Технологии и оборудование экспресс-переработки в нефтепродукты первичного и вторичного нефтесодержащего сырья, кондиционирования нефтепродуктов, производства компаундированных продуктов и водных дистиллятов на местных промплощадках
1 Характеристика темы
Неразвитость инфраструктуры России в сочетании с произволом ресурсопроизводящих и транспортных монополий диктует необходимость развития, особенно, в «глубинке» универсальных, независимых производств, производящих и/или позволяющих сохранять наиболее востребованные на местах ресурсы, утилизировать вторичное углеводородное сырьё, часто являющееся источником загрязнения окружающей среды.
В этом контексте нами разработана многофункциональная струйно-вакуумная аппаратура, предназначенная для выполнения в одном типе оборудования следующих операций:
1. Кондиционирование сырой нефти: стабилизация. обезвоживание, обессоливание, гомогенезация во избежание осадкообразования.
2. Разделение сырой нефти на полуфабрикаты: совокупную дистиллятную группу и нефтеостаток (гудрон), например, в целях экспорта полуфабрикатов вместо сырья.
3. Выработка местных:
–дистиллятных и остаточных нефтепродуктов;
–строительных материалов–общестроительных и дорожных (окисленных) битумов.
4. Кондиционирование нефтепродуктов (топлив, масел) в целях восстановления стандартных норм или эксплуатационных показателей качества.
5. Производство жидких компаундированных продуктов, обладающих более высокими потребительскими свойствами, чем исходные компоненты.
6. Выработка дистиллятов из природных вод.
2 Принцип действия и устройство струйно-вакуумной аппаратуры
2.1 Струйно-вакуумная аппаратура–тепломассообменный аппарат, в котором осуществляется быстротекущий, неравновесный, вакуум-дистилляционный процесс однократного испарения сырья с последующей однократной конденсацией совокупной паровой фазы или её ступенчатое фракционирование в установленных последовательно по ходу паров конденсаторах. При необходимости процесс однократного испарения может быть выполнен ступенчатым.
В вакуумируемой камере струйно-вакуумной аппаратуры (далее СВА или аппаратура) размещены сопла-диспергаторы для деструктивной (кавитационной) обработки и распыливания сырья в форме тонокдиспергированных факелов. Камера оборудована термической рубашкой, предотвращающей остывание факела при испарении из него легкокипящего компонента сырья и/или обеспечивающей эффективный термокрекинг нефтесодержащего сырья в капельном состоянии.
В состав инсталяции СВА, в зависимости от вида перерабатываемого сырья, целевых продуктов и других обстоятельств, могут входить энергетические мощности (дизельная электростанция, котёл и/или технологическая печь-котёл), насосы, фильтры тонкой и грубой очистки, операционные ёмкости и т. д.
2.2 Примеры воплощения концепции СВА приведены на рисунках 1 и 2.
На рисунке 1 показан макет промышленного образца струйно-вакуумной аппаратуры (СВА), предназначенный, преимущественно, для выполнения функций 4 и 5 по разделу 1. На рисунке 2 представлен опытно-промышленный образец, рассчитанный на выполнение функций 1-6. Как видно из спецификаций обоих рисунков, принципиальных различий между обоими образцами нет.
1–вакуумная, обогреваемая паром, камера (V=0,5 м3) с двумя оппозитно-расположенным диспергаторами-распылителями; 2–одноступенчатый конденсатор; 3–пульт управления; 4–вакуумный насос; 5–сырьевой насос; 6–подогреватель; 8–система охлаждения конденсатора; 9–фильтр тонкой очистки.
Рисунок 1 – Промышленный образец СВА
1 - вакуумная обогреваемая дистилляционная (крекинг) камера (V=1 м3) с двумя диспергаторами-распылителями; 2 - двухступенчатые фракционирующие конденсаторы; 3 - пульт управления; 4 - вакуумный насос; 5 - сырьевой насос; 6 - подогреватель; 7 - емкости сырья; 8 - система охлаждения конденсаторов; 9 - сборник легких дистиллятов; 10 - сборник тяжелых дистиллятов; 11 - сборник кубового остатка (мазута, гудрона, битума)
Рисунок 2 – Опытно-промышленный образец СВА
3 Преимущества СВА-технологий
3.1 Эти технологии, применительно к переработке первичного и вторичного нефтесодержащего сырья, соединяя в себе первичные и вторичные процессы нефтепереработки, обеспечивают увеличение выхода дистиллятных продуктов.
