Разработка новых каталитических систем для процесса крекинга тяжелых нефтяных фракций

Постоянно увеличивающийся спрос на моторные топлива требует дальнейшего углубления переработки нефти, разработки новых вторичных технологических процессов по переработке тяжёлых вакуумных дистиллятов и остаточных фракций. В промышленной практике одним из основных вторичных процессов переработки углеводородного сырья, позволяющих получать высокооктановые компоненты автомобильных бензинов, является каталитический крекинг различных видов дистиллятного и остаточного сырья.

За последние десять лет в России глубина переработки нефти увеличилась с 63 до 71% [1, 2]. По мере становления нефтяных компаний российские НПЗ освобождались от устаревших избыточных мощностей первичной переработки и совершенствовали технологическую структуру вторичных процессов. Тем не менее, Россия в развитии процессов, углубляющих переработку нефти, согласно [2], отстает от среднемирового и европейского уровня в 2 раза, от уровня США — более чем в 3 раза, а в развитии важнейших из этих процессов — каталитического крекинга и гидрокрекинга — в 4−7 раз. Переработка нефтяного сырья на российских НПЗ пока осуществляется с недостаточным использованием имеющегося потенциала и с низкой степенью конверсии тяжелых фракций.

На будущие 10−15 лет перед нефтеперерабатывающей промышленностью всех стран и регионов мира ставятся задачи по обеспечению уровня экологических и потребительских свойств продукции, на порядок превышающего уровень, достигнутый в последние 10−15 лет.

В принятой Минэнерго РФ программе «О стратегии развития нефтеперерабатывающей промышленности до 2020 г.» поставлена задача обеспечить повышение глубины переработки нефти до 75% к 2010 г. и до 85% - 2020 г. Решение этой актуальной проблемы невозможно без разработки и внедрения промышленной технологии переработки тяжелых нефтяных остатков — мазутов, гудронов, а также тяжелых битуминозных нефтей. [3,4].

Важнейшим направлением развития российской нефтепереработки на ближайшую и среднесрочную перспективу остается деструктивное углубление переработки вакуумных дистиллятов с концом кипения 550−590 °С и в отдельных случаях — непосредственно мазута:

• по бензиновому варианту с применением комплексов каталитического крекинга;

• по дизельному варианту с применением комплексов гидрокрекинга.

В настоящее время каталитический крекинг является наиболее крупнотоннажным и важным среди каталитических процессов переработки нефти. Общая производительность установок каталитического крекинга в США составляет свыше 250 млн. т/год по сырью. Весьма широкое развитие получил этот процесс и в странах Западной Европы. Суммарная мощность установок каталитического крекинга достигла в США порядка 35% от мощности первичной переработки нефти (13,9% - в Западной Европе и 6,0% - в России) [3,4, 5].

Спрос на качественные моторные топлива растет, а на топочные мазутыпадает. В то же время во всем мире увеличивается объем переработки тяжелых нефтей с повышенным содержанием высококипящих фракций и остатков, серы, смол и металлов.

Достигнутый прогресс обеспечил вовлечение в переработку всё более тяжёлого сырья: если на первой стадии развития крекингу подвергали керосино-газойлевые фракции, а затем вакуумные газойли (наиболее распространённый вариант и в настоящее время), то за последние 20 лет всё возрастает число установок, использующих в качестве сырья нефтяные остатки: мазуты, деасфаль-тизаты и их смеси с вакуумными дистиллятами.

Целью настоящей работы является модернизация процесса и аппаратурного оформления установок каталитического крекинга типа 43−102 в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», направленные на увеличение производительности установок ~ в 1,5 раза при одновременной переработке тяжелого вакуумного дистиллята с концом кипения 520 °C.

Для этого было необходимо:

1. Получить и проанализировать результаты стендовых и опытно-промышленных испытаний процесса каталитического крекинга с использованием существующих алюмосиликатного цеолитсодержащего катализатора типа Ц-100 и аппаратурного оформления реакторно-регенераторного блока с использованием в качестве сырья тяжелого вакуумного дистиллята с целью установления оптимальных условий процесса и путей модернизации установки.

2. Разработать, с учетом полученных результатов и проведенного анализа, основные требования к модернизации реактора, регенератора, пневмотранс-портной линии движения потока катализатора в системе «реактор-регенератор», качественным характеристикам применяемого катализатора.

3. На основе разработанных требований по модернизации аппаратурного оформления процесса каталитического крекинга осуществить диагностику, экспертизу промышленной безопасности установки 43−102.

4. На основе разработанных требований к качественным показателям катализатора крекинга осуществить разработку технологии его производства и провести наработку опытно-промышленной партии катализатора.

5. Ввиду более жестких гидродинамических условий работы катализатора в системе «реактор-регенератор» разработать новую методику оценки физико-механических свойств катализатора с учетом мировых достижений.

