Научные основы процессов переработки нефтяного и газового сырья химическими методами

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Каспийский общественный университет

РЕФЕРАТ

На тему: «Научные основы процессов переработки нефтяного и газового сырья химическими методами»

Дисциплина: Технологические процессы подготовки и переработки нефти и газа

Выполнил:

Мадьяров Дулат

Алматы 2021

1. Классификация химических методов переработки и очистки нефтяного и газового сырья (термодеструктивные, каталитические)

В химических процессах переработка нефтяного сырья осуществляется путем химических превращений с получением новых продуктов, не содержащихся в исходном сырье. Химические процессы, применяемые на современных НПЗ, по способу активации химических реакций подразделяются на: Термические; Каталитические.

Термические процессы по типу протекающих химических реакций можно подразделить на следующие типы: -

- термодеструктивные (термический крекинг, висбрекинг, коксование, пиролиз, пекование, производство технического углерода и др.);

- термоокислительные (производство битума, газификация кокса, углей и др.).

В термодеструктивных процессах протекают преимущественно реакции распада (крекинга) молекул сырья на низкомолекулярные, а также реакции конденсации с образованием высокомолекулярных продуктов, например кокса, пека и др.

Каталитические процессы по типу катализа можно классифицировать на следующие типы:-

-гетеролитические, протекающие по механизму кислотного катализа (каталитический крекинг, алкилирование, полимеризация, производство эфиров и др.);-

-гомолитические, протекающие по механизму окислительно-восстановительного (электронного) катализа (производства водорода и синтез газов, метанола, элементной серы);-

-гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа (гидроочистка, гидрообессеривание гидрокрекинг, каталитический риформииг, изомеризация, гидродеароматизация, селективная гидродепарафинизация и др.).

2. Термодеструктивные процессы переработки нефтяного сырья: типы и назначение термодеструктивных процессов, их химизм

Под термодеструктивными процессами (термолизом) подразумевают процессы химических превращений нефтяного сырья - совокупности реакций крекинга (распада) и уплотнения, осуществляемые термически, то есть без применения катализаторов и водорода. Основными параметрами термических процессов, влияющие на материальный баланс, ассортимент и качество получаемых продуктов являются свойства сырья, давление, температура и продолжительности процесса.

Под термодеструктивными процессами (термолизом) подразумевают процессы химических превращений нефтяного сырья - совокупности реакций крекинга (распада) и уплотнения, осуществляемые термически, то есть без применения катализаторов и водорода. Основными параметрами термических процессов, влияющие на материальный баланс, ассортимент и качество получаемых продуктов являются свойства сырья, давление, температура и продолжительности процесса.

В современной нефтепереработке применяются следующие типы термодеструктивных процессов:

Термический крекинг высококипящего дистиллятного или остаточного сырья при повышенном давлении (2 - 4 МПа) и температуре 500 - 540 оС с получением газа и жидких продуктов.

С начала возникновения и до середины ХХ в. основным назначением этого «знаменитого» в свое время процесса было получение из нефтяных остатков дополнительного количества бензинов, обладающих, по сравнению с прямогонными, повышенной детонационной стойкости (60 - 65 пунктов по ОЧММ), но низкой химической стабильностью. В связи с внедрением и развитием более эффективных каталитических процессов, таких, как каталитический крекинг, каталитический риформинг, алкилирование и др., процесс термического крекинга остаточного сырья как производящий бензин утратил свое промышленное значение. В настоящее время термический крекинг применяется преимущественно как процесс подготовки дистиллятных видов сырья для установок коксования и производства термогазойля. Применительно к тяжелым нефтяным остаткам промышленное значение в современной нефтепереработке имеет лишь разновидность этого процесса, получивший название висбрекиига, процесс легкого крекинга с ограниченной глубиной термолиза, проводимый при пониженных давлениях (1,5 - 3 МПа) и температуре с целевым назначением снижения вязкости котельного топлива.

2. Коксование длительный процесс термолиза тяжелых остатков или ароматизированных высококипящих дистиллятов при невысоком давлении и температурах 470 - 540 °С. Основное целевое назначение коксования производство нефтяных коксов различных марок в зависимости от качества перерабатываемого сырья. Побочные продукты коксования - малоценный газ, бензины низкого качества и газойли.

