Помощь студентам в учебе
Исследование стадии стабилизации продукта процесса каталитической депарафинизации средних дистиллятов
|
Введение 16
1. Обзор литературы 19
1.1 Назначение процесса депарафинизации дизельных топлив 19
1.2 Описание технологического процесса и технологической схемы 20 производственного объекта
1.3 Проблема коррозии и влияние наличия сероводорода в 23
технологических потоках на коррозию в трубопроводах и аппаратах процессов нефтепереработки
1.4 Обзор систем моделирования, применяемых в нефтегазовой 25
отрасли
1.4.1 Aspen HYSYS 27
1.4.2 ChemCAD 29
1.4.3 PRO II 30
1.4.4 Сравнение моделирующих программ 32
1.5 Постановка цели и задач исследования 32
2. Объект и методы исследования 35
2.1 Характеристика колонны стабилизации, составы потоков, 35
технологические параметры
2.2 Методика моделирования колонны стабилизации в HYSYS 36
3. Расчеты и аналитика 40
3.1 Мониторинг работы колонны стабилизации на установке 40
3.2 Исследование влияния факторов, влияющих на степень отделения 42
3.2.1 Исследование влияния расхода орошения в колонну на 43
степень отделения сероводорода
3.2.2 Исследование влияния расхода рециркулирующего 44
стабильного бензина в колонну на степень отделения сероводорода
3.2.3 Исследование влияния расхода водородсодержащего газа 46
в колонну на степень отделения сероводорода
4. Результаты проведенного исследования 48
4.1 Опытный пробег по исследованию работы колонны стабилизации 48 на установке каталитической депарафинизации
4.2 Оптимизация схемы направления потоков в колонну 49
стабилизации
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 51
5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения 51 научных исследований с позиции ресурсоэффективности
5.2 Планирование научно-исследовательских работ 53
5.3 Бюджет научно-технического исследования 55
5.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, 60
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования
6. Социальная ответственность 63
6.1 Анализ выявленных опасных и вредных факторов в рабочей зоне 63
6.1.1 Микроклимат производственных помещений 64
6.1.2 Освещение 66
6.1.3 Уровень акустического шума и вибрации 66
6.1.4 Содержание вредных химических веществ 67
6.1.5 Электробезопасность 69
6.2 Коллективные и индивидуальные средства защиты 70
6.2.1 Средства коллективной защиты 71
6.2.2 Средства индивидуальной защиты 71
6.3 Охрана окружающей среды 72
6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 73
6.5 Правовые и организационные вопросы безопасности 74
Заключение 76
Список публикаций 79
Список использованных источников 80
Приложение А Схема процесса каталитической депарафинизации 84
Приложение Б Сравнение моделирующих программ 85
Приложение В Фракционный и покомпонентный составы потоков 86
Приложение Г Карта сегментирования рынка 90
Приложение Д Оценочная карта конкурентных технических решений 91
Приложение Е SWOT-анализ 92
Приложение Ж Этапы научно-исследовательской работы 93
Приложение И Временные показатели проведения научного исследования 95 Приложение К Календарный план-график проведения НИОКР 98
Приложение Л Оценка ресурсной, финансовой и экономической 99
1. Обзор литературы 19
1.1 Назначение процесса депарафинизации дизельных топлив 19
1.2 Описание технологического процесса и технологической схемы 20 производственного объекта
1.3 Проблема коррозии и влияние наличия сероводорода в 23
технологических потоках на коррозию в трубопроводах и аппаратах процессов нефтепереработки
1.4 Обзор систем моделирования, применяемых в нефтегазовой 25
отрасли
1.4.1 Aspen HYSYS 27
1.4.2 ChemCAD 29
1.4.3 PRO II 30
1.4.4 Сравнение моделирующих программ 32
1.5 Постановка цели и задач исследования 32
2. Объект и методы исследования 35
2.1 Характеристика колонны стабилизации, составы потоков, 35
технологические параметры
2.2 Методика моделирования колонны стабилизации в HYSYS 36
3. Расчеты и аналитика 40
3.1 Мониторинг работы колонны стабилизации на установке 40
3.2 Исследование влияния факторов, влияющих на степень отделения 42
