книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

Основные аппараты , в которых осущ ествляется превращ ение исход­ ных реагентов в неф тепродукты , — это химические р е а к т о р ы . Основ­ ные требования к реакторам следую щ ие:

•создание наилучш его контакта м еж ду реагентами, а такж е м еж ду реагентами и катализаторам и;

• обеспечение необходимого температурного реж им а;

• механическая прочность и стойкость к воздействию реакционной среды, удобство обслуж ивания и ремонта.

Наибольший интерес представляю т реакторы для систем газ— твер ­ дое тело. К ним относятся каталитический крекинг, риформинг, гидро­ очистка, каталитическая полим еризация олефинов, контактное коксо­ вание. Для осущ ествления этих процессов использую тся реакторы со стационарным, псевдоож иж енны м и движ ущ им ся слоями.

Наиболее просты ми являю тся реакторы со с та ц и о н а р н ы м слоем к а та л и за то р а без теплообмена с внеш ней средой. Это полый или сф е ­ рический аппарат с каталитической реш еткой, на которую насыпан слой катализатора. Реагенты в виде газа поступаю т сверху, а продукты вы ­ водятся снизу.

В случае эндотермических реакций использую тся системы реакто ­ ров с промеж уточным подогревом реакционной смеси. Н апример, в про­ цессе риформинга углеводородного сы рья использую т три или четы ре каталитических реактора. В трубчатой печи осущ ествляю т подогрев как исходной реакционной смеси, попадаю щ ей в первы й реактор, так и сме­ си на выходе из первого, второго и третьего реакторов.

Реакторы со стационарны м слоем катализатора с теплообменом с внешней средой представляю т собой многотрубчатые аппараты с р а з ­ мещением к атал и зато ра в трубках, а теплоносителя (хладоагента) в межтрубном пространстве. В зависимости от характера процесса при ­ меняют разнообразны е теплоносители: воду, топочные газы, расплавы солей, органические теплоносители.

Химический реактор непосредственно связан с другими ап п арата­ ми: теплообменниками, конденсаторами, сепараторам и, насосами, ком ­ прессорами и др. Такую систему назы ваю т реакционны м узлом . З а д а ­ ча расчета реакционного узла сводится к выбору типа реактора и со­ ставлению м атериального и теплового баланса.

Ни один завод не м ож ет вы рабаты вать всю ном енклатуру необхо­ димых нефтепродуктов. Современные производства ориентирую тся на максимальную производительность, т. к. в этом случае они более эконо­ мичны. О дна из к л асси ф и кац и й н еф теп ер ер аб аты ваю щ и х заводов (НПЗ) вклю чает пять типов:

•топливный с неглубокой переработкой нефти;

•топливны й с глубокой переработкой нефти;

•топливно-неф техим ический с глубокой переработкой неф ти и про­

изводством неф техим ической продукции;

•топливно-масляны й;

•энергонеф техимический.

На заводах первы х двух типов вы рабаты ваю т различны е виды топ­ лива. П ри неглубокой переработке из неф ти получаю т до 35 % светлых нефтепродуктов. П ри глубокой переработке соотнош ение обратное. Это достигается применением вторичны х методов переработки: каталити­ ческого крекинга; гидрокрекинга; коксования и др.

На заводах третьего типа помимо топлив вы рабаты ваю тся нефтехи­ мические продукты . В качестве сы рья использую т либо газы, либо бен­ зиновые и керосино-дизельные ф ракции первичной переработки нефти.

На заводах топливно-масляного типа наряду с топливами выраба­ ты ваю т ш ирокий ассортимент масел, параф ины , битум и др.

Заводы энергонеф техимического типа строят возле ТЭЦ большой мощности. На таки х заводах получаю т ф ракци и светлы х нефтепродук­ тов для неф техимического производства, а образую щ ийся м азут на­ правляю т на ТЭЦ в качестве топлива.

В словаре неф тепереработчиков сущ ествую т такж е другие терми­ ны: п р о с т а я , слож н ая и очень слож ная п е р е р аб о тк а . В основу этой классиф икации положен объем капиталовлож ений, необходимый для строительства крупны х единиц оборудования.

Н еф теп ерераб аты ваю щ и й завод, работаю щ ий по простой схеме, вклю чает перегонку сырой нефти, гидроочистку дистиллятов и ката­ литический риф орминг нафты . Н П З, работаю щ ий по сложной схеме, кроме вы ш еперечисленного, вклю чает каталитическую крекинг-уста­ новку и установки алкилирования. Н П З, работаю щ ий по очень слож­ ной схеме, вклю чает то ж е самое, что при слож ной схеме, плюс уста­ новки по производству олефинов.

