Нефти типа opportunity crudes выглядят привлекательно из-за разницы в цене, но они переносят проблему в начало технологической цепочки. Более тяжелые, высокосернистые и высококислотные нефти вязкие и содержат больше солей, твердых частиц и металлов. Они также находятся ближе к пределу стабильности асфальтенов. Обессоливающая установка обычно первой реагирует на это: попадание рассола в нефть, утолщение промежуточного слоя или постоянно падающая скорость обессоливания. Последствия затем распространяются в даунстрим. Плохое обессоливание приводит к попаданию хлоридов и твердых частиц в колонну сырой нефти и систему верхнего погона, а предельная смесь может вызвать загрязнение теплообменников предварительного нагрева и вакуумной печи. Вакуумный блок, которому не хватает промывочного масла или в котором слишком рано закоксовываются змеевики, может ограничить работу всего НПЗ. Таким образом, экономическое обоснование изменения корзины нефти должно включать возможности обессоливающей установки, ограничения вакуумного блока и допуски даунстрима по качеству получаемого остатка и газойля.

Контекст стандартов и требований

Ни один стандарт не регулирует изменение корзины нефти в одиночку. Вот контрольные точки, к которым обычно обращаются специалисты по процессам и целостности оборудования:

  • API RP 571 описывает механизмы повреждения, влияющие на стационарное оборудование при нефтепереработке, включая коррозию нафтеновой кислотой, сульфидную коррозию и хлоридно-аммонийную атаку. Более тяжелое, сернистое и высококислотное сырье имеет тенденцию ускорять эти процессы.
  • API RP 939-C дает рекомендации по предотвращению отказов из-за сульфидной коррозии на нефтеперерабатывающих заводах. Используйте его, когда содержание серы в нефти и рабочая температура меняются одновременно.
  • ASTM D3230 охватывает определение солей в сырой нефти электрометрическим методом. Это быстрая проверка на входе и выходе обессоливающей установки, но она не заменяет лабораторные исследования на хлориды и твердые частицы.
  • ASTM D664 определяет кислотное число методом потенциометрического титрования — обычная основа для оценки риска нафтеновой кислоты.
  • ASTM D7157 определяет внутреннюю стабильность асфальтеносодержащих остатков, тяжелых мазутов и сырых нефтей методом фазового разделения н-гептаном с оптическим детектированием. Используется для сравнения смесей и оценки запаса совместимости.

Управление изменениями, анализ опасностей новой корзины (включая H₂S в системах отбора проб и дренажа) и пересмотренные планы мониторинга коррозии требуются независимо от анализа нефти.

Почему тяжелые сернистые нефти ведут себя иначе

Тяжелые сернистые нефти обладают высокой вязкостью и содержат много серы, солей и металлов. Каждое свойство бьет по разным частям завода:

  • Вязкость и плотность: Капли воды оседают в нефти под действием силы тяжести. По мере того как нефть становится плотнее и вязче, разница в плотности сокращается, а осаждение замедляется, поэтому обессоливающая установка, рассчитанная на более легкое сырье, теряет производительность.
  • Соли и твердые частицы: Больше соли и мелких твердых частиц означает больше материала для удаления. Твердые частицы стабилизируют эмульсии и скапливаются на границе раздела фаз.
  • Сера и кислота: Они вызывают коррозию в печах, трансферных линиях и внутренних устройствах вакуумной колонны, а также меняют требования к металлургии.
  • Металлы и содержание остатка: Металлы и остаток концентрируются в вакуумном остатке и тяжелом газойле — именно здесь установки каталитического крекинга в даунстриме чувствуют изменения.

Та же логика применима к существующим установкам. Установка, спроектированная для более легкого сырья, несет в себе неявные допущения об осаждении, времени пребывания в змеевике нагревателя и поведении зоны промывки, и более тяжелое сырье проверит каждое из них.

Работа электродегидратора на тяжелом сырье

Что обычно идет не так

Редко бывает только одна причина.

