Новые технологии и оборудование в производстве базовых масел и парафинов


С. П. Яковлев











НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
В ПРОИЗВОДСТВЕ БАЗОВЫХ МАСЕЛ И ПАРАФИНОВ



Монография
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 665.637.6/.7
ББК35.514
    Я47




Рецензенты:
кандидат технических наук, начальник отдела оборудования ООО «ГСИ-Гипрокаучук» (г. Москва) Каламбет Игорь Анатольевич; кандидат технических наук, ведущий специалист ПАО «Славнефть-Ярославнефтеоргсинтез» (г. Ярославль) Шахова Наталья Михайловна





      Яковлев, С. П.
Я47 Новые технологии и оборудование в производстве базовых масел и парафинов : монография / С. П. Яковлев. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 204 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0750-2

      Рассмотрена струйная и пульсационная аппаратура, описаны технологии и оборудование для производства базовых масел и парафинов, позволяющие увеличить выход масел, повысить качество получаемых парафинов (церезинов), сократить энергоемкость производства, эксплуатационные затраты и расход применяемых реагентов, упростить конструкцию и снизить металлоемкость оборудования.
      Для специалистов в области разработки и эксплуатации процессов производства масел, парафинов и церезинов с использованием избирательных растворителей. Может быть полезно студентам нефтяных вузов.

                                                        УДК 665.637.6/.7
                                                        ББК35.514


ISBN 978-5-9729-0750-2

     ©Яковлеве. П.,2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.....................................................5

1. ДЕАСФАЛЬТИЗАЦИЯ ГУДРОНА ПРОПАНОМ..........................8
  1.1. Применение струйной аппаратуры в процессе экстракции..8
    1.1.1. Теоретические основы интенсификации экстракции в процессе деасфальтизации..............................8
    1.1.2. Результаты внедрения струйной аппаратуры на стадии экстракции в процессе деасфальтизации.........20
  1.2. Интенсификация процесса деасфальтизации за счет внедрения энергосберегающих технологий регенерации пропана
     из растворов деасфальтизата и асфальта.................22

2. ПРИМЕНЕНИЕ СТРУЙНОЙ АППАРАТУРЫ В ПРОЦЕССЕ СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ МАСЛЯНОГО СЫРЬЯ ФУРФУРОЛОМ..............32
  2.1. Возможности интенсификации работы экстракторов путем внедрения струйной аппаратуры.......................32
  2.2. Схема установки инжекционной аппаратуры в схеме обвязки экстракционной колонны....................................33
  2.3. Основы гидравлического расчета системы инжекционной подачи сырья и растворителя................................37
  2.4. Результаты внедрения струйной аппаратуры в процессе селективной очистки сырья фурфуролом.......................41

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ПУЛЬСАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ В ПРОЦЕССЕ СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ N-МЕТИЛПИРРОЛИДОНОМ.................................47
  3.1. Экспериментальные исследования на пилотной установке.47
  3.2. Схема аппаратурного оформления процесса в промышленных условиях...................................56

4. ПРОЦЕССЫ ДЕПАРАФИНИЗАЦИИ МАСЕЛ И ОБЕЗМАСЛИВАНИЯ ГАЧЕЙ......................................57
  4.1. Процесс получения парафиновых суспензий..............57
    4.1.1. Кристаллизация из растворов парафинсодержащего сырья в процессах депарафинизации и обезмасливания............57
    4.1.2. Результаты экспериментальных исследований. Устройство и принцип работы пульсационного кристаллизатора.........66

