способ углубления термического крекинга тяжелых нефтепродуктов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ углубления крекинга тяжелых нефтепродуктов путем их нагревания в трубчатой печи и дополнительного выдерживания продуктов разложения в выносной реакционной камере, отличающийся тем, что нагревание реакционной смеси в трубчатой печи осуществляют при температуре и давлении, соответствующих параметрам торможения реакции разложения нефтепродуктов, обеспечивающих после сброса давления на выходе из печи перевод реакционной смеси в состояние достижимого перегрева, с последующим переводом в неассоциированное состояние молекул наиболее термостойких компонентов нефтепродуктов в процессе разложения в выносной реакционной камере.

2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее трубчатую нагревательную печь и выносную реакционную камеру, отличающееся тем, что между нагревательной печью и выносной реакционной камерой дополнительно установлен дроссельный реактор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение

относится к области деструктивной переработки нефти и нефтепродуктов и может быть использовано для организации процесса термического и каталитического крекинга тяжелого остаточного сырья.

Известен способ углубления крекинга нефти и тяжелых нефтепродуктов путем нагрева в трубчатой печи (Мухина Т.Н., Барабанов Н.Л., Бабаш С.Е. и др. Пиролиз углеводородного сырья. М.: Химия, 1987). Недостатками этого способа являются: совмещение процесса нагрева и процесса терморазложения нефтепродуктов в трубчатой печи, что исключает взаимную регулировку и оптимизацию, ограниченная скорость подвода тепла через стенки змеевика трубчатой печи вследствие интенсивного коксоотложения на стенках труб.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому способу является углубление процесса термического крекинга тяжелых нефтепродуктов в выносной реакционной камере, выбранное в качестве прототипа (Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа. М.: Химия, 1968. С.64).

В этом способе установленная после трубчатой печи выносная реакционная камера обеспечивает дополнительное выдерживание продуктов терморазложения, поступающих из трубчатой печи при высокой температуре, за счет аккумулированного в ней тепла. При этом на долю выносной реакционной камеры приходится 20-30% общего бензинообразования.

Недостатком прототипа является неполное терморазложение нефтепродуктов, а также протекание нежелательных вторичных реакций в процессе терморазложения, в частности интенсивное коксообразование в трубах нагревательной печи, что связано с тем, что давление в конце змеевика нагревательной печи практически находится на уровне давления в выносной реакционной камере.

Задачей предложенного изобретения является разработка эффективного способа углубления термического и каталитического крекинга тяжелых нефтепродуктов с использованием трубчатой нагревательной печи и устройства для его осуществления, обеспечивающих устранение указанных недостатков, свойственных прототипу.

Поставленная задача решается способом, в котором нагрев реакционной смеси в трубчатой печи осуществляют при температуре и давлении, соответствующих параметрам торможения реакции разложения нефтепродуктов, обеспечивающих после сброса давления на выходе из печи перевод реакционной смеси в состояние достижимого перегрева, с последующим переходом в неассоциированное состояние молекул наиболее термостойких компонентов нефтепродуктов в процессе разложения их в выносной реакционной камере, при этом между нагревательной печью и выносной реакционной камерой установлен дроссельный реактор в виде гидравлического сопротивления, обеспечивающего сброс давления на выходе из нагревательной печи и подачу в реакционную зону выносной реакционной камеры гомогенных добавок для интенсификации процесса углубления термического крекинга тяжелых нефтепродуктов.

Известно устройство для углубления термического крекинга тяжелых нефтепродуктов, содержащее трубчатую нагревательную печь и выносную реакционную камеру (Смидович Е.В. Термическая переработка нефти и газа. М.: Химия, 1966, с.64).

Для реализации предлагаемого способа предложено устройство, в котором между трубчатой нагревательной печью и выносной реакционной камерой дополнительно установлен дроссельный реактор.

Предложенное изобретение (фиг.1) содержит нагревательную печь 1 с трубчатым нагревателем (змеевиком) 2, соединенным последовательно с выносной реакционной камерой 3, между которыми установлен дроссельный реактор 4.

Реализация предложенного способа и работа устройства для его осуществления происходят следующим образом (фиг.1).

