УДК 66.092.097
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА КРУТОГО ВОСХОЖДЕНИЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ СЫРЬЯ УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА 43-103 АО «ГАЗПРОМНЕФТЬ-ОНПЗ»
1,2, 3, 1, 1,2, 1, 1, 1
1Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук, г Омск, Россия
2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
3АО «Газпромнефть-ОНПЗ»
Аннотация: статья посвящена оптимизации смесевого сырья каталитического крекинга на установке 43-103 АО «Газпромнефть-ОНПЗ» с использованием метода крутого восхождения для получения оптимальных значений выходов бензиновой фракции, пропилена и бутиленов, кокса и конверсии. Из результатов экспериментов было получено, что для получения максимального выхода бензина смесь должна состоять из 21% масс. суммарного 2 и 3 погонов с АВТ-10, 25% масс. 4 погона с АВТ-10, 21% масс. 5 погона с АВТ-10, 33% масс. вакуумного газойля С-001 КТ-1/1; для получения максимального выхода пропилена и бутиленов - 22% масс. суммарного 2 и 3 погонов с АВТ-10, 26% масс. 4 погона с АВТ-10, 20% масс. 5 погона с АВТ-10, 32% масс. вакуумного газойля С-001 КТ-1/1; для максимального выхода кокса - 14% масс. суммарного 2 и 3 погонов с АВТ-10, 25% масс. 4 погона с АВТ-10, 20% масс. 5 погона с АВТ-10, 41% масс. вакуумного газойля С-001 КТ-1/1; для максимальной конверсии - 20% масс. суммарного 2 и 3 погонов с АВТ-10, 24% масс. 4 погона с АВТ-10, 12% масс. 5 погона с АВТ-10, 44% масс. вакуумного газойля С-001 КТ-1/1.
Ключевые слова: каталитический крекинг, смесевое сырье, оптимизация, метод крутого восхождения.
Введение
Каталитический крекинг играет важную роль в глубокой переработки нефти. Он позволяет из малоценного сырья тяжелого фракционного состава получать компонент бензина высокого качества, имеющий октановое число более 90 пунктов по исследовательскому методу. Также целевыми продуктами являются пропан-пропиленовая и бутан-бутиленовая фракции, содержащие в своем составе большое количество непредельных углеводородов, которые используются в качестве сырья для производства компонентов моторного топлива (алкилатов, высокооктановых эфиров и др.) и полимеров.
Большое влияние на выход продуктов каталитического крекинга и их качество оказывает групповой химический состав сырья. [1] Обычно в качестве сырья каталитического крекинга используется вакуумный газойль (350-500˚С), в котором содержание углеводородов может колебаться в широких пределах: содержание парафинов может составлять 15-30%, нафтенов – 20-40%, ароматических углеводородов – 15-60%. [2,3] Утяжеление фракционного состава вакуумных газойлей приводит к увеличению содержания высокомолекулярных веществ, а также соединений, содержащих в своем составе серу и азот, а также металлорганических соединений. Это способствует резкому падению активности катализатора и заметному ухудшению качества продуктов крекинга, увеличению выход кокса и снижению выход целевых продуктов. [3]
На установках каталитического крекинга может перерабатываться сырье различного фракционного состава. Очень часто в качестве сырья поступают различные потоки, представляющие собой сложные смеси. Основным компонентом такого смесевого сырья является вакуумный газойль. В результате переработки смесевого сырья переменного состава, становится не возможным прогнозирование выхода и качества целевых продуктов каталитического крекинга. [4,5]
Целью данной работы является определение оптимальных выходов бензиновой фракции, пропилена и бутиленов, кокса и конверсии с использованием метода крутого восхождения.
Экспериментальная часть.
Каталитические испытания проводились в соответствии со стандартом ASTM D-3907 на лабораторной установке определения активности катализатора крекинга МАК-10 проточного типа с неподвижным слоем катализатора при температуре 527°С, соотношении катализатор:сырье равном 4. Дозировка сырья проводилась в течение 30 секунд.
Катализатор крекинга, использованный в лабораторных испытаниях, соответствовал по составу новой марке катализаторов крекинга «Авангард». Каталитические испытания катализатора проводили после предварительной термопаровой стабилизации при температуре 788°С в течение 5 часов в среде 100% водяного пара по стандарту ASTM D 4463.
