Оптимізація термічного крекінгу вуглеводнів

Abstract

Актуальність теми. Основними методами переробки важких залишків нафтопереробки є процеси вісбрекінгу, гідрокрекінгу, термічного та каталізаторного крекінгу. Ці процеси, окрім переробки мазуту та утилізації важких продуктів, дозволяють отримувати бензин і дизельне паливо. Хоча ці технології використовуються за кордоном та частково в Україні, їх широке впровадження гальмується значною капіталомісткістю, енергоємністю та високою вартістю. Наприклад, каталітичний крекінг вакуумного газойлю включає додаткові стадії гідроочищення, а гідрокрекінг потребує складних технологій та високого тиску водню, що робить будівництво таких комплексів надзвичайно дорогим (понад 1 млрд доларів США). Процеси термічної конверсії характеризуються низьким виходом світлих фракцій (20-40%), а важкі залишки можуть використовуватися лише як добавки до котельного палива. Таким чином, розробка економічно ефективного способу ініціювання термічних процесів для збільшення глибини переробки нафти, підвищення продуктивності та виходу паливних фракцій (бензин, керосин, дизельне паливо) з одночасним отриманням затребуваних залишкових продуктів (котельне паливо, бітум) є актуальною задачею. Об'єкт дослідження – процес термічного крекінгу важких нафтових залишків (гудрону). Предмет дослідження – закономірності процесу модифікованого киснем повітря крекінгу гудрону та вплив технологічних параметрів на вихід і склад продуктів. Мета дослідження – розробка основ нової ефективної технології переробки гудрону методом модифікованого киснем повітря крекінгу для підвищення глибини переробки нафти та отримання світлих паливних фракцій і якісного залишкового продукту. 5 Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети використовувалися експериментальні методи дослідження процесу крекінгу гудрону в періодичних умовах на лабораторній установці. Проводилося вивчення впливу температури (420-440°С) та швидкості подачі кисню повітря (0,5-1,0 л/хв, або 2,0-4,0 л/(кг·хв)) на швидкість утворення та вихід світлих фракцій. Здійснювалася фракційна перегонка світлих продуктів, структурногруповий аналіз фракцій (до 280°С) та важких залишків, а також визначення умовної в'язкості залишків. Проводився порівняльний аналіз результатів модифікованого та немодифікованого крекінгу. Основні результати та їх новизна. Вперше досліджено закономірності процесу крекінгу гудрону, модифікованого безпосередньою подачею кисню повітря в реакційну зону. Встановлено, що дозування кисню суттєво підвищує швидкість утворення світлих фракцій порівняно з немодифікованим крекінгом. Зокрема, при 420°С швидкість зростає на 10-15%, при 430°С – на 30-40% (тривалість реакції скорочується до 25-30 хв), а при 440°С – на 50-60% (реакція завершується за 10-15 хв). Найбільший ефект досягається при вищих температурах за коротший проміжок часу. Визначено, що оптимальна тривалість процесу при 440°С, за якої можна отримати понад 35% об. світлих фракцій без суттєвого збільшення в'язкості залишку, становить приблизно 10 хв. При модифікованому крекінгу в'язкість важкого залишку (фракції >280°С) зменшується у 2,6 раза порівняно з термічним крекінгом (14,1°ВУ проти 37,1°ВУ), що дозволяє використовувати менше світлих фракцій для компаундування. Це, в свою чергу, сприяє збільшенню виходу світлих вуглеводневих фракцій, зокрема додатковому отриманню до 8,9% абсолютної дизельної фракції. Процес крекінгу за наявності ініціатора (кисню повітря) забезпечує підвищення швидкості відбору світлих фракцій, що сприяє збільшенню питомої продуктивності реакційного вузла.модифікований крекінг, кисень повітря, світлі фракції, дизельна фракція, в'язкість, глибина переробки нафти. 6Relevance of the topic. The main methods for processing heavy oil residues are visbreaking, hydrocracking, thermal and catalytic cracking. These processes, in addition to processing fuel oil and utilizing heavy products, allow for the production of gasoline and diesel fuel. Although these technologies are used abroad and partially in Ukraine, their widespread implementation is hindered by significant capital intensity, energy consumption, and high cost. For example, catalytic cracking of vacuum gas oil includes additional hydrotreating stages, and hydrocracking requires complex technologies and high hydrogen pressure, making the construction of such complexes extremely expensive (over 1 billion USD). Thermal conversion processes are characterized by low yields of light fractions (20-40%), and heavy residues can only be used as additives to boiler fuel. Thus, the development of an economically effective method for initiating thermal processes to increase the depth of oil refining, improve productivity and the yield of fuel fractions (gasoline, kerosene, diesel fuel) 7 while simultaneously obtaining demanded residual products (boiler fuel, bitumen) is a relevant task. Object of research – the process of thermal cracking of heavy oil residues (goudron). Subject of research – regularities of the goudron cracking process initiated by atmospheric oxygen and the influence of technological parameters on the yield and composition of products. Purpose of research – to develop the fundamentals of a new effective technology for goudron processing by oxygen-initiated cracking to increase the depth of oil refining and obtain light fuel fractions and a quality residual product. Research methods. To achieve this goal, experimental methods were used to study the goudron cracking process under batch conditions in a laboratory unit. The influence of temperature (420-440°C) and air oxygen feed rate (0.5-1.0 L/min, or 2.0- 4.0 L/(kg·min)) on the formation rate and yield of light fractions was studied. Fractional distillation of light products, structural-group analysis of fractions (up to 280°C) and heavy residues, as well as determination of the conditional viscosity of residues were carried out. A comparative analysis of the results of initiated and noninitiated cracking was performed. Main results and their novelty. For the first time, the regularities of the goudron cracking process, initiated by direct feeding of atmospheric oxygen into the reaction zone, have been studied. It was found that oxygen dosing significantly increases the formation rate of light fractions compared to non-initiated cracking. Specifically, at 420°C, the rate increases by 10-15%; at 430°C – by 30-40% (reaction time is reduced to 25-30 min); and at 440°C – by 50-60% (reaction is completed within 10-15 min). The greatest effect is achieved at higher temperatures over a shorter period. It was determined that the optimal process duration at 440°C, at which more than 35% vol. of light fractions can be obtained without a significant increase in residue viscosity, is approximately 10 minutes. In initiated cracking, the viscosity of the heavy residue (fraction >280°C) decreases by 2.6 times compared to thermal cracking (14.1°VU versus 37.1°VU), which allows for the use of fewer light fractions for compounding. 8 This, in turn, contributes to an increase in the yield of light hydrocarbon fractions, including an additional yield of up to 8.9% of absolute diesel fraction. The cracking process in the presence of an initiator (atmospheric oxygen) ensures an increased rate of light fraction withdrawal, which contributes to an increase in the specific productivity of the reaction unit.