Подлежащие углубленному термическому крекингу тяжелые нефтепродукты поступают в нагревательную печь 1, где с помощью трубчатого нагревателя 2 нагрев реакционной смеси протекает при температуре и давлении, соответствующих параметрам торможения реакции терморазложения наиболее термостойких компонентов тяжелых нефтепродуктов и испарения остатков легких фракций. Далее нагретая реакционная смесь с заданной температурой и давлением поступает в дроссельный реактор 4. На выходе из реактора происходит сброс давления с одновременным возрастанием скорости движения реакционной смеси и перевод ее в состояние достижимого перегрева, в котором молекулы наиболее термостойких компонентов находятся в неассоциированном (изолированном друг от друга, как в газовых системах) состоянии. Ослабление ван-дер-ваальсовых связей, включая диполь-дипольное взаимодействие между молекулами, обеспечивает освобождение колебательных, вращательных и поступательных степеней свободы молекул тяжелых нефтепродуктов на выходе из дроссельного реактора и в реакционной камере 3. Перевод больших молекул в неустойчивое, перевозбужденное по сравнению с ассоциированным состоянием в змеевике, вызывает повышение их реакционной способности - дополнительное разделение на фрагменты и тем самым обеспечивает эффективное углубление термического крекинга тяжелых нефтепродуктов при малом времени пребывания компонентов в зоне реакции, повышает выход конечных легких целевых продуктов терморазложения. Увеличение запаса тепловой энергии смеси в змеевике в результате сокращения доли газововых фракций также способствует интенсификации термического разложения смеси и обеспечивает наибольший выход легких фракций по сравнению с прототипом. Затем реакционная смесь поступает в выносную реакционную камеру 3, в которой также осуществляются процесс терморазложения и фиксация конечного состава.

Пример. Для проверки возможности углубления крекинга тяжелых фракций нефтепереработки предлагаемым способом испытания проведены на лабораторном стенде, представленном на фиг.2. В качестве исходного продукта использован крекинг-остаток, полученный в результате переработки мазута с материальным балансом: углеводородный газ 3,7%, головка стабилизации 3,4%, крекинг-бензин 19,1%, керосиново-газойлевая фракция - 5,8%, крекинг-остаток - 68%. Исходный продукт объемом около 10 л подают методом выдавливания из монжуса 1 в трубчатый теплообменник 2, который подвергают нагреву газовыми горелками в камере 3 до температуры 540°С (определение температуры нагрева описано ниже). Нагретая реакционная смесь поступает через дроссельный реактор 4 и клапан 5 в ресивер 6, где происходит ее охлаждение до равновесной температуры, величина которой устанавливается в опыте (около 460°С). Наличие в трубопроводе гидравлического сопротивления, создаваемого дросселем, обеспечивает в нем повышение давления, необходимого для перевода реакционной смеси в состояние достижимого перегрева в самом реакторе и выносной реакционной камере. В качестве дросселя используют центробежную двухкомпонентную форсунку для распыления и закручивания жидкого топлива. Наличие у такой форсунки двух каналов позволяет вводить дополнительные гомогенные компоненты в реакционную смесь, например гомогенные добавки для интенсификации процесса терморазложения или водород для осуществления гидрокрекинга. Для удаления неполностью прореагировавших продуктов на неустановившемся режиме работы установки и предупреждения роста давления в системе установлен перепускной и предохранительный клапаны 7 и 8. Температуру в конце теплообменника измеряют термопарным методом. Пониженное давление, которое устанавливается за дросселем, тормозит протекание нежелательных вторичных реакций в процессе терморазложения, возможных в прототипе. Поскольку реакция разложения протекает в основном в реакторе и выносной реакционной камере, коксообразование на стенках нагревательной трубы практически не возникает, а пониженная температура в выносной камере снижает коксообразование и отложение кокса на стенках этой камеры.

В результате проведенных испытаний терморазложения крекинг-остатка получают дополнительно примерно 2% углеводородного газа и 3% крекинг-бензина в пересчете на 100% по массе исходного мазута. Соответственно снижается содержание других фракций и, в частности, коксового остатка. Таким образом, проведенные испытания показывают, что сокращение времени процесса терморазложения и его интенсификация путем перевода реакционной смеси в состояние достижимого перегрева с помощью дроссельного устройства приводят к углублению термического крекинга и увеличения выхода целевых продуктов переработки мазута.

