История/3.История науки и техники

К.т. н. Ахмадова Х.Х.

Грозненский государственный нефтяной технический университет, Россия

К.х.н. Сыркин А.М.

Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия

Д.т.н. Махмудова Л.Ш.

Грозненский государственный нефтяной технический университет, Россия

ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОЦЕССА ВИСБРЕКИНГА

Термический крекинг в ХХ веке открыл эру химической переработки нефти. Начало его промышленного применения было заложено патентом № 1049667, заявленным первым президентом компании «Стандард Ойл Индиана» Вильямом Бартоном в США 3 июля 1912 года и выданным 7 января 1913 года [1].

Это был первый деструктивный процесс, позволивший увеличить выход светлых продуктов из нефти и получить сырье для зарождавшейся нефтехимической промышленности. Именно благодаря этой системе жидкофазного термического крекинга, мир обязан производством громадного количества бензина из тяжелых нефтяных продуктов и экономией сотен млн. тонн нефти.

В отечественной нефтепереработке процесс термического крекинга получил промышленное применение лишь с 1928 года, несмотря на то, что Россия имела приоритет на этот процесс.

За 100-летний период своего применения в нефтеперерабатывающей промышленности процесс термокрекинга постоянно изменялся, совершенствовался, реконструировался и модернизировался.

До середины 1950-х годов термический крекинг был основным бензинопроизводящим процессом в СССР.

В 1960-е годы значительное развитие процесса каталитического крекинга привело к падению значения термического крекинга как основного вторичного процесса производства бензина, но с 1970-х годов возросла его значимость в форме легкого термокрекинга (висбрекинга) для получения котельных топлив.

Как сравнительно простой и не требующий разработки специального дорогостоящего оборудования, процесс висбрекинга стал широко применяться на нефтеперерабатывающих заводах отрасли в 1970-е годы и является по настоящее время одним из перспективных в схемах глубокой переработки высоковязких нефтяных остатков.

В становлении и развитии процесса висбрекинга в СССР можно выделить несколько этапов:

1 этап охватывает период 1930-1940-е годы и характеризуется проведением «эпизодических» исследований по процессу легкого крекинга мазута и гудрона для снижения их вязкости.

Первыми исследованиями легкого крекинга тяжелого сырья занимались в 1926-28гг. А.Н.Саханов и М.Д.Тиличеев, сначала в Центральной химической лаборатории Грознефти, а затем в ГрозНИИ, называя его первой формой крекинга, назначение которого снизить вязкость сырья и превратить его в более удобное для транспортирования и использование котельное топливо [2]. В результате проведенных исследований ими была разработана реакционная система термокрекинга-висбрекинга, названная системой Саханова-Тиличеева, которая прошла опытно-промышленное испытание в Грозном в 1928 г. [2].

В 1932 г. легкий крекинг мазута был впервые осуществлен в Грозном в печах низкого давления установки системы Винклер-Коха. В результате проведения висбрекинга общее количество тяжелых фракций в мазуте уменьшалось и, соответственно, уменьшалась вязкость мазута.

В 1933 г. в работе [3] были даны первые рекомендации по переводу существующих крекинг-установок на легкий крекинг мазута с целью снижения его вязкости.

В 1934 г. в ГИНИ были проведены исследования легкого крекинга мазутов тяжелых нефтей: балаханской, биби-эйбатской и артемовской. Выбор этих нефтей был связан с тем, что намечалась переработка этих нефтей на вновь сооружаемых заводах в СССР [4].

В 1935г. проводились опыты по редюсингу бакинского мазута в печи низкого давления при одновременной работе с печью высокого давления на грозненской установке термокрекинга № 1-2. В сентябре 1935г. такие же опыты были проведены на установке № 10 без включения печи высокого давления, которая была остановлена на чистку [5].

На основании этих опытно-промышленных пробегов был сделан вывод, что при легком крекинге мазута в малой печи при температурах до 457-460⁰С значительно уменьшается вязкость получаемого в процессе крекинг-остатка.

