НЕФТЕХИМИЯ, 2021, том 61, № 4, с. 483-493

УДК: 665.644.2+66.011

ОЦЕНКА ОПТИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ УСТАНОВКИ

ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО КРЕКИНГА В

ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ НА НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕМ

ЗАВОДЕ С ПОМОЩЬЮ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Chia-Hung Su^1,**, Fu-Ming Wang²

¹Department of Chemical Engineering, Ming Chi University of Technology, New Taipei City, 243303 Taiwan

**E-mail: chsu@mail.mcut.edu.tw

²Graduate Institute of Applied Science and Technology, National Taiwan University of Science and Technology, Taipei,

106335 Taiwan

³Energy Research Institute, School of Chemical and Process Engineering, University of Leeds, Leeds LS2 9JT, UK

⁴Department of Chemical Engineering, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, 14676-8683 Iran

*E-mail:v.pirouzfar@iauctb.ac.ir

Поступила в редакцию 13 сентября 2020 г.

После доработки 13 декабря 2020 г.

Принята к публикации 25 мая 2021 г.

Установка каталитического крекинга в псевдоожиженном слое (FCC) играет важную роль в процессе

работы современных нефтеперерабатывающих заводов, поскольку она используется для производства

ценных продуктов нефтепереработки. Для определения оптимальной производительности по сырью в

установке FCC с учетом технических и экономических критериев проведено моделирование процесса

с использованием программ Aspen HYSYS и Aspen Capital Cost Estimator (или ICARUS) с целью оцен-

ки эксплуатационных (OPEX) и капитальных (CAPEX) затрат. Показано, что точка безубыточности

этой установки (BEP), т.е. равенство общих затрат и чистой прибыли, находится на уровне мощности

30 000 баррелей в сутки, выше которой установка рентабельна. На основе экономического анализа

определены капитальные и эксплуатационные затраты в рамках мощности ВЕР, составляющие более

156 618 948 долларов США и 37 432 199 долларов США в год, соответственно.

Ключевые слова: каталитический крекинг, псевдоожиженный слой, технико-экономический анализ,

оптимальная производительность

DOI: 10.31857/S0028242121040043

Технология FCC была разработана для произ-

таким как UOP, EXON, KBR и Stone & Webster,

водства легкого топлива и связанных с этим требо-

каждая из которых имеет свои собственные пакеты

ваниям к бензиновому топливу во всем мире [1-3].

проектирования процессов и спецификации. Дей-

На установке каталитического крекинга в псевдо-

ствительно, они приводят к повышению эффектив-

ожиженном слое тяжелые углеводороды превраща-

ности, надежности и гибкости установки FCC [23, 24].

ются в более легкие и ценные продукты, которыми

Каталитический крекинг считается одним из

в основном являются бензин, легкие газы - метан,

важных процессов нефтепереработки в нефтяной

этан, олефины, кокс и сжиженный нефтяной газ

промышленности. За последние несколько лет ка-

(СНГ) [4-15]. В этом процессе тяжелые фракции

талитические процессы были значительно усовер-

превращаются в легкие продукты в присутствии

шенствованы, что привело к значительному инже-

катализатора [16-22]. Такая лицензированная тех-

нерному прогрессу в проектировании реакторов.

нология доступна только некоторым компаниям,

Так, например, в реакторе с псевдоожиженным сло-

483

484

AREGAWI BEYENE HAGOS и др.

ем происходит превращение стабильного каталити-

поэтому нефтеперерабатывающие заводы, исполь-

ческого слоя в псевдоожиженный [18-20]. На ката-

зующие такое оборудование, могут значительно

литических установках с псевдоожиженным слоем

снизить капитальные затраты. Pradhan [41] смоде-

проводят гидрокрекинг, при котором тяжелая нефть

лировал установку FCC для практических целей

с более высокой температурой кипения превраща-

с учетом влияния различных параметров. Однако

ется в более легкие продукты. Например, получа-

такое моделирование подходит только для установ-

ются продукты с более низкими температурами ки-

ки FCC, но не решает проблему работы комплек-

пения и более низкой молекулярной массой, такие

са в целом [35]. Al-Khattaf [36] провел несколько

как бензин [21]. Недавние исследования показали,

исследований, чтобы минимизировать изменение

что процесс каталитического крекинга может обе-

остаточного вакуума, и рассмотрел гибкость про-

спечивать от 30 до 50% производства бензина на

цесса фирмы UOP, предложившей схему гидрок-

нефтеперерабатывающих заводах [22-24]. Ранее на

грекинга с частичной конверсией сырья. Фирма

заводах применялся термический крекинг; процесс

“UOP” разработала три новые технологические

каталитического крекинга стал более популярным

схемы гидрокрекинга с частичной конверсией

из-за более высокой эффективности и производ-

сырья при том же давлении. Качество дистиллят-

ства бензина с более высоким октановым числом.

ных топлив, которые получаются по этим новым

схемам, значительно лучше — содержание серы

Легкие газы, полученные в результате этого про-

менее 50 млн единиц, цетановый индекс выше

цесса, содержат больше олефиновых соединений,

50 пунктов. Этот процесс был применен для макси-

чем при термическом креинге [25-27]. С 2006 г.