3.2.1 Исследование влияния расхода орошения в колонну на 43
степень отделения сероводорода
3.2.2 Исследование влияния расхода рециркулирующего 44
стабильного бензина в колонну на степень отделения сероводорода
3.2.3 Исследование влияния расхода водородсодержащего газа 46
в колонну на степень отделения сероводорода
4. Результаты проведенного исследования 48
4.1 Опытный пробег по исследованию работы колонны стабилизации 48 на установке каталитической депарафинизации
4.2 Оптимизация схемы направления потоков в колонну 49
стабилизации
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 51
5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения 51 научных исследований с позиции ресурсоэффективности
5.2 Планирование научно-исследовательских работ 53
5.3 Бюджет научно-технического исследования 55
5.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, 60
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования
6. Социальная ответственность 63
6.1 Анализ выявленных опасных и вредных факторов в рабочей зоне 63
6.1.1 Микроклимат производственных помещений 64
6.1.2 Освещение 66
6.1.3 Уровень акустического шума и вибрации 66
6.1.4 Содержание вредных химических веществ 67
6.1.5 Электробезопасность 69
6.2 Коллективные и индивидуальные средства защиты 70
6.2.1 Средства коллективной защиты 71
6.2.2 Средства индивидуальной защиты 71
6.3 Охрана окружающей среды 72
6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 73
6.5 Правовые и организационные вопросы безопасности 74
Заключение 76
Список публикаций 79
Список использованных источников 80
Приложение А Схема процесса каталитической депарафинизации 84
Приложение Б Сравнение моделирующих программ 85
Приложение В Фракционный и покомпонентный составы потоков 86
Приложение Г Карта сегментирования рынка 90
Приложение Д Оценочная карта конкурентных технических решений 91
Приложение Е SWOT-анализ 92
Приложение Ж Этапы научно-исследовательской работы 93
Приложение И Временные показатели проведения научного исследования 95 Приложение К Календарный план-график проведения НИОКР 98
Приложение Л Оценка ресурсной, финансовой и экономической 99
В связи с суровыми климатическими условиями большей части территории России, проблема выпуска низкозастывающих нефтепродуктов, которые будут соответствовать современным экологическим стандартам является актуальной. Доказательством этого является постоянно растущий спрос на высококачественные низкозастывающие и малосернистые дизельные и авиационные топлива, и масла. Однако ресурсы сырья, используемого для получения низко застывающих нефтепродуктов (малопарафинистые нефти нафтенового основания), практически исчерпаны. Поэтому возникла необходимость в переработке и получении нефтепродуктов из парафинистых нефтей [1]. В связи с этим на нефтеперерабатывающие заводы внедряется процесс депарафинизации [2].
В настоящее время нефтегазовая отрасль несет серьёзные убытки с коррозией трубопроводов и аппаратов. Сероводородная коррозия является одной из главных причин коррозионного разрушения при эксплуатации оборудования в широком диапазоне сред и условий [3]. Сероводород может вызывать повреждения в результате химической, электрохимической коррозии и водородного охрупчивания. Сероводород - присутствует не только в продуктах месторождений, но и образуется в результате каталитического и термического превращений сероорганических соединений (тиолов, сульфидов, дисульфидов, тиофенов), углерода, сероуглерода, в частности, в процессе депарафинизации значительная доля сероводорода образуется на стадии гидроочистки. С повышением рабочих температур степень образования сероводорода возрастает вследствие уменьшения его растворимости, так же из- за усиления распада серосодержащих соединений [4]. Коррозия - это сложная проблема, так как нужно учитывать большое количество влияющих на неё переменных величин. Борьба с коррозией - это не только продление срока службы нефтеперерабатывающего оборудования, снижение эксплуатационных
затрат на его ремонт, но и улучшение технико-экономических показателей переработки нефти.