Применительно к кондиционированию нефтепродуктов СВА-технологии позволяют осуществлять все основные операции по регенерации топлив и масел, направленные на восстановление их потребительских и/или эксплуатационных свойств.
Наконец, испарение под вакуумом природных вод из тонкодиспергированного факела после кавитационной обработки исходной воды позволяет не только получать в промышленных масштабах дистилляты, но модифицирует молекулы накипеобразователей, исключая кристаллизацию рассолов и превращая соли жёсткости в аморфные структуры. Выработка собственных дистиллятов, на базе которых могут без существенных затрат производится все виды подпиточных и охлаждающих вод позволяет отказаться от дорогостоящих комплексов водообработки, преимущественно, вкупе с импортными хим. препаратами.
Важным преимуществом СВА–технологий является быстротечность дистлляционного процесса, определяемая, в основном, временем (доли секунды) свободного полёта капли диаметром ≤50-70 мкм, до соприкосновения со стенками камеры. Именно эта особенность определяет минимальные массогабаритные характеристики аппаратуры.
Приемлемое удельное энергопотребление и широкий спектр решаемых производственных задач в рамках небольшой, по сравнению с другими видами местных производств, промплощадки, выгодно отличает СВА, например, от мини-НПЗ.
В итоге, всё это вместе взятое минимизирует бизнес-риски, что особенно важно для предприятий с невысоким уровнем капитализации.
3.2 Примеры реализации СВА-технологий
(1) Выработка топлив-аналогов
Глубина переработки нефтесодержащего сырья, в частности, нефти, определяется величиной остаточного давления в дистилляционной камере и эффективностью используемых деструктивных методов обработки сырья. Согласно рисунку 3, выход дистиллятов в вакуумном процессе увеличивается в разы при аналогичном уровне снижения температур дистилляции.
 |
Вид нефти | Лёгкая нефть | Тяжёлая нефть | |||||||||
Обозначение |
|
|
|
|
| ||||||
Остаточное давление в камере, мм. рт. ст. | 760 | 60,8 | 760 | 30 | 15 |
Рисунок 3–Выход дистиллятов при вакуум-дистилляционном процессе
Таблица 1 – Влияние деструктивной обработки гомогенизации нефти на характеристики нефти и выход светлых дистиллятов | Таблица 2 – Основные характеристики качества лёгкого дистиллята-полуфабриката (бензина-сырца), полученного при вакуумной перегонке нефти | ||||||
Характеристики | Нефть | Наименование показателей | Калинин-градская нефть | Лёгкий дистиллят (бензин-полуфабрикат) | |||
Сырая | Гомогени-зированная | ||||||
Плотность, ρ20, г/см3 | 0,8317 | 0,8293 | Плотность, ρ20, г/см3 | 0,81 | 0,73 | ||
Вязкость при 50ОС, сСт | 4,169 | 3,48 | Вязкость при 20ОС, сСт | 9,0 | – | ||
Температура в атмосферном дистилляционном процессе, ОС | % пере-гонки | 51 (начало) | Температура вспышки | <5 | <5 | ||
10 | 118 | 105 | Содер-жание, % | Воды | 6,0 | Отс. | |
20 | 160,5 | 153 | Мех. примесей | 0,7 | Отс. | ||
30 | 208 | 195 | |||||
40 | 255 | 245 | Серы | 0,28 | 0,02 | ||
50 | 304 | 295 |
Представляет интерес сравнение величины выхода и качества дистиллятов при атмосферной и вакуумной перегонке другого видна нефтесодержащего сырья–отработанных масел (таблицы 3 и 4).
