Каталитический и термический крекинг

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

нефть каталитический крекинг термический

Нефтегазоперерабатывающая промышленность является одной из экономически наиболее значимых составляющих топливно-энергетического комплекса любого государства. Природный газ является дешевым энергетическим и бытовым топливом. Перегонкой нефти получают автомобильные бензины, керосин, реактивное, дизельное и котельное топливо. Из высококипящих фракций нефти производят большой ассортимент смазочных и специальных масел, консистентных смазок. При переработке нефти вырабатывают парафин, сажу для резиновой промышленности, нефтяной кокс, многочисленные марки битумов для дорожного строительства и другие товарные продукты. Нефть и углеводородные газы - универсальное сырье для производства огромного количества химических продуктов. Следовательно, без продуктов переработки нефти и газа, т.е. без энергии, света, тепла, связи, радио, телевидения, вычислительной и космической техники, разнообразных химических материалов, всех видов транспорта и т.д. трудно представить жизнь современного человека.

1. Переработка нефти

1.1 Первичная переработка нефти

Нефти бывают разные по своему составу: парафинистые, нафтеновые, ароматические, сернистые, тяжёлые и др.

Первой предварительной обработкой нефти является её обезвоживание и обессоливание. Из-за того, что соли оказывают на оборудование сильное коррозионное воздействие, то содержание их в нефти не должно превышать 5 мг/л. Однако, в поступающей по нефтепроводу, нефти содержится от 100 до 300 мг/л солей. Поэтому нефть, направляющуюся на ректификацию, на первой стадии обессоливают в установках обессоливания.

При первичной переработке нефти ставится задача максимального извлечения светлых фракций, к которым относятся все фракции кроме мазута. Вследствие того, что фракции перегонки различны по свойствам, то готовую нормированную продукцию производят путём компаудирования (смешения) в товарном парке. Пробы полученных смесей идут на лабораторный анализ, где определяют их свойства. Для бензина это октановое число, для мазута - плотность, вязкость и т.д. На основании этих данных составляется паспорт на партию продукта с указанием марки и всех результатов анализа.

Жидкие углеводороды нефти имеют различную температуру кипения. На этом свойстве основана перегонка. При нагреве в ректификационной колонне до 380°C из нефти последовательно с ростом температуры выделяются различные фракции. Нефть на первых НПЗ перегоняли на следующие фракции: прямогонный бензин (он кипит от 40-50°С до 140-150°С), реактивное топливо (140-240°С) и дизельное топливо (240-350°С). Остатком перегонки нефти был мазут. До конца XIX века его выбрасывали, как отходы производства. Для перегонки нефти обычно используют пять ректификационных колонн, в которых последовательно выделяются различные нефтепродукты. Выход бензина при первичной перегонке нефти незначителен, поэтому проводится её вторичная переработка для получения большего объёма автомобильного топлива.

1.2 Вторичная переработка нефти

Вторичная переработка нефти проводится путём термического или химического каталитического расщепления продуктов первичной нефтеперегонки для получения большего количества бензиновых фракций, а также сырья для последующего получения ароматических углеводородов - бензола, толуола и других. Одна из самых распространенных технологий этого цикла - крекинг (англ. cracking - расщепление).

В 1891 году инженеры В.Г. Шухов и С.П. Гаврилов предложили первую в мире промышленную установку для непрерывной реализации термического крекинг-процесса: трубчатый реактор непрерывного действия, где по трубам осуществляется принудительная циркуляция мазута или другого тяжелого нефтяного сырья, а в межтрубное пространство подаются нагретые топочные газы. Выход светлых составляющих при крекинг-процессе, из которых затем можно приготовить бензин, керосин, дизельное топливо составляет от 40-45 до 55-60%. Крекинг-процесс позволяет производить из мазута компоненты для производства смазочных масел.

Каталитический крекинг был открыт в 30-е годы XX века. Катализатор отбирает из сырья и сорбирует на себе прежде всего те молекулы, которые способны достаточно легко дегидрироваться (отдавать водород). Образующиеся при этом непредельные углеводороды, обладая повышенной адсорбционной способностью, вступают в связь с активными центрами катализатора. Происходит полимеризация углеводородов, появляются смолы и кокс. Высвобождающийся водород принимает активное участие в реакциях гидрокрекинга, изомеризации и др. Продукт крекинга обогащается легкими высококачественными углеводородами и в результате получается широкая бензиновая фракция и фракции дизельного топлива, относящиеся к светлым нефтепродуктам. В итоге получаются углеводородные газы (20%), бензиновая фракция (50%), дизельная фракция (20%), тяжелый газойль и кокс.

2. Каталитический крекинг

Катализ (это термин впервые был предложен шведским химиком Берцелиусом в 1855 г.) является исключительно эффективным методом осуществления в промышленности химических превращений. В настоящее время до 90% всей химической продукции мира изготавливается каталитическим путем. От развития катализа в значительной степени зависит технический прогресс химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности.

