Висбрекинг: понятие и назначение, основная цель

Понятие и назначение

Висбрекинг — наиболее мягкая форма термического крекинга, представляет собой процесс неглубокого разложения нефтяных остатков (мазутов и гудронов) в относительно мягких условиях (под давлением до 5 МПа и температуре 430-490°С) с целью снижения вязкости остатков для получения из них товарного котельного топлива. Процесс эндотермический, осуществляется в жидкой фазе. Возможности висбрекинга по увеличению выработки светлых нефтепродуктов ограничены требованиями к качеству получаемого остатка. Степень превращения сырья в этом процессе минимальная, отбор светлых нефтепродуктов из гудрона не превышает 5-20%, а из мазута — 16-22%. При этом получается более 75% условно непревращенного остатка — котельного топлива.

На современных нефтеперерабатывающих заводах висбрекинг позволяет:

• сократить производство тяжелого котельного топлива;
• уменьшить количество прямогонных дистиллятов для разбавления тяжелых, высоковязких остатков (гудронов), используемых в качестве котельного топлива;
• расширить ресурсы сырья для каталитического крекинга и гидрокрекинга;
• выработать дополнительное количество легких и средних дистиллятов, используемых как компоненты моторных и печных топлив.

 Назначение процесса висбрекинга и его место в схеме нефтеперерабатывающего завода

 При работе в режиме термического крекинга — получение дополнительных количеств светлых нефтепродуктов термическим разложением остатков от перегонки нефти, при работе в режиме висбрекинга — улучшение качества котельного топлива (снижение вязкости).

Производство нефтепродуктов и химического сырья из нефти организовано на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). Переработка нефти на нефтеперерабатывающих заводах осуществляется с помощью различных технологических процессов, которые могут быть условно разделены на следующие группы:

1. Первичная переработка ( обессоливание и обезвоживание, атмосферная и атмосферно — вакуумная перегонка нефти, вторичная перегонка бензинов, дизельных и масляных фракций).
2. Термические процессы (термический крекинг, висбрекинг, коксование, гидролиз).
3. Термокаталические процессы (каталический крекинг-реформинг, гидроочистка.
4. Процессы переработки нефтяных газов (алкилирование, полимеризация, изомеризация).
5. Процессы производства масел и парафинов ( деасфальтизация , депарафинизация, селективная очистка, адсорбционная и гидрогенизационная доочистка).
6. Производство битумов, пластичных смазок, присадок, нефтянных кислот, сырья для получения технического углерода.
7. Процессы производства ароматических углеводородов ( экстрация , гидроалкилирование, деалформинг, диспропорционирование).

Нефти по своему составу и свойствам различаются весьма значительно. Физико — химические свойства нефтей и составляющих их фракций оказывают влияние на выбор ассортимента и технологию получения нефтепродуктов. При определении направления переработки нефти стремятся по возможности максимально использовать индивидуальные природные особенности химического состава.

Переработку нефтей малосернистых высокопарафинистых и высокосернистых парафинистых осуществляют с одновременным получением фракций бензина, керосина, дизельного топлива, вакуумного газойля и гудрона.

Наибольшую трудность в нефтепереработке представляет квалифицированная переработка гудронов (особенно глубоковакуумной перегонки) с высоким содержанием асфальто — смолистых веществ, металлов и других гетеросоединений, требующая значительных капитальных и эксплуатационных затрат. В этой связи на ряде нефтеперерабатывающих заводов нашей страны и за рубежом ограничиваются переработкой гудронов с получением таких не топливных нефтепродуктов, как котельное топливо, битум, нефтяной пек, нефтяной кокс и так далее.

Получающийся гудрон непосредственно не может быть использован как котельное топливо из-за высокой вязкости. Для получения товарного котельного топлива из таких гудронов без их переработки требуется большой расход дистиллятных разбавителей, что сводит практически на нет достигнутое вакуумной перегонкой углубление переработки нефти. Наиболее простой способ неглубокой переработки гудронов — это висбрекинг с целью снижения вязкости, что уменьшает расход разбавителя на 20 — 25% масс, а также соответственно увеличивает общее количество котельного топлива.

