Расчет ректификационной колонны каталитического крекинга производительностью по сырью 450000 тонн/год

Введение

 

Нефтяная отрасль  Казахстана - одна из основных отрослей экономики Казахстана. Годом добычи первой казахстанской нефти считается ноябрь 1899 года в месторождении Карашунгул. Добыча нефти в Казахстане в  1992 году составила 25,8 млн. тонн, уже в 2008 году составила 70 млн тонн.

Нефтяные компании на территории Казахстана многочисленны - от крупных транснациональных корпорации до мелких частных организаций.Одним из крупных считается НК Казмунайгаз, Тенгизшевройл, CNPC-Актобемунайгаз, Карачаганак Петролеум Оперейтинг и другие.

Добыча нефти в 2008 году в Казахстане составила 70 млн. тонн. Из них в Тенгизе - 17,3 млн. тонн, Карашыганаке - 11 млн., Узене - 6,5 млн. тонн, Жанажоле -2 млн. тонн, Кенкияк - надсолевой – 2 млн., Северное Бузачи - 1,8 млн., Жетыбае-1,2 млн., Каракудуке - 1,2 млн., Алибекмоле - 0,4 млн., Кожасае-0,3 млн., Асаре - 0,2млн., Тасбулате - 0,1 млн. и другие.

Казмунайгаз - национальная нефтяная компания Казахстана по добыче, разведке, переработке и транспортировке нефти. В активе Казмунайгаза находится разведка добыча «КазМунайГаз», КазахойлАктюбе (67%), Мангистаумунайгаз (50%), Тенгизшевройл (20%), КазМунайТениз (20%), Кашаган (16,81%),Petro Kazakhstan (33%) и другие.

Общая добыча нефти Казмунайгаза в Казахстане в 2008 году составила 18,7 млн. тонн.

Казахстанские нефтяные компании это «Каспион Тристар» (Мертвый Култук-50%), Aday Petroleum(Адай), Жалгизтюбемунай (Жалгизтюбе), Aral Petroleum (Арыс), Толкыннефтегаз (Толкын), Казполмунай (Боранкол), НК Кольжан (Тузколь, Северо-Западный Кызылкия), Галаз и К (Северо-Западный Коныс), Актау ТРАНЗИТ (Жангурши, Тюбеджик), Казнефтехим - Копа (Таган южный) и другие.

Российские нефтяные компании в Казахстане это Лукойл и Роснефть. У Лукойла в Тенгизе (2,5%), Карашыганаке (15%), Северное Бузачи(25%), Каракудук(62,5%), Арман(50%), Кумколь Северный (33%), Кожасай (33%), Алибекмола (50%), ТЮБ-Караган(50%), Аташский (50%) и Жамбай Южный (12,5%). У Роснефти в Курмангазы 50%.

Общая добыча нефти всех российских компании в Казахстане в 2008 году составило 4,166 млн. тонн.

Американские  и европейские компании в Казахстане - это Chevron (Тенгиз-50%, Кашаган 16,81%, Карашыганак-20%), Eni (Карашыганак-25%, Кашаган-16,81%), ExxonMobil (Тенгиз-25%, Кашаган-16,81%); RoyalPutchShell (Кашаган-16,81%, Арман-50%), Conocophils (Кашаган-8,4%), British Gas (Карашыганак-20%), Repsol YPF (ЖамбайЮжный-25%), Petrom (Тасбулат, Актас, Туркменой), Maerksoil - Дунга, Jipiter Energy (Северо-Западный Жетыбай, Северный Аккар), Lancaster Petroleum (Кумсай, Кокжиде).

Доля американских и европейских компании в нефтяном рынке Казахстана в 2008 году составило 42%.

Китайские компании пришли на казахстанский рынок в 1997 году, когда CNPC купила Актюбемунайгаз (Жанажол, Кенкияк). В 2001 году CNPC купила 50% Buzachi Operating Ltd (Северное Бузачи). В 2006 году CNPC купила Petro Kazakhstan,а китайская группа CITIC купила 50% Каражанбасмунай (Каражанбас). В 2009 году CNPC купила 50% Мангистаумунайгаз.

Общая добыча нефти  всех китайских нефтяных компании в 2008 году составило 17,2 млн. тонн.

Азиатские компании в Казахстане это Inpex (Кашаган-7,56%), Mittal Investments(Каракудук-37,5%, Северное Бузачи-25%, Жанбас Южный-12,5%, Сатпаев-25%), JNNK (Куланды-50%), ONGC Videsh Ltd (Сатпаев-25%), Казахтуркмунай (Сазтюбе, Елемес-49%).

Общая 17-летняя добыча нефти независимого Казахстана составило 696,4 млн. тонн. Добыча нефти в 2010 году составляет 100 млн. Тонн (из них 25-30%в месторождении Тенгиз), а в 2015 году  составит 150 млн. тонн (из них 50% в месторождении Кашаган).

Большие надежды  правительство Казахстана связывает с Северо-Каспийским проектом, а именно с Кашаган. С началом промышленной добычи Кашагана Казахстан войдет в 5-ку крупнейших нефтедобытчиков мира.

