Проектные решения по разработке комбинированной установки изомеризации с блоками подготовки сырья на НПЗ ОАО "Ангарская НХК".

А.И. Башинский
Sued-Chemie AG,

А.Г. Вихман, А.А. Мириманян, М.А. Савватеев
ЗАО «Петрохим Инжиниринг»,

В.Я. Киевский, М.Х. Ямпольская, И.Н. Карапетян, И.Ю. Енукова, М.Ю. Данилян
ООО «ИКТ Сервис»,

А. И. Ёлшин, С. Г. Кращук
ОАО «АНХК»

Научно-информационный сборник "Нефтепереработка и нефтехимия" Выпуск №9 2006 г.

В 2005 г. перед ЗАО «Петрохим Инжиниринг» и ООО «ИКТ Сервис» фирмой Sued-Chemie AG была поставлена задача разработать базовый проект установки изомеризации пентан-гексановой фракции с блоками подготовки сырья с целью получения высокооктанового компонента бензина с октановым числом по исследовательскому методу (ИОЧ) не менее 86 пунктов.

В последние годы изомеризация легких бензиновых фракций становится по существу стратегическим «бензиновым» процессом, обеспечивающим октановые характеристики суммарного бензинового фонда [1].

Ввод в эксплуатацию до 2010 г. установки изомеризации в ОАО «АНХК» одновременно решает следующие задачи:

•   снижение доли автомобильного бензина с низким октановым числом в «бензиновом пуле» с 41,7 до 9,8% мас.;

•      снижение содержания бензола в тяжелом риформате до 1 % мас.;

•      производство стабильного изомеризата в объеме 274,6 тыс. т/год с ИОЧ 86 пунктов и использование его в качестве компонента автомобильных бензинов с улучшенными характеристиками;

•      организация производства экологически чистых автобензинов по нормам Евро IV
в объеме 90,2 % мас.

Особенностью разработки базового проекта установки среднетемпературной изомеризации является переработка смесевого сырья (прямогонной бензиновой фракции 30-70°С, фракции легкого риформата и пентановой фракции с ГФУ) в легкий высокооктановый компонент товарного автобензина

Согласно Техническому заданию производительность по сырью принята:

•   по установке изомеризации — 280 тыс. т/год (по изомеризату — 274,64 тыс. т/год);

•      по блоку разделения прямогонных бензиновых фракций — 1500 тыс. т/год;

•      по блоку разделения стабильного риформата — 680 тыс. т/год.

При этом достижение октанового числа изомеризата по ИМ 86 пунктов определяется следующими факторами:

•   использование технологии CKS ISOM с применением высокоэффективного катализатора «ХАЙЗОПАР» и оптимальных режимных параметров в реакторном блоке для смесевого сырья [2];

•      подготовка качественного сырья установки изомеризации;

•      оптимальная схема разделения и оптимизация рецикла С₅ в блоке изомеризации.

Процесс изомеризации осуществляется при давлении 30-32 кг/см² на стационарном слое платинового катализатора в реакторе при температуре 240-280°С.

Катализатор «ХАЙЗОПАР» — это бифункциональный катализатор на основе цеолита-модернита, промотированного платиной, который является совместной разработкой исследовательского центра фирмы CEPSA (Испания) и фирмы Sued-Chemie AG (Германия) [3,4]. Основные свойства катализатора представлены ниже:

Химический состав:

Носитель                             Цеолит (плюс связующее)

Содержание платины        0,35 % мас.

Физические свойства:

Форма частиц                    Цилиндрические экструдаты

Размер частиц                    1,5 мм

Насыпная плотность         0,65 ±0,05 кг/м³

Боковая прочность на раздавливание     Более 2 кг

Преимущества катализатора «ХАЙЗОПАР»:

•      обладает отличной изомеризующей и гидрирующей функцией;

•      обеспечивает полное отсутствие ароматики в продукте, оптимальное повышение октанового числа при минимальных расходных показателях;

•      устойчив к каталитическим ядам, содержащимся в сырье:

-      сера до 100 ррт (постоянно); до 200 ррт (временно);

-      вода до 200 ррт.

•      нет необходимости в сероочистке и осушке сырья и ВСГ;

•      обладает низкой крекирующей активностью (обеспечивает высокий выход изомеризата и низкое образование газообразных продуктов);

•      полностью и легко регенерируется;

•      срок службы составляет 8-12 лет.

В настоящее время только в России и Белоруссии эксплуатируются четыре установки изомеризации на катализаторе «ХАЙЗОПАР», а в мире более 20 таких установок.

Исходя из состава сырья и производительности реакторного блока, фирма Sued-Chemie AG рекомендовала проектантам использовать в схеме один реактор с двумя слоями катализатора и промежуточным квенчем между слоями.

При этом в верхнем слое катализатора будет проходить основная реакция гидрирования бензола с частичной изомеризацией сырья, а во втором слое — окончательное дегидрирование бензола и заключительная стадия изомеризации.

На Рис. 1 представлен эскиз реактора блока изомеризации диаметром 3,0 м и высотой цилиндрической части 6,5 м с объемом катализатора 40 м³.

