Введение к работе
Актуальность темы исследования Особенностью развития российской нефтепереработки является довольно быстрое увеличение вклада малотоннажных предприятий, количество которых сейчас превышает 80, а суммарная мощность -11 млн. т в год. Мини-НПЗ позволяют перерабатывать сырье в местах добычи, но значительное увеличение их численности создает ряд эколого-экономических и технологических проблем. На сегодня большинство таких предприятий могут выпускать на базе прямогонных фракций только узкий ассортимент продуктов, не в полной мере соответствующих ужесточающимся требованиям. В перспективе предприятия придется либо ликвидировать, либо реконструировать, увеличивая мощность и усложняя технологию за счет вторичных процессов. Для мини-НПЗ требуется разрабатывать новые технологии, варианты процессов с низкими капитальными и эксплуатационными затратами. Практически единственный путь решения экологических проблем заключается в углублении переработки сырья до такой степени, чтобы в качестве остатка получался только сухой газ.
На мини-НПЗ желательно применение в качестве сырья газовых конденсатов либо нефтегазоконденсатных смесей, что, как правило, упрощает технологическое оформление процессов и увеличивает выход компонентов моторных топлив. В настоящее время около 20% добываемого в России газового конденсата перерабатывается на малогабаритных установках как самостоятельно, так и совместно с нефтями. Для того чтобы полностью использовать потенциал сырья, технология разделения на фракции и вторичной переработки выделенных фракций должна учитывать специфичность состава и свойств конденсата.
Современная тенденция переработки смесевого сырья (нефтяного, газоконденсатного и нефтегазоконденсатного) обуславливает важность изучения влияния состава сырья и основных параметров фракционирования на результаты процесса и использования выявленных закономерностей для его интенсификации. Это будет способствовать выработке нового подхода к первичной переработке, гарантирующего заданную глубину отбора целевых фракций и четкость погоноразделения при значительных колебаниях состава сырья.
Таким образом, исследование физико-химических свойств и особенностей фракционирования нефтегазоконденсатного сырья, оптимизация режимов и разработка рациональных технологических схем этого процесса применительно к малогабаритным установкам, создание вторичных каталитических процессов превращения выделенных фракций в компоненты моторных топлив и сырье для нефтехимии является важной и актуальной научно-прикладной задачей.
Цель работы Разработка методов оптимизации состава смесевого нефтегазоконденсатного сырья, параметров режима процесса ректификации и рациональных технологического схем, позволяющих повысить выход, качество целевых фракций и, в конечном итоге, рационально использовать потенциал сырья. Исследование процессов ароматизации и деструктивной изомеризации индивидуальных парафиновых углеводородов и узких бензиновых фракций, подбор селективных цеолитсодержащих катализаторов для получения высокооктановых компонентов бензинов, сырья для нефтехимии и увеличения глубины переработки в условиях малотоннажного производства.
Основные задачи исследования
исследование и уточнение составов и физико-химических свойств газовых конденсатов различного происхождения, фракционного и группового состава и их целевых фракций, а также направлений переработки;
изучение закономерностей изменения фракционного состава, происходящих при смешении нескольких видов углеводородных ресурсов, разработка нового подхода к представлению фракционного состава, позволяющего оценивать потенциальное содержание целевых фракций в смесевом сырье;
исследование и обобщение влияния основных параметров фракционирования на процесс разделения нефтегазоконденсатного сырья, разработка пригодных для реализации методов их оптимизации;
исследование закономерностей переработки газовых конденсатов и нефтегазоконденсатных смесей на малогабаритных установках и разработка на их основе рациональных технологических приемов и схем, позволяющих повысить глубину отбора и качество целевых фракций;
изучение структуры и физико-химических характеристик цеолитов разных типов, подбор активных и селективных катализаторов для процессов ароматизации и деструктивной изомеризации парафиновых углеводородов;
выработка предложений по комплексной переработке газообразных углеводородов и узких бензиновых фракций в высокооктановые компоненты бензинов и сырье для нефтехимии в условиях малотоннажного производства.