Висбрекинг (в переводе с английского «cнижение вязкости») — процесс крекинга гудрона, проводимый при температурах 450 — 480оС с целевым назначением снижения вязкости котельного топлива.

К преимуществам висбрекинга перед другими процессами относятся: гибкость процесса, что позволяет непосредственно перерабатывать тяжелые нефтяные остатки, относительная простота технологии, низкие капитальные и эксплуатационные затраты. Висбрекинг характеризуется невысокой конверсией нефтяных остатков, но позволяет в 10 и более раз снизить вязкость исходного сырья с целью получения стандартного котельного топлива.

Процесс висбрекинга гудрона в технологической схеме нефтеперерабатывающего завода играет важную роль, поскольку оказывает очень сильное влияние на глубину переработки нефти и на общие экономические показатели производства нефтепродуктов. Позволяет корректировать структуру выхода продуктов, для более полного соответствия потребностям рынка, и достичь следующих целей:

• увеличить глубину переработки нефти на 16 — 18% и достичь уровня 70-72%.
• высвободить дополнительный объем вакуумного газойля для продажи.
• увеличить производство более ценного топочного мазута.
• повысить выработку автомобильного бензина на 1,4-2% масс на нефть.

Внедрение процесса висбрекинга гудрона позволяет значительно улучшить экономические показатели предприятия.

Цель

1. Для снижения степени вязкости остатков, которые являются основным сырьем для получения товарного котельного топлива;
2. Для увеличения объема получения газойля, используемого для установок гидрокрекинга и каталитического крекинга.

Стоит сказать, что обе цели использования имеют побочные легкие продукты, которыми выступают газы, а также бензиновые фракции, выходящие, как правило, в объеме не более 3% и 8% (масс.) на сырье.

В зависимости от количества выхода бензина определяется степень жесткости условий, в которых осуществляется процесс.

В случае проведения висбрекинга в условиях повышенной жесткости есть риск получить нестабильные топлива, которые получаются путем смешивания остаточного продукта висбрекинга и других составляющих тяжелого жидкого котельного топлива. Нестабильное горючие имеет свой недостаток, заключающийся в его расслоении и образовании осадка.

В зависимости от целей, есть два варианта проведения висбрекинга.

Висбрекинг

Висбрекинг представляет собой процесс неглубокого разложения нефтяных остатков (гудронов и мазутов) под давлением до 5 МПа и температуре 430 — 490 °С, т.е. по сути висбрекинг — это мягкая форма термического крекинга.

Термин происходит от английских слов Viscosity (Вязкость) и Breaking (Разрушение).

Процесс висбрекинга получил широкое распространение за пределами РФ в 80-90 года прошлого столетия, что было связано с сокращением использования прямогонных мазутов в качестве топлива.

Высвободившиеся ресурсы вакуумного дистиллята направляются на каталитический или гидрокрекинг, а вакуумный остаток — гудрон — используется в качестве сырья для висбрекинга, что существенно понижает вязкость этого остатка.

Целью висбрекинга является снижение вязкости нефтяных остатков для получения товарного котельного топлива (выход более 75 %). Также образуются некоторые количества светлых нефтепродуктов (5 — 20 % из гудрона и 16 — 22 % из мазута).

Кроме этого существуют альтернативные реализации продуктов висбрекинга:

• Иногда продукты висбрекинга гудрона смешивают с вакуумным дистиллятом прошедшим гидрогенизационное облагораживание, в результате чего получается котельное топливо с умеренным содержанием серы.
• В некоторых случаях остаток висбрекинга направляется на получение водорода или синтез-газа
• Остатки данного процесса также могут быть вовлечены в производство битума
• Некоторые НПЗ используют вакуумные отгоны продуктов висбрекинга как компонент сырья для каталитического крекинга.