3. Пиролиз - высокотемпературный (750 - 800 °С) термолиз газообразного, легкого или среднедистиллятного углеводородного сырья, проводимый при низком давлении и исключительно малой продолжительности. Основным целевым назначением пиролиза является производство непредельных газов. В качестве побочного продукта при пиролизе получают высокоароматизированную жидкость широкого фракционного состава с большим содержанием непредельных углеводородов.

4. Процесс получения технического углерода (сажи) исключительно высокотемпературный (свыше 1200 С) представляет собой термолиз тяжелого высокоароматизироваиного дистиллятного сырья, проводимый при низком давлении и малой продолжительности. Этот процесс можно рассматривать как жесткий пиролиз, направленный на производство твердого высокодисперсного углерода - продукта глубокого термического разложения углеводородного сырья на составляющие элементы.

3. Факторы, влияющие на процессы пиролиза и термического крекинга

На процесс пиролиза влияют следующие основные факторы:

1. температура

2. время контакта

3. давление.

4. разбавление водяным паром

5. материал, из которого выполнен змеевик печи

а) Температура является основным из факторов, определяющих характер процесса пиролиза. При повышении температуры резко повышается скорость реакций пиролиза, а иногда и меняется их характер. При температуре 800°С увеличение температуры на 15-25°С ускоряет пиролиз бутана, пропана и этана в два раза.

С повышением температуры скорость первичных реакций распада растет быстрее, чем скорость вторичных. На этом основан высокотемпературный скоростной пиролиз. В этом процессе вторичные реакции, т.е. реакции полимеризации и конденсации образующихся олефинов значительно отстают от первичных, поэтому олефины сохраняются и выход их по отношению к сырью возрастает, а выход смолы и кокса снижается.

б) Время контакта существенно влияет на выход кокса. С увеличением времени контакта за счет уменьшения скорости подачи сырья в пиролизный змеевик резко увеличивается коксообразование, что ведет к ухудшению условий передачи тепла к сырью.

в) Давление. Снижение давления способствует образованию газообразных продуктов и увеличению выхода этилена и пропилена, т.к. пиролиз углеводородов сопровождается увеличением объема реакционной смеси. Увеличение давления способствует реакциям полимеризации и конденсации, что приводит к увеличению выхода смол, кокса и снижению выхода олефинов.

г) Разбавление водяным паром при пиролизе снижает парциальное давление углеводородов, что ведет к углублению процесса распада углеводородов. Кроме того, образующийся кокс вступает в реакцию с водяным паром, что снижает коксообразование. Также водяной пар, разбавляя реагирующие вещества, снижает роль реакции полимеризации и конденсации. Расход пара разбавления определяется экономическими факторами, при повышении расхода пара происходит удорожание процесса, поэтому выбирается оптимальное количество пара на расход сырья. При пиролизе бензина расход пара составляет до 50% от сырья, при пиролизе этана - 30%, при пиролизе бутана - 40-50%.

д) Материал, из которого выполнен змеевик печи, также играет существенную роль для процесса пиролиза. Каталитическое действие на образование кокса оказывает никель (Ni) железо (Fe) и кобальт (Со). Количество хрома (Сг) в стали уменьшает каталитическое действие никеля.

Обработка внутренней поверхности труб радиации меркаптанами уменьшает скорость коксообразования в 30-40 раз при 100ррм серы; при меньшем со держании серы необходимо обеспечить ее дополнительное введение.

На процесс термического крекинга влияют следующие основные факторы

Качество сырья

Качество сырья оказывает наибольшее влияние на качество продуктов ТК и прежде всего содержание полициклических ароматических углеводородов. Последние претерпевают более глубокие химические превращения (поликонденсированные ароматические структуры), т.е. качество продуктов возрастает.

Временная зависимость

При ТК одновременно протекают последовательно-параллельные реакции расщепления и уплотнения: например, реакция синтеза (полимеризации) бутилена из этилена: 2 С2Н4 > С4Н8. Поэтому время пребывания сырья в зоне реакции оказывает существенное влияние на результат, например, в реакторе коксования с коротким временем пребывания преобладают реакции расщепления с образованием кокса, а в реакционной камере - реакции конденсации и уплотнения.

