В настоящее время общей тенденцией нефтяной отрасли является уменьшение разведанных запасов лёгкой нефти, практически весь прирост запасов происходит за счет тяжелой вязкой сернистой нефти.
Запасы нефти, удобные для добычи и переработки, истощаются ускоренными темпами. В то же время, по данным экспертов, мировые запасы тяжелой нефти составляют более 810 миллиардов тонн.
Геологические запасы высоковязкой и тяжелой нефти в России достигают 6-7 миллиардов тонн, однако их применение и извлечение требует использования специальных дорогостоящих технологий (Е. Данилова, 2008 год, «Тяжелые нефти России», The Chemical Journal).
Более того, коллективом ученых под руководством академика РАН А.Н. Дмитриевского открыты месторождения природного высокомолекулярного сырья, суммарные геологические запасы только по одному из российских месторождений составляют 2,56 миллиардов тонн («Нефть России», №7, 2007, стр. 86-91).
Таким образом, в недалекой перспективе придется перерабатывать исключительно тяжелую нефть.
Но переработка тяжелой нефти весьма затруднительна, энергоёмка и, как следствие, низкорентабельна или убыточна. Для обеспечения приемлемой глубины переработки такой нефти с помощью известных технологий требуются большие капиталовложения, высокие процентные нормы эксплуатационных затрат и оборотных средств.
Кроме того, в последнее время усиливается тенденция переработки в бензин и дизельное топливо продуктов растительного происхождения. Это принципиально неверная позиция, которая может привести к серьезным социальным и экологическим последствиям в масштабах всей планеты. Гораздо перспективнее приложить усилия к увеличению (в перспективе практически до 100% без учета потерь и неорганических примесей) глубины переработки классического сырья для этих целей - нефти и нефтяных остатков, на что и направлен предлагаемый проект.
Некоторые недостатки углубляющих процессов
В настоящее время известны два основных процесса углубленной переработки - термический и каталитический крекинг (включая гидрокрекинг).
Термический крекинг известен очень давно, стоимость процесса и оборудования вполне приемлемая.
Недостатки процесса - плохая управляемость, малый пробег оборудования вследствие его коксования, недостаточное качество получаемых продуктов, много непредельных соединений, в том числе газообразных, которые потом ведут к нестабильности получаемых товарных продуктов, их окислению, осмолению двигателей и т.д. Практически, сейчас термический крекинг широко не используется, только в процессах коксования, но при сернистом сырье получается высокосернистый кокс, который не востребован.
В настоящее время наиболее широко распространены каталитические процессы углубленной переработки, однако даже они «не могут предложить достаточно привлекательный технико-экономический баланс для многих нефтепереработчиков при переработке самых тяжелых видов сырья, а крекирование до стадии кокса было и остается основополагающим компонентом при переработке остатков тяжелой нефти» (World Petroleum Congress. (2008). Block 2 - Downstream: Madrid, 29.06 - 03.07.2008).
Главный недостаток - очень высокая стоимость процесса и для установок малой и средней мощности процесс себя не оправдывает. Тяжелые нефтяные остатки непосредственно контактируют с катализатором и очень быстро приводят к отравлению, осмолению и коксованию активной поверхности любого катализатора, что приводит к удорожанию процесса и получаемых продуктов.
Эти процессы применяются в нефтепереработке многие десятилетия, и практически нет промышленной реализации новых процессов, которые при сохранении необходимого качества получаемых продуктов позволили бы снизить стоимость оборудования и процесса и, как следствие - стоимость получаемых продуктов.
Кроме того, при условии ограничения запасов нефти необходимо довести глубину переработки (считается по выходу легких светлых продуктов) без учета потерь и неорганических примесей практически до 100%.
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 конверсию любого углеводородного сырья (жидкого, твердого, газообразного) в целевые легкие углеводороды.
Способы модернизации углубляющих процессов
1. Технология инициированного термомеханического крекинга «ИТМК» (углубленная переработка без добавки внешнего водорода)
Сущность обычного термического крекинга заключается в том, что под воздействием температуры колебательные уровни молекул возбуждаются и при достижении критической энергии (температуры) происходит разрыв связей и образование из одной, с большей вероятностью тяжелой молекулы, двух более легких и т.д. При увеличении температуры сырья интенсивность крекинга практически не растет до критической температуры (зависит от свойств и состава сырья), после которой интенсивность крекинга резко возрастает. Промышленный процесс термического крекинга происходит за точкой перегиба (критической температурой, примерно 450-500 °С и более), поэтому и возникают все вышеперечисленные недостатки.
Сущность каталитического крекинга заключается в том, что крекинг сырья происходит в присутствии катализатора. Катализатор является инициатором разрыва связей подогретого до нужной температуры сырья, процесс каталитического крекинга происходит не за точкой перегиба (критической температурой), а до и в области точки перегиба, поэтому и результаты процесса (а именно качество получаемых продуктов), гораздо лучше, чем результаты термического крекинга.
