Моделирование процесса каталитического крекинга вакуумного дистиллята из смеси парафинистой казахстанской и западно-сибирской нефти

В рамках развития Программы индустриализации нефтегазовый комплекс Республики Казахстан сохраняет и укрепляет стратегическое значение для устойчивости экономики на внутреннем и внешнем рынке, а также уделяет внимание расширению сырьевой базы [1]. При этом дальнейшее развитие должно быть направлено на углубление переработки сырья. В связи с вышеуказанной задачей Главы государства с конца 2017 года все три действующих нефтеперерабатывающих завода Казахстана прошли модернизацию для достижения следующих целей:
1. обеспечение в полном объеме качественными нефтепродуктами внутренних потребностей, соответствующих европейским стандартам Евро-4 (К4) и Евро-5 (К5), которые направлены, в первую очередь, на экологическую безопасность;
2. повышение уровня эффективности, достижение конкурентоспособности предприятий при внедрении новых технологий.
Согласно Программе модернизации 3.0 на Атырауском нефтеперерабатывающем заводе (г. Атырау) и на Петро Казахстан Ойл Продактс (г. Шымкент) были введены две новые установки процесса каталитического крекинга, позволяющие напрямую в качестве сырья использовать тяжелые нефтяные фракции с максимальным выходом целевых продуктов.
Актуальной задачей является повышение выхода олефинсодержащего газа и бензиновой фракции в процессе каталитического крекинга. Для обеспечения высокого выхода и качества получаемых нефтепродуктов требуется оптимизация технологических режимов работы действующих установок, основанных на использовании надежных математических моделей.
Такие математические модели базируются на установленных термодинамических, кинетических и гидродинамических закономерностях процесса каталитического крекинга тяжелых нефтяных фракций, а также
6
учитывают изменение активности катализатора в условиях переменного состава сырья.
Цель работы заключается в повышении эффективности процесса каталитического крекинга вакуумного дистиллята из смеси парафинистой казахстанской и западно-сибирской нефти с применением математической модели.
Степень разработанности темы
К настоящему времени процесс каталитического крекинга достаточно хорошо изучен как с точки зрения экспериментальных исследований, направленных на установление механизма протекающих реакций на цеолитсодержащих катализаторах, так и математического моделирования. Такие работы проводятся: Nаtiоnаl Institutе оf Advаnсеd Industriаl Sсiеnсе аnd Tесhnоlоgy (Pаnyа Wаttаnарарhаwоngа, Prаsеrt Rеubrоyсhаrоеn, Nаокi Mimurа, Osаmu Sаtо, Aritоmо Yаmаguсhi), Shеnyаng Aеrоsрасе Univеrsity (Lijun Wаng, GuаngсhаоWеi, Jintао Jiаng), ИК СО РАН им. Г.К. Борескова, АО «Газпромнефть-ОНПЗ», ФГБОУ ВО “ТГТУ”, Univеrsidаd Autо ́ nоmа Mеtrороlitаnа Cаmрus Azсароtzаlсо (Eduаrdо FVillаfuеrtе-Mас ́ıаs, Riсаrdо Aguilаr, Rаfаеl Mаyа-Yеsсаs), Chоnbuк Nаtiоnаl Univеrsity (PеngLi, Lili Zhао, Pеngzhеng Wеi, Shuо Li, Huimin Qu, Jооnghее Lее).
Тем не менее, следует отметить, что изучение термодинамических и кинетических закономерностей каталитического крекинга тяжелых нефтяных фракций остается актуальной задачей, т.к. все еще открытым остается вопрос о прогнозировании показателей процесса при изменении состава перерабатываемого сырья в сторону его утяжеления.
Для достижения поставленной цели необходимо исследовать и решить следующие задачи:
1. исследование процесса каталитического крекинга вакуумного дистиллята из тяжелой казахстанской и западно-сибирской нефти, определение группового состава и физико-химических свойств сырья и нефтепродуктов, свойств катализатора до и после его регенерации;

