Разработка технологических решений по переработке высокопарафинистых нефтей (на примере ставропольско-дагестанской нефтесмеси)

На правах рукописи

ОВЧАРОВА АННА СЕРГЕЕВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ВЫСОКОПАРАФИНИСТЫХ НЕФТЕЙ (НА ПРИМЕРЕ СТАВРОПОЛЬСКО-ДАГЕСТАНСКОЙ НЕФТЕСМЕСИ)

Специальность 05.17.07 – Химическая технология топлива
и высокоэнергетических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Астрахань – 2012 г.

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский государственный технический университет» (г. Ставрополь)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Переверзев Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тараканов Геннадий Васильевич

(Инженерно-технический центр

ООО «Газпром добыча Астрахань»,

заместитель директора по технологии)

кандидат химических наук, доцент

Князева Елена Евгеньевна

(Московский государственный университет

им. М.В. Ломоносова, старший научный

сотрудник кафедры физической химии)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный

технологический университет»

Защита состоится 12 мая 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета ДМ 307.001.04 при ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» (АГТУ) по адресу:

414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, 2-ой учебный корпус АГТУ, ауд. 201

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке АГТУ

(г. Астрахань, ул. Татищева, 16, главный учебный корпус АГТУ)

Автореферат разослан 10 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат химических наук, доцент Е.В. Шинкарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования Со снижением извлекаемых запасов нефти на крупных месторождениях в российском балансе добычи увеличивается доля высокопарафинистых нефтей. В то же время государственная экономическая и налоговая политика ставят перед нефтегазовым комплексом задачи сокращения экспорта сырой нефти, увеличения глубины переработки, объема производства моторных топлив, улучшения их качества. Решение этих задач требует изменения технологии нефтепереработки, ускоренного внедрения вторичных каталитических процессов. Однако технологические аспекты переработки высокопарафинистых нефтей до настоящего времени изучены и проработаны недостаточно, что не позволяет рационально использовать ресурсы этого сырья.

Особенностью развития российской нефтепереработки является высокий интерес к строительству региональных мало- и среднетоннажных заводов для обеспечения потребности в качественных моторных топливах. Такие НПЗ позволяют перерабатывать сырье малодебитных месторождений в местах добычи и могут снять проблему транспортировки и реализации высокопарафинистых нефтей, имеющих плохие реологические и низкотемпературные свойства. Типичным примером такого сырья является ставропольско-дагестанская нефтесмесь, ресурсы которой позволяют организовать выпуск моторных топлив в регионе, не имеющем собственных перерабатывающих мощностей. Для заводов малой производительности требуется разрабатывать новые технологические процессы с низкими капитальными и эксплуатационными затратами.

Таким образом, исследование характеристик высокопарафинистого сырья, разработка рациональных режимов и технологических схем его ректификации, создание вторичных каталитических процессов превращения дистиллятных фракций в компоненты моторных топлив и сырье для нефтехимии является важной и актуальной научно-прикладной задачей.

Цель работы Разработка эффективных технологических решений по переработке высокопарафинистых нефтей в условиях мало- и среднетоннажных заводов для обеспечения потребности в качественных моторных топливах регионов, не имеющих собственных перерабатывающих мощностей.

Основные задачи исследования

• разработка рациональных приемов первичной перегонки высокопарафинистой ставропольско-дагестанской нефтесмеси с использованием имеющихся ресурсов газовых конденсатов и газовых бензинов, позволяющих увеличить глубину отбора дистиллятных фракций для процессов вторичной переработки и четкость погоноразделения, либо получить товарную дизельную фракцию;
• исследование закономерностей процесса депарафинизации дизельной фракции ставропольско-дагестанской нефтесмеси на цеолитном адсорбенте;
• исследование закономерностей процесса безводородной каталитической депарафинизации дизельной фракции ставропольско-дагестанской нефтесмеси на модифицированных цеолитсодержащих катализаторах;
• исследование закономерностей процесса безводородной каталитической изомеризации легкой бензиновой фракции ставропольско-дагестанской нефтесмеси на модифицированных цеолитсодержащих катализаторах;
• обоснование технологических решений по переработке высокопарафинистой ставропольско-дагестанской нефтесмеси в товарные нефтепродукты.

Научная новизна работы

Изучены особенности депарафинизации дизельных фракций парафинистых и высокопарафинистых нефтей на цеолитном адсорбенте, выявлены закономерности изменения свойств денормализатов от остаточного содержания
н-алканов и показана возможность получения из высокопарафинистого сырья при различной глубине депарафинизации товарных дизельных топлив для разных климатических зон, соответствующих требованиям ГОСТ по цетановым числам и низкотемпературным свойствам.