Технология инициированного термомеханического крекинга «ИТМК» основывается на совместном термомеханическом воздействии на сырье с использование законов гидродинамики и тепломассообмена для организации инициированного крекинга в условиях кавитации и волнового воздействия.
Нагретое до подкритичной температуры сырье (колебательные уровни молекул уже возбуждены, но еще не происходит лавинообразного разрыва связей молекул вследствие этого возбуждения) направляют в блок обработки, в котором сырье подвергается механическому (например, кавитационному) и волновому воздействию различной природы и широкого спектра резонансных частот (рис.1).
Наложение механического и волнового воздействия (аналог катализаторов) на нагретое термическим способом до подкритичной температуры сырье позволяет инициировать и активировать процесс термомеханического крекинга, т.е. процесс разрыва связей уже возбужденных молекул, при этом, в отличие от обычного термического крекинга, инициированный процесс разрыва связей с помощью наложения резонансного воздействия управляется интенсивностью и характером наложенного воздействия.
Процесс термомеханического крекинга становится управляемым, а не лавинообразным, что ведет к уменьшению коксования оборудования, увеличению его межремонтного пробега, процесс непрерывный. Продукты термомеханического инициированного крекинга более качественные, чем продукты термического крекинга, в них значительно меньше газов и непредельных соединений.
После обработки сырья в реакторе «ИТМК» выход наиболее ценных светлых (бензиновых и дизельных) продуктов увеличивается в 2-15 раз в зависимости от состава сырья (тяжелая нефть, мазут и т.д.). Т.к. волновое воздействие накладывается для инициирования разрыва связей в уже возбужденных молекулах, его энергия тратится только на активацию и управление процессом термомеханического крекинга, поэтому энергетические затраты невелики. Химические реактивы и катализаторы в процессе не используются.
Для воздействия на нагретое сырье можно использовать различные устройства - роторно-пульсационные аппараты, устройства радиоактивного облучения, воздействия звуком и ультразвуком от внешних источников различного типа (пьезоизлучатели, магнитоизлучатели) и др. Роторно-пульсационные аппараты не вписываются в динамику процесса, а все остальные виды перечисленных воздействий вряд ли можно использовать в промышленном масштабе.
В рассматриваемой технологии «ИТМК» для кавитационной и волновой обработки нагретого до подкритичной температуры сырья и наложения на нее волнового воздействия, используют специально разработанные устройства - гидродинамические генераторы, действие которых основано на гидродинамических эффектах движения многофазной среды с большой скоростью по каналам с препятствиями и поворотами различной формы.
Гидродинамические генераторы не только трансформируют энергию потока в энергию кавитационных каверн, колебаний и волн, но и обеспечивают в рабочей зоне рождение и схлопывание кавитационных пузырьков, значительное вихреобразование, различные формы движения многофазной среды, что обеспечивает нужную обработку протекающего сырья. При таком подходе процесс кавитации и волновой обработки происходит во всем объеме зоны обработки, а не только в приповерхностных зонах, как при использовании, например, роторно-пульсационных аппаратов. В аппаратах «ИТМК» нет движущихся частей, что увеличивает ресурс оборудования.
После обработки и проведения процесса термомеханического крекинга, сырье направляют в блок испарения и разделения (сепаратор), котором разделяют парогазовую часть - низкокипящие фракции НКФ, с температурой конца кипения 350-360 °С, обогащенную светлыми фракциями (на 90 % и более состоит из бензиновых, керосиновых и дизельных фракций, продуктов нефтехимии), и жидкую - высококипящие фракции ВКФ, с температурой начала кипения 350-360 °С.
В легкой части содержание серы уменьшается до 5 раз, а хлоридов до - 200 раз по сравнению с исходным сырьем. Парогазовую часть разделения НКФ направляют для дальнейшего использования и получения легких товарных продуктов известными классическими методами. Жидкую часть ВКФ после блока разделения подают, например, на битумный реактор с вакуумной колонной для получения товарного битума или других тяжелых продуктов типа битумных эмульсий, покрытий и т.д. Целесообразно также определенную долю жидкой части разделения ВКФ подать на повторную обработку в тот же или отдельный блок обработки для дальнейшего увеличения выхода светлых продуктов. Можно обе части разделения НКФ и ВКФ направить в блок смешивания для получения синтетической нефти с повышенным потенциальным содержанием светлых топливных продуктов и значительно меньшей плотностью и вязкостью в сравнении с исходным сырьем (например, мазутом), которую затем направляют для дальнейшей углубленной переработки.
Таким образом можно из сравнительно дешевых кубовых остатков получать нефть типа Urals с содержанием светлых фракций не менее 50%.