Ниже представлены основные химические превращения, происходящие в процессе висбрекинга:

• Парафиновые и нафтеновые углеводороды расщепляются с образованием углеводородных газов и жидких фракций с температурами к.к 450 °С.
• Нафтеновые углеводороды могут образовывать как ароматические углеводороды (дегидрирование колец), так и непредельные углеводороды путем разрыва кольца.
• Превращения олефинов и алкенов зависят от условий реакции. Полимеризация происходит при температуре до 500 °С и высоком давлении, распад — при низком давлении и высокой температуре.
• Ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями и их без них обладают наибольшей термической устойчивостью, что приводит к обогащению получаемых продуктов ароматическими углеводородами. Арены с длинными боковыми цепями легко подвергаются крекингу с образованием более простого ароматического и олефинового или парафинового углеводорода. Ароматические радикалы вступают в реакции рекомбинации, что приводит к усложнению структуры образующихся молекул и к обеднению их водородом.
• Ароматические углеводороды склонны к реакциям уплотнения с образованием конденсированных ароматических углеводородов. Реакции уплотнения также могут происходить между молекулами ароматических и непредельных углеводородов. Продукты уплотнения и в первом, и во втором случае являются основой для образования смолисто-асфальтовых и коксоподобных веществ.

На рисунке приведена общая схема образования продуктов уплотнения. Реакции происходят по радикально-цепному механизму через алкильные и фенильные радикалы.

Газообразные улеводороды

Выход газа по отношению к сырью составляет порядка 1,5 — 2,5 %. Полученные газообразные вещества содержат значительные количества метана и этана и около 25 — 30 % непредельных углеводородов. После очистки о сероводородов их обычно используют в качестве топлива для собственных нужд нефтеперерабатывающего завода.

Бензины

Выход бензина на сырье составляет около 3,5 — 5,0 % масс. серы — 0,7 — 0,9 %, в том числе меркаптановой — до 0,2 %. Бензины висбрекинга имеют низкую стабильность вследствие их олефинового характера. Для повышения его стабильности и октанового числа, в ряде случаев весь бензин висбрекинга направляют на каталитический крекинг.

Тяжелую часть бензина для повышения ОЧ отправляют на каталитический риформинг, предварительно произведя гидроочистку от олефинов и серы.

Легкую часть бензина после очистки от сернистых соединений иногда добавляют в товарные бензины.

Газойлевая фракция

Выход легкого газойля на сырье составляет 4,5 — 5,5 % масс, содержание серы — 0,8 — 1,2 %. Газойль, получающийся при висбрекинге, не стабилен и может окисляться и полимеризоваться под действием солнечных лучей и кислорода воздуха. В связи с этим, при использовании таких газойлей в качестве моторных топлив, их подвергают предварительной гидроочистке.

Котельное топливо

Основной реакционный аппарат установки висбрекинга — трубчатая печь. В случае осуществления процесса при пониженных температурах (440—460 °C), когда требуемой степени конверсии сырья достигнуть в печи не удаётся, предусматривают дополнительную реакционную камеру. Благодаря значительному объёму последней (30-50 м3) парожидкостная смесь «вызревает» в ней заданное время, что позволяет углубить висбрекинг.

Вязкость котельного топлива, получаемого в процессе висбрекинга, в 6 — 10 раз ниже по сравнению с исходным сырьем. Это происходит за счет образования значительного количества фракций с температурой выкипания 180 — 500 °С. Температура застывания при этом также снижается на 6 — 10 °С.

Стабильность остатка висбрекинга — котельного топлива, т.е. способность храниться длительное время без образования осадка, который образуется главным образом за счет выпадения асфальтенов, зависит от целого ряда факторов:

• Чем выше содержание асфальтенов в исходном сырье, тем меньше допустимая глубина превращения
• Чем больше ароматических соединений в продукте, тем выше устойчивость системы против расслоения
• Чем больше содержаться в продукте парафинов, тем более неустойчива система, и, соответственно, тем более легко асфальтены образуют отдельную фазу.

Повышение вязкости остатка висбрекинга может также происходить в результате протекания реакций полимеризации непредельных углеводородов.