Второй этап становления отечественного процесса висбрекинга охватывает период 1945-1960гг. и характеризуется в основном реконструкциями установок термокрекинга под процесс висбрекинга.

Задачи по осуществлению процесса висбрекинга на отечественных заводах с использованием существующего оборудования крекинг-установок ставились уже в первые послевоенные годы в 1945-1947гг. [6,7].

Особенно большое внимание вопросу крекирования тяжелых нефтяных остатков уделяли бакинцы. Так, в 1949 г. в Баку была предложена технология крекирования гудрона с двухступенчатым нагревом и с предварительной непродолжительной термообработкой его в мягких условиях. По этой технологии получали из испарителя термически обработанный масляный гудрон в смеси с крекинг-мазутом, как готовое котельное топливо марки 100 [8].

Новые варианты легкого термического крекинга, позволяющие перерабатывать тяжелые нефтяные остатки, были разработаны в 1951-1955 г. в Институте нефти АН Азербайджанской ССР под руководством проф. М.Ф. Нагиева [9,10].

В 1955 г. бакинцами в промышленном масштабе был осуществлен крекинг гудрона с применением водяного пара, а также с подкачкой воды [11].

В период с 1953 по 1963 г. в связи с увеличением спроса на дизельное топливо, а также с переводом установок каталитического крекинга на более тяжелое сырье, установки термического крекинга большей частью были переведены на переработку полугудронов и гудронов [12,13].

Основным назначением установок термического крекинга становится снижение вязкости тяжелых остатков переработки нефти процессом висбрекинга для использования их как компонента котельного топлива, а также получение дополнительного количества средних газойлевых фракций.

В нашей стране в 1950-1960-е годы висбрекинг в его классической форме

не был реализован в промышленных условиях. В бывшем СССР в этот период имелся значительный опыт эксплуатации процесса висбрекинга только на базе реконструированных установок термокрекинга. Самостоятельное значение процесс легкого крекинга тяжелого сырья в СССР приобрел в 1960-1961 гг.

В начале 1960-х годов на заводах Башкирии большинство двухпоточных установок термокрекинга, было переведено на комбинированную схему «висбрекинг-риформинг» [14,15]. В последующие годы схема «висбрекинг-риформинг» была внедрена почти на всех заводах страны, имеющих двухпечные установки термокрекинга.

Один из вариантов реконструкции установки термического крекинга гудрона был предложен Ново-Уфимским НПЗ [16], схема установки после реконструкции была выполнена однопечной, как большая, так и малая печи крекировали тяжелую флегму.

Анализ работы реконструированных установок по переработке тяжелых нефтяных остатков в процессе висбрекинга показал, что проведенные на НПЗ различные варианты реконструкции не дали положительных результатов по увеличению срока стабильной эксплуатации и длительности межремонтного пробега установок.

Висбрекинг в отечественной нефтепереработке не был доведен до уровня рентабельного его использования и работа установок висбрекинга характеризовалась короткими межремонтными пробегами с последующими значительными по объему ремонтами.

Таким образом, процесс висбрекинга тяжелых нефтяных остатков в своей классической форме с целью получения из него котельного топлива без значительной добавки дистиллятных фракций в 1950-1960-е годы в отрасли не использовался.

Третий этап развития легкого термического крекинга характеризовался строительством установок висбрекинга в 1970-е годы в составе комбинированных комплексов ГК-3 и Г-43-107.

В связи с возрастанием роли висбрекинга в схемах зарубежных и отечественных НПЗ исследованиями и усовершенствованием технологии этого процесса для переработки тяжелых нефтяных остатков в 1960-1970-е годы занимались ведущие отечественные научно-исследовательские институты ГрозНИИ, БашНИИ НП, ВНИИП НП.

По научно-исследовательским данным этих институтов были выданы рекомендации и запроектированы блоки висбрекинга в составе комбинированных систем.

В 1968г. по исследовательским данным ГрозНИИ и проекту Грозгипронефтехима была построена комбинированная установка ГК-3 в г. Ангарске [17].

