Нефть. От первых скважин до новой эпохи - Глеб Олегович Трухин

когда была построена первая установка замедленного коксования на Ново-Уфимском нефтеперерабатывающем заводе, появилась возможность получения кокса из нефтяного сырья. Освоение процесса коксования на уфимской УЗК явилось первым серьезным шагом на пути налаживания отечественного промышленного производства кокса методом замедленного коксования.

С середины 1960-х годов в отечественном коксовании начался интенсивный исследовательский этап. Он ознаменовался массой изысканий и открытием новых направлений. При этом необходимость одновременного изучения и внедрения технологии создавала серьезные сложности. Отрасль не могла мгновенно освоить все тонкости коксования, а на быстрое получение фундаментальных научных объяснений рассчитывать не приходилось. Но последующая модернизация производства и развитие угольной промышленности изменили процесс. В результате повысилась его стабильность и выход кокса, а потери были сведены к минимуму.

В настоящее время в качестве сырья используются высокомолекулярные соединения, которые являются главными компонентами гудрона, крекинг-остатка, асфальтитов и прочих. Основными показателями качества сырья по-прежнему считаются его компонентный состав, а именно содержание серы, смолистых и асфальтеновых соединений, также коксуемость и наличие механических примесей. Стоит обозначить новый термин «коксуемость», т. е. способность сырья подвергаться коксованию с образованием качественного кокса.

Коксуемость – неоднозначный показатель. Экономическая целесообразность процесса напрямую зависит от выхода кокса. Сырье с коксуемостью ниже 10 % нерентабельно, но и показатель выше 20 % создает технологические проблемы. Парадоксально, что повышенный выход продукта, кажущийся выгодным, на деле приводит к рискам. Чрезмерно высокий выход кокса приводит к быстрому отложению твердого углерода на стенках аппаратуры, что становится причиной частых остановок и длительных работ по чистке оборудования.

Продукты, полученные в процессе коксования, практически те же, что и в других термических процессах. Газ, отводящийся с установок, идентичен по своему составу газу термического крекинга. Бензин (светлая фракция) тоже содержит большое количество непредельных углеводородов, единственное отличие заключается в наличии большого количества сернистых соединений. Такой бензин дополнительно отправляют на гидроочистку. Легкий газойль используется в производстве печного и газотурбинного топлива. Тяжелый газойль поступает на установки крекинга в качестве рециркулята.

При коксовании происходят крекинги, дегидрирования, циклизации, ароматизации, последовательные реакции поликонденсации и уплотнения с образованием сплошного «коксового пирога».

Существует несколько способов получения нефтяного кокса: периодическое коксование, замедленное коксование, непрерывное коксование. Несмотря на то что перечислено несколько способов, эти установки работают в непрерывном режиме. Периодический характер имеет лишь процесс внутри коксовых камер, где происходит образование кокса. Эта особенность обусловливает использование сложного каскада технологического оборудования. Аналогичный принцип – непрерывный агрегат с периодическими реакторами – применяется, например, в производствах пека и сажи, которые мы уже рассматривали. Теперь кратко охарактеризуем основные способы коксования.

Начнем, пожалуй, с периодического коксования – это наиболее старый и простой метод коксования. Основа установки – куб, который, несмотря на название, представляет собой цилиндрический сосуд, обогреваемый открытым огнем. К счастью, сейчас постепенно промышленность отходит от такого способа. Он неэффективен, технически устарел, требует много ручного труда и имеет плохой экологический показатель. Однако почему же от этих установок не отказались до конца? Тут свою роль играет их уникальность: только путем периодического коксования возможно получить специальный кокс изотропной структуры. Он очень важен для атомной промышленности, для производства конструкционного графита, а также противоположен анизотропному коксу.

Некоторые свойства изотропного кокса, которые делают его полезным:

– Высокая удельная прочность. Сохраняется в условиях экстремально высоких температур, вплоть до 2000 °C.

– Устойчивость к сильным температурным перепадам.

– Затруднение распространения трещин в материале. Это связано с микроструктурой изотропного кокса: его структурные элементы малы и не имеют взаимной ориентации.

– Отсутствие взаимного упорядочения частиц при помоле. Благодаря этому изотропный кокс считают одним из предпочтительных наполнителей при получении конструкционных графитов.

Самое главное преимущество такого способа заключается в наибольшем выходе кокса, но при этом снижается выход светлых бензиновых фракций.

Способ замедленного коксования – наиболее распространенный в нефтяной промышленности, так как этим способом можно получать игольчатый и электродный кокс. Хоть эти виды продукта не настолько важны, как кокс с изотропной структурой, но потребление их относительно выше, отсюда и такая популярность этого способа.

Непрерывное коксование, или, по-другому, термоконтактный крекинг (ТТК) – третий вариант получения кокса. Отличительной особенностью является одновременность трех процессов: коксование → прокалка кокса с удалением летучих элементов → вторичные реакции распада, которые приводят к уплотнению кокса.

Также возможно удаление кокса из продуктов реакции. Для этого используют дополнительный процесс – газификацию кокса, при этом сам кокс превращается в топливный газ.

Каким образом выглядят установки получения кокса? На самом деле ничего сложного. Сложность тут заключается только в их аппаратурном оформлении. Исходный кокс представляет собой ломкий материал с характерным металлическим блеском. Прокаливание изменяет его: блеск и цвет тускнеют, но при этом повышается прочность. Эти новые свойства – высокая механическая прочность и термическая стойкость – и определяют его промышленную ценность. Начнем с базовых понятий.

Рисунок 7. Установка периодического коксования

Итак, установка периодического коксования показана на рисунке 7. Сам процесс коксования представляет собой ряд последовательных действий:

1. Пропарка куба требуется для удаления воздуха (при наличии которого может произойти взрыв).

2. Загрузка предварительно нагретого сырья (температура должна быть не меньше 100 °C).

3. Затем происходит нагрев куба, при этом скорость нагрева строго регулируется: первые два часа куб нагревается на 60 °C, затем скорость нагрева уменьшается до 10–30 °C в час.

4. При температуре куба 300 °C происходит выделение газовой вазы, с последующим увеличением температуры выделяются газойлевые фракции, интенсивность выхода жидких и газообразных продуктов увеличивается.

5. Далее при достижении температуры 750 °C массу выдерживают в кубе 2–3 часа, после чего осуществляют естественное охлаждение.

6. Затем при температуре 100 °C происходит ручная выгрузка кокса.

Стоит отметить, что средние показатели выхода продуктов коксования следующие: газ – 7–8 %, светлые фракции – 6,5–11 %, легкий газойль – 16,9–18,5 %, тяжелый газойль – 16,5–26,1 %, кокс – 40–50,5 %.

Установка замедленного коксования (УЗК) – многоблочная установка по получению кокса, которая включает в свой состав несколько секций: нагрев → реакционная секция → фракционирование → выгрузка → сортировка. Для снижения трудозатрат и повышения эффективности установки технология подразумевает использование объемно-настильного исполнения печей и коксовых камер барабанного типа, именно в них и происходит основная часть механизации ручного труда.

На рисунке 8 представлена схема установки замедленного коксования. На данной схеме приведена технология замедленного коксования с двумя реакторами, один из которых в работе, а второй – на выгрузке. А также ректификационный блок для отделения бензина.

Если разбираться с ранее озвученными секциями, то основной нагрев сырья происходит в печи (2) и в теплообменнике на входе сырья. Далее сырье поступает на ректификационную секцию, в колонну (3), для первичной ректификации. Затем следует реакционная камера, где происходит коксование путем нагрева фракции. Кокс выходит снизу реактора,