Углеводороды: новый метод глубокой переработки

В настоящее время наиболее распространены каталитические процессы углубленной переработки углеводородов, однако они не могут предложить привлекательного технико-экономического баланса для самых тяжелых видов сырья.

Более того, с помощью известных каталитических технологий в принципе невозможно решить задачу стопроцентной глубины переработки (которая достигается по выходу легких целевых продуктов с температурой конца кипения 350‑360 °С), так как тяжелые нефтяные остатки будут очень быстро приводить к отравлению и коксованию активной поверхности любого катализатора.

Необходимость постоянного изготовления и обновления катализаторов, оперативная их смена и утилизация требуют дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат и повышают стоимость процесса переработки и получаемой продукции.

Поэтому глубокая переработка нефти и нефтяных остатков, вовлечение в традиционную переработку газообразных и, особенно, твердых углеводородов являются основной задачей ближайшего времени.

Без контакта

Для решения проблемы рационального и экономного использования любого углеводородного сырья необходимо не просто улучшать известные углубляющие процессы (термический, каталитический и гидрокрекинг), а изменить отношение к существующим технологиям.

Автор поставил задачу разработать новое направление глубокой переработки, которое позволит осуществить безостаточную, практически стопроцентную, конверсию любого углеводородного сырья (жидкого, твердого, газо­образного) в целевые легкие углеводороды.

Основное отличие и преимущество предлагаемого подхода заключаются в том, что сырье, в основном тяжелое и содержащее большое количество разнообразных вредных примесей, непосредственно с катализатором не контактирует.

Сущность технологии

Сначала сырье подвергают мягкому некаталитическому – например, термическому или термомеханическому – крекингу.

В процессе крекинга образуются непредельные углеводороды, которые впоследствии могут конденсироваться, что приводит к ограничению глубины переработки.

Для наиболее полной и глубокой переработки, а также увеличения выхода легких целевых продуктов и фракций технологическая схема должна быть дополнена устройством, которое позволяет с минимальными затратами насыщать открытые связи атомарным водородом и легкими радикалами.

Проблему можно решить организацией такой схемы процесса, при которой тяжелое сырье, содержащее вредные примеси и компоненты, с катализатором не контактируют, вследствие чего он практически не отравляется вредными примесями и не коксуется. Это приводит к увеличению долговечности катализатора и отсутствию необходимости его регенерации и замены.

Для этого молекулярный водород или легкие среды, обогащенные водородом (они не содержат смол, асфальтенов и других вредных примесей) – например, попутный природный газ (в том числе газ и часть легких фракций, получаемых в процессе переработки углеводородного сырья),– при необходимости подогревают и направляют в реактор с нагретым до нужной температуры катализатором.

В результате получаются активный водород и легкие радикалы, которые имеют высокую реакционную способность и являются своеобразными катализаторами. Их и направляют в устройства нагрева и некаталитического крекинга жидкого исходного сырья для проведения реакции.

Нагрев водорода и легких водородсодержащих сред, а также реактора с катализатором можно осуществлять за счет тепла сырья и тяжелых фракций, направляемых на повторную обработку. Давление в реакторе с катализатором должно быть больше давления в реакторе некаталитического крекинга сырья.

Атомарный водород и легкие радикалы насыщают открытые связи непредельных углеводородов с получением целевых фракций высокого качества.

Результаты применения

Легкие насыщенные продукты реакции непрерывно выводятся из процесса для получения целевых продуктов (сжиженного газа, бензина, реактивного, дизельного топлива, продуктов нефтехимии).

При этом такие дорогие процессы, как гидроочистка, риформинг и т. д., в блоках получения легких товарных продуктов могут не использоваться, так как открытые связи радикалов крекинга сырья насыщаются до блока получения товарных продуктов, а регулировка свойств и состава получаемых фракций производится изменением режима и параметров процесса.

Кроме того, при обработке сырья новым способом уменьшается количество вредных примесей, например сернистых соединений. В ходе обработки основная часть серы переходит в сероводород и выводится из процесса известными методами с дальнейшим получением, например, атомарной серы и других полезных побочных продуктов.