Влияние температуры

Температура является средством управления процессом ТК, позволяя поддерживать требуемое соотношение между скоростями распада (крекинга) и уплотнения (поликонденсации). Регулирование продолжительности процесса позволяет обрывать на требуемой стадии «химическую эволюцию» в зависимости от целевого назначения процесса.

Влияние давления

Давление влияет на процесс ТК в определенной мере обратным образом, чем температура. С ростом давления возрастает скорость реакций распада с образованием низкомолекулярных газов (С1-С4). Одновременно возрастает скорость реакций уплотнения, в которые вступают эти продукты. В результате возрастает содержание нафтеновых углеводородов. Влияние рециркуляции части продуктов реакции Поскольку высокомолекулярное (тяжелое) сырье ТК крекируется легче, чем низкомолекулярное, рециркуляция последнего продукта (газойлевой фракции) позволяет углубить ароматизацию и повысить химическую устойчивость бензиновых фракций ТК.

Каталитические процессы

По природе промежуточного химического взаимодействия реагирующих веществ и катализатора катализ принято подразделять на следующие три класса:

гемолитический катализ, когда химическое взаимодействие протекает по гомолитическому механизму;

гетеролитический катализ -- в случае гетеролитической природы промежуточного взаимодействия;

бифункциональный (сложный) катализ, включающий оба типа химического взаимодействия.

Ценность этой классификации заключается в том, что именно природа промежуточного химического взаимодействия, а не агрегатное состояние реакционной системы определяет свойства, которыми должен обладать активный катализатор. Так, при гомолитическом катализе разрыв электронных пар в реагирующем веществе обычно требует большой затраты энергии. Для того чтобы тепловой эффект, а следовательно, и энергия активации этой стадии не были бы слишком большими, одновременно с разрывом электронных пар должно протекать и образование новых электронных пар с участием неспаренных электронов катализатора.

По гомолитическому, преимущественно так называемому электронному катализу протекают реакции окислительно-восстановительного типа (такой катализ поэтому часто называют окислительно-восстановительным): гидрирования, дегидрирования, гидрогенолиза гетероорганических соединений нефти, окисления и восстановления в производстве элементной серы, паровой конверсии углеводородов в производстве водорода, гидрирования окиси углерода до метана и др.

Каталитической активностью в отношении таких реакций обладают переходные металлы (с незаполненными d- или f-оболочками) первой подгруппы (Сu, Ag) и восьмой группы (Fe, Ni, Co, Pt, Pd) периодической системы Д. И. Менделеева, их окислы и сульфиды, их смеси (молибдаты никеля, кобальта, ванадаты, вольфраматы, хроматы), а также карбонилы металлов и др.

Гетеролитический, или так называемый ионный, катализ, имеет место в каталитических реакциях крекинга, изомеризации, циклизации, алкилирования, деалкилирования, полимеризации углеводородов, дегидратации спиртов, гидратации олефинов, гидролиза и многих других химических и нефтехимических процессах.

К катализаторам ионных реакций относят жидкие и твердые кислоты и основания (по этому признаку гетеролитический катализ часто называют кислотно-основным): H2SO4, HF, HCl1, Н3РО4, HNO3, СН3СООН, AlCl3, BF3, SbF3, окислы аюминия, циркония, алюмосиликаты, цеолиты, ионообменные смолы, щелочи и др.

В техническом катализе (например, в процессах каталитического риформинга и гидрокрекинга) нашли широкое применение бифункциональные катализаторы, состоящие из носителя кислотного типа (окись алюминия, алюмосиликаты, промотированные галоидами, цеолитом и др.) с нанесенным на него металлом -- катализатором гемолитических реакций (Pt, Pd, Co, Ni, Mo и др.).

Гетерогенные катализаторы. Под термином «гетерогенный катализатор» подразумевают обычно твердый катализатор, нашедший преимущественное применение в каталитических процессах химической технологии.

