Spostamento dei cut point di raffineria e della severità dell'hydrocracker per aumentare la resa in diesel

Il problema: il diesel si perde ai margini

La maggior parte delle raffinerie che desiderano più diesel hanno già i barili all'interno dell'impianto. Si trovano solo nell'unità sbagliata. Le molecole nel range del diesel finiscono nell'alimentazione dell'FCC, nei tagli di nafta pesante e cherosene, e nelle frazioni leggere dell'hydrocracker a causa dell'overcracking. Un cut point impostato anni fa per un diverso scenario di margini può bloccarli lì. Se si spinge un hydrocracker per ottenere prodotti nel range della nafta, esso convertirà volentieri i precursori del diesel, e talvolta il diesel stesso, in nafta e gas.

Rimediare a questo non è solo questione di aumentare la temperatura o spostare un taglio. Ogni mossa esercita pressione sulla fornitura di idrogeno, sulla qualità del prodotto (scorrimento a freddo, densità, cetano) e sulla vita del catalizzatore. Un riequilibrio che appare corretto nel modello di pianificazione può comunque fallire per una carenza di idrogeno, un eccesso nel cloud point o un ciclo del catalizzatore che non raggiungerà la fermata di manutenzione. Quanto segue illustra come interagiscono le leve e come scegliere quale azionare per prima.

Contesto normativo e requisiti

La resa in diesel è limitata da ciò che il prodotto può essere legalmente e commercialmente. Le specifiche e i metodi di prova riportati di seguito stabiliscono tale limite.

• ASTM D975 (oli combustibili diesel) e EN 590 (diesel per autotrazione) stabiliscono la specifica del prodotto che delimita fin dove possono essere spinti il punto finale e il contenuto di frazioni pesanti.
• ASTM D86 (distillazione di prodotti petroliferi a pressione atmosferica) e ASTM D2887 (distribuzione dell'intervallo di ebollizione mediante gascromatografia) sono gli strumenti principali per verificare se i cut point del frazionatore forniscono la distillazione prevista. La D2887 riporta una distillazione simulata, pertanto va riconciliata con la D86 quando una specifica è scritta in termini di D86.
• ASTM D613 (numero di cetano) e ASTM D2500 (cloud point) sono i consueti gate di qualità. L'estensione del punto finale tende a danneggiare prima lo scorrimento a freddo. Il cetano è più spesso il problema con gli stream di cracking.
• ASTM D93 (punto di infiammabilità mediante vaso chiuso Pensky-Martens) è rilevante quando i tagli di cherosene e diesel vengono ri-miscelati.

Qualsiasi modifica ai cut point, alla severità o al routing dell'idrogeno in un'unità a idrogeno ad alta pressione passa attraverso il processo di gestione del cambiamento del sito. I limiti dell'operating envelope e del sistema di trip vengono rivisti rispetto al nuovo caso prima dell'esecuzione. Un'escursione di temperatura del reattore in servizio di idrocracking è un evento di sicurezza di processo, non solo una perdita di resa.

Corpo tecnico

Dove si guadagna il diesel: punti di taglio rispetto alla conversione

Esistono due famiglie di leve, con costi differenti.

Le leve di distillazione spostano le molecole tra le unità senza modificarne la chimica. Le raffinerie solitamente prelevano il materiale diesel dall'intervallo di ebollizione jet/gasolio di circa 150–360°C TBP (equivalente D86), e possono spingersi leggermente oltre con impianti di upgrading (Naphtha to diesel via novel routes, Digital Refining).

Le leve di conversione modificano le molecole stesse. In un hydrocracker le principali sono la temperatura del reattore, la conversione per passaggio, il punto di taglio del riciclo, la selezione del catalizzatore e la pressione parziale di idrogeno.

Spostamenti del punto di taglio upstream rispetto all'hydrocracker

Le sessioni Q&A di AFPM sull'estensione dei punti di fine ebollizione dei distillati (Domanda 39) e sugli impatti del punto di taglio dell'alimentazione FCC (Domanda 66) indicano quali flussi di alimentazione puntare per primi. Valutano l'impatto operativo, la vita del catalizzatore e l'ottimizzazione del punto di taglio tra le unità distillati e l'FCC. Le stesse domande si applicano a qualsiasi sito:

• Punto di fine ebollizione del diesel dell'unità grezzo. Aumentarlo permette di recuperare materiale nel range del diesel che altrimenti andrebbe all'alimentazione del vuoto o dell'FCC. Il prezzo è la qualità del flusso a freddo, oltre a un'alimentazione più pesante per l'idrotrattatore diesel. Tale idrotrattatore necessita di maggiore severità o accetta cicli più brevi.
• Separazione gasolio/VGO. Spostare la separazione verso frazioni più leggere invia più materiale al pool dei distillati e meno all'FCC o all'hydrocracker. Spostarla verso frazioni più pesanti produce l'effetto opposto. Quale direzione sia conveniente dipende dalla capacità dell'idrotrattamento distillati e dell'idrogeno di assorbire il materiale più pesante.
• Punto di taglio dell'alimentazione FCC. La discussione di AFPM sul punto di taglio FCC evidenzia che lo spostamento del taglio dell'alimentazione modifica la conversione e le rese dell'FCC. Il materiale sottratto all'alimentazione FCC ha solitamente più valore come componente per il blending del diesel che come olio di ciclo FCC, che è aromatico e a basso numero di cetano. L'FCC perde però parte della qualità e del volume dell'alimentazione, e il modello LP deve riflettere questo aspetto.
• Punto di fine ebollizione dell'alimentazione dell'hydrocracker. Un'alimentazione più pesante aumenta la resa potenziale in distillati. Aumenta anche il carico di aromatici polinucleari e precursori del coke, che possono causare una disattivazione più rapida e lo sporcamento dell'anello di riciclo. Va considerata come una decisione sulla vita del catalizzatore, non solo sulla resa.

Severità dell'hydrocracker: la finestra del diesel

Per un obiettivo di massimo diesel, i punti di taglio e la severità dell'hydrocracker vengono impostati insieme.

• Conversione per passaggio. L'aumento della severità incrementa la conversione dell'alimentazione pesante. Oltre un certo punto, tuttavia, il prodotto extra è costituito da nafta e gas leggeri. La resa in diesel raggiunge un picco e poi cala. Il picco varia in base al tipo di catalizzatore, alla qualità dell'alimentazione e ai punti di taglio del frazionatore, quindi è necessario individuarlo nei dati d'impianto. Non darlo per scontato.
• Punti di taglio del frazionatore. Abbassare i tagli nafta/cherosene e cherosene/diesel sposta il prodotto verso il diesel. Aumentare il taglio diesel/olio non convertito recupera più diesel, ma può portare il flusso a freddo fuori specifica e reinserire materiale nel range del diesel nel riciclo. La conversione è definita rispetto al punto di taglio di fondo, quindi una modifica in quel punto altera la conversione apparente senza intervenire sul reattore.
• Selezione del catalizzatore. I catalizzatori selettivi per i distillati medi sono progettati per mantenere aperta la finestra del diesel a conversioni più elevate. Ecco perché l'articolo di Topsoe sull'ottimizzazione della produzione di distillati medi sottolinea la progettazione del catalizzatore e della modalità operativa per massimizzare le rese. È anche il motivo per cui la scelta del catalizzatore al momento del ricarico conta spesso più dei piccoli aggiustamenti giornalieri della temperatura.
• Operazione di riciclo. Il riciclo dell'olio non convertito consente la conversione totale delle frazioni pesanti, ma concentra i composti refrattari e gli aromatici polinucleari. Questi sporcano gli scambiatori e accelerano la disattivazione del catalizzatore. La strategia di spurgo o bleed deve far parte del caso ribilanciato fin dall'inizio.

Idrogeno: il vincolo che stabilisce il tetto massimo

L'hydrocracking converte le molecole pesanti mediante cracking e saturazione degli aromatici. Una maggiore conversione consuma più idrogeno. Una maggiore saturazione aumenta il cetano e riduce la densità, ma costa anch'essa idrogeno. I limiti pratici sono:

• Disponibilità di idrogeno di reintegro. Se l'impianto idrogeno, la fornitura di sottoprodotti del reformer o le importazioni rappresentano il collo di bottiglia, la severità extra non è disponibile, per quanto il margine possa sembrare favorevole.
• Purezza del gas di riciclo e pressione parziale. La pressione parziale di idrogeno nel reattore guida sia la saturazione che la stabilità del catalizzatore. Lasciare che la purezza cali per rientrare nel bilancio dell'idrogeno accorcia la vita del catalizzatore.
• Capacità dei compressori. I compressori di reintegro e di riciclo possono limitare la portata del gas di trattamento prima ancora della fornitura. Controllare entrambi.
• Consumatori concorrenti. L'idrogeno inviato all'hydrocracker non è disponibile per l'idrotrattatore diesel. Se uno spostamento del punto di taglio carica l'idrotrattatore con un'alimentazione più pesante, l'allocazione dell'idrogeno tra le unità deve essere ricalcolata congiuntamente.

Durata del ciclo del catalizzatore: il costo che arriva in seguito

La severità e il punto di fine ebollizione dell'alimentazione si pagano in termini di vita del catalizzatore. Temperature più elevate per mantenere la conversione, alimentazione più pesante e minore pressione parziale di idrogeno accelerano la disattivazione. La durata del ciclo è un obiettivo di progetto da proteggere. Non è un sottoprodotto che si accetta passivamente. Qualunque sia il caso di resa, il catalizzatore deve comunque arrivare alla fermata di manutenzione.

