Смещение точек отбора на НПЗ и жесткости гидрокрекинга для повышения выхода дизельного топлива

Проблема: потери дизельного топлива на границах фракций

Большинство НПЗ, стремящихся увеличить производство дизельного топлива, уже имеют необходимые объемы внутри завода. Они просто находятся не в тех установках. Молекулы дизельного диапазона попадают в сырье FCC, в фракции тяжелой нафты и керосина, а также в легкие фракции гидрокрекинга из-за перекрекинга. Точка отбора, установленная годы назад для другой структуры маржи, может удерживать их там. Если эксплуатировать гидрокрекинг в жестком режиме для получения продуктов бензинового ряда, он будет охотно превращать прекурсоры дизельного топлива, а иногда и само дизельное топливо, в нафту и газ.

Решение этой проблемы — не просто повышение температуры или смещение точки отбора. Каждый шаг увеличивает нагрузку на систему подачи водорода, влияет на качество продукции (низкотемпературные свойства, плотность, цетановое число) и срок службы катализатора. Перебалансировка, которая выглядит приемлемой в модели планирования, может сорваться из-за дефицита водорода, выхода за пределы по точке помутнения или цикла катализатора, который не дотянет до капитальный ремонт. Ниже описано, как взаимодействуют эти рычаги и какой из них следует задействовать первым.

Контекст стандартов и требований

Выход дизельного топлива ограничен тем, каким продукт может быть с юридической и коммерческой точек зрения. Эти ограничения задаются приведенными ниже спецификациями и методами испытаний.

• ASTM D975 (дизельные топлива) и EN 590 (автомобильное дизельное топливо) устанавливают спецификации продукта, определяющие пределы смещения конечной точки кипения и содержания тяжелых фракций.
• ASTM D86 (перегонка нефтепродуктов при атмосферном давлении) и ASTM D2887 (определение распределения пределов выкипания методом газовой хроматографии) являются основными инструментами для проверки того, обеспечивают ли точки отбора фракционатора требуемый фракционный состав. D2887 дает результаты имитированной дистилляции, поэтому их необходимо сопоставлять с D86, если спецификация составлена в терминах D86.
• ASTM D613 (цетановое число) и ASTM D2500 (точка помутнения) являются обычными контрольными показателями качества. Увеличение конечной точки кипения обычно в первую очередь ухудшает низкотемпературные свойства. Цетановое число чаще становится проблемой для потоков крекинга.
• ASTM D93 (температура вспышки в закрытом тигле Пенски-Мартенса) имеет значение при повторном смешивании фракций керосина и дизельного топлива.

Любое изменение точек отбора, жесткости режима или схемы распределения водорода на установке водорода высокого давления проходит через процедуру управления изменениями на предприятии. Границы рабочего диапазона и уставки систем противоаварийной защиты пересматриваются с учетом нового режима перед его запуском. Температурный выброс в реакторе гидрокрекинга является инцидентом технологической безопасности, а не просто потерей выхода продукта.

Технический раздел

Откуда берется дизель: точки разделения против конверсии

Существует две группы рычагов воздействия, и они имеют разную стоимость.

Рычаги дистилляции перемещают молекулы между установками без изменения их химического состава. НПЗ обычно получают дизельную фракцию из диапазона кипения керосина/газойля примерно 150–360°C TBP (эквивалент D86) и могут подниматься несколько выше при наличии установок облагораживания (Naphtha to diesel via novel routes, Digital Refining).

Рычаги конверсии изменяют сами молекулы. В гидрокрекинге основными из них являются температура в реакторе, конверсия за проход, точка разделения рецикла, выбор катализатора и парциальное давление водорода.

Сдвиги точек разделения апстрим от гидрокрекинга

Ответы AFPM Q&A по расширению конечных точек дистиллятов (Вопрос 39) и по влиянию точек разделения сырья FCC (Вопрос 66) определяют, на какие потоки сырья следует ориентироваться в первую очередь. В них оценивается влияние на эксплуатацию, срок службы катализатора и оптимизация точек разделения между дистиллятными установками и FCC. Те же вопросы применимы к любому объекту:

• Конечная точка дизеля на установке первичной переработки. Ее повышение позволяет извлечь материал дизельного диапазона, который иначе ушел бы в вакуумное сырье или сырье FCC. Платой за это является качество хладотекучести плюс более тяжелое сырье для гидроочистки дизельного топлива. Эта установка гидроочистки либо требует более жесткого режима, либо переходит на более короткие циклы.
• Разделение газойль/VGO. Сдвиг разделения в сторону облегчения направляет больше материала в дистиллятный пул и меньше в FCC или гидрокрекинг. Сдвиг в сторону утяжеления дает обратный эффект. Какое направление выгоднее, зависит от того, смогут ли мощности гидроочистки дистиллятов и водорода принять более тяжелый материал.
• Точка разделения сырья FCC. В обсуждении точек разделения FCC от AFPM отмечается, что изменение разделения сырья меняет конверсию и выходы FCC. Материал, извлеченный из сырья FCC, обычно ценится выше как компонент дизельного топлива, чем как легкий цикл-ойл FCC, который является ароматическим и имеет низкое цетановое число. Однако FCC теряет часть качества и объема сырья, и модель LP должна это отражать.
• Конечная точка сырья гидрокрекинга. Более тяжелое сырье повышает потенциальный выход дистиллята. Оно также увеличивает нагрузку полиядерной ароматики и предшественников кокса, что может привести к более быстрой дезактивации и загрязнению контура рецикла. Рассматривайте это как решение по сроку службы катализатора, а не только по выходу продукции.

Жесткость гидрокрекинга: дизельное окно

Для цели максимизации дизельного топлива точки разделения и жесткость гидрокрекинга устанавливаются совместно.

• Конверсия за проход. Повышение жесткости увеличивает конверсию тяжелого сырья. Однако после определенного момента дополнительным продуктом становятся нафта и легкий газ. Выход дизельного топлива достигает пика, а затем падает. Пик смещается в зависимости от типа катализатора, качества сырья и точек разделения фракционатора, поэтому его нужно находить по данным установки. Не принимайте его на веру.
• Точки разделения фракционатора. Снижение точек разделения нафта/керосин и керосин/дизель переводит продукт в дизель. Повышение точки разделения дизель/непревращенный остаток позволяет извлечь больше дизеля, но это может вывести хладотекучесть за пределы спецификации и вернуть материал дизельного диапазона обратно в рецикл. Конверсия определяется относительно точки разделения кубового остатка, поэтому изменение в этой точке меняет кажущуюся конверсию без вмешательства в работу реактора.
• Выбор катализатора. Катализаторы, селективные по средним дистиллятам, созданы для удержания дизельного окна открытым при более высокой конверсии. Именно поэтому в статье Topsoe об оптимизации производства средних дистиллятов подчеркивается важность проектирования катализатора и режима работы для максимизации выходов. Также поэтому выбор катализатора при перегрузке часто важнее, чем ежедневные корректировки температуры.
• Работа с рециклом. Рециркуляция непревращенного остатка обеспечивает полную конверсию тяжелых фракций, но в ней концентрируются тугоплавкие и полиядерные ароматические соединения. Они загрязняют теплообменники и ускоряют дезактивацию катализатора. Стратегия вывода или продувки должна быть частью сбалансированного сценария с самого начала.

Водород: ограничение, устанавливающее потолок

Гидрокрекинг превращает тяжелые молекулы путем крекинга и насыщения ароматики. Большая конверсия потребляет больше водорода. Большее насыщение повышает цетановое число и снижает плотность, но это также требует водорода. Практическими ограничениями являются:

• Доступность подпиточного водорода. Если установка производства водорода, поставка побочного продукта риформинга или импорт являются узким местом, дополнительная жесткость недоступна, как бы хорошо ни выглядела маржа.
• Чистота и парциальное давление циркуляционного газа. Парциальное давление водорода в реакторе определяет как насыщение, так и стабильность катализатора. Допущение снижения чистоты для сохранения водородного баланса сокращает срок службы катализатора.
• Производительность компрессоров. Компрессоры подпитки и рецикла могут ограничить расход технического газа раньше, чем это сделает система подачи. Проверяйте оба фактора.
• Конкурирующие потребители. Водород, направленный на гидрокрекинг, недоступен для гидроочистки дизельного топлива. Если сдвиг точки разделения нагружает установку гидроочистки более тяжелым сырьем, распределение водорода между установками должно быть пересчитано совместно.

Длительность цикла катализатора: стоимость, которая проявится позже

За жесткость режима и конечную точку сырья приходится платить сроком службы катализатора. Более высокая температура для поддержания конверсии, более тяжелое сырье и более низкое парциальное давление водорода — все это ускоряет дезактивацию. Длительность цикла — это расчетная цель, которую вы защищаете. Это не побочный продукт, с которым вы просто соглашаетесь. Каким бы ни был сценарий по выходу продукции, катализатор все равно должен доработать до капитальный ремонт.