Наблюдаемый симптом Вероятные способствующие факторы Первоочередные проверки
Толстый или растущий промежуточный слой, нестабильный уровень Мелкие твердые частицы, эмульсия, стабилизированная асфальтенами, несовместимость нефтей в смеси Отбор проб на границе раздела, содержание твердых частиц и воды в промежуточном слое (rag layer), история смешивания
Унос рассола в обессоленной нефти Избыточная энергия смешивания, слишком стойкая эмульсия, плохой контроль границы раздела Перепад давления на смесительном клапане, дозировка и тип деэмульгатора, срабатывание защиты сетки
Высокое содержание солей в обессоленной нефти при чистом рассоле Недостаточный контакт с промывочной водой, плохое диспергирование воды, низкая температура относительно вязкости Расход и инжекция промывочной воды, смешивание, рабочая температура
Нефть в рассоле, нарушения в работе очистных сооружений Передозировка деэмульгатора, эмульгированная нефть, унос промежуточного слоя в рассол Содержание нефти в рассоле, обратная связь от очистки стоков, дозирование химикатов
Рост хлоридов в дистилляте при нормальных показателях соли Высокое содержание кальция или магния, гидролизуемые хлориды, примесные амины Анализ воды в дистилляте, проверка нефти на загрязняющие вещества

Практические рычаги управления

  1. Температура. Более высокая температура снижает вязкость и улучшает осаждение, но она ограничена давлением паров нефти при давлении в электродегидраторе и электрическими условиями в сосуде. Проверьте запас по давлению перед повышением температуры для смесей с легкими фракциями.
  2. Энергия смешивания. Тяжелые нефти требуют достаточного смешивания для обеспечения контакта промывочной воды с каплями рассола. Однако избыток энергии создает стойкую эмульсию, которую электрическое поле не может разрушить. Настраивайте смесительный клапан по содержанию соли на выходе и качеству рассола, а не по фиксированному перепаду давления.
  3. Промывочная вода. Важны и качество, и расход. Низкое качество промывочной воды, особенно с высокой жесткостью или аминами, переносимыми в рециркуляционных потоках, может подорвать программу химической обработки.
  4. Программа химической обработки. Пересматривайте выбор деэмульгатора при каждом значительном изменении состава сырья. Продукт, работавший на предыдущей смеси, может оказаться неэффективным для нефти с другими характеристиками твердых частиц или асфальтенов. Лабораторные тесты на представительных смесях — это отправная точка, но результаты необходимо подтверждать на установке.
  5. Управление границей раздела. Рассматривайте профиль границы раздела как основной сигнал эффективности, а не как второстепенный параметр. Наращивание промежуточного слоя сигнализирует о потере производительности электродегидратора еще до того, как изменится содержание соли на выходе.

Dion и Perez особо выделяют примесные амины. Они могут попадать через нефтешламы или загрязненные грузы и затем проявляться в даунстриме в виде хлоридного солеотложения в шлемовой линии. Подозревайте их наличие, когда показатели коррозии в шлемовой линии ухудшаются, в то время как содержание соли на выходе из электродегидратора остается в норме.

Последствия для сточных вод

Рассол электродегидратора при переработке тяжелых нефтей может выносить больше нефти, твердых частиц и органики на установку очистки сточных вод. Изменение химии деэмульгатора или усиленный унос промежуточного слоя могут достичь стадии биологической очистки. Привлекайте команду по очистке стоков к анализу изменений состава сырья.

Стабильность асфальтенов и смешивание

Асфальтены остаются в нефти до тех пор, пока окружающая нефть удерживает их в пептизированном состоянии. Смешайте парафинистую или легкую нефть с тяжелой асфальтеновой, и смесь может перейти к выпадению осадка, даже если каждая нефть стабильна сама по себе. Осажденные асфальтены действуют как загрязняющий материал и стабилизаторы эмульсии. Они проявляются на границе раздела в электродегидраторе, а затем в теплообменниках предварительного нагрева, трубах печей и при обращении с вакуумным остатком.