2.1 Значение и назначение процесса

Процесс каталитического крекинга является одним из наиболее распространенных крупнотоннажных процессов углубленной переработки нефти и в значительной мере определяет технико-экономические показатели современных и перспективных НПЗ топливного профиля.

Основное целевое назначение каталитического крекинга - производство с максимально высоким выходом (до 50% и более) высокооктанового бензина и ценных сжиженных газов - сырья для последующих производств высокооктановых компонентов бензинов изомерного строения: алкилата и метил-трет-бутилового эфира, а также сырья для нефтехимических производств. Получающийся в процессе легкий газойль используется обычно как компонент дизельного топлива, а тяжелый газойль с высоким содержанием полициклических ароматических углеводородов - как сырье для производства технического углерода или высококачественного электродного кокса (например, игольчатого).

Процессы каталитического крекинга получили наибольшее развитие в США, где удельный вес их в 1999 г. составил 34,2% от первичной переработки нефти, причем на некоторых НПЗ этот показатель достигает свыше 50%. Доля этого процесса на НПЗ других развитых капиталистических стран составляет 10-15%.

Еще в 1919-1920-х гг. академиком Н.Д. Зелинским была предложена идея по осуществлению низкотемпературного каталитического крекинга (~200°С) нефтяного сырья на хлориде алюминия. На основе этих работ была создана и испытана опытная установка по получению бензина. Однако в силу существенных недостатков хлорида алюминия как катализатора (сильная коррозия аппаратуры, большой расход катализатора вследствие образования комплексных соединений с углеводородами, периодичность процесса и др.) эта идея не нашла промышленного внедрения.

Первая промышленная установка по каталитическому крекингу керосино-газойлевых фракций, которая была пущена в США в 1936 г., представляла собой периодически регенерируемый процесс со стационарным слоем катализатора из природной глины. В 1940 г. Природная глина была заменена на более активный синтетический гранулированный алюмосиликатный катализатор (установки Гудри). В 1942 г. Промышленный процесс каталитического крекинга переводят на непрерывную схему с применением шарикового катализатора, циркулирующего между реактором и регенератором. В последующие годы возникли и нашли широкое промышленное внедрение более совершенные установки каталитического крекинга с кипящим слоем микросферического катализатора.

Решающее значение для дальнейшего усовершенствования и интенсификации установок каталитического крекинга сыграли разработка в 1962 г. и промышленное внедрение цеолитсодержащих алюмосиликатных катализаторов. Более высокие активность, селективность и термостабильность которых позволили существенно увеличить выход бензина, а также разработать и внедрить (1971 г.) высокоинтенсивные технологии каталитического крекинга с прямоточным реактором - с восходящим потоком микросферического катализатора в так называемом лифт - реакторе.

2.2 Сырье каталитического крекинга

В качестве сырья в процессе каталитического крекинга в течение многих десятилетий традиционно использовали вакуумный дистиллят (газойль) широкого фракционного состава (350-500°С). В ряде случаев в сырье крекинга вовлекаются газойлевые фракции термодеструктивных процессов, гидрокрекинга, рафинаты процессов деасфальтизации мазутов и гудронов, полупродукты масляного производства и др.

В последние годы в мировой нефтепереработке наблюдается тенденция к непрерывному утяжелению сырья. На современных зарубежных установках перешли к переработке глубоковакуумных газойлей с температурной конца кипения 540-620°С. На специально запроектированных установках каталитическому крекингу подвергают остаточное сырье: мазуты и даже гудроны или их смеси с дистиллятным сырьем без или после предварительного облагораживания гидроочиткой, деасфальтизацией или деметаллизацией.

Всю совокупность показателей, характеризующих качество сырья, по степени влияния на процесс каталитического крекинга условно можно подразделить на слудующие три группы:

1) Показатели, влияющие на выход (т.е. на материальный баланс) и качество продуктов крекинга: фракционный и групповой химический состав и содержание гетероорганических соединений;

2) Показатели, влияющие на обратимую дезактивацию катализатора, такие как плотность, коксуемость и содержание сернокислотных смол;

3) Показатели, влияющие на необратимую дезактивацию катализатора: содержание металлов, прежде всего ванадия и никеля.

По фракционному составу к сырью процесса предъявляются следующие требования:

· практически полное отсутствие бензино-лигроиновых фракций, поскольку в условиях крекинга они претерпевают незначительные превращения, к тому же нерационально загружают реакционный аппарат и отрицательно влияют на октановое число бензина;

· ограниченное (до 10%) содержание фракций, выкипающих до 350° С;

· ограниченная температура конца кипения (500-620°С), что обусловливается концентрированием в высококипящих фракциях коксогенных компонентов сырья (смол и асфальтенов) и гетероорганических соединений и металлов.

Групповой химический состав сырья более значительно влияет на выход и качество продуктов крекинга. В большинстве вакуумных газойлей, направляемых на каталитический крекинг, в зависимости от типа исходной нефти содержание в них групповых компонентов колеблется в довольно широких пределах; парафиновых 15-35% нафтеновых 20-40% и ароматических 15-60%.

