Энергосберегающая технология сольвентной деасфальтизации нефтяных остатков 05. 17. 07 Химия и технология топлив и специальных продуктов

Вид материала

Диссертация

Содержание Научная новизна работы. Основные положения, защищаемые автором. Апробация работы Структура и объем диссертации Содержание работы 1 Литературный обзор 2 Разработка методов исследования Рис. 1 Схема технологической линии фазоразделения в сверхкритических условиях Q – расход эмульсии на входе в аппарат, С

Подобный материал:

• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 17. 07 Химическая технология, 190.12kb.
• Московский Государственный Университет пищевых производств Ю. А. Косикова методические, 725.64kb.
• Программа вступительного экзамена в магистратуру Cпециальность 6M072700 -технология, 430.68kb.
• Наши научные труды вызывают интерес зарубежных ученых, 201.11kb.
• Курс 2 Семестры 3,4 Всего аудиторных часов 136, в том числе: 3 семестр 58 час; 4 семестр, 252.62kb.
• Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 12 «Микробиология» направления 260200 Производство, 368.1kb.
• Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 260502 «Технология продуктов, 2230kb.
• Конспект лекций по дисциплине опд «Экономика отрасли» для студентов специальности 260502, 1005.84kb.
• Качество мяса африканского страуса и технология функциональных пищевых продуктов, 320.35kb.
• Образовательная программа 240100 Химическая технология и биотехнология Дисциплина Химия, 54.66kb.

Научная новизна работы.

Обоснованы и разработаны научно-методические основы для создания нового процесса пропан-бутановой деасфальтизации нефтяных остатков, включающего узел сверхкритической регенерации, инжекторную систему компремирования и узел аминной очистки растворителя.

На основе экспериментов и термодинамического анализа установлены закономерности процесса фазового разделения деасфальтизатного раствора в сверхкритических условиях, разработаны методики расчета состава равновесных фаз, получаемых в условиях сверхкритического разделения, выявлено влияние физических и динамических параметров, таких как средний размер и дисперсный состав частиц фазы деасфальтизата, формирующихся в подводящем (трансферном) трубопроводе в сверхкритический разделитель, скорость потока, время прибывания смеси в разделителе на результаты фазоразделения.

Выполнено физическое моделирование процесса компремирования пропана струйным инжектором. Показана принципиальная возможность вовлечения высоконапорного потока пропана, получаемого при сверхкритическом разделении деасфальтизатного раствора, для инжектирования низконапорного потока газообразного пропана, выводимого из отпарных колонн установки деасфальтизации, за счет применения струйных аппаратов.

Разработаны методики расчета рабочих параметров струйных аппаратов, включаемых в узел регенерации растворителя из деасфальтизатного раствора в сверхкритическом режиме.

Установлены закономерности, определяющие влияние параметров режима процесса деасфальтизации, физико-химических характеристик сырья и растворителя на качество и выход продуктов. Разработаны методики и программы расчетов требуемого состава растворителя для заданных параметров разделения.

Научно-практическая значимость работы и внедрение результатов работы в практику.

Разработаны лабораторные и пилотные установки, специальная технологическая нитка, реализованная на промышленной установке при проведении опытно-промышленных экспериментов, и методики исследования процесса разделения деасфальтизатного раствора в сверхкритических условиях.

На основе проведенных исследований разработан новый процесс сольвентной деасфальтизации нефтяных остатков с использованием энергосберегающей технологии регенерации растворителя в сверхкритических условиях, инжекторной системы компремирования растворителя и дополнительных узлов аминной очистки растворителя и нагрева и циркуляции органического теплоносителя АМТ-300. Новый процесс освоен и успешно внедрен в производство в 2007г. на ОАО «Уфанефтехим». Экономия энергоресурсов в результате реконструкции установки составила 39,4%, в стоимостном выражении 28,7 млн. руб. в год, содержание сероводорода в циркулирующем растворителе снижено с 2 до 0,01%.

Получены опытно-промышленные партии пропан-бутанового деасфальтизата и асфальта и опробованы различные направления их использования. На установке деасфальтизации 36/1, получения битума 19/3 ОАО «Уфанефтехим» в промышленных масштабах реализована технология получения неокисленных дорожных битумов марок БНН 50/80 и БНН 80/120. На установках деасфальтизации 36-1/1, 36-1/2, селективной очистки 37/1, депарафинизации 39/2 ОАО «Новойл» получены опытные партии высоковязких технологических маслел ПС-28 и П-40.