3

    4.1.3. Математическое описание тепловых и гидродинамических процессов в пульсационном кристаллизаторе. Методика теплового и гидравлического расчета кристаллизатора...........77
    4.1.4. Процессы депарафинизации и обезмасливания, основанные на применении пульсационных кристаллизаторов..................87
      4.1.4.1. Процесс депарафинизации рафинатов..................87
      4.1.4.2. Комбинированный процесс депарафинизации и обезмасливания...........................................97
      4.1.4.З. Комбинированный процесс депарафинизации и обезмасливания с перекристаллизацией гача...............105
      4.1.4.4. Выбор насоса для перекачки суспензии, полученной в пульсационном кристаллизаторе...........................109
      4.1.4.5. Обезмасливание гачей..............................115
      4.1.4.6. Комбинирование сольвентного процесса обезмасливания с каталитическими процессами получения масел..............120
      4.1.4.7. Применение раздельной кристаллизации в комбинированном процессе депарафинизации -обезмасливания............................................129
      4.1.4.8. Повышение эффективности применения пульсационных кристаллизаторов при внедрении новой технологии регенерации растворителя..................................138
    4.1.5. Конструктивные и технологические параметры пульсационного кристаллизатора..............................................148
    4.1.6. Сопоставление эффективности комбинированного процесса депарафинизации - обезмасливания с применением пульсационного кристаллизатора с показателями технологии Dilchill..........................................149
    4.1.7. Сопоставление эффективности пульсационного кристаллизатора с регенеративными кристаллизаторами скребкового типа..........152
4.2. Процесс разделения парафиновых суспензий..................160
    4.2.1. Фильтрование парафиновых суспензий в процессах депарафинизации и обезмасливания.............................160
    4.2.2. Принцип работы динамического пульсационного фильтра. Результаты экспериментальных исследований....................161
    4.2.3. Математическое описание процессаразделения суспензий на динамическом пульсационном фильтре. Методика расчета процесса фильтрования........................................173
    4.2.4. Особенности конструкции динамического пульсационного фильтра. Схема включения фильтра в технологическую схему......184

ЛИТЕРАТУРА.......................................................192

4

ВВЕДЕНИЕ



     Технология производства базовых масел и твердых парафинов включает следующие основные этапы: получение масляных фракций, очистка масляных фракций от нежелательных углеводородов и гетероорганических соединений с получением базовых масел-компонентов и побочных продуктов. В качестве побочных продуктов образуются асфальт, экстракты, являющиеся сырьем для производства битумов, сажи и других темных продуктов, а также гачи и петролатум, применяемые для производства парафинов, церезинов и другой восковой продукции.
     Получение масляных фракций осуществляется разгонкой нефти на установках атмосферно-вакуумной перегонки (АВТ) или мазута на установках вакуумной перегонки (ВТ). При этом получаются несколько вакуумных масляных дистиллятов различной вязкости и остаток вакуумной перегонки - гудрон.
     В качестве сырья используются нефти, различающиеся содержанием парафина, сернистых и асфальтосмолистых веществ, а также потенциальным содержанием масел и их качеством. В настоящее время наиболее массовым сырьем являются смеси сернистых парафинистых нефтей, к числу которых относятся смеси западносибирских и волго-уральских нефтей.
     Технология производства базовых масел включает в себя ряд процессов. Назначение каждого из них - удаление из сырья групп углеводородов и соединений, присутствие которых в масле нежелательно (асфальтосмолистых соединений, полициклических ароматических углеводородов с низким индексом вязкости, гетероорганических соединений и твердых парафиновых углеводородов). В свою очередь, выделенные твердые углеводороды (парафины и церезины) после соответствующей очистки являются товарной продукцией.
     В настоящее время основной объем базовых масел и твердых парафинов производится с использованием экстракционных процессов: пропановой деасфальтизации, селективной очистки фенолом, фурфуролом или N-метилпир-ролидоном, депарафинизации рафинатов и обезмасливания гачей (петролатумов). Для доочистки депарафинированных масел, парафинов и церезинов на современных маслоблоках применяется процесс гидроочистки.
     Гидрогенизационные процессы (гидрокрекинг, гидроизомеризация, гид-рокаталитическая депарафинизация) играют все большую роль в современном производстве масел, что обусловлено рядом преимуществ этих процессов перед экстракционными, но в настоящее время по ряду причин они еще не получили широкого распространения в отечественной промышленности.