Рис. 1.  Принципиальная схема реактора изомеризации

Температура на входе в 1-й катализаторный слой составляет 240°С, на выходе из 2-го слоя — 246°С. Максимальная температура на входе в реактор в конце работы составляет 280°С, на выходе — 285°С.

Давление на входе в реактор составляет 32 кг/см².

Общий перепад давления по катализаторному слою (без учета квенча) в начале работы — 0,41 кг/см², допустимый перепад давления по слою — 3,1 кг/см².

Мольное соотношение водород/углеводородное сырье составляет 1,6. При этом концентрация Н₂ в рециркулирующем ВСГ должна составлять не менее 75% об.

Важное значение имеет состав сырья, поскольку он определяет рабочие условия процесса изомеризации. Так как бутаны не подвержены изомеризации на цеолитсодержащих катализаторах, идеальное сырье имеет низкое содержание бутанов, что позволяет уменьшить производительность установки. Парафины С₇₊ крекируются и гидрируются в пропан и бутаны, что вызывает нежелательное снижение выхода целевого продукта. Для эффективной работы установки, что подразумевает высокий выход изомеризата, и предотвращения преждевременного закоксовывания катализатора содержание С₇₊ в сырье не должно превышать 5% . Соотношение н-С₅/изо-С₅ должно быть как можно выше. Это способствует увеличению прироста октанового числа. Содержание бензола должно быть не более 2% мас., для того чтобы не устанавливать дополнительный реактор гидрирования бензола.

Все эти задачи были решены в блоке подготовки сырья изомеризации, состоящем из колонн К-1, К-3, а также в колонне подготовки сырья реакторного блока — К-102.

На Рис. 2 представлена принципиальная технологическая схема установки изомеризации с рециклом по С₅.

В колонне К-1 происходит разделение стабильного бензина 30-180°С на три фракции:

•      фр. 30-70°С — компонент сырья установки изомеризации;

•      бензолобразующая фракция (70-95°С) — сырье установки пиролиза;

•   фр. 95-180°С — сырье установки риформинга, с обеспечением ее качества, оговоренного в техническом задании. В частности 50% точка должна быть не менее 120°С.

Производительность колонны К-1 по сырью составляет 1,5 млн т бензина в год.

Колонна К-3 предназначена для получения из риформата трех фракций:

•      легкий риформат — компонент сырья установки изомеризации;

•      бензольная фракция — сырье установки пиролиза;

•      тяжелый риформат — компонент товарного бензина с содержанием бензола <1% мас.

В состав блока изомеризации входят реакторный блок и блок ректификации (колонны К-101, К-102, К-103).

Сырье установки изомеризации состоит из трех фракций бензина:

•      фр. 30-70°С, получаемая из стабильного бензина 30-180°С в колонне К-1;

•      легкий риформат, дистиллят колонны К-3 установки каталитического риформинга;

•      фр. С₅-С₆ с установки ГФУ.

Колонна К-101 предназначена для стабилизации изомеризата, выходящего из реакторного блока, путем удаления из него растворенных углеводородных газов С₁-С₄.

Колонна К-102 предназначена для получения из смесевого сырья установки изомеризации двух фракций:

•   высокооктановая фракция изо-С₅ — компонент изомеризата;

•   фр. С₅-С₆ — сырье реакторного блока.

Колонна К-103 предназначена для выделения из стабильного изомеризата двух фракций:

•      фр. åС₅ — рецикл колонны К-102;

•      фр. С₆ — компонент изомеризата.

При минимальных затратах на разделение используется схема на «проток», когда сырье установки однократно проходит через реактор, и затем изомеризат подвергается разделению в ректификационной колонне с получением стабильного изомеризата и оставшихся после стабилизации легких компонентов (Рис. 3).

При использовании этой схемы в соответствии с правилами конверсии только часть углеводородов нормального строения перегруппировывается в углеводороды разветвленного строения с более высоким октановым числом. Не подвергшиеся конверсии низкооктановые компоненты заметно снижают октановое число изомеризата, при этом его прирост составляет порядка 5,5-7 пунктов.

Увеличению конверсии способствует увеличение концентрации углеводородов нормального строения по отношению к углеводородам изостроения в сырье реактора, т.е. в данном случае увеличение соотношения н-С₅/изо-С₅.

Для удаления изопентана из сырья реактора в блоке ректификации используется изопентановая колонна (К-102), сверху которой выводится высокооктановый компонент — изопентан, а в реактор направляется кубовый продукт колонны, состоящий из н-С₅ (67,7% мас.) и более высококипящих компонентов. Концентрация изопентана в сырье реактора составляет всего 2,3% мас.

После реакторного блока изомеризат подвергается стабилизации (в колонне К-101), а затем смешивается с высокооктановой фракцией изо-С₅ колонны К-102.

По такой схеме (на «проток») возможно получение суммарного изомеризата с октановым числом порядка 84 пунктов по ИМ.

Для дальнейшего увеличения октанового числа изомеризата рекомендуется дополнительное вовлечение оставшегося в продуктах реакции н-С₅ в сырье реактора.