Объект исследования - колонна стабилизации продукта процесса каталитической депарафинизации средних дистиллятов, реализованного на установке Л-24-10/2000 ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез»
Предмет исследования - закономерности влияния технологических параметров на эффективность работы колонны стабилизации продукта процесса каталитической депарафинизации средних дистиллятов.
Рассматриваемый аппарат - колонна стабилизации - работает не эффективно. Это выражается низкой степенью разделения легких компонентов и сероводорода, вследствие чего в выходном потоке колонны стабилизации наблюдается повышенное содержание сероводорода [5]. Данный поток проходит стадию ректификации, где одним из продуктов выделяется стабильный бензин с большим содержанием сероводорода, что в значительной степени увеличивает риск коррозии верха ректификационной колонны и оборудования, следующего за стадией ректификации.
Целью данной работы является повышение эффективности стадии стабилизации продукта процесса каталитической депарафинизации средних дистиллятов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Изучить проблему коррозии в трубопроводах и аппаратах процессов нефтепереработки;
2. Изучить сырьё, технологическую схему и продукты процесса;
3. Провести обзор и анализ систем для моделирования технологических процессов;
4. Исследовать влияние расхода орошения в колонну на степень отделения сероводорода;
5. Исследовать влияние расхода рециркулирующеего стабильного бензина в колонну на степень отделения сероводорода;
6. Исследовать влияние расхода водородсодержащего газа в колонну;
7. Подобрать оптимальную схему направления потоков и оптимальных параметров эксплуатации колонны.
Научная и практическая новизна заключается в том, что на модели колонны стабилизации, разработанной в среде моделирования HYSYS, были проведены расчеты колонны стабилизации, на основе которых выявлена наиболее эффективная схема направления потоков в колонну стабилизации в зависимости от состава перерабатываемого сырья. При оптимальном варианте содержание сероводорода в стабильном гидрогенизате снижается до следовых количеств, и, как следствие, повышается коррозионная безопасность продукта, повышается ресурсоэффективность установки каталитической депарафинизации за счет продления срока службы оборудования и трубопроводов, а также снижается вероятность возникновения нештатных ситуаций вследствие коррозийного разрушения оборудования.
Практическая значимость состоит в том, что результаты исследования могут быть использованы для повышения ресурсоэффективности стадии стабилизации продукта реакторного блока установки каталитической гидродепарафинизации.
Результаты исследований используются на промышленном предприятии для регулирования технологических параметров в колонне стабилизации, результаты представлены на следующих конференциях и симпозиумах: XVII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых имени Л.П. Кулёва «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2016 г.); XX Международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2016 г.); Международная молодежная научная конференция «Нефть и газ - 2016» (г. Москва, 2016 г.); V Всероссийская научная молодежная школа-конференция «Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии» (г. Омск, 2016 г.); XIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2016 г.).
В настоящее время нефтегазовая отрасль несет серьёзные убытки с коррозией трубопроводов и аппаратов. Сероводородная коррозия является одной из главных причин коррозионного разрушения при эксплуатации оборудования в широком диапазоне сред и условий [3]. Сероводород может вызывать повреждения в результате химической, электрохимической коррозии и водородного охрупчивания. Сероводород - присутствует не только в продуктах месторождений, но и образуется в результате каталитического и термического превращений сероорганических соединений (тиолов, сульфидов, дисульфидов, тиофенов), углерода, сероуглерода, в частности, в процессе депарафинизации значительная доля сероводорода образуется на стадии гидроочистки. С повышением рабочих температур степень образования сероводорода возрастает вследствие уменьшения его растворимости, так же из- за усиления распада серосодержащих соединений [4]. Коррозия - это сложная проблема, так как нужно учитывать большое количество влияющих на неё переменных величин. Борьба с коррозией - это не только продление срока службы нефтеперерабатывающего оборудования, снижение эксплуатационных
затрат на его ремонт, но и улучшение технико-экономических показателей переработки нефти.
