Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Курмангазиева Л. Т., Оразбаев Б. Б.,
1.1. Технологические объекты нефтеперерабатывающего производства, основные характеристики и вопросы повышения эффективности их функционирования
1.1. Технологические объекты нефтеперерабатывающего производства, основные характеристики и вопросы повышения эффективности их функционирования
Различные технологические процессы нефтепереработки протекают в специально сконструированных технологических агрегатах. Конечные нефтепродукты обычно получаются в комплексе таких технологических агрегатов, который включает различные, взаимосвязанные агрегаты, например печи, реактора, ректификационные колонны, теплообменники и др. Такой комплекс нефтеперерабатывающего производства называется технологической установкой. Таким образом, нефтепереработка представляет собой совокупность осуществляемых на технологических установках нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) физических и физико-химических процессов, включающих процессы подготовки сырой нефти к переработке, первичную и глубокую переработку нефти и нефтепродуктов.
Вопросы эффективного ведения технологических процессов нефтепереработки и оптимизации их по многим критериям на основе математических моделей в последнее время стали очень актуальными. В связи с этим активизировались исследовательские работы, направленные на их решение.
При переработке из нефти получают различные нефтепродукты и сырье нефтехимического производства. К основным видам нефтепродуктов можно отнести: автомобильные и авиационные бензины, дизельное топливо, газойль, печное топливо, мазут, гудрон, нефтяной кокс, газ и другие, которые выпускаются в различных марках и сортах [1].
Для эффективного исследования и оптимизации процессов и агрегатов нефтепереработки необходимо построить их математические модели, которые учитывают природу и состояние процесса, тип, природу и другие особенности объектов. С этой целью необходимо классифицировать технологические процессы и агрегаты нефтеперерабатывающего производства. Рассмотрим такую классификацию и их особенности.
Все процессы химической технологии, в т.ч. нефтепереработки, можно подразделить на два больших класса физические и физико-химические [2].
К физическим относят такие, в ходе проведения которых не происходит изменение состава перерабатываемого сырья, например, такими являются процессы перегонки нефти и фракционирования газа, очистки масел селективными растворителями и абсорбентами, процессы экстракции из нефтяных фракций различных групп углеводородов селективными растворителями.
Для физико-химических процессов переработки и газа, нефтяных фракций и процессов химического и нефтехимического синтеза характерно изменение состава и строения молекул с образованием качественно новых соединений. Физико-химические процессы в промышленности делятся на термические, термокаталитические и радиационно-химические.
К термическим процессам относятся такие, как пиролиз и термический крекинг нефтяных фракций и газов, окисление и хлорирование парафинов и олефинов, процессы спекания, коксование и другие.
Термокаталитические процессы наиболее широко применяются в промышленности для облагораживания исходного сырья и получения из нефтяного и химического сырья различных ценных продуктов. К этим процессам относятся каталитический крекинг, каталитический риформинг, гидроочистка, гидрокрекинг и другие процессы. С помощью термокаталитических процессов осуществляют крекинг нефтяного сырья в присутствии различных катализаторов, изомеризацию парафиновых, ароматических и олефиновых углеводородов в присутствии гамма-окиси алюминия, содержащих платину или в присутствии других катализаторов; риформинг низко-октановых бензинов в высоко октановые на катализаторах и другие [3–8].
Термокаталитические процессы в промышленно-развитых странах позволяют получать до 1/5 национального дохода. В нефтеперерабатывающей промышленности свыше 70 % нефти перерабатывается с помощью каталитических процессов.
Все рассмотренные процессы протекают в технологических агрегатах. Эти агрегаты выбираются по расчету и по определенной схеме соединяются, создавая различные технологические установки. Рассмотрим классификацию основных технологических установок нефтепереработки [9–11].
К установкам первичной переработки нефти можно отнести установки ЭЛОУ-АТ-2 и ЭЛОУ-АВТ.