По схеме комбинированная установка ГК-3 объединяет в единый технологический комплекс основные процессы переработки нефти – первичную перегонку нефти, вакуумную перегонку мазута, каталитический крекинг, висбрекинг, газофракционирование и стабилизацию, щелочную очистку нефтепродуктов.

В конце 1969г. было закончено строительство установки ГК-3/1 на Кременчугском НПЗ.

В 1970-е годы интерес к процессу висбрекинга в СССР возрастает в связи с наметившейся тенденцией к углублению переработки нефти и все возрастающей добычей сернистых и высокосернистых нефтей.

В БашНИИНП, ГрозНИИ, ВНИИНП совместно с проектными институтами продолжались научно-исследовательские работы, направленные на поиск эффективных способов промышленного осуществления висбрекинга, по изучению факторов висбрекинга, а также по разработке технологических регламентов на проектирование новых установок висбрекинга и реконструкцию существующих установок термического крекинга под висбрекинг.

ГрозНИИ в 1977 году были выданы научно-исследовательские данные Грозгипронефтехиму для проектирования установки термокрекинга на Бургасском НХК НРБ [18]. В состав установки входили нагревательно-реакционная печь, блок ректификации и блок абсорбции и стабилизации. Установка термического крекинга гудрона комбинировалась с вакуумной перегонкой.

Четвертый этап в развитии отечественного процесса висбрекинга характеризуется строительством установок «печного» висбрекинга в составе комбинированных установок КТ-1.

Результатом дальнейшего развития процесса висбрекинга стало создание в середине 1970-х годов ГрозНИИ, Грозгипронефтехимом современной установки «печного» висбрекинга в составе комплекса глубокой переработки мазута типа КТ-1 на базе комбинированной установки Г-43-107 [19-23].

Комбинированная установка КТ-1 наряду с блоком каталитического крекинга Г-43-107 включает в свой состав вакуумную перегонку мазута и висбрекинг гудрона.

Комбинирование блоков вакуумной перегонки, каталитического крекинга с блоком висбрекинга гудрона способствовало углублению переработки нефти и повышению выработки светлых нефтепродуктов.

Повышению эффективности висбрекинга и включению его в комбинированные схемы переработки типа KT-I способствовали принципиально новые идеи и решения, возникшие при фундаментальных исследованиях поведения нефтяных дисперсных систем. К ним относятся использование добавок и присадок различной природы (ароматические, спирты, кетоны), позволяющие резко снизить скорость коксообразования в змеевиках, подача бензина на турбулизацию с целью регулирования времени контакта и дополнительного производства легких олефинов, применение специальных термопар, позволяющих осуществить непрерывный контроль за коксованием змеевиков и т. д.

Первый отечественный комплекс глубокой переработки мазута КТ-1 был построен и пущен в промышленную эксплуатацию в г. Павлодаре.

По технологии, разработанной ГрозНИИ, процесс термической деструкции сырья осуществляется в реакционных трубах змеевика печи при температуре 480-495⁰С и времени реакции около 2-х минут. В качестве сырья использовались тяжелые вакуумные остатки сернистых нефтей.

Пятый этап (1980-1990-е гг.) характеризовался разработкой технологии низкотемпературного висбрекинга утяжеленных остатков.

В 1980-е годы все большее распространение получали установки висбрекинга с реакционной камерой. Выносная реакционная камера позволяла снизить температуру процесса на 40-50⁰С и увеличить в 2-3 раза пробег установки висбрекинга по сравнению с «печным» вариантом [24-28]. Температура в зоне реакции составляла около 450°С, время пребывания сырья в зоне реакции 10-15 мин.

В результате глубина превращения сырья в реакционном змеевике печи значительно снижалась, а необходимая в процессе глубина превращения сырья обеспечивалась в выносной камере при более низкой температуре.

Висбрекинг с реакционной камерой обладает тем преимуществом, что его производительность среди установок висбрекинга наибольшая при наименьшей стоимости. Обычные установки висбрекинга также можно реконструировать в установки с реакционной камерой [28].