Для установления режима переработки предварительно следует определить параметры достижимого перегрева реакционной смеси: температуру и давление. Для этой цели ранее предложен контактный термоаналитический метод (Шленский О.Ф., Рекус Г.Г. и др. Способ определения кинетических параметров материалов, А.с. 1627952, заявка 4467221 от 29 июля 1988 г. Бюл. №6, 15.02.91). Данные по зависимости температуры достижимого перегрева от давления приведены в литературе (Е.Д.Никитин и др. Температуры достижимого перегрева некоторых товарных нефтепродуктов // Теплофизика высоких температур, 2001, т.39, №1, с.97-100). Контактный метод термического анализа позволяет не только определить температуру достижимого перегрева, так, например, для нефти Арланского месторождения эта температура составила 500°С, но и установить скорости реакций терморазложения нефтепродуктов. По скорости реакций терморазложения определены необходимое время пребывания реакционной смеси в реакторе для ее наиболее полного разложения и размеры реактора (Шленский О.Ф., Рекус Г.Г. и др. Способ определения скорости испарения и газификациии жидких веществ, А/С. №1827605, 15.07.93. Бюл. №26). Зависимость температуры достижимого перегрева от давления установлена в теории термодинамического подобия по данным приведенной выше публикации Е.Д.Никитина и др. Так, например, для получения при давлении 0,1 МПа температуры достижимого перегрева мазута 500°С в дроссельном реакторе на конце теплообменика создавали давление около 7 МПа при температуре реакционной смеси 540°С в течение всего времени процесса терморазложения. Дополнительно проводили испытания по нагреву газойля каталитического крекинга на контактной термоаналитической установке при температуре, максимально приближенной к достижимому перегрева (500°С). Испытаниям подвергали образцы в виде тонких слоев (5-7 мкм) газойля, которые наносили на поверхность предварительно нагретой стальной пластины - подпокрывали гальваническим способом пленкой золота. Испытания показали, что при сокращении времени разложения тонких слоев газойля до 490°С с десяти минут до 5 секунд снижается выход коксового остатка с 8% до 2%. Такой результат подтверждает эффективность выбора условий переработки газойля в режиме достижимого перегрева исходного продукта.

Выбор конструкции дроссельного реактора в большой степени зависит от вязкости перерабатываемого продукта. Для продуктов с небольшой вязкостью он может иметь форму перфорированной пластины с узкими каналами, для продуктов с большой вязкостью - более простую форму узла гидравлического сопротивления в виде диафрагмы. Необходимым требованием при выборе перепада давления и температуры реакции терморазложения является создание условий максимально возможного достижимого перегрева нелетучих компонентов.

Следует отметить и другие достоинства предложенного способа, которые могут быть реализованы при установке дроссельного реактора. Повышение давления в трубчатой печи, значительно превосходящее давление в выносной реакционной камере, приводит к повышению температуры начала процесса терморазложения и кипения фракций реакционной смеси, поэтому равновесие химических реакций терморазложения смещается в высокотемпературную область. В результате процесс выхода газообразных продуктов крекинга в трубчатой печи замедляется и увеличивается доля жидких фракций. Снижение доли газообразных компонентов реакционной смеси приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи через стенки змеевика и количества аккумулированного тепла в нагреваемых продуктах, что позволяет сократить время нагрева смеси и тем самым снизить коксоотложение на стенках змеевика. Увеличенный запас тепловой энергии расходуется при последующем эндотермическом разложении нефтепродуктов, обеспечивая больший выход легких фракций.

Одной из составляющих более полного крекинга тяжелых нефтепродуктов является снижение коксообразования в ходе реакции терморазложения в самом реакторе. При переводе молекул в неассоциированное состояние вблизи температуры достижимого перегрева существенно ослабевает эффект "клетки", который способствует протеканию реакций рекомбинации, образованию вторичных продуктов, а также синтеза кокса в реакционной смеси. Испытания показали, что за дроссельным реактором коксообразования практически не возникает, чему способствовало также малое время пребывания смеси в реакторе в диапазоне 0,01-0,001 с. Методы расчета режимов нагрева реакционной смеси изложены в публикации Поляков А.А., Шленский О.Ф. // Химия твердого топлива, 1994, №1. С.83.

Благодаря простоте конструкции разработанные способ и устройство применимы в технологических процессах каталитического крекинга, в таком случае узел гидравлического сопротивления устанавливается перед поступлением реакционной смеси в зону контакта с катализатором.

Важным достоинством предложенного способа и устройства является многофункциональность - снижение коксообразования, закалка состава продуктов крекинга после образования, простота и дешевизна конструкции, небольшие габаритные размеры, возможность ее замены и ремонта без остановки процесса в печи (при параллельной установке двух реакторов), возможность установки на уже имеющемся технологическом оборудовании.