Установка прямой перегонки ЭЛОУ-АТ-2 предназначена для проведения процесса первичной переработки нефти. Секция ЭЛОУ (электрообессоливающая) предназначена для подготовки нефти путем электрообессоливания и обезвоживания на электрическом поле, а секция
АТ (атмосферно-трубчатая) установки предназначена для разделения обессоленной и обезвоженной нефти на отдельные фракции путем нагревания ее, испарения, фракционирования и конденсации паров дистиллятов.
Установка ЭЛОУ-АВТ (атмосферно-вакуумная трубчатая) предназначена для подготовки нефти на электрообессоливающем блоке и переработки на атмосферном и вакуумном блоках.
К установкам проведения термокаталитических процессов относится установка каталитического риформинга. Установка каталитического риформинга предназначена для выработки высокооктанового компонента автомобильных и авиационных бензинов и водородсодержащего газа.
К установкам глубокой переработки нефти можно отнести установки замедленного коксования и установки прокаливания нефтяного кокса, в которых протекают термические процессы.
Установка замедленного коксования предназначена для получения нефтяного кокса, служащего сырьем для электродной промышленности. Кроме целевой продукции – нефтяного кокса, на установке вырабатываются печное топливо, тяжелый газойль и жирные газы.
Установка прокаливания нефтяного кокса предназначена для удаления летучих компонентов и влаги и получения прокаленного кокса, соответствующего требованиям.
Сложность технологии переработки углеводородного сырья определяет необходимость привлечения к проектированию процессов и управлению их работой математических моделей и компьютерной технологии. Создание математической модели процесса является весьма трудоемкой работой и связано с выполнением большого объема исследовательских работ. При создании модели, работы проводят по различным уровням сложности, которые распределяются в зависимости от поставленной задачи, опыта, оснащенности и информативности.
Вначале, как правило, выделяют тип процесса, относят его к соответствующему классу и проводят исследования выявлением закономерностей протекания процесса. Для заданного процесса производят различные термодинамические, теплотехнические, кинетические и другие расчеты и экспериментальные исследования. При этом необходимо выявить связи между входными и выходными, внутренними и внешними переменными процесса. Затем, если это возможно, развивают теоретические представления о процессе и его протекании. На основе экспериментальных и теоретических исследований составляют математическую модель процесса.
На основе данных укрупненной (пилотной) установки с учетом типа процесса и на основе информации от специалистов-экспертов уточняют математические модели и определяют адекватности модели оригиналу. В связи с укрупнением масштаба и повышенным расходом сырья, катализатора и других видов затрат, процессы в этом случае стремятся вести в рациональных, близких оптимальным, которые были выявлены на предыдущих стадиях исследования. Это снижает энергетические и другие затраты без снижения ценности полученной информации о работе технологической установки.
Особенности и экономико-экологические и другие характеристики основных процессов переработки нефти рассмотрены во многих работах, например в [12]. В основном казахстанские нефтеперерабатывающие предприятия построены по схеме двух технологических процессов
[12, II том]. Первый, упрощенный процесс, включает блок перегонки сырой нефти, блок риформинга, блок гидроочистки дистиллятов. Второй процесс – комплекс переработки остатков. Он включает в себя блоки вакуумной перегонки, гидроочистки газойля, каталитического крекинга и газофракционирующую установку. На Павлодарском заводе комплекс каталитического крекинга находится в эксплуатации, а на Шымкентском НПЗ он не завершен и в настоящее время проводятся работы по завершению данного проекта. На Атырауском и Павлодарском НПЗ имеются установки замедленного коксования и установки прокалки кокса.
Такие процессы, как гидрокрекинг, алкилирование, каталитическая полимеризация, демеркаптанизация отсутствуют на нефтеперерабатывающих предприятиях Казахстана. К настоящему времени глубина переработки на Атырауском и Шымкентском НПЗ составляют – 70 %, на Павлодарском – 76 %. Основной ближайшей целью существующих НПЗ республики являются дальнейшие мероприятия по увеличению глубины переработки, модернизации существующего оборудования, повышения экологичности и оптимизация производства.