Объект исследования - колонна стабилизации продукта процесса каталитической депарафинизации средних дистиллятов, реализованного на установке Л-24-10/2000 ООО «ПО «Киришинефтеоргсинтез»
Предмет исследования - закономерности влияния технологических параметров на эффективность работы колонны стабилизации продукта процесса каталитической депарафинизации средних дистиллятов.
Рассматриваемый аппарат - колонна стабилизации - работает не эффективно. Это выражается низкой степенью разделения легких компонентов и сероводорода, вследствие чего в выходном потоке колонны стабилизации наблюдается повышенное содержание сероводорода [5]. Данный поток проходит стадию ректификации, где одним из продуктов выделяется стабильный бензин с большим содержанием сероводорода, что в значительной степени увеличивает риск коррозии верха ректификационной колонны и оборудования, следующего за стадией ректификации.
Целью данной работы является повышение эффективности стадии стабилизации продукта процесса каталитической депарафинизации средних дистиллятов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Изучить проблему коррозии в трубопроводах и аппаратах процессов нефтепереработки;
2. Изучить сырьё, технологическую схему и продукты процесса;
3. Провести обзор и анализ систем для моделирования технологических процессов;
4. Исследовать влияние расхода орошения в колонну на степень отделения сероводорода;
5. Исследовать влияние расхода рециркулирующеего стабильного бензина в колонну на степень отделения сероводорода;
6. Исследовать влияние расхода водородсодержащего газа в колонну;
7. Подобрать оптимальную схему направления потоков и оптимальных параметров эксплуатации колонны.
Научная и практическая новизна заключается в том, что на модели колонны стабилизации, разработанной в среде моделирования HYSYS, были проведены расчеты колонны стабилизации, на основе которых выявлена наиболее эффективная схема направления потоков в колонну стабилизации в зависимости от состава перерабатываемого сырья. При оптимальном варианте содержание сероводорода в стабильном гидрогенизате снижается до следовых количеств, и, как следствие, повышается коррозионная безопасность продукта, повышается ресурсоэффективность установки каталитической депарафинизации за счет продления срока службы оборудования и трубопроводов, а также снижается вероятность возникновения нештатных ситуаций вследствие коррозийного разрушения оборудования.
Практическая значимость состоит в том, что результаты исследования могут быть использованы для повышения ресурсоэффективности стадии стабилизации продукта реакторного блока установки каталитической гидродепарафинизации.
Результаты исследований используются на промышленном предприятии для регулирования технологических параметров в колонне стабилизации, результаты представлены на следующих конференциях и симпозиумах: XVII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых имени Л.П. Кулёва «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2016 г.); XX Международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2016 г.); Международная молодежная научная конференция «Нефть и газ - 2016» (г. Москва, 2016 г.); V Всероссийская научная молодежная школа-конференция «Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии» (г. Омск, 2016 г.); XIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2016 г.).
В результате выполнения исследования был изучено назначение, суть процесса, схема процесса каталитической депарафинизации дизельных топлив, которая включает следующие основные элементы: реакторы гидроочистки; реактор депарафинизации; сепараторы высокого и низкого давления; стабилизационная колонна; ректификационная колонна; отпарные колонны (стрипинги) и рефлюксные ёмкости. При изучении потоков и материального баланса по сероводороду выявлено, что присутствие сероводорода может вызывать процессы коррозии в верней части ректификационной колонны.
Кроме того, исследована проблема коррозии в трубопроводах и аппаратах процессов нефтепереработки вследствие наличия сероводорода в технологических потоках.
Основными методами борьбы с коррозией являются применение ингибиторов коррозии, бактерицидов, неметаллических материалов, лаков и красок; оборудование установок и трубопроводов катодной и протекторной защитой.