Влияние группового углеводородного состава вакуумного газойля на выход продуктов крекинга (катализатор цеолитсодержащий, температура 538°С)

*массовый выход

	Сырье
	парафиновое	нафтеновое	ароматическое
Сухой газ *	2,6	3,2	3,4
Сжиженный газ	34,5	27,5	24,3
Бензин -221°С	73	70	54,2
Легкий газойль	5	10	20
Тяжелый газойль	2	5	10
Кокс*	4,8	5,4	6,3

Как видно из таблицы наилучшим для каталитического крекинга по выходу целевых продуктов (бензина и сжиженных газов) является сырье с преобладанием парафиновых и нафтеновых углеводородов. Полициклические ароматические углеводороды и смолы сырья в условиях крекинга дают мало бензина и много тяжелых фракций и кокса. Сернистые и кислородные соединения однотипного по химическому составу сырья не оказывают существенного влияния на материальный баланс каталитического крекинга, но ухудшают качество продуктов. Однако следует указать, что с увеличением содержания гетероорганических соединений в сырье, как правило, одновременно повышается содержание в нем полициклических углеводородов и смол.

К компонентам, обратимо дезактивирующим катализаторы крекинга, относят полициклические ароматические углеводороды, смолы, асфальтены и азотистые соединения сырья. Об обратимой дезактивирующей способности сырья можно судить: косвенно по плотности, а количественно - по коксуемости, определяемой по Конрадсону. Как правило, чем выше коксуемость сырья, тем больше выход кокса на катализаторе.

Обычно на установках каталитического крекинга преимущественно перерабатывают типовое сырье (вакуумный газойль 350-500° С) с коксуемостью не более 0.3-0.5% мас. Если регенератор имеет запас мощности по массе сжигаемого кокса, то может быть использовано сырье с коксуемостью до 2-3% мас. На специальных установках, предназначенных для крекинга остаточного сырья и имеющих системы отвода тепла из регенератора, допускается коксуемость сырья до 5% мас.

Обратимыми ядами для алюмосиликатных катализаторов являются азотистые основания: они прочно адсорбируются на кислотных активных центрах и блокируют их. При одинаковых основных свойствах большее дезактивирующее воздействие на катализатор оказывают азотистые соединения большей молекулярной массы. После выжига кокса активность отравленного азотистыми основаниями катализатора полностью восстанавливается. Цеолитсодержащие катализаторы, благодаря молекулярно-ситовым свойствам, отравляются азотом в значительно меньшей степени, чем аморфные алюмосиликатные.

Металлоорганические соединения, содержащиеся преимущественно в высококипящих и особенно остаточных фракциях нефти, относят к необратимо дезактивирующим компонентам сырья крекинга. Блокируя активные центры катализатора, они отрицательно влияют не только на его активность, но и на селективность. Так, по мере увеличения содержания никеля и ванадия, являющихся, как известно, дегидрирующими металлами, интенсивно возрастает в продуктах крекинга выход водорода и сухих газов, а выход бензина существенно снижается.

На установках каталитического крекинга, на которых не предусмотрены специальные приемы но улавливанию или пассивации отравляющего действия металлов, содержание их в сырье нормируется не более 2 г/т.

Для переработки сырья с коксуемостью более 10% масс. и содержащем металлов 10-30 г./г и более требуется обязательная его предварительная подготовка.

2.3 Облагораживание сырья каталитического крекинга

С целью снижения содержания металлов и коксогенных компонентов в сырье до такой степени, чтобы его последующая каталитическая переработка была бы более экономична, т.е. при умеренных габаритах регенератора и без чрезмерного расхода дорогостоящего катализатора, осуществляется его подготовка.

Из процессов облагораживания сырья каталитического крекинга в настоящее время широко применяется каталитическая гидроочистка преимущественно вакуумных газойлей и более тяжелого сырья с ограниченным содержанием металлов.

К сырью гидрогенизационных процессов, по сравнению с каталитическим крекингом, не предъявляется столь жестких ограничений по коксуемости, поскольку скорости коксообразования в этих процессах несопоставимы. Однако по содержанию металлов к сырью обоих процессов предъявляются практически одинаковые ограничения, поскольку металлы сырья одинаково необратимо дезактивируют как металлические центры, так и кислотные центры катализаторов.

Необходимо отметить следующие достоинства комбинированной каталитической переработки с предварительной гидроочисткой сырья крекинга:

· существенно снижается содержание сернистых и азотистых соединений во всех жидких продуктах каталитического крекинга и содержание оксидов серы в газах регенерации, в результате отпадает необходимость в их облагораживании и снижаются выбросы вредных газов в атмосферу

· полициклические ароматические углеводороды и смолы сырья при гидроочистке подвергаются частичному гидрокрекингу с образованием алкилароматических углеводородов с меньшим числом колец, в результате снижается коксообразование в процессе каталитического крекинга;

· существенно снижается содержание металлов в гидроочищенном сырье, что снижает расход катализаторов крекинга;

· при каталитическом крекинге гидроочищенного сырья увеличивается выход целевых (более высокого качества) продуктов и снижается выход газойлей и кокса.