В 1994г. ПРСО «Башкиравтодор» с использованием неокисленных дорожных битумов ОАО «Уфанефтехим» построен опытный участок дороги протяженностью свыше 10 км. Результаты многолетних квалификационных испытаний и наблюдений за дорожным покрытием показали, что в течение 15 лет на этом участке не произошли существенные изменения качества дороги, отсутствуют следы глубокого износа и разрушений.

Разработаны технологические регламенты на проектирование реконструкции установок пропановой деасфальтизации 36/1 (ОАО «Новойл», 1993г.), 36/2 (ООО «Лукойл–Волгограднефтепереработка», 1992г.), 36/2М (ОАО «Ангарская нефтехимическая компания», 1992г.), 36/5 (ЗАО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания», 1991г.).

Выполнены исследования и подготовлены технико – экономические расчеты (ТЭР) применительно к сырьевой базе России и Казахстана по организации переработки тяжелых нефтей сочетанием процессов атмосферной перегонки нефти и деасфальтизация мазута с получением деметаллизированной нефти и дорожных битумов марок БНД 60/90 и БНД 90/130.

Технология пропан-бутановой деасфальтизации в различных вариантах внедрена в производство на ОАО «Уфанефтехим» и ОАО «Новойл».

Основные положения, защищаемые автором.

• Методики прогноза режима и величин основных технологических параметров процесса фазового разделения деасфальтизатного раствора в сверхкритических условиях.
  

• Защищенная патентами РФ энергосберегающая технология регенерации растворителя в процессах пропановой и пропан-бутановой деасфальтизации гудрона с применением сверхкритического разделителя для деасфальтизатного раствора и струйного аппарата для очистки и компремирования растворителя систем низкого и среднего давлений.
  

• Защищенные патентами РФ технологии производства новых видов продукции на основе деасфальтизата и асфальта пропан-бутановой деасфальтизации гудрона.
  

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, республиканских и отраслевых конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе:

• на международной конференции по проблемам комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов (добыча и переработка) (г. Казань, 1994 г.);
  
• на первой и второй республиканских конференциях по энергоресурсосбережению в республике Башкортостан (г. Уфа, 1997, 1999 г.г.).
  

• на научно–практической конференции, проведенной в рамках VI Международной специализированной выставки «Нефть, газ–99», г. Казань, 1999г.
  
• на V Международной научной конференции «Методы кибернетики химико–технологических процессов (КХТП–V–99)», г. Уфа, 21-22 июня 1999г.
  
• на Международной конф. «Современная технология и производство экологически чистых топлив в первом десятилетии XXI века», г. Кириши, 1999г.
  
• на Международной конференции «Актуальные проблемы Российской нефтепереработки и возможности их решения», Санкт-Петербург, 31 октября 2000г.
  
• на НП Конференциях, проведенных в рамках II, III, IV,V, VI Конгрессов нефтегазопромышленников России, г. Уфа, 2000, 2001, 2003, 2004, 2005г.г.
  
• на Международных НП Конференциях «Нефтепереработка-2008», г. Уфа, 2008г. и «Нефтегазопереработка-2009», г. Уфа, 2009г.
  

Публикации. По теме диссертации издано 70 научных работ, в том числе 2 тематических обзора, 21 статьи в научных журналах, 28 тезисов докладов, получены 19 патентов Российской Федерации. Основные материалы, относящиеся к теме диссертации, изложены в научно-технических отчетах ГУП «Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан» (ГУП «ИНХП РБ») и технологических регламентах на проектирование реконструкции установок.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложений.

Материал диссертации изложен на 313 страницах машинописного текста, включая 74 таблиц, 47 иллюстраций, список цитируемой литературы из 252 наименований, и приложения на 25 стр.


Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна, практическая ценность, приведены результаты внедрения работы и основные научные положения, выносимые на защиту.

1 Литературный обзор

В обзоре обобщены информация и результаты исследований отечественных и зарубежных авторов по проблемам совершенствования процессов деасфальтизации гудрона углеводородными растворителями с целью получения сырья для производства минеральных масел, дорожных битумов и сырья для процесса каталитического крекинга.