Перспективы нефтяной отросли Казахстана после Кашагана является Курмангазы. В отличие от соседнего месторождения Кашагана, Курмангазы является надсолевым. Это значительно облегчит освоение Курмангазы, поскольку не требует проходки сквозь солевой слой.

Сегодня Атырау - основной углеводородный регион Казахстана, крупнейший центр по добыче нефти и газа, перспективный рынок инвестиции.

В 2010 году Атыраускому  НПЗ исполнилось 65-лет. Свой юбилей завод отметил большими успехами. На протяжении всего времени существования, благодаря грамотной политике, НПЗ остается в числе лидеров нефтеперерабатывающей отрасли страны. Здесь бережно берегут главное достояние - стабильность, и заводчане уверены в своем будущем.

Атырауский  НПЗ имеет за плечами богатый  и бесценный опыт в проведении реконструкций. В 2006 году успешно завершен был первый этап реконструкций. Совместно с японскими компаниями построен и пущен в эксплуатацию новый комплекс, который в первую очередь имел экологическую направленность.

Коренная модернизация произведенных мощностей отразилась на увеличении коэффициента водооборота с уменьшением забора воды извне и снижением потребления энергоресурсов. И, главное, улучшено качество моторных топлив и расширен его ассортимент. Сейчас на АНПЗ выпускаются автомобильные бензины марок Регуляр-92, Премиум-95, Супер-98, соответствующие требованиям Евро-2. Объем выработки высокооктановых бензинов возрос до 38% против 7% до реконструкции от общего объема производимого бензина. Дизельные топлива выпускаются также в соответствии с требованиями Евро-3,4, и рассчитаны на применение в современных легковых и грузовых автомобилях с дизельными двигателями. Возросла техническая возможность производства реактивного топлива ТС-1 смесевого с гидроочищенным керосином до 200 тыс. тонн в год.

29 октября 2009 года состоялось подписание договора  между Атырауским НПЗ и китайской компанией Sinopec Engineering («Синопек Инжиниринг») на строительство комплекса по производству ароматических углеводородов по производству ароматических углеводородов на АНПЗ на условиях «под ключ». Комплекс производства ароматических углеводородов - это требование времени, это первый шаг на пути возрождения нефтехимической отрасли Республики. Реализация проекта позволит на первой фазе довести качество автомобильного бензина до Евро-4 и за счет дополнительной выработки водорода также достичь уровня Евро-4 всего объема дизельного топлива. На второй фазе создать произвоство по выпуску бензола до 133 тыс. тонн в год и параксилола до 496 тыс. Тонн в год, как ценного сырья нефтехимической промышленности.

4 сентября текущего  года с участием президента  АО «НК иКазмунайгаз» Кабылдиным К.М. была проведена закладка «первого камня» в фундамент строительства комплекса по производству ароматики и дан старт реализации данного проекта.

На ранних стадиях  развития нефтеперерабатывающей промышленности потребности в автомобильном бензине росли быстрее, чем  потребности в тяжелом жидком топливе (в дизельном топливе), соответственно росло количество сырой нефти, которую нужно было превратить в бензин. Нефтепереработчикам стало ясно, что если производить  прямогонный бензин в количестве, достаточном для удовлетворения потребности рынка,  то рынок будет одновременно затоварен тяжелым топливом. Экономическим следствием сложившейся ситуации стал постоянный рост цен на более тяжелые фракции.

Чтобы спариться  с этой физической и экономической  проблемой инженеры - нефтепереработчики придумали несколько крекинг-процессов, из них наиболее широко распространен каталитический крекинг.

Каталитический  крекинг - важнейший продукт нефтепереработки, существенно влияющий на эффективность НПЗ в целом. Сущность процесса заключается в разложении углеводородов, входящих в состав сырья (вакуумного газойля ) под действием температуры в присутствий цеолитсодержащего алюмосиликатного  катализатора. Целевой продукт установки каталитического крекинга - высокооктановый  компонент бензина с октановым числом 90 пунктов и более.

Бензин имеет плотность 0,72-0,77, октановое число по исследовательскому методу от 87% до 91%. Содержание серы составляет около 15 вес. %, от содержания серы в исходном сырье, то есть, примерно 0,26 вес. %. По химическому составу бензин каталитического крекинга отличается от прямогонных бензинов и бензинов термического процессов. В нем содержится 9-10 вес % ароматических углеводородов и от 20-30вес. % ароматических углеводородов. Непредельные и парафиновые углеводороды на 70-75% состоят из углеводородов изомерного строения. В бензине, полученном на цеолитсодержащем катализаторе, на 10-15% больше углеводородов изомерного строения, чем в бензине, полученном на аморфном катализаторе.

Легкий газойль (фракция 195-350°С) имеет плотность 0,89-0,94,содержит 1,7-2,4 вес % серы и состоит на 40-80% из ароматических соединений. Цетановое число колеблется от 45 до 24. Легкий газойль с высоким цетановым числом используется как компонент дизельного топлива, с низким цетановым числом - как разбавитель мазута, а также как сырье для производства сажи, нафталина, фенантрена.