Установка висбрекинга

Установка висбрекинга — это термический неглубокий крекинг тяжелых видов сырья, таких как гудрон, мазут и других остаточных продуктов.

Целью установки висбрекинга  является снижение вязкости остаточных продуктов и дальнейшее использование их в качестве компонента в производстве разных марок топочного мазута. В ходе сложных химических процессов распада и синтеза углеводородов с использованием высоких температур, получается некоторое количество бензина и газа.

Характеристики сырья и продуктов висбрекинга

Октановое число бензиновой фракции висбрекинга находится в пределах от 58 до 68 (моторный метод, без присадки). Содержание серы в бензиновых и керосиновых фракциях существенно ниже, чем в сырье; однако эти фракции обычно нуждаются в очистке. Например, подвергая висбрекингу мазут [мол. масса 407, плотность 938,5 кг/м3; содержание серы 1,81 % (масс.), коксуемость 5,0 %], самотлорской нефти, получали бензин и керосин, содержащие до очистки 0,7 и 1,0 % (масс.) серы.

Технологическая схема

• Схема установки висбрекинга: I — сырье; II — химически очищенная вода; III — конденсат; IV — водяной пар; V — остаток висбрекинга; VI — газойль; VII — бензин; VIII — углеводородный газ; IX — кислая вода; X — регенерированный раствор ДЭА; XI — насыщенный раствор ДЭА

Предварительный нагрев сырья

Сырье поступает с установок первичной переработки нефти с температурой до 140 С в емкость прямого питания.

Далее с помощью сырьевых насосов сырье проходит теплообменники, в которых нагревается до 300С за счет тепла отходящего крекинг-остатка. Далее сырье двумя потоками проходит конвекционную камеру трубчатой печи, где нагревается до температуры 350С.

Предварительно подогретая смесь скапливается в буферной емкости, откуда с помощью печного насоса четырьмя параллельными потоками подается в радиантные  камеры печи, происходит нагрев до 445-460 С. В змеевиках печи на 20% происходит реакция расщепления.

Реакционные камеры

• На выходе из печи четыре потока змеевиков объединяются в два трубопровода, по которым смесь поступает в реакционные камеры.

  Назначением реакционных камер является углубление крекинга путем дополнительного выдерживания продуктов расщепления при высоких температурах.

  Камера представляет собой полый цилиндрический аппарат. Диаметр составляет 2 метра, а высота 15 метров. Выдерживает высокое давление до 20-30 атмосфер.

  Смесь подается снизу вверх для обеспечения турбулентного движения продуктов. Для этого входной патрубок снабжен насадкой с завихрителем. Во избежание коксования предусмотрена его промывка — флегмой собственной выработки.

  Время прохождения продукта снизу вверх по камере оставляет 30 минут. После чего по шлемовой линии он выводится в ректификационную колонну.

  Квенч – струя флегмы, которая подается в линию для прекращения реакции.

  По шлемовым линиям камер продукт перемещается в рефиктиционную колонну на 15 и 19 тарелки. С верха рефиктиционной колонны углеводородный газ и пары бензина по шлемовой линии с температурой 150-210С поступает в АВО.

Газосепаратор

Сконденсированные и охлажденные продукты реакции поступают в газосепаратор бензина, где происходит разделение на фазы: газообразную и жидкую.

Вода с нижней части бензинового газосепаратора выводится в промышленную канализацию, а углеводородные газы выводятся с верхней части.

Нестабильный бензин откачивается из газосепаратора насосом и разделяется на два потока:

1. Первый поток идет на первую тарелку колонны в качестве острого орошения.
2. Второй поток — в блок стабилизации бензина, откуда, уже стабильный бензин выводится с установки для потребления.

Ректификационная колонна

Флегма из ректификационной колонны с помощью насосов передается в распределительный коллектор и делится на три потока.