Исследования и принципиальная конструкторская проработка оборудования для осуществления процесса «ИТМК» проведены на пилотной установке производительностью до 200 кг/ч (1500 тонн в год) по сырью. Опробованное сырье - нефть различных месторождений, в том числе и тяжелая, кубовые остатки, отработанные масла, нефтешламы и другие нефтяные остатки.
Глубина переработки (выход легких светлых фракций) достигает 75-85% и более в зависимости от состава и свойств сырья.
Структурная схема отдельного самостоятельного блока углубленной переработки БУП по технологии «ИТМК» представлена на рис.1.
Можно реализовывать НКФ как высокопотенциальную (содержание топливных продуктов - бензина, дизельного топлива - примерно 90% масс. и более) и дорогую нефть, по составу близкую к газовому конденсату, например, на НПЗ или нефтехимические предприятия. ВКФ является практически безотходным сырьем для производства битума, битумных эмульсий, покрытий и т.д. НКФ и ВКФ гораздо дороже исходного сырья, в качестве которого используются остатки нефтепереработки, рентабельность такого безотходного производства очень высока. Отдельный самостоятельный блок углубленной переработки «ИТМК» окупается менее чем за год
Рис.1. Схема структурная блока «ИТМК»
1 - печь, 2 - блок обработки (реактор «ИТМК»), 3 - сепаратор НКФ/ВКФ, 4 - рекуперативный теплообменник НКФ/Сырье, 5 - холодильник НКФ, 6 - сепаратор газ/жидкость, 7 - блок для производства битума или других тяжелых товарных продуктов (покрытий, эмульсий и т.д.), 8 - сборник рефлюкс-газа, 9 - сборник НКФ, 10 - емкость сырьевая, 11 - сборник битума, Н - насос.
Варианты модернизации имеющегося НПЗ или строительства нового НПЗ по технологии углубленной переработки «ИТМК» в зависимости от исходного сырья представлены на рис.2 и 3. Окупаемость процесса 1-2 года в зависимости от свойств исходного сырья и организационной структуры перерабатывающей установки.
Рис. 2. Блок-схема НПЗ с блоком углубленной переработки БУП «ИТМК» при переработке средней или легкой нефти
АТ - атмосферная трубчатка, БУП ИТМК - блок углубленной переработки, ББ - битумный блок для производства окисленного битума или битумный блок, совмещенный с вакуумным блоком ВБ для производства битума или других тяжелых товарных продуктов (покрытий, эмульсий и т.д.).
Рис. 3 Блок-схема НПЗ с блоком углубленной переработки БУП «ИТМК» при переработке тяжелой нефти и нефтяных остатков
АТ - атмосферная трубчатка, БУП ИТМК - блок углубленной переработки, ББ - битумный блок для производства окисленного битума или битумный блок, совмещенный с вакуумным блоком ВБ для производства битума или других тяжелых товарных продуктов (покрытий, эмульсий и т.д.).
В любом варианте технология «ИТМК» легко встраивается в процесс переработки нефти, является (без учета потерь) безотходной, т.к. и легкая часть разделения НКФ и тяжелая ВКФ являются полноценным сырьем для производства легких и тяжелых товарных продуктов.
В предлагаемой технологии катализаторы и реагенты не используются, поэтому стоимость процесса и оборудования «ИТМК» значительно меньше, чем при использовании известных углубляющих процессов, например каталитического крекинга, при аналогичных результатах, и сопоставима со стоимостью процесса и оборудования термического крекинга при гораздо лучших результатах. В диапазоне производительности перерабатывающего производства до миллиона тонн в год по сырью, технология «ИТМК» аналогов и конкурентов не имеет.
2. Технология глубокой переработки (процесс с водородом)
Естественно, что с помощью технологии «ИТМК» невозможно всю исходную органику переработать в легкие светлые продукты с температурой конца кипения 350-360°С, т.к. в технологии «ИТМК» не используется внешний водород. ВКФ (тяжелый остаток) обогащен углеродом, и превратить его в легкие углеводороды без добавки внешнего водорода или легких углеводородов невозможно. Хотя такой подход и оправдан, особенно для НПЗ небольшой производительности, т.к. использование водорода приводит к серьезному удорожанию проекта.
Наибольшее применение в переработке нефти с привлечением внешнего водорода имеет процесс гидрокрекинга. Он не так широко используется, как каталитический крекинг, т.к. еще дороже и имеет те же недостатки - тяжелые нефтяные остатки непосредственно контактируют с катализатором процесса и это приводит 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.