К недостаткам комбинированной переработки следует отнести увеличение капитальных и эксплуатационных затрат и возможность переработки сырья с ограниченным содержанием металлов.

К некаталитическим процессам подготовки сырья к каталитическому крекингу (а также гидрокрекингу) не предъявляются таковые ограничения по содержанию металлов, что позволяет значительно расширить ресурсы сырья за счет вовлечения остаточных видов сырья. Но они характеризуются повышенными капитальными и эксплуатационными затратами, из-за чего сдерживается их широкое применение в современной нефтепереработке.

Из внедренных в промышленном масштабе в нефтепереработке методов некаталитической подготовки остаточных видов сырья следует отметить процессы сольвентной и термоадсорбционной деасфальтизации и деметаллизации.

Сольвентная деасфальтизация с использованием в качестве растворителей пропана, бутана, пентана или легкого бензина основана на технологии подобной пропановой деасфальтизации гудронов, применяемой в производстве смазочных масел. В этих процессах наряду с деасфальтизацией и обессмоливанием достигаются одновременно деметаллизация, а также частичное обессеривание и деазотирование тяжелых нефтяных остатков (ТНО), что существенно облегчает последующую их каталитическую переработку.

В случае применения некаталитических процессов облагораживания ТНО возможна трехступенчатая переработка остаточного сырья по схеме: деасфальтизация гудрона (сольвентная или термоадсорбционная) > гидрообессеривание смеси деасфальтизата и вакуумного газойля > каталитический крекинг гидрогенизата.

Целевым назначением процесса 3D (дискриминационной деструктивной дистилляции) является подготовка нефтяных остатков (тяжелых нефтей, мазутов, гудронов, битуминозных нефтей) для последующей каталитической переработки путем жесткого термоадсорбционного крекинга в реакционной системе с ультракоротким временем контакта (доли секунды) циркулирующего адсорбента (контакта) с нагретым диспергированным сырьем. В отличие от АРТ в процессе 3D вместо лифт-реактора используется реактор нового поколения, в котором осуществляется исключительно малое время контакта сырья с адсорбентом на коротком горизонтальном участке трубы на входе в сепаратор циклонного типа. Эксплуатационные испытания демонстрационной установки показали, что выход и качество продуктов 3D выше, чем у процесса АРТ.

Процесс АКО (адсорбционно-контактная очистка) разрабатывался во ВНИИНП в 1980-1990-х гг. и испытан в широком масштабе, предназначен для глубокой очистки нефтяных остатков от нежелательных примесей; по аппаратурному оформлению реакционной системы (лифт-реакторного типа) аналогичен процессу АРТ. В качестве адсорбента используется природный мелкозернистый каолин . Типичный режим процесса: массовая скорость подачи сырья - 20; время контактирования - 0,5 с; температура в реакторе - 520°С.

В результате очистки мазута происходит удаление тяжелых металлов на 95-98%, серы - на 35-45%, азота - на 50-60%, а коксуемость снижается на 75-80% мас. Процесс АКО характеризуется низкими выходами газа и бензина (5-6 и 6-8% мас. соответственно) и высокими выходами газойлевой фракции (порядка 80% мас.). Выход кокса составляет 125% от коксуемости сырья по Кондрадсону. Тяжелый газойль и широкая газойлевая фракция являются качественным сырьем каталитического крекинга после предварительной гидроочистки. Применяемый в процессе адсорбент позволяет полностью исключить выбросы оксидов серы с газами регенерации.

2.4 Катализаторы крекинга

Катализаторы современных крупнотоннажных процессов каталитического крекинга, осуществляемых при высоких температурах (500-800°С) в режиме интенсивного массо- и теплообмена в аппаратах с движущимся или псевдоожиженным слоем катализатора, должных обладать не только высокими активностью, селективностью и термостабильностью, но и удовлетворять повышенным требованиям к ним по регенерационным, механическим и некоторым другим эксплуатационным свойствам. Промышленные катализаторы крекинга представляют собой в этой связи сложные многокомпонентные системы, состоящие из: 1) матрицы (носителя); 2) активного компонента - цеолита; 3) вспомогательных активных и неактивных добавок.

Матрица катализаторов крекинга выполняет функции как носителя - поверхности, на которой затем диспергируют основной активный компонент - неолит и вспомогательные добавки, так и слабого кислотного катализатора предварительного (первичного) крекирования высокомолекулярного исходного нефтяного сырья. В качестве материала матрицы современных катализаторов крекинга преимущественно применяют синтетический аморфный алюмосиликат с высокой удельной поверхностью и оптимальной поровой структурой, обеспечивающей доступ для крупных молекул крекируемого сырья.