5

     Технология процессов деасфальтизации гудронов пропаном, селективной очистки вакуумных дистиллятов и деасфальтизатов, депарафинизации рафинатов и обезмасливания гачей, осуществляемых на типовых установках, также как и аппаратурное оформление этих процессов, не претерпели принципиальных изменений в течение последних 40-50 лет. Все усилия разработчиков сводились к не существенному совершенствованию существующих технологий и используемого оборудования - внедрялись новые растворители, увеличивались размеры аппаратуры. Но не создавались принципиально новые технологии и конструкции оборудования.
     Длительная промышленная эксплуатация этих установок показала ряд недостатков применяемой технологии и используемого оборудования.
     Не достаточная эффективность работы экстракторов в процессах деасфальтизации и селективной очистки приводит к низким отборам деасфальтизатов и рафинатов при неоправданно завышенных кратностях растворителей к сырью.
     Используемое в процессах депарафинизации и обезмасливания кристаллизационное оборудование (регенеративные и испарительные скребковые кристаллизаторы) совершенствовалось в направлении увеличения диаметров теплообменных труб, повышения площади поверхности теплопередачи, применения новых материалов и конструкции скребков. Однако процесс получения парафиновых суспензий в скребковых кристаллизаторах характеризуется образованием высокодисперсной кристаллической структуры выделяющейся твердой фазы. Фильтрационные характеристики таких суспензий определяют низкие отборы депарафинированного масла и повышенное содержание масла в парафинах и церезинах. Связанная с этим необходимость увеличения кратности растворителя к сырью для достижения заданных показателей процесса приводит к повышению его энергоемкости.
     Применение в процессах депарафинизации и обезмасливания барабанных вакуумных фильтров на стадии разделения суспензий не позволяет интенсифицировать их фильтрование. Качество и скорость отделения жидкой фазы полностью определяются фильтрационными характеристиками суспензии, зависящими от предыдущей стадии процесса - кристаллизации. Попытки модернизации этого оборудования, оптимизации режима фильтрования и применения новых фильтрующих материалов сводились к увеличению поверхности фильтрования и замене отдельных узлов. Все это не приводило к существенному повышению отборов депарафинированного масла и улучшению качества парафинов (церезинов).
     Кроме этого применяемое в настоящее время кристаллизационное и фильтровальное оборудование является сложным по конструкции, металлоемким и требующим значительных затрат при эксплуатации, обслуживании и ремонте.

6

     Настоящая работа является обобщением результатов разработки и внедрения струйной и пульсационной аппаратуры, и других новых технических решений технологии и оборудования производства базовых масел и парафинов с целью повышения его эффективности: увеличения выхода масел, повышения качества получаемых парафинов (церезинов), сокращения энергоемкости производства, эксплуатационных затрат и расхода применяемых реагентов, упрощения конструкции и снижения металлоемкости оборудования.

7

1. ДЕАСФАЛЬТИЗАЦИЯ ГУДРОНА ПРОПАНОМ



1.1. Применение струйной аппаратуры в процессе экстракции

1.1.1. Теоретические основы интенсификации экстракции в процессе деасфальтизации

     В остатках вакуумной разгонки мазута - гудронах - содержится большое количество асфальто-смолистых веществ. Эти углеводороды являются нежелательными компонентами смазочных масел и их выделение - задача процесса деасфальтизации гудронов. Растворенные или диспергированные в сырье асфальтосмолистые вещества удаляют с использованием растворителей, в качестве которых обычно применяют сжиженные низкомолекулярные алканы [1,2].
     В промышленном производстве нефтяных масел в качестве растворителя в основном используют сжиженный пропан. Растворимость углеводородов масляного сырья в пропане в области повышенных температур (75-90 °C) уменьшается с увеличением их плотности и молекулярной массы. Смолы и особенно асфальтены - наименее растворимые в жидком пропане компоненты сырья. На этом основано использование пропана как деасфальтирующего растворителя. Пропан способствует коагуляции асфальто-смолистых веществ при одновременной избирательной экстракции масляных компонентов сырья.
     Протекание процесса деасфальтизации определяют следующие факторы: температурный режим экстракции; кратность растворителя к сырью; характер сырья [3]. Влияние этих факторов достаточно изучено на основании экспериментов и промышленной эксплуатации установок деасфальтизации, разработанные методики расчета [1] позволяют с высокой степенью достоверности находить оптимальные условия проведения процесса.
     Установки деасфальтизации включают два основных блока: экстракции-извлечения пропаном из сырья целевых масляных компонентов - и регенерации растворителя из растворов деасфальтизата и асфальта.
     Продуктами процесса разделения сырья являются деасфальтизат, используемый для выработки остаточных масел и асфальт, служащий сырьем для производства битумов или компонентом котельного топлива. В получаемом деас-фальтизате значительно снижаются коксуемость, вязкость, плотность, показатель преломления, содержание никеля и ванадия. Затем он направляется на дальнейшую селективную очистку от поли- и бициклических ароматических углеводородов и депарафинизацию.