Анализ газообразных продуктов проводился хроматографическим методом на газовом хроматографе Хроматэк Кристалл 5000.1. Анализ жидких продуктов – методом имитированной дистилляции на газовом хроматографе Shimadzu GC-2010. Количество образующегося кокса оценивали гравиметрическим методом.
Статистическая обработка данных проводилась с использованием программы Statistica 10.0 в три этапа, каждый из которых включал нахождение уравнений регрессии по результатам каталитических испытаний и поиск нового состава смесей для получения оптимальных значений выбранных параметров (выходов бензина, пропилена и бутиленов, кокса и конверсии).
Результаты и их обсуждение
На установке каталитического крекинга 43-103 АО «Газпромнефть-ОНПЗ» перерабатывается сырье сложного фракционного состава, состоящего более чем из 10 компонентов. Базовыми компонентами являются 2-5 погоны установки АВТ-10, а также вакуумный газойль С-001 установки КТ-1/1. В таблице 1 представлены характеристики сырья, из которых видно, что при переходе от 2 к 5 погону увеличивается содержание более тяжелых фракций и плотность нефтепродукта, возрастает содержание серы, азота и азотистых оснований.
Таблица 1
Характеристики компонентов сырья установки 43-103 АО «Газпромнефть-ОНПЗ»
Тип сырья | Вакуумный газойль С-001 КТ-1/1 | АВТ-10 погон №2 | АВТ-10 погон №3 | АВТ-10 погон №4 | АВТ-10 погон №5 |
ФС ASTM D1160 н. к., °С 10%, °С 50%, °С 90%, °С к. к., °С | 317,5 376,4 436,9 513,3 546,4 | 320,3 346,8 363,3 381,8 390,0 | 390,0 406,7 413,2 430,6 440,9 | 384,3 430,6 450,6 476,0 498,9 | 344,2 408,7 495,3 536,9 562,5 |
Плотность при 20°С, кг/м3 | 0,9050 | 0,8812 | 0,8911 | 0,9050 | 0,9125 |
Содержание серы, м. д. | 0,839 | 0,694 | 0,761 | 0,854 | 0,976 |
Содержание азота, ppm. | 1900 | 336 | 761 | 1071 | 1551 |
Содержание азотистых оснований, ppm. | 265 | 93 | 199 | 257 | 212 |
Анилиновая точка, °С | 85,4 | 73,45 | 83,10 | 87,25 | 89,55 |
Показатель преломления при 50 °С | 1,4940 | 1,4820 | 1,4898 | 1,4950 | 1,5020 |
Коксуемость, % | 0,160 | 0,021 | 0,040 | 0,050 | 0,540 |
К – фактор | 11,926 | 11,807 | 11,974 | 12,002 | 12,145 |
В таблице 2 представлены данные по превращению индивидуальных компонентов сырья. Выход продуктов при крекинге 2 и 3 погона практически одинаков, поэтому они были объединены для дальнейших исследований.
Таблица 2
Данные по превращению индивидуальных компонентов сырья
Тип сырья | Вакуумный газойль С-001 КТ-1/1 | АВТ-10 погон №2 | АВТ-10 погон №3 | АВТ-10 погон №4 | АВТ-10 погон №5 |
Газ, % масс. | 23,6 | 23,9 | 23,5 | 23,5 | 22,8 |
C1-C2, % масс. | 2,7 | 2,5 | 2,8 | 3,5 | 3,4 |
ППФ, % масс. | 7,5 | 7,6 | 7,4 | 7,4 | 7,2 |
C3=/УС3, % масс. | 80,4 | 78,4 | 78,6 | 79,1 | 79,2 |
ББФ, % масс. | 13,4 | 13,8 | 13,3 | 12,6 | 12,2 |
i-С4/УС4, % масс. | 42,2 | 46,7 | 44,7 | 41,7 | 39,7 |
i-С4=/УС4, % масс. | 19,6 | 16,8 | 18,4 | 20,1 | 20,7 |
УС4=/УС4, % масс. | 48,1 | 42 | 44,6 | 48,1 | 50,2 |
Бензин, % масс. | 47,4 | 48,7 | 47,6 | 46,3 | 45,6 |
ЛКГ, % масс. | 15,2 | 15,2 | 15,3 | 15,3 | 15,9 |
ТГ, % масс. | 6,6 | 6,3 | 6,6 | 7,0 | 7,4 |
Кокс, % масс. | 7,2 | 5,9 | 7,0 | 7,9 | 8,3 |
Конверсия | 78,2 | 78,5 | 78,1 | 77,7 | 76,7 |
Был найден средний состав и стандартные отклонения содержания компонентов сырья установки каталитического крекинга 43-103 АО «Газпромнефть-ОНПЗ» за период с января 2014 года по июль 2016 года (таблица 3). Используя метод крутого восхождения, найдены составы смесей для проведения первого этапа испытаний (таблица 4). В качестве независимых переменных было выбрано содержание в смеси суммарно 2 и 3 погона, 4 погона и 5 погона. В качестве зависимой переменной было выбрано содержание в смеси вакуумного газойля С-001 КТ-1/1.