мального использования существующих предпри-

установки FCC были установлены практически

ятий и минимизации капитальных затрат [36, 37].

на 400 нефтеперерабатывающих заводах по всему

В другом исследовании было изучено более ком-

миру. Примерно треть очищенной сырой нефти

плексное моделирование установки каталитиче-

потребляется на установках FCC для производства

ского крекинга [38]. В установке FCC использу-

бензина с высоким октановым числом [28-30].

ются две части реактора с восходящим потоком, в

Катализатор установки FCC включает комбина-

которых почти прошла эндотермическая реакция

цию инертной матрицы, одной активной матрицы

крекинга и на катализаторе отложился кокс. Затем

(оксид алюминия) и Y-цеолита [31-33]. Y-цеолит

для сжигания накопившегося кокса используется

является наиболее активным и важным компо-

реактор регенерации, для которого также необхо-

нентом катализатора установки FCC, т.к. он имеет

дим воздух [38, 39]. Регенератор представляет со-

большую удельную поверхность с активными в ре-

бой сложную систему, цель которой - активировать

акции крекинга центрами [34, 35]. В дальнейшем

катализатор путем сжигания части кокса, осаж-

он рассматривается как ключевой компонент, кон-

денного на его поверхности. Восходящий реак-

тролирующий активность и селективность катали-

тор - одно из важных устройств в установке FCC.

затора [36-38].

Моделирование реактора с восходящим потоком

Моделирование установки FCC было выполне-

выполняется комплексно, поскольку реакции ус-

но с использованием каталиазаторов с содержани-

ложняются сопротивлением массовому переходу,

ем цеолита 24 и 38 мас. % в двух типах реакторов с

тепловому переходу и дезактивацией. Полная мо-

восходящим потоком [39]. Каталитические реакции

дель реактора с восходящим потоком отражает все

можно разделить на два обширных раздела: пер-

важные физические явления и точное протекание

вичный крекинг молекул и вторичная регенерация.

реакций [40-43]. Содержание серы в бензине, полу-

Реакции крекинга происходят вследствие разрыва

ченном при каталитическом крекинге, меньше, чем

связи C-C [39]. Gillis и др. [40] тщательно иссле-

при термическом крекинге. Действительно, про-

довали технологические особенности конкретно-

цесс в псевдоожиженном слое необычайно гибкий

го процесса крекинга во псевдоожиженном слое.

[44-47]. Мелкомасштабные установки FCC не-

Они оценили его экономическую рентабельность и

рентабельны из-за слабой экономики процесса,

прикладные возможности и фактически пришли к

поэтому многие существующие объекты либо

выводу, что их процесс более гибкий, чем другие.

остановлены, либо их диапазон не ограничивается

Более того, данный процесс дает возможность мак-

крекингом. С годами с развитием технологий и ра-

симально повысить эффективность производства,

стущим спросом на бензин большинство нефтепе-

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 4 2021

ОЦЕНКА ОПТИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ УСТАНОВКИ

485

Рис. 1. Моделирование процесса FCC для мощности 28 000 баррелей в день.

рерабатывающих заводов модернизировали уста-

МЕТОДОЛОГИЯ И ПРОЦЕДУРЫ

новку FCC для увеличения мощности. Несколько

МОДЕЛИРОВАНИЯ

установок FCC были модифицированы для обра-

Моделирование процессов. Aspen HYSYS V.10

ботки более 50 000 баррелей в сутки. Таким обра-

применяется для проектирования и оценки техно-

зом, определение оптимальной мощности устано-

логического оборудования и работы агрегатов во

вок FCC необходимо для повышения доступности,

всех химических отраслях промышленности. Этот

разумного потребления энергии, достижения на-

комплекс способен выполнять все технологические

дежности и различных экономических критериев.

расчеты от начала планирования до экономическо-

го обсуждения и даже повышения эффективности.

Учитывая преимущества моделирования и

Он также способен учитывать энергию, предотвра-

экономического анализа, основная цель данного

щая ее потерю, и потребление воды, моделируя не-

исследования - оценка разных установок FCC с

прерывные и прерывистые процессы в установив-

различной производительностью для нефтепере-

шемся и динамическом режимах. Таким образом, в

рабатывающих заводов. В этом исследовании был

данном исследовании рассматриваются различные

подробно исследован процесс FCC и рассмотрены

мощности блока FCC, смоделированные с помо-

различные возможности подачи сырья в установку

щью программного обеспечения Aspen HYSYS.

FCC. Предлагаемый высокорентабельный процесс

Наконец, экономический анализ проводится с по-

используется на нефтеперерабатывающих заводах

мощью оценки капитальных затрат Aspen (или

с высокой производительностью. Для внедрения

ICARUS), а оптимальная мощность указывается на

инноваций в программе Aspen HYSYS смодели-

основе технико-экономического анализа. На рис. 1

рованы различные мощности по сырью, поступа-

представлена схема моделирования FCC и его по-

ющему в установку FCC. Это было экономически

следующих этапов.