Таблица 3 – Характеристика и продуктов термокрекинга-дистилляции моторных масел
Виды нефтесодержащего сырья | Виды обработки 1) : основной | Выход совокупной дистиллятной фракции2) , % (при конечной температуре процесса, ОС) | Характеристика качества совокупной дистиллятной фракции и погонов | ||||||
Вязкость, ν, сСт при | Плотность при 20 ОС, г/см3 | Темпе-ратура вспы-шки, ОС | Цветность | ||||||
дополни-тельной | 20 ОС | 50 ОС | 100 ОС | ||||||
Мине-ральное мотор-ное масло | Esso (ν100=13,7 сСт) | АП | 25 (366) | 11,4 | 4,3 | – | 0,832 | 03) | Основные погоны светлые |
– | |||||||||
ВП | >92,0 (345) | 24,2 | – | 8,0 | 0,865 | 207 | Основные погоны светлые | ||
– | |||||||||
М10Г2 (ν100=10,0 сСт) | АП | 40 (368) | – | – | – | – | – | – | |
– | |||||||||
АП | 60 (366) | – | – | – | – | – | – | ||
К | |||||||||
ВП | >91 (360) | – | 45,5 | 9,46 | 0,892 | 219 | Основные погоны светлые | ||
Г | |||||||||
Полусинтетическое моторное масло ELF (ν100=14,5 сСт) | АП | 35-40 (367) | – | – | – | – | – | – | |
– | |||||||||
ВП | >72 (367) | II погон | – | 18,0 | 3,3 | 0,831 | – | – | |
– | III погон | – | 32,3 | 5,6 | 0,901 | – | Жёлтые | ||
Мазут IFO 80 (ν100=14,0 сСт) | ВП | ≤24 (243) | I погон | 6,0 | – | – | 0,852 | – | Светлые прозрачные |
– | ≥24 (>243) | II погон | – | – | 4,1 | – | 258 | Начало потемнения, но не конец перегонки |
Условные обозначения:
(1 – АП и ВП – атмосферная и вакуумная перегонка;
Г – гомогенезация; К – перегонка с медным катализатором;
(2 – Перегонка производилась в пределах шкалы термометра ≤368ОС;
(3 – Продукт характеризовался низкой (неопределяемой) температурой вспышки, что указывает на содержание в нём бензиновой фракции.
Таблица 4 – Характеристика качества совокупной дистиллятной фракции (топлива-аналога) полученной термокрекингом–перегонкой минерального моторного масла ДП11 | Таблица 5 – Значение эксплуатационных параметров судового дизеля NVD-24 | ||||||
Наименование характеристик | Значение характеристик | Наименование характеристик | Значение характеристик | ||||
Дизтопливо ГОСТ 305 | Топливо-аналог | Дизтопливо ГОСТ 305 | Топливо-аналог | ||||
Вязкость при 20ОС, сСт | 3-8 | 3,5-12,0 | Относительное значение нагрузки, W | 3-8 | 3,5-8,0 | ||
Плотность при 20ОС, г/см3 | 0,82-0,84 | 0,82-0,85 | Частота вращения, мин-1 | 630 | 630 | ||
Температура вспышки, ОС | 45-61 | 40-80 | Температура выхлопных газов, ОС | 334 | 331 | ||
Фракционный состав отгоняется не ниже температуры, % | 200 ОС | 10 | 6 | Температура охлаждающей воды, ОС | 68 | 69-70 | |
295 ОС | 50 | 80 | Максимальное давление сгорания Рz, МПа (среднее значение) | 6,125 | 6,190 | ||
Среднее квадратичное ожидание, МПа | 0,146 | 0,179 | |||||
360 ОС | 96 | 96 | Давление видимого начала сгорания топлива Рс, МПа (среднее значение) | 3,813 | 4,0 |
Таблица 6 – Уменьшение содержания механических примесей (тяжёлых углеводородных соединений) в результате гомогенизации мазута IFO 30 в соплах-диспергаторах СВА
Характеристики мазута | Содержание механических примесей в фугатах | |
% | в относительных единицах | |
Исходный мазут | 2,1 | 1,0 |
Мазут, обработанный в соплах-диспергаторах при давлении 0,9 МПа | 1,95 | 0,93 |
Мазут, обработанный в соплах-диспергаторах при давлении 1,8 МПа | 1,52 | 0,75 |
Приведённые на рисунке 3 в таблицах 1-6 примеры реализации СВА-технологий применительно к переработке нефтесодержащего сырья позволяют заключить следующее.