Научная новизна работы
Разработана и научно обоснована принципиально новая форма представления фракционного состава углеводородного сырья с помощью осцилляторов интенсивности кипения, позволяющая оценивать потенциальное содержание узких целевых фракций применительно к условиям ректификации.
Разработан алгоритм расчета определяющих параметров ректификации -флегмовых чисел и чисел теоретических тарелок - с использованием экономических критериев, позволяющий обосновать оптимальный режим процесса как на стадии проектирования, так и для действующей установки.
Разработан графоаналитический метод расчета оптимального состава смесевого сырья, позволяющий создавать условия для формирования максимального потенциала целевой фракции при ректификации.
Разработан метод выбора прямогонных бензиновых фракций с оптимальной для процесса компаундирования детонационной стойкостью и максимально возможным выходом от потенциала, предложены уравнения для расчета октановых чисел бензиновых фракций с учетом их газоконденсатного или нефтяного происхождения.
Предложен и научно обоснован метод фракционирования легкого нефтегазоконденсатного сырья с использованием конденсирующего агента, позволяющий увеличить глубину отбора светлых фракций от потенциала.
Установлены закономерности превращения газообразных парафинов и узких бензиновых фракций в высокооктановые компоненты товарных бензинов и сырье для нефтехимии в присутствии модифицированных галлием и платиной цеолитсодержащих катализаторов. Показано, что платинусодержащие катализаторы на основе деалюминированного морденита и цеолита BETA проявляют высокую активность в процессе деструктивной безводородной изомеризации парафинистого сырья при умеренных температурах 250-300С.
Положения, выносимые на защиту
результаты исследований газовых конденсатов различного происхождения, фракционного и группового углеводородного состава и выявленные закономерности их фракционирования на малогабаритных установках;
результаты исследований и выявленные закономерности неаддитивного изменения фракционного состава смесевого нефтегазоконденсатного сырья;
графоаналитический метод определения оптимального соотношения компонентов с целью формирования максимального потенциала целевой фракции в смесевом сырье;
методы оптимизации определяющих параметров ректификации, выбора целевых фракций для получения товарных продуктов, увеличения глубины их отбора при переработке нефтегазоконденсатного сырья;
рациональные технологические приемы и схемы переработки нефтегазоконденсатного сырья на малогабаритных установках;
результаты исследований пористой структуры и кислотности исходных и модифицированных галлием и платиной цеолитов разных типов во взаимосвязи с селективностью в различных процессах;
обоснование выбора активных и селективных цеолитсодержащих катализаторов ароматизации и деструктивной изомеризации, механизмов процессов, параметров технологического режима и технологии получения высокооктановых компонентов, обогащенных аренами и изопарафинами;
предложения по комплексной переработке углеводородного газа и узких бензиновых фракций в высокооктановые компоненты бензинов и сырье для нефтехимии в условиях малотоннажного производства.
Практическая ценность и реализация работы
Исследованы физико-химические характеристики газовых конденсатов различного происхождения, фракционного и группового состава и их целевых фракций. Обоснованы рекомендации по получению товарных продуктов, отвечающих требованиям стандартов.
Разработана новая графическая форма представления фракционного состава с помощью осцилляторов интенсивности кипения, позволяющая прогнозировать изменение выхода целевых фракций при ректификации и определять оптимальное соотношение компонентов в смесевом сырье.
Предложен алгоритм оптимизации основных параметров ректификации с использованием экономических критериев, пригодный для использования как на стадии проектирования, так и при эксплуатации установки, позволяющий внести необходимые коррективы в рабочий режим установки.
Методы оптимизации состава смесевого сырья и определяющих параметров ректификации используются при проектировании установок и блоков первичной переработки в ЗАО «НИПИ НГХ», среднее увеличение рентабельности вновь спроектированных объектов составляет 1,6%.