Выполнен аналитический обзор современных пакетов моделирующих программ для компьютерного моделирования технологических процессов нефтепереработки. Их сравнение показало не значительное отличие - набор расчетных модулей практически одинаковый. Выбрана моделирующая программа HYSYS как наиболее удобная для расчётно-технологического проектирования, так как позволяет наиболее эффективно решить задачи моделирования и оптимизации химико-технологических систем нефтепереработки
Исследовано влияние технологических параметров при различных схемах направления потоков в колонну стабилизации на отделение сероводорода. Установлено, что достичь отсутствия сероводорода в стабильном гидрогенизате и вывода его в составе углеводородного газа и легкого бензина из верхней части колонны возможно, если в колоне стабилизации получится создать сильный паровой поток. Проведенные исследования подтверждают, что этого можно достигнуть повышением расхода острого орошения, совершенствованием схемы направления потоков в колонну путем возврата части стабильного бензина с блока ректификации в низ колонны и добавления ВСГ во входной поток в колонну в смеси с нестабильным гидрогенизатом и бензином-отгоном гидроочисток.
При варьировании расхода орошения в колонну стабилизации в диапазоне 70-100 м /ч видно, что с увеличением расхода острого орошения содержание сероводорода в стабильном бензине с установки снижается с 0,0022 до 0,0005 % мас. В среднем фиксируется уменьшение содержания сероводорода приблизительно в 4 раза. Увеличение расхода острого орошения в колонну стабилизации не приводит к полному отделению сероводорода.
Повышение расхода рециркулирующего стабильного бензина в низ колонны 0 до 20 м /ч способствует снижению содержания сероводорода в стабильном бензине с 0,0010 до 0,0001 % мас. в зависимости от содержания сероводорода в сырье колонны. При добавлении стабильного бензина в количестве 10 м /ч фиксируется максимальная степень отделения сероводорода, но наблюдается присутствие H2S в стабильном бензине в особенности для нестабильного гидрогенизата с более высоким содержанием сероводорода (0,0028 % мас.).
При увеличении расхода ВСГ в колонну с 100 до 300 м /ч содержание сероводорода в стабильном бензине с установки в зависимости от содержания сероводорода в сырье колонны снижается с 0,0008 % мас. до показателя «отсутствие». Для сырья с более низким содержанием сероводорода (0,0012 % мас.) отсутствия H2S достигается при добавлении во входной поток
100 м/ч ВСГ. Для достижения аналогичного результата с сырьём, которое содержит большее количество сероводорода (0,0028 % мас.) необходимо увеличить расход ВСГ до 300 м /ч.
По итогам исследования подобрана оптимальная схема потоков в колонну. Оптимальный расход орошения принимается равным 100 м /ч, расход стабильного бензина - 10 м /ч. Расход ВСГ выбирается по количественному содержанию сероводорода в нестабильном гидрогенизате: для сырья с более низким содержанием сероводорода (0,0012 % мас.) отсутствие H2S достигается при добавлении в низ колонны 100 м /ч; для сырья, которое содержит большее количество сероводорода (0,0028 % мас.) необходимо увеличивать расход ВСГ до 300 м3/ч.
При оптимальном варианте содержание сероводорода в стабильном гидрогенизате снижается до следовых количеств, и, как следствие, повышается коррозионная безопасность продукта, повышается ресурсоэффективность установки каталитической депарафинизации за счет продления срока службы оборудования и трубопроводов, а также снижается возникновения нештатных ситуаций вследствие коррозийного разрушения оборудования.
Рекомендации, сделанные по результатам расчета влияния расхода орошения и расхода стабильного бензина в низ колонны, подтверждены опытным пробегом на установке. Рекомендуется проведение дальнейшей модернизации колонны стабилизации - добавление потока водородсодержащего газа в куб колонны - для обеспечения удаления сероводорода в колонне стабилизации до следовых количеств.
Кроме того, исследована проблема коррозии в трубопроводах и аппаратах процессов нефтепереработки вследствие наличия сероводорода в технологических потоках.
Основными методами борьбы с коррозией являются применение ингибиторов коррозии, бактерицидов, неметаллических материалов, лаков и красок; оборудование установок и трубопроводов катодной и протекторной защитой.