Аморфные алюмосиликаты являлись основными промышленными катализаторами крекинга до разработки цеолитсодержащих катализаторов. Синтезируются они при взаимодействии растворов, содержащих оксиды алюминия и кремния, например жидкого стекла и сернокислого алюминия . Химический состав аморфного алюмосиликата может быть выражен формулой , где х - число молей на 1 моль . Обычно в промышленных аморфных алюмосиликатах содержание оксида алюминия находится в пределах 6-30% мас.

Аморфные алюмосиликаты обладают ионообменными свойствами, а для придания каталитической активности обрабатывают их раствором сернокислого алюминия для замещения катионов на . Высушенные и прокаленные аморфные алюмосиликаты проявляют протонную и апротонную кислотности. При этом по мере повышения температуры прокаливания происходит превращение протонных кислотных центров в апротонные.

Активным компонентом катализаторов крекинга является цеолит, который позволяет осуществлять вторичные каталитические превращения углеводородов сырья с образованием конечных целевых продуктов.

Цеолиты (от греческого слова цео - кипящий, литос - камень) представляют собой алюмосиликаты с трехмерной кристаллической структурой.

Недостатком всех цеолитов является их не очень высокая механическая прочность в чистом виде, и поэтому они в качестве промышленного катализатора не используются. Обычно их вводят в диспергированном виде в матрицу катализаторов в количестве 10-20% мас.

Вспомогательные добавки улучшают или придают некоторые специфические физико-химические и механические свойства цеолитсодержащих алюмосиликатных катализаторов (ЦСК) крекинга. ЦСК без вспомогательных добавок не могут полностью удовлетворять всему комплексу требований, предъявляемых к современным промышленным катализаторам крекинга. Так, матрица и активный компонент - цеолит, входящий в состав ЦСК, обладают только кислотной активностью, в то время как для организации интенсивной регенерации закоксованного катализатора требуется наличие металлических центров, катализирующих реакции окислительно-восстановительного типа. Современные и перспективные процессы каталитического крекинга требуют улучшения и оптимизации дополнительно таких свойств ЦСК, как износостойкость, механическая прочность, текучесть, стойкость к отравляющему воздействию металлов сырья и т.д., а также тех свойств, которые обеспечивают экологическую чистоту газовых выбросов в атмосферу.

3. Термический крекинг

В отличие от атмосферной и вакуумной перегонки, при которых нефтепродукты получаются путем физического разделения нефти на соответствующие фракции, отличающиеся по температурам кипения, термический крекинг является химическим процессом, происходящим под влиянием высокой температуры и давления, а также времени воздействия этих факторов; при термическом крекинге одновременно протекают реакции распада, уплотнения и перегруппировки.

В нефтеперерабатывающей промышленности в настоящее время широко применяются термический крекинг под давлением, коксование и пиролиз. Термическому крекингу под давлением подвергаются нефтяные остатки и дистиллятные фракции для получения товарного топочного мазута, крекинг-керосина, бензина и крекинг-газа.

Коксование нефтяных остатков производится для получения товарного кокса, газа, бензина и соляровых фракций (дистиллятов коксования), являющихся сырьем для дальнейшей переработки.

Пиролиз дистиллятного или вторичного дистиллятного сырья, а также легких углеводородов от этана до бутана включительно производится для получения газа с высоким содержанием олефиновых и ароматических углеводородов.

3.1 Виды и характеристика процессов термического крекинга

Термический крекинг под давлением предназначен для переработки тяжелых нефтяных остатков и дистиллятного сырья. К тяжелым нефтяным остаткам относятся мазуты прямой гонки, остатки вакуумной перегонки, масляные гудроны, экстракты селективной очистки масел и другие продукты, не содержащие фракций, выкипающих до температуры 350° С.

Из дистиллятных видов сырья крекированию подвергают: дистилляты коксования, прямогонные соляровые фракции, флегму легкого термического крекинга, лигропновые фракции и низкооктановый бензин прямой гонки.

Тяжелое нефтяное сырье подвергают термическому крекингу под давлением для превращения его в товарный топочный мазут. Одновременно при этом получают до 15% бензинового дистиллята и до 4% крекинг-газа. Крекинг проводят при температуре 455-480^е С и давлении 40-50 ат в течение 2-4 мин.

Мазут прямой гонки и соляр крекируют для получения автомобильного бензина, газа и топочного мазута. Температура в зоне реакции в печи глубокого крекинга составляет 505-510° С, в печи легкого крекинга поддерживается в интервале 470-480° С. Выход бензинового дистиллята составляет 25-30%, газа-примерно 6-7%, Октановое число бензина, в зависимости от качества исходного сырья, колеблется от 60 до 70 пунктов.

Крекинг под давлением, или термический риформннг прямогонного бензина и лигроиновых фракций, используется для получения компонента автомобильного бензина и крекинг-газа. В зависимости от качества сырья в этом процессе температура составляет 540-560° С и давление 40-60 ат. Октановое число компонента автомобильного бензина с концом кипения 190-195° С колеблется в пределах 70-74 пунктов.

