбы 7.2. Далее температура в точке Т2 поднимается до значения 350°С, при этом температура в точке Т1 не должна превышать 370°С. Процесс отгонки дизельной фракции считался законченным по окончании образования конденсата в холодильнике 6.2 и падении температуры ниже 200°С в точке Т2. После чего уменьшали подачу охлаждающей жидкости в обратный холодильник 4 в четыре раза от максимального значения с помощью электронного вентиля 17 и с помощью холодильника 6.1 проводили конденсацию остатков паров с температурой кипения ниже 200°С.
Хроматограмма исходного образца печного топлива, подвергающегося обессериванию представлена на рис. 3.
Рисунок 3 - Хроматограмма исходного образца печного топлива.
Концентрация серосодержащих компонентов в печном топливе превышает нормативные показатели в десятки раз.
Хроматограмма полученного в результате термокаталитического разделения дизельного топлива представлена на рисунке 5.
Рисунок 4 - Хроматограмма дизельного топлива полученного в результате термокаталитического разделения и обессеривания.
Обсуждение результатов
Влияние матричной структуры на выход дизельных фракций представлен в табл. 1. Использование матричных структур увеличило выход дизельных фракций на 28 % и снизило содержание серы в 7 раз. Полученная дизельная фракция в результате перегонки без
использования матричных структур соответствует стандарту Евро-2, с использованием Евро 4-5.
Таблица 1 - Влияние матричной структуры на выход дизельных фракций
Порядок разделения Метод проведения Выход дизельных фракций, %
1 Печное топливо (без воздействия) 62,8
2 Печное топливо с матричной структурой 91,8
Результаты хроматографического анализа дизельного топлива на индивидуальный и групповой углеводородный состав после введения структур матриц представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Результаты хроматографического анализа дизельного топлива на
индивидуальный и групповой углеводородный состав после введения структур матриц
Время, мин Компонент Лог. индекс Площадь Высота Площадь Концентрация, ррт
3.921 н-пентан 500.000 445.393 65.355 0.121 37116.049
7.786 н-гексан 600.000 9782.489 1622.632 2.652 1891281.289
13.443 н-гептан 751.554 748.649 107.186 0.203 374324.532
19.502 2-метилгептан 770.946 2993.527 383.495 0.812 1646439.641
21.759 4-метилгептан 772.107 903.888 131.242 0.245 503164.506
23.617 н-октан 800.000 10788.105 856.529 2.925 6940347.593
32.794 н-нонан 900.000 9114.262 858.891 2.471 8385120.877
39.358 н-декан 1070.744 388.875 66.016 0.105 487390.401
58.915 н-ундекан 1100.000 461.803 47.597 0.125 594186.413
66.293 н-додекан 1200.000 140.360 12.789 0.038 194164.796
71.413 н-тридекан 1300.000 290.547 31.422 0.079 410640.241
78.358 н-тетрадекан 1408.405 256.785 21.926 0.070 363778.119
85.471 н-пентадекан 1424.105 317.957 44.203 0.086 415993.705
91.153 н-гексадекан 1472.317 1016.432 139.070 0.276 1345078.235
96.279 н-гептадекан 1500.000 990.562 135.437 0.269 1324050.762
102.781 н-октадекан 1554.107 741.020 90.578 0.201 1026312.344
109.619 н-нонадекан 1592.124 264.854 33.689 0.072 368588.483
113.849 н-эйкозан 1610.000 300.983 42.798 0.082 419570.576
117.637 н-генэйкозан 1632.378 386.199 64.682 0.105 539390.890
123.271 н-докозан 1659.728 842.862 151.405 0.229 1028291.719
127.719 н-трикозан 1664.534 242.812 36.146 0.066 253333.702
131.615 н-тетракозан 1668.520 899.837 133.593 0.244 1031812.902
134.643 н-пентакозан 1671.224 1497.459 211.860 0.406 1781975.653
139.279 н-гексакозан 1683.165 2860.758 375.388 0.776 1783204.557
143.427 н-гептакозан 1696.457 5344.198 825.551 1.449 7517505.118
В результате проведенного хроматографического исследования, было выявлено, что при введение структур матриц, сохраняется индивидуальный и групповой углеводородный состав дизельных фракций соответствующий нормативным показателям.
Заключение
В ходе проведенных экспериментальных исследований были разработаны параметры формирования активных информационных, каталитических систем (матриц) инициирующих процессы деструкции высокомолекулярных углеводородов гибридного строения и синтеза из
полученных соединений парафинов изо строения, нафтенов и ароматических углеводородов, а также осуществлен процесс гидратации серо и азотсодержащих углеводородов при температуре от 200°С при атмосферном давлении. Оценена перспективность использования матричных систем при разгонке широкой газойлевой фракции, обеспечивающая получение смеси жидких углеводородов соответствующих по нормативным показателям ГОСТ (ГОСТ Р 52368-2005 для умеренного климата сорта С). Экспериментальные исследования подтвердили, что предлагаемая технологическая схема обеспечит получение высококачественного дизельного топлива, при незначительном капиталовложении на реконструкцию существующего оборудования на НПЗ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Александров И. А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке М.: Химия, 1981.
352 с.
2. Выжанов А.В., Егорова А.С. Элементы в наноструктурированной форме - основа создания матриц для обессеривания топлив на примере дизельного топлива // В мире научных открытий, 2014. №4. С. 301-310.
3. Выжанов А.В. Способ термокаталитического получения дизельного топлива из печного топлива с использованием структур матриц нанометаллов // Сборник материалов II Международной заочной научной конференции для молодых ученых, студентов и школьников. «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»: ФГБОУ ВПО «СГТУ им. Гагарина» Саратов 2013. С.205-212.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Выжанов Алексей Валерьевич ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбов, Россия, аспирант.
E-mail: alex666.1989@gmail.com.
Vyzhanov Alexey Valer'evich FSEI HPE «Tambov State Technical University», Tambov, Russia, graduate student. E-mail: alex666.1989@gmail.com.
Дегтярев Андрей Александрович ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбов, Россия, кандитат технических наук, доцент. E-mail: ad.dycost@gmail.com.
Degtyarev Andrey Alexandrovich FSEI HPE «Tambov State Technical University», Tambov, Russia, PhD in Technical Science, Assistant Professor.
E-mail: ad.dycost@gmail.com.
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 392000, Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», каб. 117/3. Выжанов А.В.,
+7-4752-63-44-44