Практические последствия:

  • Порядок и пропорции смешивания имеют значение. Смесь, стабильная при конечном соотношении, может проходить через нестабильный состав во время заполнения резервуаров или трубопроводов. Анализируйте переходный процесс, а не только конечное состояние.
  • Тестирование стабильности должно быть специфичным для смеси. Используйте такие методы, как ASTM D7157, на реальных или представительных смесях и отслеживайте запас стабильности при изменении пропорций, а не полагайтесь на анализы отдельных нефтей.
  • Относитесь к совместимости как к ограничению наряду с солью и кислотностью. Планирование грузопотоков нефти должно включать ограничение по стабильности так же, как оно включает ограничения по сере или TAN.
  • Следите за признаками в даунстриме. Рост скорости загрязнения теплообменников, ускорение падения давления в проходах печи и твердые частицы на границе раздела в электродегидраторе — все это может указывать на предельную стабильность, даже если каждый узел в отдельности кажется исправным.

Влияние на вакуумный блок

Именно здесь концентрируются проблемы, связанные с тяжелой нефтью. Сырье представляет собой более крупную фракцию нефти, оно тяжелее, содержит больше металлов и серы и более склонно к термическому крекингу.

Печь и трансферная линия

Более тяжелый атмосферный остаток требует более высокой температуры для заданной степени испарения, и температура пленки у стенки трубы быстрее достигает области коксования. Кокс сокращает межремонтный пробег и создает горячие точки. Инжекция пара и скорость в змеевике являются основными инструментами управления временем пребывания, и оба ограничены гидравлическими параметрами и ограничениями по паровой нагрузке колонны. Контролируйте температуру стенки труб, баланс потоков и тенденции перепада давления в змеевике по сравнению с исходными показателями на чистом оборудовании.

Зона промывки и качество тяжелого вакуумного газойля

Если зона промывки недостаточно увлажнена или плохо распределена, унос переносит металлы и коксообразующие вещества в тяжелый вакуумный газойль. Этот газойль обычно является сырьем для установки гидрокрекинга или FCC, поэтому загрязняющие вещества напрямую влияют на срок службы катализатора. Тяжелая нефть делает управление промывочным маслом и конструкцию насадки или решетки более критичными. Замечание, сделанное в статье о проектировании CDU/VDU, о том, что традиционная практика проектирования приводит к короткому межремонтному пробегу и низкому выходу и качеству, здесь применимо в полной мере.

Коррозия и металловедение

Более высокое содержание серы и кислот усиливает сульфидную коррозию и коррозию нафтеновой кислотой в вакуумной колонне, трансферной линии и контуре кубового остатка. Используйте API RP 939-C и API RP 571 в качестве основы для пересмотра материалов и объема инспекции. Затем подтвердите, что существующий выбор сплавов охватывает новую комбинацию серы и кислот при фактических рабочих температурах.

Эжекторы и верхний погон

Более тяжелое сырье, которое сильнее подвергается крекингу в печи, образует больше легких фракций и неконденсируемых газов, что нагружает вакуумную систему. Проверьте производительность эжектора и конденсатора с учетом новой нагрузки по газу крекинга, а не только расчетного случая.

Последствия для процессов даунстрим

  • Установки гидроочистки и гидрокрекинга: Большее количество серы, азота и металлов в вакуумном газойле повышает потребление водорода, сокращает срок службы катализатора и сужает запас по контролю коррозии эффлюента реактора.
  • FCC: Повышенное содержание металлов и коксообразующих веществ в сырье меняет подпитку катализатора и нагрузку регенератора.
  • Коксование и переработка остатков: Большее количество вакуумного остатка означает повышенную нагрузку на установки коксования или другие выходы кубовых остатков, а свойства асфальтенов влияют на поведение и обработку кокса.
  • Системы верхнего погона: Плохое обессоливание проявляется в виде отложений хлоридов и солей аммония, а также коррозии кислой водой в верхней части колонны сырой нефти.

Иллюстративный сценарий

Этот сценарий является иллюстративным и не основан на данных конкретного НПЗ.