Гетерогенные катализаторы должны удовлетворять определенным требованиям технологии каталитического процесса, основные из которых следующие:

высокая каталитическая активность; достаточно большая селективность (избирательность) в отношении целевой реакции;

высокая механическая прочность к сжатию, удару и истиранию;

достаточная стабильность всех свойств катализатора на протяжении его службы и способность к их восстановлению при том или ином методе регенерации;

простота получения, обеспечивающая воспроизводимость всех свойств катализатора;

оптимальные форма и геометрические размеры, обусловливающие гидродинамические характеристики реактора; небольшие экономические затраты на производство катализатора.

Каталитический крекинг - один из важнейших техпроцессов, обеспечивающих глубокую переработку нефти.

Основное достоинство процесса - большая эксплуатационная гибкость: возможность перерабатывать различные нефтяные фракции с получением высокооктанового бензина и газа, богатого пропиленом, изобутаном и бутенами; сравнительная легкость совмещения с другими процессами, например, с алкилированием, гидрокрекингом, гидроочисткой, адсорбционной очисткой, деасфальтизацией и т. д. Такой универсальностью объясняется весьма значительная доля каталитического крекинга в общем объёме переработки нефти.

При каталитическом крекинге происходят следующие основные реакции:

перераспределение водорода (гидрирование и дегидрирование),

деалкилирование,

дегидроциклизация,

полимеризация,

конденсация.

При каталитическом крекинге парафинов образуются, в основном, менее высокомолекулярные алканы и олефины, причем содержание последних увеличивается с повышением молекулярной массы сырья. Более высокомолекулярные парафины расщепляются легче в отличие от низкомолекулярных.

Алкилирование --соединения. Алкилирующими агентами обычно являются алкилгалогениды,алкены, эпоксисоединения, спирты, реже альдегиды, кетоны, эфиры, сульфиды, диазоалканы.

Гидроочистка нефтяных фракций направлена на снижение содержания сернистых соединений в товарных нефтепродуктах. Побочно происходит насыщение непредельных углеводородов, снижение содержания смол, кислородсодержащих соединений, а также гидрокрекинг молекул углеводородов.

Гидроочистке подвергаются следующие фракции нефти:

1.Бензиновые фракции (прямогонные и каталитического крекинга);

2.Керосиновые фракции;

3. Дизельное топливо;

4.Вакуумный газойль;

5.Моторные масла

Гидрокрекинг - каталитический процесс переработки нефтяных дистиллятов и остатков при умеренных температурах и повышенных давлениях водорода на полифункциональных катализаторах, обладающих гидрирующими и кислотными свойствами (а в процессах селективного гидрокрекинга - и ситовым эффектом).

Гидрокрекинг позволяет получать с высокими выходами широкий ассортимент высококачественных нефтепродуктов (сжиженных газов С3 - С4, бензина, реактивного и дизельного топлив, компонентов масел) практически из любого нефтяного сырья путем подбора соответствующих катализаторов и технологических условий, является одним из экономически эффективных, гибких и наиболее углубляющих нефтепереработку процессов.

Каталитический риформинг (от англ. to reform - переделывать, улучшать) - каталитическая ароматизация (повышение содержания аренов в результате прохождения реакций образования ароматических углеводородов), относящаяся наряду с каталитической изомеризацией лёгких алканов к гидрокаталитическим процессам реформирования нефтяного сырья.

Проще говоря, риформинг - это переработка бензиновых и лигроиновых фракций нефти для получения автомобильных бензинов, ароматических углеводородов и водородсодержащего газа.

Основными целями риформинга являются:

повышение октанового числа бензинов с целью получения неэтилированного высокооктанового бензина;

получение ароматических углеводородов (аренов);

получение водосодержащего газа для процессов гидроочистки, гидрокрекинга, изомеризации и т. д.

химический очистка нефтяной газовый

Источники

1) Наметкин С.С. «Химия Нефти», 1939.

2) Ахметов С.А. «Технология глубокой переработки нефти и газа», 2002.

3) Бондаренко В.И., Варламов Г.Б., Вольчин И.А. и т.д. «От огня и воды к электричеству» 2012, гл. 8.1, 8.2.1.

4) East-eco.com/node/2104.

5) Скляров А. «История Земли без каменноугольного периода», 2009.

6) wikipedia.org/wiki/Происхождение нефти

7) С.В. Дигонский, В.В. Тен «Неизвестный водород», 2006

Размещено на Allbest.ru