Процесс коксования тяжелого нефтяного сырья возник первоначально в связи с ростом потребности в беззольном электродном нефтяном коксе для изготовления электродов и анодной массы. Процесс коксования ведется при температуре 450° С и атмосферном давлении. В качестве сырья для получения электродного кокса используют остаточные продукты пирогенетического разложения дистиллятного сырья: смолы и пек, крекинг-остатки и гудрон. В связи с развитием процесса каталитического крекинга процесс коксования тяжелых нефтяных остатков становится источником сырья для установок каталитического крекинга

На первом этапе своего развития на установках каталитического крекинга получали высокооктановый компонент авиационного бензина и перерабатывали керосино-газойлевую фракцию, являющуюся, по существу, дизельным топливом. В последующем значительная часть установок каталитического крекинга стала перерабатывать вакуумный отгон от мазута прямой перегонки в смеси с дистиллятом коксования.

В настоящее время только небольшое число установок перерабатывает керосино-газойлевую фракцию, вырабатывая компоненты авиационного бензина. Таким образом, при коксовании тяжелого нефтяного сырья получают товарный кокс, газ, бензин и дистиллят коксования, идущий на дальнейшую переработку. Этот процесс способствует увеличению глубины отбора светлых нефтепродуктов из нефти.

Процесс пиролиза изучен и разработан главным образом русскими учеными. Еще в 70-х годах XIX в. в Казани и Киеве работали заводы по получению осветительного газа пиролизом нефтяного сырья.

В 1877 г. А. Летний, получив из смолы пиролиза ароматические углеводороды, показал промышленную возможность получения их по этому способу.

Во время войны 1914-1917 гг. в Баку было построено несколько пиролизных установок для получения из нефтяного сырья ароматических углеводородов - бензола и толуола.

Современные пирогенные трубчатые установки непрерывного действия используются в основном для получения газа с высоким содержанием этилена, который широко используется в химической промышленности.

Потребность в ароматических углеводородах в настоящее время покрывается за счет каталитического риформинга узких бензиновых фракций.

Процесс пиролиза, в зависимости от качества сырья, ведется при 670-830° С. Сырьем пиролиза могут являться любые углеводороды, начиная с легких, содержащихся в газах, а также бензины прямой гонки, лигроиновые фракции, керосины термического крекинга, керосино-газойлевая фракция и др.

Процессы термической переработки нефтяного сырья имеют большое народохозяйственное значение.

Переработка тяжелых нефтяных остатков способствует значительному увеличению глубины отбора светлых нефтепродуктов из нефти.

Термический крекинг позволяет улучшить антидетонационные свойства автомобильных бензинов. На процессах термической переработки нефтяного сырья в настоящее время базируется развитие нефтехимической промышленности.

3.2 Крекинг углеводородов различных рядов

Химические реакции крекинг-процесса обусловлены прежде всего реакциями разложения исходного сырья.

Наряду с реакциями разложения при крекинге имеют место реакции уплотнения, в результате которых образуются более сложные и тяжелые соединения, чем исходное сырье. Эти вещества являются продуктами вторичного происхождения. Вместе с распадом и уплотнением возможны различные внутримолекулярные перегруппировки, вызывающие изменение структуры исходной молекулы.

Реакции разложения являются основными реакциями, протекающими при крекинге парафиновых углеводородов. Распад парафиновых углеводородов может происходить по различным схемам. Ниже приводятся реакции распада бутана:

и т.д.

При крекинге более сложных парафиновых углеводородов число возможных направлений реакций будет значительно возрастать. При умеренных температурах крекинга (ниже 500° С) распад тяжелых парафиновых углеводородов происходит преимущественно в середине цепи. Реакция распада н-додекана в этом случае протекает преимущественно с образованием гексилена и гексана по схеме

Образование газов крекинга (в обычных условиях) указывает на то, что вновь образовавшиеся парафиновые углеводороды продолжают распадаться. Реакция распада происходит по схеме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

и т.д.

При крекинге парафиновых углеводородов нормального строения в одинаковых условиях образуются продукты разложения различных видов в зависимости от молекулярного веса (длины цепи) углеводорода. При 425° С и времени реакции 1 ч декан образует 27,5% продуктов разложения, а дотриаконтан -84,5%. Выходы бензина в тех же условиях крекинга додекана , гексадекана и дотриаконтанаоказались практически одинаковыми (15,5; 16,7; 16,4%).При более жестких условиях проведения крекинга схемы распада усложняются реакциями дегидрирования, распадом молекул по концам цепи.

Если к тому же принять во внимание сложность химического состава технического сырья, то становится понятным разнообразие схем химических реакций, протекающих при крекинге, и сложность состава продуктов реакции.

Реакции уплотнения являются вторичными реакциями.

Образование продуктов уплотнения, при прочих равных условиях, в значительной степени зависит от химического состава крекируемого материала. Так, при крекинге парафинистого сырья с малым содержанием ароматических углеводородов и смол кокса образуется значительно меньше.