Сравнение рычагов

Иллюстративный сценарий

Данный сценарий составлен для иллюстрации и не является реальным случаем.

НПЗ эксплуатирует гидрокрекинг в режиме с приоритетом нафты. Ценовой сигнал сместился в сторону дизельного топлива. LP-модель рекомендует повысить жесткость работы реактора и увеличить КК дизельной фракции на АВТ.

1. Сначала проверьте водород. Водородный баланс показывает наличие резервной мощности подпитки только тогда, когда установка гидроочистки дизельного топлива не работает на пределе. Увеличение КК дизеля АВТ сильнее нагружает гидроочистку, поэтому эти два шага конкурируют. Увеличение жесткости откладывается до пересчета распределения водорода.
2. Сначала используйте «дешевый» рычаг. Перенастройте отборы фракционатора. Снизьте точку отбора нафта/дизель, затем используйте данные дистилляции (D86, с D2887 для тяжелого хвоста), чтобы подтвердить, что компоненты дизельного ряда, ранее находившиеся в тяжелой нафте, теперь попадают в дизель. Выход улучшается без повышения температуры реактора.
3. Проверьте хладотекучесть. Изменяйте КК дизеля поэтапно и проверяйте точку помутнения (D2500) на каждом этапе, пока запас по качеству не будет исчерпан.
4. Повышайте жесткость в последнюю очередь, небольшими шагами. Постепенно увеличивайте температуру реактора и отслеживайте выход легких фракций. Когда прирост нафты и газа превысит прирост дизеля, дизельное окно исчерпано. Снизьте жесткость.
5. Спрогнозируйте цикл катализатора. Сравните скорость деактивации в новом режиме с целевым циклом. Если катализатор больше не дотягивает до даты, когда запланирован капитальный ремонт, снизьте жесткость или верните КК тяжелого сырья на прежний уровень.

Метод прост. Дополнительная скорость производства дизельного топлива на каждом шаге составляет ΔV̇ = Σ(ṁᵢ × Δyieldᵢ), где ṁᵢ — массовый расход сырья на установку i, а Δyieldᵢ — изменение доли выхода дизеля, суммированное по всем затронутым потокам и установкам. Чистая выгода должна включать объем, потерянный на других установках, а не только прирост на гидрокрекинге.

Контрольный список и руководство по принятию решений

• Подтвердите пределы спецификации дизельного топлива (хладотекучесть, цетан, дистилляция) перед изменением любой конечной точки кипения.
• Заново определите базовые показатели работы фракционатора с помощью D86 и D2887, чтобы изменения точек отбора измерялись, а не предполагались.
• Начинайте с регулировки отборов фракционатора и АВТ, прежде чем менять жесткость реактора.
• Составьте комбинированный водородный баланс, охватывающий гидрокрекинг, гидроочистку дизельного топлива и других потребителей, прежде чем одобрять повышение жесткости.
• Проверяйте чистоту циркуляционного газа и мощность компрессора, а не только подачу подпиточного водорода.
• Отслеживайте выход легких фракций и нафты в сравнении с приростом дизеля, чтобы найти пик выхода. Остановитесь на пике.
• Отслеживайте тренд деактивации катализатора по сравнению с базовым уровнем пусконаладки и предыдущего цикла, и прогнозируйте конец цикла относительно даты, когда назначен капитальный ремонт.
• Оцените влияние изменений КК тяжелого сырья на загрязнение рецикла и содержание тяжелых полиядерных ароматических соединений.
• Проводите все изменения через процедуру управления изменениями (MOC), включая проверку пределов температуры реактора и систем защиты.
• При следующей перегрузке катализатора рассмотрите вариант катализатора, селективного по средним дистиллятам, вместо того чтобы компенсировать неподходящий катализатор жесткостью режима.
• Перепроверяйте влияние на сырье и выход FCC при каждом изменении отбора газойля или VGO.

Заключение

Повышение выхода дизельного топлива — это задача на последовательность действий. Сначала меняйте отборы дистилляции, так как это самый дешевый и легко обратимый способ. Повышайте жесткость гидрокрекинга только после подтверждения водородного баланса и запасов по хладотекучести. Рассматривайте длительность пробега катализатора как жесткое ограничение, при котором установка все равно должна выйти на капитальный ремонт.

В качестве следующего шага возьмите последний набор данных стабильной работы, перестройте кривую выхода в зависимости от конверсии и отметьте точку пика выхода дизеля. Затем протестируйте каждое изменение точки отбора апстрим относительно общего водородного баланса, прежде чем следовать рекомендациям LP-модели.