(а) вакуумная перегонка нефти и нефтепродуктов, в том числе, в сочетании с термокрекингом, с целью получения топливных фракций позволяет существенно (в разы) увеличивать глубину переработки сырья и выход дистиллятных продуктов при относительно невысоких температурах дистилляционного процесса;
(б) медный катализатор, вводимый в перегоняемое сырьё значительно повышает глубину его переработки, но ещё более заметный эффект даёт деструктивная обработка–гидродинамический крекинг (гомогенезация), сырья;
(в) вакуумная перегонка термически стойких современных моторных масел в диапазоне температур до 368ОС (таблица 3) позволяет выделять, смесь топливных и масляных дистиллятов, в отличие от термокрекинга–перегонки старых марок масел (ДП11). Последние при тех же температурах перегонки трансформируются только в газойли с хорошими моторными свойствами (таблицы 4, 5), несмотря на отсутствие в топливе-аналоге легирующих присадок. Принимая во внимание результаты обработки современных моторных масел, логично предположить получение того же эффекта при их термокрекинге–перегонке под более высокими температурами;
(г) очевидный интерес представляет возможность обессеривания целевых дистиллятных продуктов за счёт эффективно построенного процесса вакуумной дистилляции нефти (таблица 2).
(2) Кондиционирование нефтепродуктов
Результаты обезвоживания вязких нефтепродуктов без потери присадок за один проход в быстротекущем вакуум-дистилляционном процессе (опытно-промышленный образец–рисунок 1) с объёмом вакуумной камеры VВК=0,54м3) представлены в таблице 7.
Таблица 7 – Результаты обезвоживания вязких нефтепродуктов
| Действующие сопла–диспергаторы | Остаточное давление в камере, мПа | Температура, ОС | Произво-дитель-ность по сырью, л/ч | Содержание воды в масле | ||
масла на входе в камеру | кипе-ния воды | греющего пара в рубашке | |||||
| верхний и нижний | 0,0043 | 118 | 30 | 160 | 2830 |
|
нижний | 0,004 | 122 | 29 | 160 | 1900 |
| |
| нижний | 0,0063-0,0068 | 120-122 | 37-38 | 160 | 1870 |
|
0,0055-0,0068 | 114-118 | 34-38 | 152 | 1850 |
|
обработки, %
Таблица 8 – Результаты удаления из масла (М10Г2ЦС) дизельного топлива в стендовой струйно-вакуумной аппаратуре с действующим верхним соплом-диспергатором и водяной греющей рубашкой вакуумкамеры
Вид продукта | Давление масла на входе в сопло-диспергатор, МПа | Температура, ОС | Вязкость масла, сСт | Диспергирующая способность | Температура вспышки, ОС | ||
масла на входе в камеру | греющей среды в рубашке в камеры | в камере | |||||
Исходный | 2,10 | 108-120 | 100 | 71 | 8,95 | 0,71 | 150 |
Конечный | 2,00 | 126 | 100 | 78 | 9,55 | 0,75 | 178 |
Таблица 9 – Результаты обессоливания нефтепродукта (масла) в объёмном фильтре тонкой очистки и при клирификации после удаления из него водной фазы морской воды | Таблица 10 – Изменение показателей качества масел до и после ультразвуковой обработки1) | |||||||
Характеристики нефтесодержащего сырья | Содержание хлоридов, мг/л | Наименование показателя | Значения показателей масел | |||||
До обработки | После обработки | |||||||
Исходное, необводнённое морской водой масло | 117 | ОМ-2 | ДС-8 | ОМ-2 | ДС-8 | |||
1 Коррозионная активность (тест-пластинки из свинца), г/м | 15,3 | 21,1 | 9,4 | 15,1 | ||||
Осушенное, обезвоженное масло, содержащее соль в виде взвеси | До обессоливания | 709 | 2 Кислотное число, мгКОН/г | 0,30 | 0,39 | 0,21 | 0,30 | |
3 Щелочность, мгКОН/г | 2,90 | 2,95 | 9,0 | 2,96 | ||||
После обессоливания | 117 | 4 Водородный показатель, рН | 9,0 | 8,4 | 9,2 | 8,5 | ||
Примечание:
(1 , Крякова ультразвука на эксплуатационные показатели масел. Труды Ленинградского сельскохозяйственного института, т.256, 1976 г.
На основании материалов предыдущего раздела и таблиц 7-10 можно заключить следующее:
а) вполне обеспечивается обезвоживание масел до стандартного и допустимого в эксплуатации уровней. Причём, даже при высоком обводнении (>1,0%) удавалось предотвращать за счёт деструктивного эффекта не только коагуляцию и выпадение из масла присадок, но и увеличивать щелочные числа (моющие свойства масел) по сравнению со стандартными образцами;
б) обеспечивается удаление из масел лёгких (топливных) фракций, то есть восстанавливается их смазочные, вязкостно-температурные и противопожарные свойства;
в) не представляет сложности удаление из осушенных масел (нефтепродуктов) хлоридов, не прибегая к пурификации, что позволяет унифицировать на практике системы топливо-маслоподготовки на базе СВА-технологий;
г) гидродинамическая обработка масел с присадками позволяет активировать последние.