Общей чертой нефтеперерабатывающих предприятий республики является недостаточная укомплектованность современным оборудованием. Практически отсутствуют автоматизированные системы управления технологическим процессом. В Шымкентском НПЗ начаты работы по внедрению АСУ ТП, в Атырауском НПЗ внедрено несколько автоматизированных рабочих мест (АРМ) операторов установок, работающих в режиме советчика.
Другой общей чертой нефтеперерабатывающих заводов республики является большой расход энергии, и недостаточность мер, принимаемых в области защиты окружающей среды. Так, на Атырауском НПЗ отсутствует процесс сероочистки, нефтяные отходы захоронены непосредственно на территории завода.
Вопросы охраны окружающей среды для предприятий нефтеперерабатывающей промышленности являются весьма актуальными. Это объясняется опережающим развитием объемов производства этой отрасли по сравнению с совершенствованием природоохранных мероприятий, появлением трудноутилизуемых, а в некоторых случаях и балластных продуктов – отходов производства, изменением ассортимента нефтей – появлением сернистых и высокосернистых нефтей и газового конденсата, а также другими причинами, устранение которых требует технических решений и значительных капитальных затрат [14–18].
Для современных нефтеперерабатывающих объектов характерна высокая концентрация потенциальных опасностей. Ежегодно в мире на нефтеперерабатывающих предприятиях происходит около 1500 аварий, материальный ущерб от которых в среднем составляет свыше 100 млн долларов в год, причем уровень аварийности имеет тенденцию к росту [19].
Основными видами опасностей промышленной территории объектов нефтепереработки являются пожары, загазованность и взрывы. По статистике пожары составляют 58,5 % от общего числа аварий, загазованность – 17,9 %, взрывы – 15,1 %, прочие аварийные ситуации – 8,5 %. Опасность загазованности промышленной территории нефтеперерабатывающих объектов связана с образованием полей (зон) концентраций предельных углеводородов, превышающих установленные предельно допустимые значения и достигающих нижнего концентрационного предела распространения пламени как при возможной аварии, так и при нормальном (регламентом) режиме работы технологического оборудования [20, 21].
Наиболее эффективным способом решения проблем загазованности нефтеперерабатывающего производства при исследовании и прогнозировании рассеяния вредных и взрывоопасных веществ является использование методов математического моделирования. Этому вопросу посвящены многие исследования [22–28]. Однако весьма ограниченное число моделей можно использовать для расчетов полей аварийной загазованности промышленной территории нефтеперерабатывающих объектов в связи со спецификой производства, используемых в технологии веществ, рельефа местности и метеоусловий. Построение необходимых математических моделей затруднено еще и тем, что возникает проблема нехватки и нечеткости исходной информации.
Поэтому для конкретного потенциально опасного предприятия необходимо произвести анализ и построить математические модели, позволяющие учитывать специфику возможной аварии, местные метеоусловия и нечеткость исходной информации. С помощью этих моделей вычисляются оценки параметров зон загазованности и их опасность как для самого объекта исследования, так и для ближайших, в т.ч. и жилых районов.
Согласно существующим нормативным требованиям, промышленная территория открытых технологических установок нефтепереработки оснащается автоматическими газоанализаторами-сигнализаторами, спектр производства которых во всем мире достаточно широк [29, 30]. Общими недостатками систем противоаварийной защиты, содержащих в своей основе такие приборы, являются: малоканальность отдельного газоанализатора и, в связи с этим, большое количество вторичных приборов; малая информативность; невозможность прогнозирования опасности аварийной загазованности; отсутствие самодиагностики; отсутствие контроля исправности срабатывания систем защиты; отсутствие фиксации аварийных режимов (дата, время, место, причина и т.д.) в случае загазованности или неисправности.