Учитывая это, при реконструкции установок термокрекинга ГрозНИИ рекомендовало использовать в схемах висбрекинга существующие реакционные камеры процесса термокрекинга, осуществляя соответствующую переобвязку и конструктивные изменения самой реакционной камеры.

Промышленная реализация процесса инициированного висбрекинга с выносной реакционной камерой была осуществлена на Мажейкяйском НПЗ в составе комбинированной установки глубокой переработки мазута КТ-1/1. Проект был выполнен Грозгипронефтехимом в 1985г. [29].

Комбинированная установка КТ-1/1 объединяет в единый технологический комплекс вакуумную перегонку и висбрекинг гудрона, гидроочистку сырья каталитического крекинга, каталитический крекинг, абсорбцию, стабилизацию и фракционирование продуктов крекинга, демеркаптанизацию ББФ, производство МТБЭ и моноэтаноламиновую очистку.

Применительно к действующим НПЗ в качестве промежуточного варианта, повышающего глубину переработки нефти и не требующего нового строительства и крупных капиталовложений, научно-исследовательскими институтами ГрозНИИ, БашНИИ НП и ВНИИ НП рекомендовалась реконструкция действующих установок термического крекинга под висбрекинг мазута.

В 1994 году в Омске был введен в эксплуатацию комплекс глубокой переработки мазута КТ-1, что позволило увеличить глубину переработки нефти на заводе до 85%, увеличить ассортимент выпускаемой продукции завода и значительно улучшить ее качество.

Установка низкотемпературного висбрекинга, входящая в состав комплекса КТ-1 Омского НПЗ была запроектирована институтом Грозгипронефтехим по научно-исследовательским данным ГрозНИИ.

Строительство установки низкотемпературного висбрекинга с применением выносной реакционной камеры имело для завода большое значение, так как было связано с сокращением использования в качестве топлива прямогонных мазутов. Высвободившиеся при этом ресурсы вакуумного газойля направлялись на каталитический крекинг, а вакуумный остаток- на висбрекинг гудрона

Включение висбрекинга в схему переработки западносибирской нефти позволило увеличить отбор вакуумного газойля на 14-15%, что соответствовало получению гудрона, выкипающего выше 490-500⁰С, и получить товарные котельные топлива марки 100 без применения разбавителя.

Шестой этап развития отечественного висбрекинга характеризуется разработкой и внедрением в конце 1990-х – в 2000-е годы различных его технологических модификаций.

В последние годы большой вклад в развитие отечественной технологии процесса висбрекинга вносит ОАО «Институт Нефтехимпереработки РБ» .

На предприятиях отрасли институтом успешно реализованы основные варианты процесса — печной и с выносной реакционной камерой.

Запущенная в 1997 году по технологии института установка печного висбрекинга на «Уфимском НПЗ» обеспечивает переработку 1,7 млн. тонн гудрона в год с получением котельного топлива марки М-100 без использования разбавителей. Длительность непрерывного пробега установки составляет не менее 12 месяцев. Такие показатели характерны для лучших зарубежных аналогов [30].

Более 10 лет ОАО «Институт нефтехимпереработки РБ» занимается разработкой и внедрением новой технологии висбрекинга с выносной реакционной камерой с восходящим потоком сырья (РКВП).

Эта технология глубокого висбрекинга обеспечивает глубокую конверсию тяжелой части исходного сырья; больший выход средних дистиллятов; меньший выход газа и бензина и низкую вязкость остатка.

Технология висбрекинга с выносной реакционной камерой с восходящим потоком сырья успешно реализована на Рязанском НПЗ в 1999 году.

Важным аспектом разработанных и внедренных технологий процесса висбрекинга является отказ от использования водяного пара и снижение или полное исключение образования загрязненных стоков с высоким содержанием фенола, сульфидов, аммонийного азота и сероводорода.

Кроме ОАО «Институт нефтехимпереработки РБ», работы по совершенствованию технологии отечественного висбрекинга в настоящее время проводятся институтами ВНИИНП, УГНТУ, ГрозНИИ, ИНХС РАН, АГТУ.