Парафиновые углеводороды в условиях крекинга менее склонны к реакциям уплотнения. Эти процессы происходят при наличии углеводородов ароматического и олефинового ряда.

В условиях низкотемпературного крекинга (425°С) олефиновые углеводороды, соединяясь между собой, образуют полимеры непредельного характера, а с ароматическими углеводородами - продукты конденсации.

Повышение температуры крекинга резко изменяет ход реакции. Место разрыва смещается ближе к концу цепи, газообразование усиливается, и в результате образуются преимущественно низшие парафины и высокомолекулярные олефиновые углеводороды. Одновременно увеличивается выход продуктов уплотнения.

На установках термического крекинга перерабатываются не только дистилляты и остатки атмосферно-вакуумной перегонки, но также и продукты вторичного происхождения: дистилляты коксования, флегма легкого термического крекинга мазута прямой гонки и др. Эти продукты содержат большое количество непредельных углеводородов. Совместно с другими углеводородами они подвергаются термическому крекингу.

При термическом крекинге олефиновые углеводороды вступают в различные химические реакции: полимеризуются, разлагаются, соединяются с ароматическими углеводородами и т.д. По сравнению с парафиновыми углеводородами у олефинов преобладают реакции полимеризации и конденсации.

Выходы продуктов разложения, как для олефинов, так и для парафинов с одинаковым числом атомов практически равны; продуктов конденсации олефинов получается значительно больше.

Стойкость олефинов при нагревании, как и парафиновых углеводородов, снижается по мере увеличения молекулярного веса. Общее количество продуктов реакции, при крекинге в одинаковых условиях у олефиновых углеводородов больше, чем у парафиновых. При высоких температурах и низких давлениях реакции полимеризации олефинов имеют второстепенное значение.

Нафтеновые углеводороды нефти принадлежат к рядам циклопентана и циклогексана. В сырье для крекинга содержатся преимущественно алкилированные нафтены с одной или более парафиновыми боковыми цепями, а также соответствующие конденсированные системы. Одной из наиболее важных реакций термического крекинга нафтеновых углеводородов является реакция расщепления боковых цепей нафтенов. Нафтены с длинными боковыми цепями так же термически неустойчивы, как и соответствующие им парафины. При температурах глубокого термического крекинга боковые цепи распадаются преимущественно в середине с образованием низкомолекулярного парафина и нафтена с олефиновой боковой цепью или олефина и нафтена с парафиновой боковой цепью. Например:

Поскольку разложение боковых цепей происходит в несколько стадий, длинные боковые цепи укорачиваются, и когда в боковой цепи остается метильная или этильная группа, в результате повышения термической стабильности молекул дальнейшее разложение приостанавливается.

Наличие высокомолекулярных нафтеновых углеводородов в сырье обусловливает его высокую вязкость. Разложение их снижает вязкость продуктов крекинга. Циклогексан термически более. устойчив, чем н-гексан, но менее устойчив, чем бензол. При температуре 575-650°С протекают реакции разрыва кольца или дегидрирование его до ароматических углеводородов:

Крекинг в паровой фазе лигроиновых фракций нефтей нафтенового основания при температуре 560°С и давлении 40-50 ат. способствует увеличению содержания ароматических углеводородов в крекинг - бензине.

Наиболее термически устойчивыми являются ароматические углеводороды. Особенно устойчивы к реакциям крекинга нафталин, бензол и алкилбензолы с короткими боковыми цепями.

Реакция разложения бензола при 600°С протекает крайне медленно, а нафталин начинает заметно разлагаться только при температуре 750° С.

Основными реакциями при обычных условиях крекинга нефтяного сырья являются реакции распада боковых цепей алкилароматических соединений. Чем длиннее цепь, тем легче она распадается.

Характер реакций распада боковых цепей такой же, как и у нафтеновых углеводородов, т.е. при крекинге алкилароматических соединений образуются низкомолекулярный парафин или олефин и алкилароматические углеводороды с короткой боковой цепью. При этих реакциях повышается содержание низкомолекулярных ароматических углеводородов в крекинг-бензине и улучшаются его антидетонационные свойства.

Другой вид реакции, сопровождающий процесс термического крекинга, это реакция конденсации ароматических углеводородов с непредельными углеводородами, при которых образуются высокомолекулярные соединения, дальнейшая конденсация которых приводит к образованию кокса.

При крекинге сернистых соединений наблюдали, что наиболее термически стабильными соединениями серы являются меркаптаны и тиофены. Моносульфиды и дисульфиды при крекинге превращаются главным образом в элементарную серу, сероводород и меркаптаны. Меркаптаны при глубоком крекинге образуют олефин и сероводород. Например:

Образование элементарной серы и сероводорода при крекинге сернистых соединений приводит к интенсивной коррозии аппаратуры, особенно при переработке нефтяного сырья с высоким содержанием серы.