(3) Производство нефтяных битумов
Очевидным преимуществом неравновесного процесса однократного испарения нефтесодержащего сырья под вакуумом является возможность единовременного разделения сырья на две основных составляющих: совокупную дистиллятную фракцию и остаточный продукт в виде гудрона. В том случае, когда гудрон является основным целевым продуктом и предназначен для последующей переработки в битумы, имеется возможность за счёт более узкой специализации технологического регламента перегонки планировать получение требуемых показателей качества производимого из гудрона битума вне зависимости от характеристик совокупной дистиллятной фракции. Но это не исключает фракционирование последний на дистиллятные продукты.
В таблице 11 приведено сравнение выхода гудронов из мазутов в СВА-процессе и в стандартной вакуумной колонне НПЗ.
Таблица 11 – Результаты перегонки сырья (мазут Н. К. 234ОС) с целью получения гудрона
Вариант | Остаточное давление в реакторе, мПа | Температура перегонки, ОС | Отгон, % масс | Остаток (гудрон), % (масс.) | Потери, % | |
Моделирование перегонки в СВА | 0,01 | 320 | 53,5 | 46,5 | - | |
0,003 | 320 | 72,2 | 27,8 | - | ||
0,001 | 320 | 77,6 | 22,4 | - |
| |
Стандартная вакуумная колонна | ~0,01 | 310-346 | 72,4 | 25,6 | 2 |
|
Из таблицы 11 видно, что СВА-процесс даёт возможность моделировать размеры выхода и, следовательно, качественные показатели гудрона в зависимости от остаточного давления в вакуумной камере. Это вполне согласуется с материалами, приведёнными в разделе 3.2 (1)
Переработка полученного гудрона в окисленный битум выполняется на том же типе аппарата, но при снятом вакууме. Для этого окислитель (атмосферный воздух) подаётся в спутный поток гудрона и окисление происходит в тонкодиспергированном компаундированном факеле и/или окислитель подаётся оппозитно к монофакелу гудрона и окисление происходит в процессе взаимопроникновения факелов.
(4) Энергетические характеристики СВА-процесса
Таблица 12 – Сравнение характеристик удельного энергопотребления для различных нефтеперерабатывающих производств
Наименование параметра | СВА | Предприятие | |||
Дистилляционный процесс | Крекинг-процесс | Полноформатный НПЗ | Типовой мини-НПЗ | Импортная крекинг-установка | |
Расчётная производительность | 4т/ч | 4т/ч | – | 20000 т/год (4,6 т/ч) | 20000 т/год (4,6 т/ч) |
Расход тепловой энергии на 1 т сырья, МДж/ч | 286 | 873 | 1260-1386 | 383 | 1190 |
Расход электроэнергии на 1т сырья, кВт-ч/т | 8,8 | 8,8 | 5,0-7 | 8,7 | 88 |
4. Заключение
4.1 Приведённые материалы подтверждают широкие производственные возможности СВА–технологий.
4.2 Комплексная модернизация на конкурентной основе всей цепочки: производитель→поставщик→потребитель нефтепродуктов, даже при наличии политической воли – дело, конечно, не одного года. Поэтому, «чтобы не пропасть поодиночке» мы предлагаем потребительскому сообществу следующие принципы самоорганизации на основе использования СВА-технологии:
(1) Создание местных производств по выпуску и/или восстановлению качества нефтепродуктов, других ресурсов по конкурентно-способным ценам и как альтернатива монополизированным производителям и поставщикам ресурсов.
(2) Производство нефтепродуктов выстраивается для удовлетворения нужд конкретных потребителей по их техническим условиям и, руководствуясь региональным экологическим законодательством, а не для рыночного оборота.
(3) Основная организационная форма: предприятие – производитель ресурсов действует на договорных условиях с потребителями ресурсов или предприятие-технопарк строит, продаёт и передаёт потребителям в индивидуальный и/или групповой лизинг оборудование, для осуществления СВА-процесса.