Таблица 3
Средний состав сырья установки каталитического крекинга 43-103 АО «Газпромнефть-ОНПЗ» за период с января 2014 года по июль 2016 года
Компонент сырья | Вакуумный газойль С-001 КТ-1/1 | АВТ-10 погоны №2+№3 | АВТ-10 погон №4 | АВТ-10 погон №5 |
Среднее значение | 16% | 17% | 25% | 22% |
Стандартное отклонение | 5% | 5% | 2% | 7% |
Таблица 4
Составы смесей для проведения первого этапа каталитических испытаний
Номер смеси | АВТ-10 погоны №2+№3 | АВТ-10 погон №4 | АВТ-10 погон №5 | Вакуумный газойль С-001 КТ-1/1 |
1 | 12% | 22% | 15% | 50% |
2 | 12% | 22% | 30% | 36% |
3 | 12% | 27% | 30% | 31% |
4 | 22% | 27% | 30% | 21% |
5 | 12% | 27% | 15% | 46% |
6 | 22% | 27% | 15% | 35% |
7 | 22% | 22% | 15% | 40% |
8 | 12% | 27% | 15% | 46% |
По результатам всех трех этапов каталитических испытаний были получены уравнения регрессии первого порядка с членами взаимодействия общего вида:
Y=[K0]+[K_X1]*X1+[K_X2]*X2+[K_X3]*X3+[K_X1*X2]*X1*X2+[K_X1*X3]*X1*X3+[K_X2*X3]*X2*X3,
где X1 – содержание в смеси 2-го и 3 –го погона;
Х2 – содержание в смеси 4-го погона;
Х3 – содержание в смеси 5 погона.
В таблице 5 показаны рассчитанные коэффициенты корреляции и коэффициенты уравнений регрессии по первому и третьему этапу. В основном коэффициенты корреляции достаточно велики и превышают 0,9.
Таблица 5
Коэффициенты уравнений регрессии, полученных на первом и третьем этапе, и коэффициенты корреляции
Первый этап | ||||
Выбранные параметры | Бензиновая фракция н. к.-216°С | Пропилен и бутилены | Кокс | Конверсия |
Коэффициенты корреляции | 1,00 | 1,00 | 0,90 | 0,97 |
Коэффициенты уравнения | ||||
К0 | -31,7 | -15,6 | 16,8 | -8,3 |
К_Х1 | 1,5 | 1,9 | -0,4 | 0,8 |
К_Х2 | 2,9 | 3,5 | -0,2 | 0,5 |
К_Х3 | 0,8 | 1,4 | 0,1 | 0,3 |
К_Х1*Х2 | -0,1 | -0,1 | 0,0 | -0,0 |
К_Х1*Х3 | 0,0 | -0,0 | 0,0 | -0,0 |
К_Х2*Х3 | -0,0 | -0,0 | -0,0 | 0,0 |
Третий этап | ||||
Коэффициенты уравнения | ||||
К0 | 44,6 | 77,3 | 7,6 | 12,8 |
К_Х1 | 0,2 | -0,0 | 0,0 | -0,2 |
К_Х2 | 0,4 | -0,2 | -0,0 | -0,2 |
К_Х3 | -0,0 | -0,3 | 0,2 | -0,2 |
К_Х1*Х2 | -0,6 | -0,4 | 0,1 | 0,0 |
К_Х1*Х3 | 0,1 | 0,2 | 0,2 | -0,2 |
К_Х2*Х3 | -0,3 | -0,3 | -0,3 | 0,4 |
На основании уравнения регрессии первого порядка, вычисленного на первом этапе, найдены вектора (рис. 1-4), исходя из которых видно, что наибольше влияние на выход бензиновой фракции и пропилена и бутиленов оказывает содержание в смеси суммарного 2 и 3 погона и 4 погона. Практически не оказывает влияние содержание в смеси 5 погона, что можно объяснить содержанием в 5 погоне более высокомолекулярных структур, которые не успевают крекироваться при данных условиях проведения реакции в углеводороды, содержащиеся в бензиновой фракции, и тем более в пропилен и бутилены. Наибольшее влияние на конверсию оказывает содержание в смеси 4 погона. Наибольшее влияние на выход кокса 5 погона объясняется наличием большого количества углеводородов, являющихся предшественниками кокса.