Разработаны и предложены для практического применения новые методы выбора целевых фракций для получения товарных продуктов, увеличения глубины отбора дистиллятных фракций, рациональные технологические приемы и схемы переработки газовых конденсатов, на основе которых выполнены
проекты малогабаритных установок УПГК-16/30 и УПГК-10/15. Расчетный годовой экономический эффект за счет снижения расхода топлива на установке УПГК-10/15, перерабатывающей сырье ставропольских месторождений низкотемпературным способом, составляет 1,3 млн. рублей.
Разработаны рациональные технологические приемы и схемы переработки газовых конденсатов совместно с нефтями, на основе которых реализованы проекты реконструкции типовых малогабаритных установок БДУ-2К (ЗАО НПО «УренгойГеоРесурс») и НПУ-100 (НПЗ ООО «Энергосинтез»), позволяющие при двукратном увеличении производительности повысить глубину отбора целевых фракций. Годовой экономический эффект от реализации этих схем составляет 34,4 млн. рублей в расчете на сопоставимую производительность установок.
Выполнена работа по оптимизации состава и мощности НПЗ для глубокой переработки сырья, которая принята в качестве базовой для строительства на территории Ставропольского края завода производительностью 300 тыс. т/год. Расчетный срок окупаемости капитальных вложений составляет 2,3 года, чистая прибыль после выхода на проектную мощность - 157,4 млн. рублей в год.
Основные положения и результаты диссертационной работы используются в Северо-Кавказском государственном техническом университете при чтении лекций по дисциплинам «Химическая технология топлива и углеродных материалов», «Технология переработки природных газов», в курсовом и дипломном проектировании студентов специальности 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».
Автор защищает научные основы перспективного направления в технологии переработки нефти и газового конденсата, обеспечивающие оптимизацию технологических режимов и создание рациональных схем переработки смесевого сырья в условиях малотоннажного производства.
Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на VI (Козубник, Польша, 1988 г.) и VII (Киев, 1990 г.) нефтехимических симпозиумах социалистических стран; IV Всесоюзной конференции «Применение цеолитов в катализе» (Москва, 1989 г.); Всесоюзном совещании «Переработка низших углеводородов С1-С4» (Грозный, 1990 г.); международной научно-технической конференции «Технико-экономические проблемы промышленного производства» (Набережные Челны, 2000 г.); международной конференции «Проблемы добычи и переработки нефти и газа в перспективе международного сотрудничества ученых каспийского региона» (Астрахань, 2000 г.); международных научно-практических конференциях «Проблемы эксплуатации и капитального ремонта скважин на месторождениях и ПХГ» (Ставрополь, 2003 и 2004 г.г.); IV Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» (Уфа, 2004 г.); X международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии» (Волгоград, 2004 г.); III международном симпозиуме «Нефтяные дисперсные системы» (Москва, 2004 г.); международных научно-практических конференциях «Нефтегазопереработка и нефтехимия» (Уфа, 2005, 2006 и 2010 г.г.); V межрегиональной научной конференции «Студенческая наука - экономике России» (Ставрополь, 2005 г.); 50-й научной конференции Астраханского
государственного технического университета (Астрахань, 2006 г.); 7-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2007 г.); VII - XIII региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2003-2009 г.г.); XXVII - XXXVIII научно-технических конференциях Северо-Кавказского государственного технического университета (Ставрополь, 1997-2009 г.г.).
Публикации По результатам диссертации опубликовано 86 научных работ, в том числе 19 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК, монография, тематический обзор, получено 8 патентов и авторских свидетельств.
Личный вклад автора В диссертационной работе обобщены и обсуждены результаты, полученные автором лично или в соавторстве под его руководством. При этом автор определял цель и задачи научного направления исследований, разрабатывал методы их решения, проводил описание и интерпретацию результатов, формулировал выводы. Диссертация обобщает результаты многолетних теоретических и прикладных исследований, автор является руководителем 4-х защищенных диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.07.
Объем и структура работы Диссертация изложена на 284 страницах, включает 112 таблиц, 75 иллюстраций и состоит из введения, 7 глав, выводов, списка использованных источников из 242 наименований и приложения.