7
2. установление термодинамических и кинетических закономерностей
реакций каталитического крекинга с вовлечением в переработку тяжелых нефтяных фракций;
3. создание математической модели процесса каталитического крекинга на базе термодинамических и кинетических закономерностей превращения тяжелых нефтяных фракций, с применением экспериментальных данных, определенных в промышленных и лабораторных условиях;
4. разработка технических решений, направленных на определение топливного или нефтехимического режима работы лифт-реактора при изменении состава вакуумного газойля из тяжелой казахстанской и западно-сибирской нефти.
Научная новизна
1. Установлено, что вакуумный дистиллят из смес и тяжелой казахстанской и западно-сибирской нефти характеризуется высоким содержанием парафинов (56,8–73,1% мас.) и смол (2,60–4,75% мас.), для его переработки по топливному/нефтехимическому варианту, в связи с высокой скоростью
коксообразования, требуется корректировка режимов работы лифт-реактора каталитического крекинга для обеспечения стабильной работы
цеолитсодержащего катализатора. С повышен ием содерж ан ия смол в сырье каталитичекого крекинга с 2,60 до 4,44% мас. выход кокс а возрастает на 1,9 %м ас. При увеличении содержания кокса на катализаторе на 0,3 % мас. активность катализатора снижается на 8,4 %.
2. Установлены термодинамические и кинетические закономерности реакций процесса каталитического крекинга, пр иводящ их к образов ан ию сухого газа, пропан-пропиленой и бутан-бутиленовой фракций, которые обеспечили создание математической модели лифт-реактора с высоким прогностическим потенциалом. Наибольшей термодинамической вероятностью характеризуются реакции деалкилирования и переноса водорода с образованием компонентов бензина (–17,3 и 162,1 кДж/моль), которые в последующем крекируются с образованием ППФ и ББФ (–(39,36–40,23 и 38,22–47,13 кДж/моль)).

8
3. Уст ановлено, что при перерабоке вакуумного дистилятта из смес и
тяжелой казахстанской и западно-сибирской нефт и с наиболее высокими скоростями протекают реакции: перенос а водород а (1,97 и 27,11 лс-1моль-1), крекинга высокомолекулярных алканов (0,33 с-1), крекинга и деалкилирования высокомолекулярных циклоалканов и аренов (0,13, 0,14, 0,15 с-1), крекинга непредельных углеводородов с образованием газов (7,00·10-2–0,11 с-1), а также диенового синтеза, конденсации аренов (0,45, 0,37 и 0,65 лс-1моль-1) и коксообразования (0,5 лс-1моль-1).
4. Установлено, что при переработке высокопарафинистого и высокосмолистого сырья по топливному варианту, получение максимально возможного выхода бензина (52,6–56,1 % мас.) достигается при температуре 533– 537 °С в лифт-реакторе. При работе установки каталитического крекинга по нефтехимическому варианту максимальный выход пропан-пропиленовой и бутан- бутиленовой фракций (8,3–11,2 и 15,2–20,1 % мас.) достигается при температуре 534–545 °С и корректировке расхода шлама в лифт-реактор. Прекращение подачи шлама при переработке высокосмолистого сырья обеспечивает снижение выхода кокса с 8,4 до 3,4 % мас.
Теоретическая и практическая значимость работы
Для процесса каталитического крекинга вакуумного дистиллята из тяжелой казахстанской и западно-сибирской нефти определены кинетические и термодинамические закономерности; установлены закономерности дезактивации микросферического цеолитсодержащего катализатора коксом, положенные в основу математической модели, обеспечивающей прогнозирование показателей процесса. Полученные результаты использованы при проведении опытно- промышленных испытаний на ТОО «ПНХЗ» г. Павлодар, Республика Казахстан.
Показана возможность увеличения производства ценных непредельных газов (до 33,3 м ас%) путем оптимизации технологического режима работы лифт- реактора при изменении состава сырья – вакуумного газойля из смеси парафинистой казахстанской и западно-сибирской нефти.

9
Разработана математическая модель процесса каталитического крекинга
высокомолекулярных углеводородов вакуумного дистиллята, учитывающая изменение углеводородного состава сырья (свидетельства о регистрации программ No2016663331, No12232, No 12201).
Математическая модель позволяет прогнозировать выход и состав продуктов крекинга в зависимости от свойств перерабатываемого сырья и режимов работы лифт-реактора. С применением математической модели были разработаны практически значимые рекомендации по организации технологического режима работы лифт-реактора для обеспечения максимально возможного выхода бензина (52,6–56,1 % мас.), ППФ и ББФ (8,3–11,2 и 15,2–20,1 % мас.).
Разработанная моделирующая система применяется в качестве компьютерного тренажера в процессе обучения студентов ТПУ и ПГУ им. С. Торайгырова (г. Павлодар, Республика Казахстан).