Таблица 11.2. Мощности вторичных процессов в мировой нефтепереработке в 2001 г,, (% к переработке нефти)

ниваю щ ая установка в составе неф тегазодобы ваю щ его управления (НГДУ) или в составе Н П З.П ринципиальная технологическая схема ГПЗ приведена на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Принципиальная технологическая схема ГПЗ:

Î — узел замера количества поступающего газа; 2— установка очистки газа; 3,5 — компрессорные станции; 4 — отбензинивающие установки; б — газофракционирующие установки; 7 — товарный парк; 8 — пункт отгрузки жидкой продукции; I — пункт приема газа; II — сухой газ потребителям; III — жидкая продукция потребителям

Газ поступает в п у н к т прием а под давлением 0,15— 0,35 МПа, Здесь производят зам ер его количества и направляю т в приемные сепарато­ ры, где отделяю т от газа м еханические прим еси и капельную влагу. Здесь ж е газ проходит через установку его очистки 2 от сероводорода и углекислого газа.

К ом прессорная с т а н ц и я первой с т у п е н и 3 предназначена для пе­ рекачки сырьевого газа. С ж ати е осущ ествляется в одну, две или тр*| ступени газомоторными компрессорами типа 10 ГКН или центробеж­ ными нагнетателям и типа К-980.

На отбензиниваю щ их у с т а н о в к а х 4 сырьевой газ разделяю т на не­ стабильный газовый бензин, отбензиненный газ и сбросной газ. Отбен­ зиненный газ компрессорной станцией второй ступени 5 закачивается в м агистральны й газопровод. Н естабильны й бензин направляется на газоф ракционирую щ ие установки 6.

Газоф ракционирую щ ие у с та н о в к и предназначены для разделени^ нестабильного бензина на стабильны й бензин и индивидуальные тех-' нически чисты е углеводороды: этан, пропан, бутан, пентан и н-гексан.] П родукты разделен ия газов откачиваю т в товарны й парк 7, откуда про-j изводится их отгрузка потребителям .

О тбензинивание газов осущ ествляется различны м и методами: ком­ прессионным; абсорбционным; адсорбционным; конденсационным.

При содерж ании в газах более 1000 г /м 3 тяж ел ы х углеводородов применяется ком прессионны й м е т о д , сущ ность которого заклю чается в сжатии газа до давления 2— 4 М Па и последую щ ем охлаж дении в хо­ лодильной установке. П ри сж атии тяж ел ы е компоненты газовой смеси частично переходят из газовой ф азы в ж идкую ф азу. П ри охлаж дении сжатой газовой смеси вы ход ж идкой ф азы увеличивается.

При содерж ании в газах тяж ел ы х углеводородов от 200 до 300 г /м 3 применяют абсорбционны й м е т о д отбензинивания. Сущ ность метода состоит в поглощении тяж ел ы х углеводородов из газовы х смесей ж и д ­ кими поглотителями (абсорбентами). В качестве таких поглотителей используются керосин, дизельны й дистиллят, масла. Чем больше мо­ лярная масса компонентов газа, тем в больш ем количестве он поглощ а­ ется одной и той ж е жидкостью .

При физической абсорбции поглощаемые углеводороды не образуют химических соединений с абсорбентами. Ф изическая абсорбция обрати­ ма — поглощенные компоненты можно выделить из абсорбентов. Этот процесс назы вается десорбцией. Ч ередование процессов абсорбции и десорбции (рис. 11.6) позволяет применять один и тот ж е поглотитель.

Рис.11.6. Схема абсорбционно-десорбционного процесса:

Î —абсорбер; 2—холодильник; 3— насос; 4— промежуточная емкость; 5 — подогреватель; 6— десорбер; 7 — гидравлическая турбина; I — сы­ рьевой газ; II — газ, освобожденный от целевых компонентов; III — ре­ генерированный абсорбент; IV — насыщенный абсорбент; V — целевые компоненты; VI — десорбирующий агент (водяной пар)

Адсорбционный м е т о д отбензинивания углеводородных газов при­ меняется при содерж ании в них тяж елы х компонентов от 50 до 100 г/м 3. В качестве адсорбентов, поглощ аю щ их один или несколько компонен-

тов из газовой смеси, п рим еняю тся пористы е м атериалы , имеющие удельную поверхность в несколько сотен квадратны х метров на грамм вещ ества: активированны й уголь; силикагель; цеолиты. Чем выше мо­ лярн ая масса газа и давление, а такж е чем ниж е тем пература, тем выше их адсорбционная активность.

