Глубокая переработка углеводородов
Глубокая переработка углеводородов.
В.А. Золотухин, автор и патентообладатель, к.т.н.
В настоящее время наиболее широко распространены каталитические процессы углубленной переработки углеводородного сырья, однако даже они не могут предложить достаточно привлекательный технико-экономический баланс для многих нефтепереработчиков при переработке самых тяжелых видов сырья (из программы 19 Мирового нефтяного конгресса, Мадрид, 29.06 – 03.07.2008 г.). Более того, с помощью известных и широко применяемых каталитических технологий невозможно в принципе решить задачу 100 % глубины переработки (считается по выходу легких целевых продуктов с температурой конца кипения 350-360 °С), т.к. тяжелые нефтяные остатки будут очень быстро приводить к отравлению и коксованию активной поверхности любого катализатора. Необходимость постоянного изготовления и обновления катализаторов, оперативная их смена и утилизация требует дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат и повышает себестоимость процесса переработки и получаемой продукции.
Поэтому глубокая переработка нефти и нефтяных остатков, вовлечение в традиционную переработку газообразных и особенно твердых углеводородов является основной задачей ближайшего времени. Для решения вопроса глубокой переработки, рационального и экономного использования любого углеводородного сырья необходимо не просто улучшать известные углубляющие процессы (термический, каталитический и гидрокрекинг), а изменить отношение к существующим технологиям нефтепереработки. Необходимо разработать новый подход или новое направление глубокой переработки углеводородного сырья, которое позволит осуществить безостаточную, практически 100 % конверсию любого углеводородного сырья (жидкого, твердого, газообразного) в целевые легкие углеводороды.
Основное отличие и преимущество предлагаемого подхода и технологии заключается в том, что сырье, в основном тяжелое и содержащее большое количество разнообразных вредных примесей, непосредственно с катализатором не контактирует.
Сначала сырье подвергают мягкому некаталитическому (например, термическому и/или термомеханическому) крекингу.
В процессе крекинга сырья образуются непредельные углеводороды, которые впоследствии могут конденсироваться, что приводит к ограничению глубины переработки. Для наиболее полной и глубокой переработки и увеличения выхода легких целевых продуктов и фракций схема переработки должна быть дополнена устройством, которое позволяет с минимальными затратами насыщать открытые связи атомарным водородом и/или легкими радикалами. Проблему можно решить такой организацией схемы процесса, при которой тяжелое сырье, содержащее вредные примеси и компоненты, и катализатор не контактируют, вследствие чего катализатор практически не отравляется вредными примесями и не коксуется, что приводит к увеличению долговечности катализатора и отсутствию необходимости его регенерации и замены. Для этого молекулярный водород и/или легкие водородсодержащие среды, обогащенные водородом (они не содержат смол, асфальтенов и других вредных примесей и компонентов), например, попутный, природный газ, в том числе газ и часть легких фракций, получаемых в процессе переработки углеводородного сырья, при необходимости подогревают и направляют для получения активного атомарного водорода и/или легких радикалов в реактор с нагретым до необходимой температуры катализатором (блок получения атомарного водорода и/или легких радикалов). Полученные активный водород и/или легкие радикалы направляют в устройства нагрева (учитывая высокую реакционную способность атомарного водорода и/или легких радикалов, которые являются своеобразными катализаторами) и/или некаталитического крекинга жидкого исходного сырья для проведения реакции (процесс схематически изображен на рис. 1).
Нагрев водорода и/или легких водородсодержащих сред, обогащенных водородом, а также реактора с катализатором можно осуществлять за счет тепла нагретого сырья и/или тяжелых фракций, направляемых на повторную обработку. Давление в реакторе с катализатором должно быть больше давления в реакторе некаталитического крекинга сырья. Атомарный водород и/или легкие радикалы насыщают открытые связи непредельных углеводородов с получением легких целевых фракций высокого качества. Легкие насыщенные продукты реакции непрерывно выводятся из процесса для получения легких целевых продуктов (сжиженного газа, бензина, реактивного, дизельного топлива, продуктов нефтехимии). При этом такие дорогие процессы, как гидроочистка, риформинг и т.д. в блоках получения легких товарных продуктов могут не использоваться, т.к. открытые связи радикалов крекинга сырья насыщаются до блока получения товарных продуктов, а регулировка свойств и состава получаемых фракций производится изменением режима и параметров процесса. Кроме того, в процессе обработки сырья уменьшается количество вредных примесей, например сернистых соединений, т.к. в процессе обработки основная часть серы переходит в сероводород и далее выводится из процесса известными методами с дальнейшим получением, например, атомарной серы и других полезных побочных продуктов. Тяжелые фракции направляются на повторную обработку. При повторной обработки тяжелых фракций можно достичь практически 100 % глубины переработки и выхода легких целевых продуктов. Непрореагировавшие молекулярный водород и/или легкие водородсодержащие среды, обогащенные водородом, могут возвращаться в начало процесса для повторного использования. При необходимости, тяжелые фракции частично могут направляться и для получения тяжелых товарных продуктов (битума, кокса и других). Укрупненная блок – схема процесса показана на рис. 2.