1. Первый поток, проходя по трубам сырьевого теплообменника, в котором отдает тепло сырью, уходит в холодильник и охлаждается в нем до температуры от 50 до 100С. После этого поток подается в виде холодной струи в шлемовые линии реакционных камер.
2. Второй поток флегмы — идет по трубному пространству теплообменника подогрева топливного газа, по трубам ребойлера, где подогревает бензин низа колонны, направляется в АВО. С температурой 170-200С флегма возвращается на 12 тарелку ректификационной колонны в качестве орошения.
3. Третий поток уходит в распределительный коллектор, откуда флегма в качестве турбулизатора поступает в сырьевые потоки печи во избежание коксования и уплотнения продуктов на стенках труб, а также на промывку завихрителей реакционных камер.

Снизу ректификационной колоны крекинг-остаток, с помощью насосов, прокачивается по трубам теплообменников, где происходит теплоотдача сырью, поступающему в буферную емкость.

Далее крекинг-остаток проходит через три параллельно работающих холодильника, где охлаждается до температуры не более 130 С после чего выводится из установки в товарно-сырьевой цех, как компонент топочного мазута.

Материальный баланс

Ниже приведен материальный баланс установки висбрекинга гудрона:

Достоинства

Достоинства процесса висбрекинга с использованием сокинг-камеры (реакционной камеры)

1. большая продолжительность межремонтного пробега;
2. низкая скорость закоксовывания аппаратов
3. низкие эксплуатационные затраты (печь меньшей тепловой мощности)
4. длительное время межремонтного пробега (до 1 года)
5. высокая селективность процесса
6. меньшее количество утилизируемого тепла дымовых газов
7. низкий перепад давления в печи

Достоинства процесса висбрекинга с использованием змеевика печи

1. меньшие капитальные затраты / меньшая металлоемкость;
2. Высокая гибкость подведения тепла
3. лучший контроль нагревания сырья
4. простота удаления кокса с внутренней поверхности змеевика (паровоздушный выжиг)
5. большее количество тяжелого газойля

Недостатки

Недостатки процесса висбрекинга с использованием сокинг-камеры (реакционной камеры)

1. сложность очистки печи и сокерной камеры от кокса. Эта очистка проводится реже, чем на установке со змеевиковой печью, однако для нее требуется более сложное оборудование.

Недостатки процесса висбрекинга с использованием змеевика печи

1. высокая скорость отложения кокса в печи
2. высокие эксплуатационные затраты (большой расход топлива)
3. значительные перегревы стенок змеевика
4. короткое время межремонтного пробега (3-6 мес)

Существующие установки

Ввиду невысоких капитальных затрат технология висбрекинга является достаточно распространенной в России для повышения глубины переработки нефти и используется на НПЗ:

1. ТАНЕКО
2. Славнефть-ЯНОС
3. Газпром нефтехим Салават
4. ЛУКОЙЛ — Волгограднефтепереработка
5. Рязанская нефтеперерабатывающая компания
6. ЛУКОЙЛ-Ухтанефтепереработка
7. Уфимский нефтеперерабатывающий завод и др.
8. РН Саратовский НПЗ
9. Газпром- МНПЗ и др.

Работы установки

Применение продуктов

Бензин и газ (суммарный выход 7-12% от массы сырья) отделяют от парожидкостной смеси ректификацией; крекинг-остаток, кипящий выше 200 °С, представляет собой жидкое котельное топливо (выход около 90%). Газы направляют на газофракционирующую установку, бензин после облагораживания с применением глубокого гидрирования и каталитического риформинга используют как компонент автомобильного топлива

В ряде случаев из крекинг-остатка в специальном испарителе выделяют газойлевые фракции (пределы кипения 200—360 °C и 360—450 °C; выход 20-45% по массе). Первая фракция после гидроочистки служит дизельным топливом. При этом для обеспечения заданной вязкости котельного топлива оставшуюся часть крекинг-остатка разбавляют, например, газойлем каталитического крекинга.

Керосино-газойлевая фракция (50-55%) — является ценным компонентом флотского мазута; после гидроочистки может применяться как компонент дизельных топлив;

Крекинг-остаток (38-42%) — используется как котельное топливо, имеет высшую теплоту сгорания, низкую температуру застывания и вязкость, чем прямогонный мазут.