И бензин, и дизельное топливо нуждаются в очистке от серы.

Тяжелый газойль (фракция >350°С) - жидкий остаточный продукт каталитического крекинга - используется в качестве сырья установок коксования.

 

 

1. Технологическая часть

  1.1 Теоретические основы процесса

 

Каталитический  крекинг - в настоящее время один из основных деструктивных методов производства автомобильных бензинов. Применение катализатора в крекинг-процессе вносит значительные изменения, как в механизм протекающих превращений углеводородов, так и в состав получаемых продуктов. Преимущества каталитического крекинга заключаются, во-первых, в том, что в результате общего ускорения процесса удается несколько снизить температуру крекинга и проводить процесс при низком давлении, во-вторых, и это главное, селективное действие катализатора ускоряет такие реакции, которые приводят к накоплению в крекинг - бензине ароматических, изопарафиновых и изоолефиновых углеводородов, обладающих большими октановыми числами.

Процесс проводят при 450-500°C под давлением не выше 1,5 ат, то есть, в паровой фазе. В качестве катализаторов применяют природные, синтетические и смешанные алюмосиликаты, в составе которых в среднем 10-15% Al₂O₃, 80-75 % SiO₂ и некоторое количество воды. Катализаторы с повышенным содержанием Al₂O₃ более активны. Кроме того, в катализаторе всегда присутствуют примеси окиси железа, магния, кальция и натрия. Сравнительно недавно стали внедрять цеолитные катализаторы - алюмосиликаты с порами малого и строго определенного диаметра.

Особенностью катализаторов  каталитического крекинга является их быстрая дезактивация. Поры катализатора закоксовываются через 10-15 мин работы. Поэтому необходимо крекинг все время чередовать с регенерацией катализатора. Каталитические процессы с частой сменой циклов работы и регенерации получили название циклических. Регенерация заключается в выжигании кокса и смолистых отложений с поверхности катализатора воздухом при 540-680°С. Для предохранения катализатора от местных перегревов воздух разбавляют инертными газами. Однако число циклов регенерации не беспредельно.

Свойство катализатора сохранять активность во время эксплуатации называется стабильностью активности. С течением времени вследствие постепенного уменьшения удельной активной поверхности катализатора и изменения его пористой структуры индекс активности катализатора падает. Это происходит в результате механического истирания частиц катализатора, спекания его и постепенного отравления активных центров металлами, содержащимися в сырье в виде сложных металлоорганических соединений типа порфириновых комплексов, а также продуктов коррозии. Частичная замена катализатора проводится периодически или непрерывно.

Катализаторы  каталитического крекинга должны также  обладать механической прочностью, устойчивостью к истиранию, к действию высокой температуры, водяного пара и к резким изменениям температур.

Изучение строения и свойств алюмосиликатного катализатора показало, что он обладает явно выраженной кислотностью.

Смесь безводных окислов кремния и алюминия мало активны. Следовательно, катализаторами, следует считать только гидратированные алюмосиликаты.

Отметим, что  вода удерживается в катализаторе даже при нагревании его до 700°C. Носителем активности поверхностного слоя катализатора считается соединение (HAlSiO₄)_x, которое может диссоциировать на ион водорода (протон) и ион AlSiO₄^-. Катализатор способен к водородному обмену, в этом и проявляется его активность.

Наиболее распространенной теорией, объясняющей механизм каталитического крекинга на алюмосиликатных катализаторах. В настоящее время является теория карбонии - иона. В основе теории лежат следующие представления.

Ионы карбония аналогичны ионам аммония и содержат трехвалентный положительно заряженный атом углерода. Легче всего они образуются при взаимодействии протона катализатора с олефинами:

                                                 R-CH=CH₂+H⁺→R-⁺CH-CH₃                                                   (1)

Участие в реакции водорода катализатора доказано опытами с мечеными атомами (дейтерием).

Ионы карбония образуется в хемосорбированном  слое молекул, и являются активными промежуточными продуктами многих реакции, протекающих при каталитическом крекинге.

Путем внутренней перегруппировки или взаимодействия с другими молекулами неустойчивые ионы карбония стремятся перейти в более устойчивые формы. Они отличаются очень большой реакционной способностью и могут вступать в самые разнообразные реакций.

Карбоний-ионы образуются при гетеролитическом разрыве связи С-Н в молекуле углеводорода:

                                            

                                              (2)

Затем неустойчивые ионы карбония стремятся перейти  в более устойчивые формы.

Для ионов карбония наиболее характерны следующие превращения.

1. Перегруппировка атомов в молекуле с перемещением водорода или метильных групп, то есть, скелетная изомеризация, приводящая к образованию изомерного иона.

                                               (3)

2. Взаимодействие  с нейтральными молекулами с  образованием новых ионов карбония  и новых молекул как предельных, так и непредельных.

Следовательно, ион карбония может либо отнимать протон от других молекул, либо передавать свой протон олефинам, превращаясь при этом в стабильный олефин.