Confronto delle leve

Scenario illustrativo

Questo scenario è costruito a scopo illustrativo e non rappresenta un caso reale.

Una raffineria gestisce il proprio idrocracker in modalità orientata alla nafta. Il segnale del margine si è spostato verso il diesel. Il modello LP raccomanda di aumentare la severità del reattore ed estendere il punto finale del diesel dell'unità greggio.

1. Verificare prima l'idrogeno. Il bilancio dell'idrogeno mostra capacità di reintegro residua solo quando l'idrotrattore diesel non lavora al massimo. L'estensione del punto finale del diesel da greggio carica maggiormente l'idrotrattore, quindi le due manovre sono in competizione. L'aumento di severità attende fino al ricalcolo dell'allocazione dell'idrogeno.
2. Muovere prima la leva economica. Ritarare i tagli del frazionatore. Abbassare il taglio nafta/diesel, quindi utilizzare i dati di distillazione (D86, con D2887 per la coda più pesante) per confermare che il materiale nel range del diesel precedentemente contenuto nella nafta pesante ora confluisca nel diesel. La resa migliora senza aumentare la temperatura del reattore.
3. Testare lo scorrimento a freddo. Spostare il punto finale del diesel per fasi e controllare il punto di intorbidamento (D2500) ad ogni passaggio, fino a esaurire il margine di qualità.
4. Aumentare la severità per ultima, a piccoli passi. Aumentare gradualmente la temperatura del reattore e monitorare la produzione di frazioni leggere durante il processo. Quando il guadagno incrementale di nafta e gas supera il guadagno incrementale di diesel, la finestra del diesel è esaurita. Ridurre la severità.
5. Proiettare il ciclo del catalizzatore. Confrontare il tasso di disattivazione nel nuovo scenario con il target di ciclo. Se il catalizzatore non raggiunge più la fermata di manutenzione, tagliare la severità o arretrare il punto finale dell'alimentazione pesante.

Il metodo è semplice. Il tasso di produzione incrementale di diesel per fase è ΔV̇ = Σ(ṁᵢ × Δyieldᵢ), dove ṁᵢ è la portata massica di alimentazione all'unità i e Δyieldᵢ è la variazione della frazione di resa diesel, sommata su tutte le correnti e unità interessate. Il beneficio netto deve includere il volume perso da altre unità, non solo il guadagno dell'idrocracker.

Checklist e guida alle decisioni

• Confermare i limiti delle specifiche del diesel (scorrimento a freddo, cetano, distillazione) prima di modificare qualsiasi punto finale.
• Ristabilire la baseline delle prestazioni del frazionatore con D86 e D2887 in modo che le modifiche ai punti di taglio siano misurate e non presunte.
• Iniziare con le regolazioni dei tagli del frazionatore e dell'unità greggio prima di intervenire sulla severità del reattore.
• Costruire un bilancio dell'idrogeno combinato che copra l'idrocracker, l'idrotrattore diesel e gli altri consumatori prima di approvare un aumento di severità.
• Controllare la purezza del gas di riciclo e la capacità del compressore, non solo la fornitura di idrogeno di reintegro.
• Monitorare la produzione di frazioni leggere e nafta rispetto al guadagno di diesel per trovare il picco di resa. Fermarsi al picco.
• Monitorare il trend di disattivazione del catalizzatore rispetto alla baseline di messa in servizio e del ciclo precedente, e proiettare la fine del ciclo rispetto alla data della fermata di manutenzione.
• Revisionare le modifiche al punto finale dell'alimentazione pesante per il loro impatto sul fouling del riciclo e sugli aromatici polinucleari pesanti.
• Sottoporre tutte le modifiche alla gestione del cambiamento (MOC), inclusi i limiti di temperatura del reattore e la revisione dei sistemi di protezione.
• Al prossimo ricarico del catalizzatore, valutare un catalizzatore selettivo per distillati medi invece di compensare un catalizzatore inadeguato con la severità.
• Ricontrollare l'alimentazione FCC e gli effetti sulla resa ogni volta che il taglio del gasolio o del VGO viene spostato.

Conclusione

Aumentare la resa del diesel è un problema di sequenziamento. Spostare prima i tagli di distillazione, perché sono i più economici e facili da invertire. Aumentare la severità dell'idrocracker solo dopo aver confermato il bilancio dell'idrogeno e i margini di scorrimento a freddo. Considerare la durata del ciclo del catalizzatore come un vincolo rigido che deve comunque raggiungere la fermata di manutenzione.

Come passo successivo, estrarre l'ultimo set di dati di funzionamento stabile, ricostruire la curva di resa rispetto alla conversione e segnare dove la resa del diesel tocca il picco. Quindi testare ogni spostamento del punto di taglio upstream rispetto al bilancio dell'idrogeno condiviso prima di impegnarsi nella raccomandazione del modello LP.