Показано, что с целью значительного снижения энергозатрат на установках деасфальтизации большую перспективу имеет технология сверхкритической регенерации растворителя (процесс РОЗЕ).


2 Разработка методов исследования

2.1 Разработка методик экспериментального исследования

Исследования процесса деасфальтизации нефтяных остатков и наработка продуктов проводились в опытном производстве ГУП «ИНХП РБ» на пилотной установке экстракции периодического действия ЭПД-2.

Для проведения исследований процесса сверхкритического фазоразделения деасфальтизатного раствора были разработаны лабораторная и пилотная установки, которые позволяют визуально наблюдать процессы разделения и произвести отборы проб и анализы состава образующихся фаз в статических условиях и при непрерывной подаче деасфальтизатного раствора.

Для проведения опытно-промышленных экспериментов по отработке процесса регенерации растворителя в сверхкритических условиях была изготовлена и смонтирована специальная технологическая линия на промышленной установке пропановой деасфальтизации 36/5 ЗАО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания» (ЗАО «РНПК»), состоящая из дозировочного насоса, подогревателя деасфальтизатного раствора и аппарата разделения фаз (АРФ) с соответствующей трубопроводной обвязкой (рис. 1).




Рис. 1 Схема технологической линии фазоразделения в сверхкритических условиях:

АРФ - аппарат разделения фаз; 1 - испаритель Э-1; 2 - испаритель Э-1а; 3 -дозировочный насос, 4 - подогреватель, 5 - пробоотборники; Т,Р - датчики температуры, давления.

Потоки: I–поток деасфальтизатного раствора из колонны К-1; II–деасфальтизат; III–пропан; IV–пары пропана; V–водяной пар.


Деасфальтизатный раствор отбирался из потока деасфальтизатного раствора, выходящего с верха экстракционной колонны К-1. Дозировочным насосом этот раствор под давлением 4,5-6,0 МПа прокачивался через паровой подогреватель, нагревался до 110-150 °С и далее подавался в аппарат фазового разделения, где пропан отделялся от деасфальтизата. Пропан с верха АРФ поступал в линию выхода паров пропана из испарителя Э-1а. Деасфальтизатный раствор с низа АРФ выводили в линию деасфальтизатного раствора из Э-1а. Количество поступающего на разделение раствора регулировали длиной хода плунжера дозировочного насоса в пределах до 60 л/ч.

АРФ представляет из себя цилиндрический аппарат, снабженный стеклянными "гляделками" для визуального наблюдения за процессом фазоразделения. В первой серии опытов, проведенной в 1992г., использовали вертикальный аппарат фазоразделения объемом 135 мл. Во второй и третьей сериях опытов, проведенных в 1993, 1994 гг., использовали укрупненный горизонтальный аппарат объемом 2л, эскиз которой приведен на рис. 1.

Для проведения исследований струйных аппаратов нами совместно с сотрудниками ФГУП «НПП «Мотор» была разработана и сконструирована пилотная установка компремирования пропана и пропан - бутановых смесей струйным инжектором. Установка была смонтирована на опытном производстве ГУП «ИНХП РБ» с использованием существующего оборудования и технологических линий бехельтерной водородной установки.

2.2 Математическое моделирование процесса деасфальтизации со сверхкритическим узлом регенерации растворителя

Степень разделения деасфальтизатного раствора в статических условиях зависит от режимных параметров процесса, определяющих термодинамическое состояние системы, таких как, температура, давление, химический состав разделяемой смеси. При проведении процесса в непрерывном режиме на степень разделения существенно влияют также динамические, конструктивные и другие характеристики процесса. Поэтому для математического моделирования процесса необходимо не только его термодинамическое рассмотрение, но и изучение гидродинамики потоков неоднородной дисперсной системы в самом разделителе и в подводящем (трансферном) трубопроводе.

В работе с использованием уравнений Флори и Хаггинса для химических потенциалов растворителя и растворенного вещества получены следующие зависимости для определения составов образующихся фаз в статических условиях:

^r (1)

, (2)

где j₁ – объемная доля растворителя в нижней фазе, r – отношение молярных объемов деасфальтизата и растворителя, φ₂ – объемная доля деасфальтизата в верхней фазе, β – параметр, определяемый экспериментально (величины с индексом «к» относятся к экстракционной колонне, а с индексом «р» - к сверхкритическому разделителю).