Основное отличие и преимущество предлагаемого подхода и технологии с водородом заключается в том, что сырье, в основном тяжелое и содержащее большое количество разнообразных вредных примесей, непосредственно с катализатором не контактирует, вследствие чего катализатор практически не отравляется вредными примесями и не коксуется, что приводит к увеличению долговечности катализатора и отсутствию необходимости его регенерации и замены («Deep hydrocarbon conversion». Petroleum Science and Technology, 29 (17), pp. 1788 - 1794.).
Сначала сырье подвергают мягкому некаталитическому (например, термическому и/или термомеханическому по технологии «ИТМК») крекингу или висбрекингу. 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 углеводородными радикалами.
Для этого молекулярный водород и/или легкие углеводородные 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 или висбрекинга жидкого исходного сырья для проведения реакции (процесс схематически изображен на рис.4).
Рис. 4. Устройство глубокой переработки жидкого углеводородного 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 в начало процесса. Непрореагировавшие водород и/или легкие водородсодержащие среды, обогащенные водородом, возвращают 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.5.
По данной технологии можно перерабатывать и попутные нефтяные газы.
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.
По данной технологии можно перерабатывать и попутные нефтяные газы. Кроме того, тяжелую нефть и нефтяные остатки можно превращать в легкую высокопотенциальную нефть, по составу близкую к газовому конденсату или ШФЛУ (рис.5 без блока получения легких целевых товарных продуктов).
1 - блок нагрева, некаталитического (термического или термомеханического «ИТМК») крекинга или висбрекинга сырья;
2 - блок получения атомарного водорода и/или легких радикалов (реактор с катализатором);
3 - блок разделения обработанного сырья;
4 - блок получения легких целевых товарных продуктов (бензин, дизельное топливо, продукты нефтехимии и др.).
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 и стоимости конечной товарной продукции, глубина переработки и выход легких фракций с температурой конца кипения 350-360°С могут быть увеличены практически до 100% (без учета потерь и неорганических примесей).
Технология апробирована на небольшой лабораторной установке, проведены только первые эксперименты. Некоторые результаты представлены в таблице 1. Глубина переработки 97-98% масс. С учетом образующихся несконденсированных газов можно уверенно говорить в перспективе о высокой глубине переработки сырья с помощью предлагаемой технологии.
Таблица 1
Работа в самом начале, проведены только первые опыты, и необходимы дальнейшие исследования и инвестиции для продвижения этого инновационного проекта. Но первые лабораторные эксперименты показали, что предлагаемый способ глубокой переработки углеводородов имеет отличную перспективу, принципиально просто встраивается в имеющееся оборудование и легко реализуем в нефтеперерабатывающей промышленности, будет значительно эффективнее и дешевле известных процессов углубленной переработки.
Заключение
Глубина переработки большинства российских НПЗ существенно ниже, чем в остальном мире.
Этот факт усугубляется тем, что в ближайшей перспективе на переработку будет поступать только тяжелая нефть.
Развитие и внедрение в нефтеперерабатывающую промышленность недорогих и эффективных процессов углубленной и глубокой переработки нефти и нефтяных остатков очень актуально для нашей страны, да и для мировой нефтяной промышленности тоже.
При внедрении таких процессов происходит существенное снижение стоимости готовой продукции переработки, экономия сырья при выработке необходимого количества целевых товарных продуктов, другими словами оптимальное и рациональное использование сырьевых ресурсов при их дальнейшей переработке, что позволит получать огромную дополнительную ежегодную прибыль и экономить миллионы тонн сырья ежегодно при полном удовлетворении рынка качественными горюче - смазочными материалами в полном объеме.
Использование нефтяных газов позволит свести затраты на проведение процесса глубокой переработки к минимуму.
Решение экологических проблем для нашей страны тоже немаловажно - различные остатки и отходы, накапливающиеся в процессе добычи и переработки нефти, приводят к ухудшению экологической обстановки, и их переработка с помощью предлагаемых технологий с получением высоколиквидной продукции позволяет решать не только экологические проблемы, но и получать существенную дополнительную прибыль.
Минимальная производительность, при которой процесс становиться высокорентабельным, 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, т.к. проблема оптимального размещения НПЗ на территории страны решается довольно хаотически и далека от логического завершения.
Для реализации предлагаемых технологий необходимо построить демонстрационную промышленную установку по технологии «ИТМК» и пилотную по технологии с водородом (научно - испытательный центр), которые будут работать на принципах самоокупаемости, для чего необходимы государственные или частные инвестиции.
Затем - широкое тиражирование в нефтеперерабатывающую промышленность как в России, так и за рубежом для увеличения рентабельности действующих или строящихся НПЗ и улучшения качества и стоимости российской нефти, поставляемой на экспорт.
Обе технологии защищены патентами РФ, поданы международные заявки на изобретения по системе РСТ, заявки зарегистрированы в WIPO (Женева), получены положительные результаты международной экспертизы.
Автор: Золотухин В.А.