Установлены закономерности легкого крекинга высокопарафинистой дизельной фракции 280–350оС в присутствии модифицированных цинком катализаторов на основе цеолитов типа ВЕТА. Показано, что изученные катализаторы проявляют высокую активность в безводородной депарафинизации сырья, позволяют при умеренных температурах 300–350оС получить компонент товарного дизельного топлива с сохранением высокого цетанового числа.

Установлены закономерности превращения низкооктановой бензиновой фракции н.к.–85оС ставропольско-дагестанской нефтесмеси в присутствии модифицированных цинком и платиной катализаторов на основе цеолитов типа ВЕТА. Показано, что платинусодержащие катализаторы проявляют высокую активность и селективность в процессе безводородной деструктивной изомеризации парафинистого сырья при умеренных температурах 300–400оС и обеспечивают повышение октанового числа изомеризата на 15,5–19,1 единицы.

Защищаемые положения

• результаты исследований фракционных составов и основных характеристик ставропольско-дагестанской нефтесмеси, легких газовых конденсатов ставропольских месторождений и их целевых фракций, рациональные технологические приемы и схемы малотоннажной первичной переработки высокопарафинистого смесевого сырья;
• результаты исследований депарафинизации дизельных фракций парафинистых и высокопарафинистых нефтей на цеолитном адсорбенте, выявленные закономерности изменения низкотемпературных характеристик и цетановых чисел денормализатов от остаточного содержания н-алканов;
• результаты исследований безводородной депарафинизации дизельной фракции высокопарафинистой нефти на цеолитсодержащих катализаторах, параметров технологического режима и технологии получения компонента дизельного топлива с нормализованными низкотемпературными свойствами и высоким цетановым числом;
• результаты исследований безводородной деструктивной изомеризации легкой бензиновой фракции высокопарафинистой нефти на цеолитсодержащих катализаторах, параметров технологического режима и технологии получения высокооктанового компонента автобензина, обогащенного изопарафинами.

Практическая ценность и реализация работы

Исследованы и уточнены составы и характеристики высокопарафинистой ставропольско-дагестанской нефтесмеси, газовых конденсатов ставропольских месторождений и их целевых фракций. Обоснованы рекомендации по получению из смесевого сырья товарного дизельного топлива, отвечающего требованиям стандартов, и технологическая схема малотоннажной установки, принятой к проектированию в ЗАО «Ставропольнефтегазпроект». Ожидаемый годовой экономический эффект от реализации процесса составляет 85,8 млн. рублей.

На основе нового подхода к представлению фракционного состава сырья с помощью осцилляторов интенсивности кипения обоснованы технологические решения по перегонке высокопарафинистой ставропольско-дагестанской нефтесмеси с использованием интенсификаторов, позволяющие увеличить глубину отбора дистиллятных фракций для процессов вторичной переработки и четкость погоноразделения.

Разработаны технологические решения и рациональная поточная схема первой очереди завода для переработки высокопарафинистой ставропольско-дагестанской нефтесмеси с использованием процессов атмосферной перегонки, безводородной каталитической депарафинизации дизельной фракции 280–350°С и безводородной каталитической изомеризации бензиновой фракции н.к.–85оС, принятая к рассмотрению в ООО «РН-Ставропольнефтегаз». Расчетный срок окупаемости инвестиций составляет 3,9 года, ожидаемый годовой экономический эффект после выхода на проектную мощность – 944,4 млн. рублей в год.

Основные положения и результаты диссертационной работы используются в Северо-Кавказском государственном техническом университете при чтении лекций по дисциплинам «Химическая технология топлива и углеродных материалов», «Технология термокаталитических процессов переработки нефти», в курсовом и дипломном проектировании студентов специальности 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях «Нефтегазопереработка и нефтехимия» (Уфа, 2005, 2010 г.г.);
6-й всероссийской цеолитной конференции «Цеолиты и мезопористые материалы: достижения и перспективы» (Звенигород, 2011 г.); V межрегиональной научной конференции «Студенческая наука – экономике России» (Ставрополь, 2005 г.);
Всероссийской научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества – будущему России» (Ставрополь, 2006 г.); V международной научной конференции «Научный потенциал XXI века» (Ставрополь, 2011 г.);
XXXIII и XXXVII научно-технических конференциях Северо-Кавказского государственного технического университета (Ставрополь, 2004, 2008 г.г.), VII, X, XII и XV региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука – Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2003, 2006, 2008, 2011 г.г.).

Публикации По результатам диссертации опубликовано 23 научные работы, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ВАК, получено 4 патента.

Объем и структура работы Диссертация изложена на 138 страницах, включает 35 таблиц, 35 иллюстраций и состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников из 244 наименований и приложения.

содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, определены задачи исследования.