П роцессы адсорбции обычно обратимы . На этом основан процесс десорбции — вы деления из адсорбента поглощ енных им веществ. Сы­ рьевой газ, проходя ч ерез слой адсорбента, очищ ается от целевы х ком­ понентов. По м ере насы щ ения адсорбента в первом адсорбере он выво­ дится на регенерацию , а в работу вступает второй адсорбер. Для реге­ нерации адсорбента прим еняю т остры й водяной пар с последующим охлаж дением пара и отделением углеводородов.

Сущ ность конденсационного м е т о д а отбензинивания заключается в сж иж ении тяж ел ы х углеводородных компонентов газа при их глубо­ ком охлаж дении. С ущ ествую т две разновидности метода: низкотемпе­ р ату р н ая конденсация (НТК) и н и зко тем п ератур н ая ректификация (НТР). Оба процесса вклю чаю т в себя три стадии:

• компримирование газа до давления 3— ? МПа;

• охлаж дение сж атого и осушенного газа до тем пературы - 100*С;

• разделение образовавш ейся газож идкостной смеси углеводородов на нестабильный газовый бензин и сухой газ.

При применении НТК и Н ТР две первы е стадии одинаковы. Отли­ чие заклю чается в третьей стадии. В схеме НТК присутствует сепара­ тор и ректиф икационная колонна, в схеме Н ТР сепаратор отсутствует. С читается, что схема НТК рациональна при извлечении пропана в пре­ делах 50 % от потенциала, а схема Н Т Р экономичнее при необходимос­ ти извлечения пропана более 70 % от его содерж ания в газе.

Газовый бензин газоперерабатывающ их заводов (ГПЗ), ш ирокая фрак­ ция легких углеводородов (Ш ФЛУ) или газовые конденсаты не являются товарными продуктами. Д ля использования в нефтехимии их подвергают фракционированию с выделением узких фракций. Кроме узких фракций на газофракционирую щ их установках (ГФУ) получают технические сме­ си пропана и бутана, которые используют как бытовое топливо.

ГФ У эксплуатирую тся в составе неф те- и газоперерабатывающ их заводов, на неф техим ических предприятиях и самостоятельно как сы­ рьевы е блоки для получения мономеров в промыш ленности синтети­ ческого каучука.

В состав получаемого нестабильного бензина входят углеводороды от этана до гептана. Это связано с тем, что при ф азовы х переходах и сорбции тяж ел ы е углеводороды увлекаю т за собой легкие.

Процесс разделен и я нестабильного бензина на стабильны й газовый бензин и технически чисты е индивидуальны е углеводороды назы вает­ ся фракционированием. В основе ф ракционирования леж и т метод рек­ тификации. Газоф ракционирую щ ие установки бываю т одноколонны ­ ми и многоколонными. На одноколонных установках вы деляю т стабиль­ ный бензин и сж иж енны й газ, на многоколонных — стабильный бензин и фракции индивидуальны х углеводородов.

Температура компонентов сы рья отличается незначительно, поэто­ му фракционирование осущ ествляю т в несколько ступеней, на каж дой из которых сы рье р азд ел яется на два компонента: вы сококипящ ий и

Х п L J X ш T U X ГУ

Рис. 11Л. Схемы газофракционирования:

а —двухкомлонентная; б —трехкомпонентная; в—четырехкомпонентная

Сырье подается в среднюю часть колонны на тарелку питания. Вве­ денная смесь стекает в нижнюю часть колонны. Н австречу потоку ж ид ­ кости поднимаю тся пары, образовавш иеся в резул ьтате кипения ж и д ­ кости в кубе колонны. В процессе противоточного движ ения паровая фаза обогащ ается низкокипящ им компонентом, а ж и д кая — высококипящим компонентом.

11.3.П РО И ЗВ О Д С Т В О НЕФ ТЕХИМ ИЧЕСКОГО С Ы РЬЯ

Неф техим ической промыш ленностью назы ваю т производ­ ство химических продуктов на основе неф ти и газа. Углеводороды я в ­ ляются базой и сырьем органической химии. Н еф ть и газ следует ис­ пользовать больш е как сы рье для получения множ ества необходимых высокотехнологичных продуктов, а не как топливо.