Чтобы максимально использовать возможность конверсии н-C₅ в изо-С₅ предлагается в состав установки изомеризации включить колонну К-103, в которой происходит выделение н-С₅ и изо-С₅ из стабильного изомеризата. Эта фракция в виде рецикла направляется в колонну К-102 для того, чтобы после выделения с верха колонны изо-С₅ оставшийся н-C₅ попал в кубовый продукт колонны К-102 и подвергся дальнейшей конверсии в реакторе изомеризации. В результате такой организации процесса соотношение высокооктанового изо-С₅ к низкооктановому н-С₅ изменяется от 0,8 в сырье установки изомеризации до 29,4 в сырье реакторного блока.

Следует отметить, что при заданной производительности установки и, соответственно, при заданном составе сырья установки изомеризации, организация рецикла фракции åС₅ не требует относительно больших энергетических и капитальных затрат и позволяет увеличить октановое число изомеризата до 86 пунктов по ИМ.

Кубовый продукт колонны К-103 состоит в основном из компонентов С₆, которые после смешения с изопентановой фракцией несколько снижают октановое число.

Дополнительное увеличение октанового числа изомеризата возможно при организации рецикла компонентов С₆, и это очень эффективно, если содержание этих углеводородов довольно велико. Но в данном случае количество и состав куба К-103 таковы, что организация дополнительного рецикла не дает существенного приращения октанового числа. Поэтому была выбрана схема ректификации с одним рециклом (фр. åС₅), представленная на схеме (Рис. 4).

Оптимальный состав сырья реактора (кубовый продукт колонны К-102) определяется работой комплекса, состоящего из реакционного блока, колонны стабилизации К-101, колонны подготовки сырья реактора и выделения изопентановой фракции К-102, колонны К-103, предназначенной для формирования рецикла по С₅.

Для работы этого комплекса чрезвычайно важны выбор и оптимизация работы каждого из взаимозависимых элементов как с точки зрения получения максимально эффективного сырья и продукта реактора изомеризации, так и с точки зрения минимизации капитальных и энергетических затрат.

В табл. 1 представлен состав сырья установки изомеризации, состав сырья реакторного блока и состав изомеризата. Разгонки фракций 95-180°С и тяжелого риформата представлены в табл. 2.

Таблица 1

Покомпонентный состав сырья установки изомеризации,
сырья реакторного блока и изомеризата,

% мас.

Таблица 2

Разгонка по D86 (при 760 мм рт.ст.) продуктов
блока подготовки сырья изомеризации, °С

ИОЧ изомеризата составляет 86 пунктов, прирост октанового числа — 10 пунктов.

Выход изомеризата равен 98,1% масс.

При выполнении базового проекта решалась также задача получения квалифицированного сырья установки риформинга с минимальным содержанием бензолообразующих компонентов.
В том числе решалась задача разделения риформата с выделением из него легких компонентов (легкого риформата) с последующим вовлечением этого продукта в сырье установки изомеризации и получением товарного риформата (куб колонны) с содержанием бензола менее 1% мас. и выделением фракции с высоким содержанием бензола боковым продуктом из колонны К-3 (см. Рис.2).

При решении задачи оптимизации потоков и режимных параметров принимались во внимание ограничения по производительности участвующих установок, в том числе производительность установок риформинга, установок изомеризации и др.

При размещении оборудования принималось во внимание наличие свободных площадей в ОАО «АНХК», выделенных под строительство установки изомеризации с блоками подготовки сырья.

Базовым проектом предусмотрена распределенная двухуровневая система управления процессом в соответствии с требованиями правил промышленной безопасности нефтеперерабатывающих производств ПБ09-450-03 и ПБ09-563-03. Автоматизированная система управления РСУ и ПАЗ обеспечивает автоматическое регулирование параметров технологического режима, включая каскадное регулирование, поддержание параметров процесса на уровнях, обеспечивающих выпуск продукции необходимого качества и количества и т.д. Управление технологическим процессом предусматривается из единой операторной.

Используемые на установке изомеризации оборудование и арматуру серийно производят в России. Колонные аппараты, реактор, трубчатые печи будут изготовлены по индивидуальным проектам ЗАО «Петрохим Инжиниринг».

Вредные выбросы в атмосферу от организованных источников составят не более 220 т/год, а сбросы сточных вод на установке сведены к минимуму. Расходные показатели по базовому проекту приведены в табл. 3.

Таблица 3

Расходные показатели по базовому проекту

Общая сметная стоимость строительства составляет 45,4 млн долл. США.

Срок окупаемости с учетом срока строительства — не более 4,9 лет.

Базовый проект установки изомеризации был рассмотрен и утвержден в мае 2006 г. Техническим Советом ОАО «АНХК». В настоящее время осуществляется разработка рабочего проекта ОАО «Ангарскнефтехимпроект».

Литература

1.           Мириманян А.А., Вихман А.Г., Мкртпычев А.Л. //Нефтепереработка и нефтехимия. — 2006. — №4. —С. 22-31.

2.           Рабочая инструкция по эксплуатации установки изомеризации, фирма Sued-Chemie AG, август 2006.

3.           Пат. 0409303AI ЕС, 1991.

4.           Пат. 5264648 США, 1993.