НПЗ, работающий на среднесернистой смеси, рассматривает возможность добавления тяжелой высокосернистой партии нефти в свой бленд. Анализ показывает, что партия стабильна сама по себе и имеет умеренное содержание солей. Планирование предполагает поэтапное повышение доли тяжелой фракции в течение нескольких циклов смены резервуаров.

Грамотный анализ будет выглядеть следующим образом:

  1. Провести тесты на стабильность промежуточных соотношений смеси, а не только конечного, и найти точку с минимальным запасом прочности.
  2. Заказать лабораторные тесты существующего деэмульгатора на более тяжелой смеси и попросить поставщика химикатов проверить наличие кальция, аминов и твердых частиц в партии.
  3. Увеличить частоту отбора проб на границе раздела фаз в электродегидраторе во время первых смен резервуаров, отслеживать промежуточный слой и содержание нефти в дренажной воде, а также заранее уведомить очистные сооружения.
  4. Проверить температуру стенки труб вакуумной печи, баланс потоков и эффективность зоны промывки по сравнению с предыдущими базовыми показателями. Согласовать триггер для снижения доли тяжелой фракции до ускорения коксования.
  5. Попросить владельцев установок даунстрим подтвердить их допуск по более тяжелому вакуумному газойлю и остатку, включая водородный баланс и мониторинг катализатора.

Решение в таком случае основывается на наблюдаемых тенденциях на каждом этапе с заранее согласованным путем отката. Оно не должно основываться только на ценовом дифференциале партии. Любой отбор проб углеводородов или рассола должен осуществляться с использованием закрытых систем с мерами предосторожности по H₂S. Любая внутренняя инспекция электродегидраторов или вакуумных колонн требует изоляции, сброса давления, проверки нулевой энергии, блокировки/маркировки (lockout/tagout), обнаружения газа, контроля во взрывоопасных зонах и безопасной вентиляции перед тем, как кто-либо войдет в оборудование или откроет его.

Контрольный список для оценки перехода на тяжелую высокосернистую смесь

  • Подтвердите, что анализы нефти включают содержание солей, твердых частиц, кальция, кислотное число, серу, металлы и содержание асфальтенов, и сверьте их с приходными документами.
  • Проведите тесты на стабильность смеси для всех промежуточных соотношений, а не только для целевой смеси.
  • Проверьте температуру обессоливания, запас по давлению, диапазон смесительного клапана и производительность промывочной воды с учетом вязкости более тяжелого сырья.
  • Протестируйте деэмульгатор на фактической смеси и узнайте у поставщика о кальции, аминах и совместимости.
  • Определите профиль границы раздела фаз и содержание нефти в рассоле как контролируемые показатели эффективности.
  • Уведомите группу по очистке сточных вод перед переработкой первой партии тяжелой нефти.
  • Проверьте скорость в змеевике вакуумной печи, инжекцию пара, запас по температуре стенки труб и тенденции перепада давления в змеевике.
  • Проверьте расход жидкости и распределение в зоне промывки вакуумной колонны для более тяжелого сырья.
  • Пересмотрите металловедение и объем инспекции с учетом риска сульфидной коррозии и коррозии нафтеновой кислотой.
  • Проверьте производительность эжектора и конденсатора для нагрузки по газу крекинга.
  • Получите подтверждение от установок даунстрим по качеству вакуумного газойля и остатка.
  • Установите триггер отката и схему связи до начала испытаний.

Заключение

Тяжелые высокосернистые нефти поддаются переработке, если электрообессоливающая установка, вакуумный блок и установки даунстрим оцениваются совместно. Обычной ошибкой является оптимизация одного узла, в то время как следующий принимает на себя негативные последствия. Начните с испытаний на стабильность конкретных смесей и анализа химических реагентов и процесса смешивания в ЭЛОУ. Затем проверьте запасы мощности вакуумной печи и промывочной зоны, а также устойчивость последующих установок к более тяжелому вакуумному газойлю и остатку. Тестируйте набор сырья поэтапно с определенными критериями мониторинга и отката, а также привлеките специалистов по целостности оборудования, очистке стоков и поставщиков химикатов до прибытия первой партии.