Смолы или нейтральные смолы представляют собой высшие полициклические соединения с короткими боковыми цепями, содержащие кислород и серу. Они в значительных количествах встречаются в высококипящих дистиллятах и остатках - мазутах, гудронах.

При крекинге нейтральных смол и асфальтенов получаются газы, жидкие продукты и большое количество кокса. Выход кокса при крекинге асфальтенов достигает 60 вес.%, а при крекинге нейтральных смол-от 7 до 20 вес.% (в зависимости от молекулярного веса смол).

3.3 Коксообразование и газообразование при крекинге

Коксообразование при крекинге является сложной реакцией уплотнения, протекающей одновременно с реакциями разложения. Образование кокса зависит как от основных параметров крекинга (температуры и времени реакции), так и от качества крекируемого материала. Чем тяжелее сырье, тем легче идет коксообразование при крекинге, потому что в сырье уже содержатся коксообразующие компоненты в виде смол и асфальтенов.

Слишком большая продолжительность крекинга для получения максимального выхода бензина в одном процессе не экономична в связи с большим ростом коксообразования. Более выгодна система повторного крекинга или крекинга с рециркуляцией.

Зависимость скорости образования кокса от температуры примерно такая же, как и при крекинге парафинистого сырья при умеренных температурах, т.е. - скорость коксообразования увеличивается в два раза с повышением температуры на 10°С и приблизительно в шесть раз при повышении температуры на 25° С. Давление в пределах от 10 до 40 ат практически не оказывает влияния на скорость коксообразования.

С повышением глубины крекирования (однократный крекинг) выход бензина достигает своего максимума, а затем снижается. Одновременно выход газа резко возрастает. Это вызвано разложением образовавшегося бензина с выделением газа. С углублением процесса крекинга значительно увеличивается также выход кокса, что объясняется возрастанием концентрации коксообразующих веществ в зоне реакции, т.е. непредельных и ароматических углеводородов.

Таким образом, выход бензина в процессе однократного крекинга ограничивается, с одной стороны, моментом начала интенсивного разложения бензина с увеличением выхода газа и с другой, - усилением коксообразования. Последнее обстоятельство имеет особенно важное значение, так как связано с пробегом установок и объемом коксоочистных работ при ремонте.

3.4 Легкий крекинг (висбрекинг)

При переработке нефтяных остатков - полугудронов и гудронов - целевым продуктом обычно является котельное топливо, получаемое в результате снижения вязкости исходного остатка. Такой процесс неглубокого разложения сырья называется легким крекингом или висбрекингом.

Висбрекинг - это термический крекинг для бедных. Установка висбрекинга использует тяжелый остаток от процесса вакуумной перегонки, часть которого подвергается в ней термическому крекингу. Продукт можно снова разделить на фракции, что приводит к уменьшению объема остатка. После этого к остатку добавляют для разбавления некий дистиллятный нефтепродукт (разбавитель), тогда остаток (пек) висбрекинга становится пригодным к применению в качестве остаточного (котельного) топлива. Количество дистиллята, добавляемого для разбавления, меньше, чем количество продуктов крекинга, выходящих с установки - таким образом, в целом, объем остаточного топлива снижается.

В качестве разбавителя можно брать тяжелый крекинг-газойль, рециркулирующий газойль или погон, полученный при разделении продуктов на этой же установке.

Висбрекинг напоминает термический крекинг, но отличается от последнего по интенсивности. Оборудование в этом случае проще, и весь процесс дешевле. С другой стороны, только 20-30% тяжелого остатка вакуумной перегонки подвергается трансформации.

Учитывая возможные источники остаточного топлива, уменьшение количества остатка может сводиться к вакуумной перегонке в сочетании с каталитическим крекингом, а не к термическому крекингу в сочетании с коксованием. Однако это будет именно уменьшение количества остатка, но не деструкция пека.

Заключение

Увеличение объема производства нефтепродуктов, расширение их ассортимента и улучшение качества - основные задачи, поставленные перед нефтеперерабатывающей промышленностью в настоящее время. Решение этих задач в условиях, когда непрерывно возрастает доля переработки сернистых и высокосернистых, а за последние годы и высокопарафинистых нефтей, потребовало изменения технологии переработки нефти. Большое значение приобрели вторичные и, особенно, каталитические процессы. Производство топлив, отвечающих современным требованиям, невозможно без применения таких процессов, как каталитический крекинг, каталитический риформинг, гидроочистка, алкилирование и изомеризация, а в некоторых случаях - гидрокрекинг.

Список литературы

1. Леффлер У.Л. Переработка нефти: - М.: Олимп-Бизнес, 2005.-224 с.

2. Независимая электронная энциклопедия [электронный ресурс] www. wikipedia. ru

3. Смедович Е.В. Технология переработки нефти и газа: - М.: Химия, 1980.

4. Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти и газа/ под ред. С.А. Ахметова. - М.: Химия, 2005.-736 с.

5. www.gazonline.ru

Размещено на Allbest.ru

...