За последнее десятилетие в России построены новые установки висбрекинга на следующих заводах [31-32]:

- ОАО «Рязанский НПЗ» (1300 тыс. т в год) -2001г.;

- ОАО «ТАИФ-НК» - Нижнекамский НПЗ (1800,0 тыс. т в год)- 2003г.;

- ОАО «Саратовский НПЗ» (1000,0 тыс. т в год) -2004г.;

- ОАО «СЛАВНЕФТЬ – Ярославнефтеоргсинтез» (1000 тыс. т в год) -2004г.;

- ОАО «ТНК-ВР» 50% –ОАО «Газпромнефть»-50% (Ярославль) – 2006г.;

- ОАО «ЛУКОЙЛ – Ухтанефтепереработка» (800,0 тыс. т в год) -2007г.;

- ОАО «Нижегороднефтеоргсинтез» (2400,0 тыс. т в год) -2008г.;

- ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» (1500,0 тыс. т в год) -2009г.

Всего на отечественных НПЗ эксплуатируется 13 установок висбрекинга. Из них: Лукойл -2, ТНК - ВР – 2, Роснефть -1, Башнефтехим -3, Газпромнефть – 1, МНТК-1, Славнефть -1, ТАИФ-НК -1, ОАО Салаватнефтеоргсинтез – 1 [31-32].

В перспективе намечается строительство установок висбрекинга в Кириши, Перми.

Литература

1.Burton W.M. // Пат. США №1049667. (1913).

2.Саханов А.Н., Тиличеев М.Д. Крекинг в жидкой фазе.// Труды центральной химической лаборатории Грознефти.- М-Л.: - 1928.-С.371.

3.Обрядчиков C.Н. Пути реконструкции крекинг-установок Винклер-Коха // Нефтяное хозяйство.- 1934.- № 2. -С. 38-44

4.Бляхер Я., Обрядчиков С., Смидович Е., Хайман С.Легкий крекинг (редюсинг) тяжелого сырья // Нефтяное хозяйство.- 1934.- № 9.- С. 51-54.

5.Отчет ГрозНИИ № 257. Редюсинг мазута на установках Винклер-Коха в гор. Грозном. Рук. М.А. Закамельская. 1935.- С.32.

6.Черножуков Н.И. Основные задачи в области нефтепереработки // Нефтяное хозяйство.-1945.-№1. – С. 41-45.

7.Саханен А.М. Переработка нефти.- М.-Л.: Гостоптехиздат.-1947.-67 с.

8. Пациорин А., Альтшуллер Г.Новое в технологии термического крекинга. - Баку-Азнефтеиздат.: 1956.- С.66.

9.Нагиев М.Ф. Переработка нефтяных остатков и использование ее продуктов .-Баку.- Изд. АН АзСССР.-1957.- С.346.

10.Тряпина Л.И. Исследование процесса термического крекинга мазутов, направленного на получение средних нефтяных фракций. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Баку-1959.-25с.

11. Кардаш И.М. Крекинг гудрона с подкачкой воды// Новости нефтяной техники. Нефтепереработка. М.: ЦНИИТЭНефтехим, М.: - 1956. - №9. - С.10-11.

12.Олефир Н.А. Пути интенсификации основных процессов нефтеперерабатывающей промышленности в связи с перспективами ее развития.- ЦНИИТЭНефтегаз. - 1964.-С.63.

13. Креймер М.Л., Илембитова Р.Н., Худайдатова Л.Б., Берг А.В., Травкина В.М., Иванова Г.С. Стабилизация бензина //Высокосернистые нефти и проблемы их переработки. Труды БашНИИ НП.- М.: Химия.- 1968.-Вып. VIII. -

14.Черныш М.Е., Черек М.И., Акимов В.С., Сабадаш Ю.С. Осуществление комбинированной схемы термического риформинга прямогонного бензина и легкого крекинга гудрона на установках термического крекинга // Химия и технология топлив и масел. Гостоптехиздат, М.: 1961.- № 1.- С.6-11.