8

     Процесс деасфальтизации гудронов пропаном осуществляют в противоточных цилиндрических колоннах высотой 18-22 м с решетчатыми тарелками типа жалюзи либо с перфорированными тарелками с керамической насадкой. Диаметр деасфальтизационных колонн находится в пределах 2,4-3,6 м. Для равномерного распределения сырья и пропана по горизонтальному сечению имеются трубчатые распределители с большим числом отверстий. Для создания заданного температурного режима, колонны оснащены внутренними подогревателями.
     На установках деасфальтизации наиболее широко применяют колонны с внутренним паровым подогревом [2, 4], так как благодаря более равномерному температурному градиенту в таких колоннах обеспечивается более высокий выход деасфальтизата повышенного качества по сравнению с колоннами, имеющими выносной подогреватель или выносную отстойную камеру. Деасфаль-тизационные колонны работают по принципу противотока. В нижней части колонны в зоне ввода пропана происходят коагуляция асфальтенов и выделение из сырья компонентов, не растворимых при данной температуре в пропане. Раствор остальных компонентов в пропане поднимается вверх навстречу потоку компонентов, не растворившихся в пропане при более высоких температурах в верхней части колонны, которые играют роль внутреннего орошения. При этом по всей высоте колонны между раствором компонентов сырья в пропане и внутренним орошением происходит обмен компонентами, различающимися по структуре и, следовательно, обладающими разной растворимостью в пропане в зависимости от температуры. В результате из раствора деасфальтизата выделяются смолисто-асфальтеновые вещества и низкоиндексные полициклические соединения, которые составляют асфальтовую фазу.
     Одним из условий, обеспечивающих четкость разделения компонентов сырья, является контакт между поднимающимся и опускающимся потоками в деасфальтизационной колонне. При использовании жалюзийных тарелок наблюдается повышение температуры низа колонны с одновременным понижением температуры верха против расчетной, что снижает температурный градиент и выход деасфальтизата. Это указывает на недостаточное диспергирование сырья, приводящее к ухудшению массо- и теплообмена в аппарате.
     При анализе работы промышленных колонн деасфальтизации [5] обнаружено, что с понижением температуры низа колонны в результате смещения фазового равновесия происходит разделение асфальтовой фазы на раствор высоковязких масляных компонентов в пропане и раствор пропана в смолистоасфальтеновых веществах, причем смещение фазового равновесия системы усиливается при введении в зону разделения фаз небольшого количества пропана.

9

     На основе этого разработан [5] способ вывода промежуточного раствора высоковязких масляных компонентов в качестве бокового погона из деасфаль-тизационной колонны и предложен вариант реконструкции одноступенчатой установки деасфальтизации с получением в одной колонне двух деасфальтиза-тов, различающихся по качеству. Кроме того, вывод высоковязких компонентов из нижней части колонны снижает кратность внутренней циркуляции в экстракционной зоне колонны, что улучшает проведение процесса и позволяет выводить с верха колонны деасфальтизат с низкой коксуемостью.
     Однако этот способ не обеспечивает увеличения выхода деасфальтизата за счет интенсификации процесса массообмена в зоне противоточного движения потоков и не нашел промышленного применения.
     На некоторых деасфальтизационных установках применяют роторнодисковые контакторы (РДК) диаметром 2,4 м высотой около 20 м. Внутри аппарата расположен вал с 20 дисками (ротор), а у стен закреплены с шагом 0,3 м кольцевые перегородки. Вал с дисками приводится во вращение мотором с нижним приводом. Частоту вращения можно менять в пределах 10-60 об/мин. Однако эксплуатация этих контакторов не показала преимуществ по сравнению с аппаратами без механического перемешивания. К эксплуатационным недостатком РДК следует отнести наличие сложного уплотнительного устройства вала, требующего повышенной надежности, что обусловлено характером применяемого растворителя и высокого давления в аппарате 3,6-4,2 МПа.
     Со времени разработки и внедрения процесса деасфальтизации гудронов пропаном конструкция деасфальтизационных колонн и технология процесса не претерпели принципиальных изменений.
     Недостаточная эффективность работы деасфальтизационных колонн, приводит к низким отборам целевого продукта (деасфальтизата) при неоправданно завышенных кратностях пропана к сырью. Следствием этого является потеря компонентов остаточных масел, попадающих в раствор асфальта, и повышенные энергозатраты на регенерацию пропана из продуктов разделения сырья.
     Предложен способ интенсификации процесса деасфальтизации [6], в котором к сырью сначала добавляют часть растворителя, затем перемешивают при числах Рейнольдса 12 000-50 000 в течение 3-7 с, после этого смесь подается в деасфальтизационную колонну, где она обрабатывается остальным количеством пропана. Целью способа является повышение выхода деасфальтизата за счет обеспечения более полного контакта сырья и растворителя на стадии предварительного разбавления. Однако в этом случае остаются неизменными условия проведения процесса в деасфальтизационной колонне. Т. е. интенсификация массообмена в аппарате не предусмотрена, что отражается на показателях процесса деасфальтизации.