Для определения влияния динамических параметров на характеристики процесса разделения деасфальтизатного раствора, поступающего в сверхкритический разделитель в виде эмульсии, проведены гидродинамические расчеты. Эти расчеты показали, что минимальная длина разделителя l, обеспечивающая содержание масла в выводимом растворителе не больше некоторого требуемого технологическими нормами значения С_*, определяется формулой:

, (3)

где - скорость осаждения частиц, Q – расход эмульсии на входе в аппарат, С₀ – концентрация деасфальтизата в эмульсии на входе в разделитель.

Скорость осаждения частиц в разделителе в значительной степени зависит от дисперсного состава частиц. Показано, что дисперсный состав частиц фазы деасфальтизата формируется в подводящем (трансферном) трубопроводе в разделитель и определяется гидродинамической неустойчивостью (релей-тейлоровского типа) поверхности раздела фаз. Нами, на основе линейного анализа неустойчивости Релей-Тейлора поверхности частиц деасфальтизата по отношению к динамическому напору турбулентных пульсаций скорости в трансферном трубопроводе, получено следующее выражение для расчета характерного размера частиц d_х, поступающих в разделитель:

, (4)

где α- поверхностное натяжение; V- средняя скорость потока; ρ_г -плотность фазы растворителя, 0,4.

Учитывая существенно статистический характер процесса формирования дисперсного состава частиц и используя методы и результаты известной в статистической физике теории перколяции, теоретически показано и экспериментально подтверждено, что функция распределения частиц по размерам подчиняется закону Розина–Раммлера:

, (5)

где R(d) – доля объема фазы деасфальтизата, приходящаяся на капли размером большим d; d_x –характерный размер капли (4); s – параметр, близкий к 1.

2.3 Расчет качественных характеристик и выхода продуктов деасфальтизации нефтяных остатков

В данной работе на основе проведенных экспериментальных исследований процесса деасфальтизации гудрона и общих теоретических предпосылок нами предлагается ряд зависимостей для определения характеристик продуктов деасфальтизации по известному значению выхода деасфальтизата (D) и оценки выхода деасфальтизата c учетом состава растворителя и качества сырья. Эти зависимости в наиболее простом виде, включающие по одному экспериментальному параметру, определяются уравнениями:

= Dⁿ,

= 1+ D +...+ Dⁿ . (6)

где: = Х_а / Х_г и = Х_д / Х_г — безразмерные величины; D – выход деасфальтизата; n–показатель степени, конкретный для каждого показателя качества; в качестве Х в уравнениях могут рассматриваться показатели коксуемости, содержание тяжелых металлов или асфальтенов, величины с индексом «д» относятся к деасфальтизату, индексом «а» - к асфальту, индексом «г» – к гудрону.

Влияние критических параметров растворителя на характерные для этого растворителя значения выхода и плотности деасфальтизата определяется уравнениями:

, (7)

, (8)

, (9)

где критические температура и плотность растворителя; выход и плотность деасфальтизата; наименьшая достижимая на данном растворителе плотность деасфальтизата; плотность гудрона; плотность наиболее легких фракций гудрона; k и β –постоянные.


3 Исследование процесса регенерации растворителя из деасфальтизатного раствора в сверхкритических условиях

Основные закономерноти фазоразделения при регенерации растворителя из деасфальтизатного раствора в сверхкритических условиях.

Экспериментальное исследование процесса на статической лабораторной установке фазоразделения АРФ-2 позволило выявить основные закономерности влияния параметров режима проведения процесса, характеристик деасфальтизата и растворителя на степень фазоразделения.

На рис. 2 приводится диаграмма фазового состояния деасфальтизатного раствора, построенная по экспериментальным данным (табл. 1). Линия ОК соответствует линии фазового равновесия жидкость – пар для чистого пропана; линия АК проведена по экспериментальным точкам 1÷6, в которых визуально фиксируется полное обесцвечивание верхней пропановой фазы в разделителе АРФ-2.


Рис. 2 Диаграмма фазового состояния деасфальтизатного раствора

- экспериментальные данные


- литературные данные