6. Разработать комплексный подход к модернизации процесса и аппаратурного оформления установки каталитического крекинга 43−102 на основе совместного учета эксплуатационных свойств катализатора и возможностей по реконструкции аппаратов реакторно-регенераторного блока после проведенной диагностики для увеличения производительности установки ~ в 1,5 раза при переработке тяжелого сернистого вакуумного дистиллята в к.к. 520 °C и более и с этой целью:

— получить экспериментальные данные для оптимизации процесса каталитического крекинга с использованием нового катализатора и для обоснования рабочего объема реактора, реконструкции регенератора и технологии процесса регенерации катализатора от коксовых отложений.

Выводы.

1. Разработаны рекомендации по модернизации процесса и аппаратурного оформления установок каталитического крекинга типа 43−102 в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», направленные на увеличение производительности ~ в 1,5 раза с использованием в качестве сырья более тяжелого вакуумного дистиллята (к.к. 520 °C, содержание фракций, выкипающих до 360 °C не более 5−10%).

2. На основе разработки комплексного подхода, одновременно учитывающего возможности действующего оборудования реакторно-регенераторного блока установки крекинга и эксплуатационных характеристик катализатора, осуществляется разработка технологической и технической документации для модернизации процесса и аппаратурного оформления установок каталитического крекинга.

С этой целью проведены исследования на стендовой установке по оптимизации процесса каталитического крекинга утяжеленного вакуумного сернистого дистиллята с использованием существующего алюмосиликатного цеолитсо-держащего катализатора типа Ц-100 и проведен опытно-промышленный пробег.

В результате опытно-промышленного пробега установлено, что применение катализатора Ц-100 при увеличении производительности установки всего на 11% происходит снижение выходов бензина и легкого газойля на 2−3 мае. % каждого и уменьшение октанового числа на 0,9 пунктов.

Показано, что увеличение объемной скорости подачи сырья ~ в 1,5 раза при сохранении гидродинамических условий движения потока катализатора, т. е. циркуляции катализатора, приводит при применении катализатора Ц-100 к снижению выходов бензиновой и дизельной фракций на 6,1 и 4,5 мае. % соответственно. Увеличение кратности циркуляции катализатора до 3,0−3,5 позволяет достичь высокого выхода бензина (46,6−47,6 мае. %), сравниваемого при действующей производительности, но при этом возрастает выход кокса с 2,7 до.

3,3−3,5 мае. %, что потребует увеличения числа зон регенерации в регенераторе с 11 до 16.

3. На основе проведенных исследований по оптимизации процесса каталитического крекинга с использованием катализатора Ц-100 с учетом модернизации технологии и аппаратурного оформления, результатов опытно-промышленного пробега и возможностей аппаратов реакторно-регенераторного блока установки крекинга разработаны требования к эксплуатационным характеристикам необходимого катализатора.

По сравнению с катализатором Ц-100 требуемый катализатор должен обладать при крекинге тяжелого вакуумного дистиллята:

— более высокой активностью по выходу бензина при увеличении объемной скорости подачи сырья в 1,5 раза;

— более высокой скоростью регенерации от коксовых отложений (~ в 1,31,5 раза) — Л.

— более высокой насыпной плотностью 750−800 кг/м и механической прочностью на износ для увеличения циркуляции катализатора в системе «реактор-регенератор» .

Данному катализатору присвоена марка Ц-600.

4. Осуществлена опытно-промышленная проверка технологии производства катализатора Ц-600 с заданными эксплуатационными свойствами и его загрузка в промышленную установку каталитического крекинга.

5. Проведены исследования на стендовой установке по оптимизации процесса' каталитического крекинга тяжелого вакуумного газойля с использованием катализатора Ц-600.

Показано, что при оптимальных технологических условиях: температура.

3 3 крекинга 450−470°С, объемная скорость подачи сырья 2,2−2,5 м /(мч), кратность циркуляции катализатора 3,0−3,5 выходы продуктов крекинга составляют (мае. %): высокооктановая бензиновая фракция- 49,7+50,4- дизельная фракция-19,0^-20,6- газ-10,74−13,1- кокс- 3,4+3,7.

6. Разработана методика и исследованы регенерационные характеристики катализаторов Ц-600 и Ц-100.

Показано, что скорость окислительной регенерации катализатора Ц-600 от коксовых отложений в сравнении с используемым в настоящее время катализатором Ц-100 в 1,5−3,0 раза выше. Это позволяет исключить увеличение объема регенератора за счет его высоты, которая должна быть обязательной при использовании катализатора Ц-100.

7. Разработан метод и исследованы физико-механические свойства катализаторов Ц-600 и Ц-100.

Показано, что механическая прочность катализатора Ц-600 в динамических условиях значительно превосходит катализатор Ц-100: при 1000 об/мин катализатор Ц-600 разрушился через 500 сек только на 5%, а катализатор Ц-100 полностью.

8. На основе проведенных комплексных исследований и испытаний существующего и перспективного процессов каталитического крекинга, включающего стадии реакции крекинга и регенерации катализатора, были разработаны основные необходимые производственные мероприятия, направленные на модернизацию и аппаратурное оформление процесса каталитического крекинга на установках типа 43−102 в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» .

Данные мероприятия утверждены научно-техническим советом ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» .