10

     В работе [7] для увеличения выхода деасфальтизата в процессах деасфальтизации тяжелых углеводородных фракций сырье после смешения с растворителем подвергают обработке акустическим полем совместно с динамическим воздействием посредством перемешивания высокоскоростной турбинной мешалкой. После последующего отстаивания смесь разделяется на растворы деасфальтизата и асфальта.
     Недостатком этого способа деасфальтизации является то, что создание акустического поля требуемой интенсивности связано со значительными энергетическими затратами. Кроме этого оснащение деасфальтизационной колонны в промышленных условиях, при реальных масштабах аппарата, высокоскоростной мешалкой технически трудно осуществимо и при использовании в качестве растворителя сжиженного пропана связано с повышенной опасностью производства.
     В способе [8] предлагается интенсифицировать процесс деасфальтизации гудронов пропаном путем пульсационного воздействия на сырьевую смесь в деасфальтизационной колонне. Пульсация осуществляется посредством создания возвратно- поступательного движения в трубопроводе, соединенном с коллектором, расположенным в деасфальтизационной колонне, поршневым или плунжерным насосом. Целью способа является повышение выхода деасфальтизата при снижении кратности пропана к сырью за счет интенсификации массообмена в аппарате.
     Недостатком этого способа является необходимость установки дополнительного оборудования - насоса для создания пульсации. Кроме этого анализ технических возможностей серийно выпускаемых насосов показал, что включение насоса с максимальными производительностью и объемом подаваемой жидкости за один ход поршня или плунжера не обеспечат требуемой интенсивности пульсации среды в деасфальтизационной колонне промышленного масштаба.
     В работе [9] с целью повышения выхода деасфальтизата и снижения кратности пропана к сырью в процессах деасфальтизации гудронов пропаном интенсификация смешения сырья и пропана в зонах их подачи в колонну достигается путем их подачи через инжекторы и отражатели, установленные в аппарате. Увеличение поверхности контакта фаз за счет диспергирования потоков приводит к более полному отбору масляных компонентов при возможности снижения количества подаваемого пропана.
     Однако в этом случае не рассматривается вопрос интенсификации процесса массообмена в зоне основного контакта фаз - пространстве между зонами ввода сырья и растворителя.
     Исследования возможности применения в процессах деасфальтизации контактных устройств, эффективных при экстракционной очистке гудронов парными

11

растворителями [10], показали, что их внедрение связано с трудностями, обусловленными высокой вязкостью дисперсионной среды и дисперсной фазы.
     В работе [1] разработана математическая модель процесса деасфальтизации пропаном, основой которой являются модифицированные параметры растворимости, полученные из уравнений растворимости Гильдебранда:

'(ALр - RTₚ)х" ₊ lₖMₖ (1 - х") ₊ RT (inVₖ - InVp)' Vp ⁺ Vₖ ⁺ Vk

(ALk - RTₖ )(1 - х") ₊ IpMpX" ₊ RT (inVk - inVp )' Vk             ⁺ Vp ⁺         Vp

(1.1)


(1.2)

где  ALₚ, ALₖ - изменение скрытой теплоты испарения растворителя и ком     понента, кДж/кг;
     Iₚ ,Iₖ - исходные энтальпии растворителя и компонента, кДж/кг;
     Mₚ ,Mₖ - молекулярные массы растворителя и компонента;
     х", (1 - х") - мольные объемные концентрации растворителя и компонента;
     Tₚ, Tₖ - температуры кипения растворителя и компонента, К;
     Vₚ, Vₖ - мольные объемы растворителя и компонента, м³/моль;
     T - абсолютная температура образования раствора, К;
     R - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К).

     После решения этих уравнений для соответствующих условий деасфальтизации массовые доли растворителя и компонентов в экстрактной фазе находятся из уравнения:


    RT = [VpX " + (1 - X ')](а p-ak )²,


(1.3)

где X" и 1 - X" - мольные объемные концентрации растворителя и компонента в экстрактной фазе.
      Расчеты процесса деасфальтизации показали удовлетворительную сходимость расчетных данных с результатами промышленных испытаний. Т. е. предлагаемое математическое описание может быть использовано при поиске способов оптимизации режимов деасфальтизации и в качестве теоретической основы для создания математической модели модернизированного процесса.
      В работе [11] обращено внимание на коллоидно-химические особенности процесса деасфальтизации и связанные с этим возможности его интенсификации. Отмечено, что сжиженный углеводородный растворитель (пропан) вызывает

12