В первой главе рассмотрены особенности группового химического состава и свойств высокопарафинистых нефтей, основные проблемы, возникающие при их транспортировке и переработке, современное состояние сырьевой базы ставропольских месторождений. Описаны технология и конструктивное оформление основных процессов депарафинизации дистиллятных фракций. Показано, что для малотоннажной переработки высокопарафинистых нефтей необходимо разрабатывать технологические процессы с низкими капитальными и эксплуатационными затратами.

Для обеспечения комплексной переработки высокопарафинистых нефтей рассмотрены возможности превращения дистиллятных фракций в компоненты товарных дизельных топлив и автобензинов с использованием цеолитсодержащих адсорбентов и катализаторов. Обоснован выбор перспективных для процессов безводородной каталитической депарафинизации и изомеризации цеолитов и металлов-промоторов. Намечены подходы к разработке рациональной поточной схемы малотоннажного регионального НПЗ.

Анализ литературных данных позволил определить перспективные направления исследования и реализовать их в диссертационной работе.

Во второй главе описаны схемы установок и методы исследования, использованные при проведении лабораторных экспериментов. Поставленные в диссертации задачи решались путем:

• определения фракционного и группового углеводородного состава, основных характеристик высокопарафинистой ставропольско-дагестанской нефтесмеси, газовых конденсатов, газовых бензинов, вовлекаемых в переработку совместно с нефтесмесью, и получаемых при перегонке фракций – стандартными методами в соответствии с ГОСТ и отраслевыми методиками, а также с использованием лабораторной ректификационной установки;
• расчетных исследований математическими методами процесса ректификации с целью обоснования рациональных решений по фракционированию сырья;
• определения характеристик цеолитсодержащих катализаторов и исследования закономерностей безводородных процессов превращения дистиллятных фракций в товарные продукты – с использованием лабораторной каталитической установки и современных физико-химических методов анализа;
• разработки новых технологических приемов и схем первичной перегонки высокопарафинистого нефтяного сырья и вторичной переработки выделенных из него прямогонных дистиллятных фракций.

Для решения вопроса о целесообразности организации переработки в товарные моторные топлива были подробно исследованы фракционный состав и характеристики ставропольско-дагестанской нефтесмеси, прошедшей подготовку к транспортировке в ООО «РН – Ставропольнефтегаз», и ее дистиллятных фракций. Согласно технологической классификации по ГОСТ 912 ставропольско-дагестанская нефтесмесь имеет шифр IТ2М3И1П3, по ОСТ 38.1197 шифр 1.2.3.1.3. Таким образом, нефтесмесь малосернистая, со средним содержанием светлых дистиллятов (содержит 50,61% масс. фракций, выкипающих до 350°С), с низким содержанием высокоиндексных масел, высокопарафинистая.

Первичной перегонкой получить товарные нефтепродукты из этого сырья практически невозможно. Прямогонная бензиновая фракция н.к.–180°С (выход на нефть 15,44% масс.) имеет очень низкую детонационную стойкость (ОЧММ 35,3) и не может рассматриваться как компонент товарного автобензина. Широкая дизельная фракция 180–350оС (выход на нефть 35,17% масс., температуры застывания 4оС, предельная фильтруемости 5оС) и фракция выше 350оС котельного топлива (выход на нефть 49,39% масс., температура застывания 45оС) имеют недостаточные низкотемпературные характеристики даже относительно нормативов на дизельное топливо для умеренного климата и котельное топливо марки 100.

Для оценки возможности использования в качестве интенсификаторов процесса ректификации были исследованы характеристики газовых конденсатов ставропольских месторождений, а также газовых бензинов, выделяемых при отбензинивании попутных нефтяных газов. В целом ресурсы газовых конденсатов и газовых бензинов незначительны, не превышают 30 тыс. т в год.

Для разработки рекомендаций по получению товарных дизельных топлив из ставропольско-дагестанской нефтесмеси были выделены прямогонные дизельные фракции 180–350°С, 200–320°С, 180–280°С и 280–350°С (таблица 1).

Таблица 1 – Характеристики дизельных фракций ставропольско-дагестанской нефтесмеси

Показатели	Дизельные фракции				ГОСТ
	180–350°С	200–320°С	180–280°С	280–350°С
Выход на нефть, % масс.	35,17	23,81	18,51	16,66	11011
Плотность при 20оС, кг/м3	817	810	801	827	3900
Вязкость кинематическая при 20°С, мм2/с	4,64	3,81	2,82	–	33
Фракционный состав: – 10% об. – 50% об. – 90% об. – 98% об.	225 274 338 347	228 272 304 319	201 234 255 277	308 329 344 350	2177
Температура, оС – застывания – предельная фильтруемости – помутнения	4 5 7	–14 –13 –12	–27 –24 –21	17 19 21	20287 22254 5066
Содержание серы общей, % масс.	0,040	0,016	0,012	0,052	19121
Цетановое число	61	61	62	64	3122