Выполнен аналитический обзор современных пакетов моделирующих программ для компьютерного моделирования технологических процессов нефтепереработки. Их сравнение показало не значительное отличие - набор расчетных модулей практически одинаковый. Выбрана моделирующая программа HYSYS как наиболее удобная для расчётно-технологического проектирования, так как позволяет наиболее эффективно решить задачи моделирования и оптимизации химико-технологических систем нефтепереработки
Исследовано влияние технологических параметров при различных схемах направления потоков в колонну стабилизации на отделение сероводорода. Установлено, что достичь отсутствия сероводорода в стабильном гидрогенизате и вывода его в составе углеводородного газа и легкого бензина из верхней части колонны возможно, если в колоне стабилизации получится создать сильный паровой поток. Проведенные исследования подтверждают, что этого можно достигнуть повышением расхода острого орошения, совершенствованием схемы направления потоков в колонну путем возврата части стабильного бензина с блока ректификации в низ колонны и добавления ВСГ во входной поток в колонну в смеси с нестабильным гидрогенизатом и бензином-отгоном гидроочисток.
При варьировании расхода орошения в колонну стабилизации в диапазоне 70-100 м /ч видно, что с увеличением расхода острого орошения содержание сероводорода в стабильном бензине с установки снижается с 0,0022 до 0,0005 % мас. В среднем фиксируется уменьшение содержания сероводорода приблизительно в 4 раза. Увеличение расхода острого орошения в колонну стабилизации не приводит к полному отделению сероводорода.
Повышение расхода рециркулирующего стабильного бензина в низ колонны 0 до 20 м /ч способствует снижению содержания сероводорода в стабильном бензине с 0,0010 до 0,0001 % мас. в зависимости от содержания сероводорода в сырье колонны. При добавлении стабильного бензина в количестве 10 м /ч фиксируется максимальная степень отделения сероводорода, но наблюдается присутствие H2S в стабильном бензине в особенности для нестабильного гидрогенизата с более высоким содержанием сероводорода (0,0028 % мас.).
При увеличении расхода ВСГ в колонну с 100 до 300 м /ч содержание сероводорода в стабильном бензине с установки в зависимости от содержания сероводорода в сырье колонны снижается с 0,0008 % мас. до показателя «отсутствие». Для сырья с более низким содержанием сероводорода (0,0012 % мас.) отсутствия H2S достигается при добавлении во входной поток
100 м/ч ВСГ. Для достижения аналогичного результата с сырьём, которое содержит большее количество сероводорода (0,0028 % мас.) необходимо увеличить расход ВСГ до 300 м /ч.
По итогам исследования подобрана оптимальная схема потоков в колонну. Оптимальный расход орошения принимается равным 100 м /ч, расход стабильного бензина - 10 м /ч. Расход ВСГ выбирается по количественному содержанию сероводорода в нестабильном гидрогенизате: для сырья с более низким содержанием сероводорода (0,0012 % мас.) отсутствие H2S достигается при добавлении в низ колонны 100 м /ч; для сырья, которое содержит большее количество сероводорода (0,0028 % мас.) необходимо увеличивать расход ВСГ до 300 м3/ч.
При оптимальном варианте содержание сероводорода в стабильном гидрогенизате снижается до следовых количеств, и, как следствие, повышается коррозионная безопасность продукта, повышается ресурсоэффективность установки каталитической депарафинизации за счет продления срока службы оборудования и трубопроводов, а также снижается возникновения нештатных ситуаций вследствие коррозийного разрушения оборудования.
Рекомендации, сделанные по результатам расчета влияния расхода орошения и расхода стабильного бензина в низ колонны, подтверждены опытным пробегом на установке. Рекомендуется проведение дальнейшей модернизации колонны стабилизации - добавление потока водородсодержащего газа в куб колонны - для обеспечения удаления сероводорода в колонне стабилизации до следовых количеств.