Если получение молекулярного водорода в настоящее время является довольно дорогим процессом, то использование для получения атомарного водорода и/или легких радикалов природного или попутного газа, который во многих случаях сжигается на факелах, позволяет свести затраты на проведение процесса глубокой переработки к минимуму.
Технология апробирована на небольшой лабораторной установке. Глубина переработки достигает 97÷98 %. С учетом образующихся несконденсированных газов, можно уверенно говорить практически о 100 % глубине переработки сырья с помощью предлагаемой технологии.
Твердое углеводородное сырье (например, уголь, сланец, продукты растительного происхождения) направляют в блок мелкодисперсного размельчения и вводят в исходное сырье и/или тяжелые фракции перед повторной обработкой или приводят в непосредственный контакт с легкими радикалами. Газообразные углеводороды также вводят в исходное сырье и/или тяжелые фракции перед их повторной обработкой. Жидкие, твердые и газообразные углеводороды могут обрабатываться по данной схеме одновременно, по отдельности или попарно. Часть газообразных и/или легких продуктов (они обогащены водородом и могут заменять исходные водородсодержащие среды) переработки по данной схеме может быть возвращена в начало процесса в реактор с катализатором для получения активного атомарного водорода и/или легких радикалов.
Тяжелое сырье не вступает в непосредственный контакт с катализатором, не происходит его отравление и коксование, отпадает необходимость регенерации и замены катализатора, процесс упрощается и становится более надежным, стоимость процесса и оборудования значительно уменьшается, т.е. происходит снижение капитальных и эксплуатационных затрат, глубина переработки может быть увеличена до 100 %. При этом происходит экономия сырья при выработке необходимого количества целевых товарных продуктов, другими словами оптимальное и рациональное использование сырьевых ресурсов при их дальнейшей переработке при реализации данной схемы. Кроме того, различные остатки и отходы, накапливающиеся в процессе, например, добычи и переработки нефти, приводят к ухудшению экологической обстановки, и их переработка по данной схеме с получением высоколиквидной продукции позволяет решать экологические проблемы и получать дополнительную прибыль. Минимальная производительность, при которой процесс становиться окупаемым, в несколько раз меньше, чем при использовании известных каталитических технологий. Появляется возможность строительства небольших перерабатывающих производств, непосредственно приближенных к потребителю и оптимально удовлетворяющих его требованиям.
Реактор с катализатором может быть выполнен в виде цилиндра, шара, кольцевого цилиндра, параллепипеда (пластины) или другой объемной фигуры с помещенным в него катализатором в виде гранул или порошка произвольного размера и формы. Для оптимизации процесса могут использоваться пакеты реакторов различной конфигурации. Реакторы или пакеты реакторов могут располагаться вдоль движения сырья, поперек или под углом. Поверхность реактора проницаема для атомов водорода и/или легких радикалов, или на поверхности реактора выполнены отверстия произвольной формы, причем размеры отверстий меньше, чем размеры гранул катализатора. Стенки реактора с катализатором могут быть выполнены из пористого материала с различными размерами пор, например в нанометровом диапазоне. Реактор с катализатором может и не содержать гранул или порошка катализатора, при этом оболочка реактора, или весь реактор целиком выполнены из материала, который является катализатором для проведения процесса получения атомарного водорода и/или легких радикалов из молекулярного водорода и/или водородсодержащих сред. В теле катализатора может быть выполнен коллектор для распределения водорода и/или водородсодержащих сред. Количество атомов водорода и/или легких радикалов, получаемых в реакторе с катализатором, должно превышать количество открытых связей радикалов крекинга сырья, а отношение поверхности реактора (пакета реакторов) с катализатором к объему зоны нагрева и/или крекинга сырья увеличивают так, чтобы максимально полно провести реакцию сырья и атомарного водорода и/или легких радикалов. Возможно использование нанотрубок для подачи и получения атомарного водорода и/или легких радикалов и других достижений нанотехнологий и водородной энергетики.
Технология защищена патентами РФ, поданы международные заявки на изобретения по системе РСТ, заявки зарегистрированы в ВОИС.
Широкое промышленное внедрение предлагаемой новой экономичной, экологичной и эффективной технологии глубокой переработки нефти и любого другого углеводородного сырья по топливному варианту и производству продуктов нефтехимии позволит получать огромную дополнительную ежегодную прибыль и экономить сотни и тысячи миллионов тонн сырья ежегодно при полном удовлетворении рынка качественными горюче – смазочными материалами в полном объеме. Другими словами, внедрение таких технологий эквивалентно увеличению мировых запасов углеводородов в несколько раз без затрат на их разведку и добычу при существенном снижении стоимости готовой продукции переработки.
Разработка, возможно в кооперации с ведущими мировыми нефтяными компаниями, промышленных установок нового типа и модернизация всей нефтеперерабатывающей, газовой и угольной промышленности позволит увеличить занятость трудоспособного населения, оживит экономику, приведет к стабилизации мировой энергетической системы и скорейшему выходу из мирового экономического кризиса.