15.Сабадаш Ю.С. Риформинг и висбрекинг на установках термического крекинга // Новости нефтяной техники. Нефтепереработка.- ГОСИНТИ.- 1960.- № 9.- С.6 .

16.Львов И. Использование тепла газа пиролиза // Нефтепереработка и нефтехимия.- 1961- № 1.-С. 10.

17.Отчет о научно-исследовательской работе. «Работы по пуску и освоению комбинированных нефтеперерабатывающих установок типа ГК-3» по теме № 1-68. 1969г.

17.445.Научно-исследовательские данные для проектирования установки термокрекинга на Бургасском НХК (НРБ). Грозный.-1977.- С.46.

19.Герасичева З.В., Соскинд Д.М., Глухов Ю.И., Дехтерман А.Ш. Висбрекинг гудрона западно-сибирских нефтей на установке термокрекинга // Химия и технология топлив и масел.- 1980. -№ 9.-Стр. 49-50.

20.Варфоломеев Д.Ф., Фрязинов В.В., Валявин Г.Г. Висбрекинг нефтяных остатков // Тематический обзор.- ЦНИИТЭнефтехим, 1982.- 52 с.

21.Макарьев С.В., Хаджиев С.Н., Круглова Т.Ф., Имаров А.К.Комбинированная система глубокой переработки КТ-1 // Сборник науч. трудов ГрозНИИ. Технология глубокой переработки нефтяного сырья.- Вып. 36.- 1981. - С. 3-9.

22.Макарьев С.В, Круглова Т.Ф., Романкова И.К., Хаджиев С.Н., Америк Б.К., Суворов Ю.П., Имаров А.К./Комбинированная установка каталитического крекинга Г-43-107 // Сборн. научных трудов ГрозНИИ.:-Производство высокооктановых бензинов. (Алкилирование, каталитический крекинг). - 1976.- Вып. 30.- С.72-76.

23.ХаджиевС.Н., Круглова Т.Ф., Америк Б.К., Макарьев С.В. Итоги фиксированных пробегов комбинированных установок ГК при их гарантированной сдаче на Ангарском и Кременчугском НПЗ //Сборн. научных трудов ГрозНИИ.: - Производство высокооктановых бензинов. (Алкилирование и каталитический крекинг). Грозный.- 1976.- Вып. 30.- С.76-80.

24.Процесс висбрекинга фирмы Несте (Финляндия). //Oil and Gas.- 1982.-V.80.- №42.-Р.120-122.

25.Новая роль процесса термического крекинга// Hydroccarbon Procesing.- 1980-V.60.-№5.-P.81.

26.Висбрекинг с использованием сокинг-камеры / Hydroccarbon Procesing.- 1981-V.60.-№5.-P.81.

27.Куппер Т.А., Баллард У.П. Термический крекинг, легкий крекинг (висбрекинг), термический риформинг - новейшие достижения нефтехимии и нефтепереработки - М.: Химия, 1965. - 163 с.

28.Хаджиев С.Н. Создание современных технологий глубокой комплексной и безотходной переработки нефти // Перспективные процессы и катализаторы нефтепереработки и нефтехимии.- Сб. научных статей. - Вып.43.- М.: ЦНИИТЭнефтехим.-1990.- С.5-15.

29.Ахмадова Х.Х., Сыркин А.М., Махмудова Л.Ш.Становление и развитие процесса висбрекинга тяжелого нефтяного сырья. М.:Химия, 2008.-207с.

30.Теляшев Э., Хайрудинов И. Нефтепереработка: новые-старые разработки //The chemical Journal. Октябрь-ноябрь 2004. С.68-71.

31.Капустин В.М. Роль отечественных компаний в модернизации российских нефтеперерабатывающих заводов // Мир нефтепродуктов.-2007.-№7.- С.18-20.

32.Коржубаев А.Г., Соколова И.А., Ивашин А.С. Современное состояние нефтеперерабатывающей промышленности России // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. -2011.-№ 4. С.50-57.