Отмеченные недостатки в значительной степени ликвидируются при проектировании и внедрении на объектах нефтепереработки автоматизированных комплексов взрыво – пожаро – аварийной защиты (АК ВПАЗ), функциональная схема, которая разработана в разделе 5 данной работы.
Зарубежные фирмы выпускают системы подобного типа, например, системы «Cafety Review» (фирма Riken KeikiCo., LTD, Japan) и «Safer» (фирма Safer Energency Systems Inc., Co, USA) [31,32]. Однако эти системы не используют возможности прогнозирования опасности аварийной загазованности и возможности управления средствами защиты. В настоящее время накоплен значительный опыт по проектированию, монтажу и эксплуатации автоматизированных систем управления технологическими процессами противопожарной защиты (АСУ ТП ПЗ) [33], автоматизированных систем контроля загрязнения воздуха (АС КЗВ) [34], которые следует использовать при разработке общесистемных решений и описания организационного и технического обеспечения АК ВПАЗ. В этих работах [32, 34] также рассмотрены вопросы о рациональном размещении датчиков контроля аварийной загазованности, входящих в комплекс технических средств АК ВПАЗ на промышленной территории технологических установок нефтеперерабатывающих предприятий, и алгоритмы решения этих задач.
Экономическая целесообразность кластеризации промышленных предприятий нефтепереработки и нефтехимии (в Атырау) ведет к созданию индустриальных комплексов, в которых основные технологические установки размещаются близко к городу и населенному пункту. Кроме того, вследствие создания высокоинтенсивных технологических процессов по переработке нефти и газа, а также установок большой единичной мощности возникли принципиально новые требования, как к созданию этих производств, так и к их размещению, а именно:
– обеспечение высокой степени надежности их функционирования во избежание аварийных выбросов вредных веществ в окружающую среду;
– организация оптимальной работы путем математического моделирования технологического комплекса с учетом совокупных экономико-экологических требований [35];
– оптимальное распределение нагрузок по аппаратам, реакторам, и т.п., обеспечивающих наиболее полную регенерацию энергетических потоков и эффективное использование материальных ресурсов с целью полной утилизации всех возможных выбросов вредных веществ в окружающую среду.
В последнее время вопросам интенсификации нефтеперерабатывающей промышленности на основе математических методов (моделирование и оптимизация) уделяется достаточное внимание, однако большинство исследований посвящено рассмотрению производственно-технологических и экономико-экологических вопросов отдельных технологических процессов, модернизации конкретных установок, утилизации определенных экологически вредных компонентов и т.д. Для эффективного решения проблемы необходим комплексный подход ко всему циклу нефтеперерабатывающего производства, включающего хранение и переработку нефти и нефтепродуктов, увеличение глубины переработки, производство вторичных продуктов из отходов основного производства. Целесообразно рассмотреть нефтеперерабатывающую отрасль как единую систему в составе подсистем: подготовка к очистка, первичная и глубокая переработка, хранение и реализация нефтепродуктов. Во всех этих подсистемах необходимо будет учесть и экономические, экологические и технологические критерии эффективности работы, а также использовать современные достижения математических методов и компьютерной технологии. Вследствие этого, разрабатываемые в данной работе методы математического моделирования и оптимизации технологических объектов нефтепереработки предполагаются крайне важными и актуальными.
Рациональный метод очистки и переработки нефти необходимо выбирать с учетом следующих экономико-экологических критериев:
– минимизации себестоимости основной продукции, использование минимальных площадок для установки, применения недорогих и недефицитных реагентов;
– возможности непосредственного использования конечных продуктов или удобной их переработки;
– полной автоматизации процесса в установке для очистки и гибкости к возможным колебаниям режимов;
– минимального количества сернистых соединений в выбрасываемых из установки газах, обеспечения хорошего рассеивания в атмосфере;
– оптимального режима работы технологических агрегатов на основе математического моделирования и принятия эффективного решения.