Тяжелые же фракции направляются на повторную обработку. При повторной обработке можно достичь практически стопроцентной глубины переработки и выхода легких целевых продуктов.

Непрореагировавшие молекулярный водород и легкие водородсодержащие среды, обогащенные водородом, могут возвращаться в начало процесса для повторного использования.

При необходимости тяжелые фракции частично могут направляться и для получения тяжелых товарных продуктов (битума, кокса и других).

По данной технологии можно перерабатывать и попутные нефтяные газы.

При этом стоит учесть, что если получение молекулярного водорода в настоящее время является довольно дорогим процессом, то использование для получения атомарного водорода и легких радикалов природного или попутного газа, который во многих случаях сжигается на факелах, позволяет свести затраты на проведение процесса глубокой переработки к минимуму.

Конструкционные моменты

Реактор с катализатором может быть выполнен в виде цилиндра, шара, кольцевого цилиндра, параллелепипеда (пластины) или другой объемной фигуры с помещенным в него катализатором в виде гранул или порошка произвольного размера и формы. Для оптимизации процесса могут использоваться пакеты реакторов различной конфигурации.

Реакторы или пакеты реакторов могут располагаться вдоль движения сырья, поперек или под углом. Поверхность реактора проницаема для атомов водорода и легких радикалов, или на поверхности его выполнены отверстия произвольной формы, причем размеры отверстий меньше, чем размеры гранул катализатора.

Стенки реактора с катализатором могут быть выполнены из пористого материала с различными размерами пор, например в нанометровом диапазоне. Реактор с катализатором может и не содержать гранул или порошка катализатора, но при этом оболочка реактора или весь реактор целиком должны быть выполнены из материала, который и будет являться катализатором.

В теле катализатора может быть выполнен коллектор для распределения водорода и водородсодержащих сред. Количество атомов водорода и легких радикалов, получаемых в реакторе, должно превышать количество открытых связей радикалов крекинга сырья, а отношение поверхности реактора с катализатором к объему зоны нагрева и крекинга сырья увеличивают так, чтобы максимально полно провести реакцию сырья с атомарным водородом и легкими радикалами. Возможно использование нанотрубок для подачи и получения атомарного водорода и легких радикалов.

Лабораторный вариант и преимущества

Технология апробирована на лабораторной установке. Глубина переработки достигает 97‑98 процентов. Однако с учетом образующихся несконденсированных газов можно уверенно говорить и о практически 100 процентах.

Твердое углеводородное сырье (например, уголь, сланец, продукты растительного происхождения) направляют в блок мелкодисперсного размельчения и вводят в исходное сырье и тяжелые фракции перед повторной обработкой или приводят в непосредственный контакт с легкими радикалами. Газообразные углеводороды также вводят в исходное сырье перед их повторной обработкой.

Жидкие, твердые и газообразные углеводороды могут обрабатываться одновременно, по отдельности или попарно. Часть газообразных и легких продуктов (они обогащены водородом и могут заменять исходные водородсодержащие среды) переработки по данной схеме может быть возвращена в начало процесса, в реактор с катализатором – для получения активного атомарного водорода и легких радикалов.

Тяжелое сырье не вступает в непосредственный контакт с катализатором, поэтому, как уже говорилось, не происходит его отравление и коксование, отпадает необходимость замены катализатора. Сам процесс упрощается и становится более надежным, стоимость его значительно уменьшается. При этом происходит экономия сырья при выработке необходимого количества целевых товарных продуктов, другими словами – использование сырьевых ресурсов становится более рациональным.

Кроме того, не стоит забывать и о том, что различные остатки и отходы, накапливающиеся в процессе, например, добычи и переработки нефти, приводят к ухудшению экологической обстановки. А их переработка по данной схеме позволяет и решать экологические проблемы, и получать дополнительную прибыль. Причем минимальная производительность, при которой процесс становится окупаемым, в несколько раз меньше, чем при использовании известных каталитических технологий. То есть появляется возможность строительства небольших перерабатывающих производств, непосредственно приближенных к потребителю и оптимально удовлетворяющих его требованиям.

Технология защищена патентами РФ, поданы международные заявки на изобретения.