|
|
Рис.1. Влияние содержания в смеси суммарного 2 и 3 погонов,4 погона и 5 погона на выход бензиновой фракции | Рис.2. Влияние содержания в смеси суммарного 2 и 3 погонов,4 погона и 5 погона на выход пропилена и бутиленов |
|
|
Рис.3. Влияние содержания в смеси суммарного 2 и 3 погонов,4 погона и 5 погона на конверсию | Рис.4. Влияние содержания в смеси суммарного 2 и 3 погонов,4 погона и 5 погона на выход кокса |
Результаты обработки экспериментальных данных в программе Statistica 10.0 показали, что увеличение содержание в смеси 4 погона увеличивает выход бензиновой фракции (рис.5). Увеличение содержания в смеси 5 погона приводит к увеличению выхода кокса (что еще раз указывает на увеличенное содержание предшественников кокса) (рис.6) и уменьшению конверсии, за счет увеличения выхода тяжелого газойля (рис. 7), но при этом 5 погон не оказывает влияние на выход пропилена и бутиленов (рис.8).
|
|
Рис.5. Зависимость выхода бензиновой фракции от содержания в смеси 4 погона и 5 погона | Рис.6. Зависимость выхода кокса от содержания в смеси 4 погона и 5 погона |
|
|
Рис.7. Зависимость конверсии от содержания в смеси суммарного 2+3 погонов и 5 погона | Рис.4. Зависимость выхода пропилена и бутиленов от содержания в смеси 4 погона и 5 погона |
В таблице 6 показаны рассчитанные по третьему этапу составы смесей для получения оптимальных значений выбранных параметров.
Таблица 6
Составы смесей
Компоненты смеси | Бензин | Пропилен и бутилены | Кокс | Конверсия |
АВТ-10 погоны №2+№3, % масс. | 21 | 22 | 14 | 20 |
АВТ-10 погон №4, % масс. | 25 | 26 | 25 | 24 |
АВТ-10 погон №5, % масс. | 21 | 20 | 20 | 12 |
Вакуумный газойль С-001 КТ-1/1, % масс. | 33 | 32 | 41 | 44 |
Выход, % масс. | 44,7 | 12,7 | 7,6 | 77,2 |
Заключение
Используя метод крутого восхождения, в программе Statistica 10.0 получены уравнения регрессии первого порядка с членами взаимодействия, из которых затем были вычислены составы смесей для получения оптимальных значений выбранных параметров (выходов бензиновой фракции, пропилена и бутиленов, кокса и конверсии).
Из уравнения регрессии первого порядка, полученного на первом этапе, найдены направления векторов и их степень влияния на оптимизируемые параметры.
При осуществлении данной оптимизации на установке 43-103 АО «Газпромнефть-ОНПЗ» можно получить положительный экономический эффект и увеличить прибыль компании.
Благодарности
Авторы выражают благодарность сотруднику АО «Газпромнефть-ОНПЗ» за помощь в выполнении работы.
Список литературы
1. Влияние условий проведения процесса на состав продуктов при традиционном и глубоком каталитическом крекинге нефтяных фракций / , , // Катализ в нефтеперерабатывающей промышленности. – 2012. - №1. – С. 27-32.
2. Технология переработки нефти и газа. Процессы глубокой переработки нефти и нефтяных фракций: уч.-методич. комплекс, в двух частях. Часть 1. Курс лекций. – Новополоцк: Полоцкий государственный университет, 2006. – 345 с.
3. , Современное состояние и тенденции развития каталитического крекинга нефтяного сырья // Вестник казанского технологического университета. – 2012. – Т.15. - №1. – С.141-147.
4. Understanding the potential for FCC feed to generate valuable products and how this knowledge can benefit refinery operation. Uriel Navarro and etc., Grace Catalyst Technologies / March 2015 // www. / article / 1001054.
5. , Оценка качества газойлей, получаемых при каталитическом крекинге смешанного сырья // Нефтехимия. – 2004. – Т.44. – №1. – С.11-15.