Основу н еф техи м ически х производств составляю т установки по производству углеводородных газов — ацетилена, этилена, пропилена, бутана, а такж е комплексы по производству аром атических углеводо-

родов — бензола, ксилола и др. В состав неф техим ических входят так- ж е производства кислородосодерж ащ их вещ еств — спиртов, эфиров и др. В аж ное место в структуре продуктов неф техим ии занимаю т высо­ ком олекулярны е соединения: полиэтилен, полипропилен.

Больш инство неф тяны х компаний постепенно меняю т направление' экспортны х неф тяны х потоков и делаю т ставку на экспорт продуктов неф тепереработки и нефтехимии. Н еф техим ическое производство ба­ зи руется на многоступенчатой переработке неф ти и попутных нефтя­ ных газов. П оследние отличаю тся от природного газа метана высоким содерж анием более тяж елы х углеводородов. На газоперерабатывающих заводах из попутного нефтяного газа получаю т продукт под названием «ш ирокая ф ракц и я легких углеводородов». К сожалению , при добыче неф ти больш ая часть попутного нефтяного газа — этого ценного сырья сж игается в ф акелах.

В качестве основных сы рьевы х компонентов для производства неф-^ техимической продукции использую тся прямогонный бензин или нафта и ш ирокая ф ракц ия легких углеводородов. И з последней может быть получен практически весь спектр нефтехимической продукции: каучу­ ки для шинной и резинотехнической промышленности, пластмассы, ком­ поненты для высокооктанового бензина. Базовы ми продуктами нефте­ химии являю тся этилен, пропилен, бензол, мономеры для выработки син­ тетических каучуков, а такж е сырье д л я технического углерода.

Таблица 11.3. Мировое производство основных продуктов нефтехимии

Полный цикл нефтехимического производства от сы рья до готовой продукции вклю чает не менее семи стадий технологических переделов. При этом с увеличением уровня передела возрастает рентабельность выпуска продукции. В ряд е случаев стоимость продукции конечных этапов передела м ож ет в 100 раз превосходить стоимость сырья.

В Европе производство пластмасс на душ у населения достигает 30 кг, в России — около 5 кг. Ежегодно Россия закупает до 150 тыс. т пласт­ масс для упаковочной тар ы и до 200 тыс. тонн полиэф ирны х волокон.

Нефть при комплексной переработке д ает начало целы м классам химических соединений, стоимость и прибы ль от которы х в р азы от передела к переделу превы ш ает цену неф ти (рис. 11.8).

Рис. 11*8. Рост выручки при переработке углеводородов

О том, насколько выгодно заним аться неф техимическим производ­ ством, свидетельствую т следую щ ие циф ры . В 2001 г. объем российско­ го нефтехимического экспорта составил около 3,5 м лрд долл., при этом на изготовление экспортной партии продукции израсходовано около 4 млн т углеводородов. Чтобы вы ручить такой ж е объем валю ты необ­ ходимо экспортировать 24 млн т нефти.

Н еф тех им ия как и неф тепереработка являю тся слабейш ими звень­ ями всей неф тяной промыш ленности стран СНГ и России. Отсталость неф тепереработки увеличивает яеф теем кость экономики, суж ает экс­ портны е возм ож ности неф тегазодобы ваю щ их компаний. Несмотря на нам етивш ееся развитие неф техим ической отрасли в этих странах, вы­ пуск многих видов ее продукции остается недостаточным. М еж ду тем, эта продукция и изделия из нее имею т наибольш ую долю добавленной стоимости из всех продуктов нефтяного передела.

К нефтехимическим производствам относятся их следую щ ие группы*.

•производство сы рья — олефинов, диенов, наф теновы х и аромати­ ческих углеводородов;

•производство полупродуктов — ф енолов и спиртов (функциональ­ ная группа — ОН), альдегидов (ф ункциональная группа — СОН), кетонов (ф ункциональная группа = С О ), эф иров (функциональная

группа — О— ), кислот (ф ункциональная группа — СООН) и др.;

• производство поверхностно-активны х вещ еств (ПАВ);

•производство вы соком олекулярны х соединений — полимеров.

Из углеводородов с использованием многочисленных химических технологий синтезирую тся все классы соединений (рис. 11.9).

М етан перерабаты вается на получение С Н ;!С1, С ,Н 2, СН3ОН, НСНО, HCN. И з этана получаю т этилен. Пропан перерабаты ваю т на хлорпро-