проанализировано программным обеспечением

Описание процесса. Основное оборудование

ICARUS. Для вычисления алгоритма оптимальной

установки FCC - стояк, реактор, регенератор и

производительности различные мощности аппара-

т.д. В большинстве случаев стоимость установки

тов сравнивали друг с другом в расчетах по входя-

FCC можно спрогнозировать достаточно точно.

щему сырью. Оптимальная производительность,

Учет скорости подачи сырья, катализатора, необ-

в свою очередь, связана с точкой безубыточности,

ходимого пара и мощности может способствовать

поскольку неэкономично использовать этот про-

правильной оценке затрат. В процессе FCC ис-

цесс ниже этой производительности, если его рен-

пользуются катализаторы, представляющие собой

табельность выше этой мощности.

однородные частицы (средний размер частиц со-

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 4 2021

486

AREGAWI BEYENE HAGOS и др.

Таблица 1. Количество сырья, а также стоимость сырья и продукции для установок FFC различной мощности

Бензин

СНГ

Мазут

Количество

сырья

(барр./сут.)

9 054

121.895

65.810

146.625

13.500

11 442

157.082

115

81.714

189.762

18.800

13 937

194.630

143

97.194

236.809

23.400

17 955

232.481

170

114.859

297.173

28.000

21 422

276.464

203

129.530

361.158

102

33.000

25 019

314.164

230

151.508

412.845

117

37.000

26 824

351.864

258

156.814

463.295

131

42.000

30 693

389.563

286

183.062

513.438

145

47.000

33 053

427.263

313

194.343

563.458

160

52.000

34 551

464.963

341

197.182

613.297

174

57.000

ставляет 70 мкм). Когда на них воздействует поток

реактора для введения дополнительного количе-

воздуха, частицы ведут себя как жидкость. Катали-

ства необходимого тепла.

затор как бы превращается в жидкость и, циркули-

В настоящем исследовании предлагается рас-

руя между реактором и проводником, действует как

смотреть различные объемы исходного сырья, по-

машина, которая получает тепло угля в проводнике

ступающего в установку FCC, и выходящих потоков

и передает его для нагрева и очистки. Корпус ре-

бензина и СНГ. Количество входящего сырья изме-

актора используется для производства пара и де-

няется в определенном масштабе. По данным табл.

зактивированного катализатора. Процесс крекинга

1 можно рассчитать сумму дохода (долларов в год).

происходит в вертикальном реакторе с восходящим

потоком, в котором нагретый поток смешивается с

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

катализатором. Выпаренная нефть превращается

в более легкий продукт, который перемещается к

Технический анализ. Факторы, влияющие на

стояку и уносит порошок катализатора. Кокс - ве-

крекинг, риформинг и эффективность сочетания

щество, в котором содержание углерода ниже, чем

продуктов, включают: температуру в реакторе,

водорода, в результате чего он осаждается на ка-

отношение сырья реактора к свежему сырью, ско-

тализаторе, что приводит к снижению активности

рость циркуляции, время пребывания катализатора

катализатора. Дезактивированный катализатор и

в потоке, давление в реакторе и качество катали-

превращенные продукты отделяют друг от друга в

затора. Кроме того, они рассматриваются как не-

емкости реактора. Полученные потоки передаются

зависимые операционные переменные. Наиболее

крекером на аналитическую, секционную и газо-

важные зависимые переменные включают коли-

разделительную установки. Часть углеводородов,

чество катализатора в циркуляции, температуру

которые абсорбируются дезактивированным ка-

регенерации и конверсию. Другие факторы, такие

тализатором, отделяются паром от конца корпуса

как ограничение производительности установки,

реактора. Использованный катализатор перемеща-

основной разделительной башни и газового ком-

ется в отдельную емкость, где кокс сжигается для

прессора, имеют дело с рабочим давлением. Одна-

восстановления катализатора. Полученный ката-

ко давление, выходящее за установленные преде-

лизатор «переносится» в конец передающей линии

лы, в наименьшей степени влияет на конверсию и

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 4 2021

ОЦЕНКА ОПТИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ УСТАНОВКИ

487

Рис. 2. Схемы крупномасштабной (а) и маломасштабной (б) установок FCC.

эффективность продуктов. Условия эксплуатации

установок FCC. В табл. 2 представлено сравнение

установки FCC различны. Фактически, это зависит

стоимости установок FCC в большом и малом мас-

от сырья, предполагаемых продуктов и механиче-

штабах.

ских ограничений.

Как показано в этой таблице, было установле-

Блок FCC изучали в двух масштабах производ-

но, что инвестиции в маломасштабную установку

ства - большом и малом. Было показано, что ис-

FCC могут составить 8 200 долларов за баррель для

пользовать установку FCC при низкой мощности

мощности 2,500 баррелей в день. А инвестиции в

входящего потока неэкономично На следующем

крупномасштабную установку (62 000 баррелей в

этапе была достигнута оптимальная производи-

день) могут быть снижены до 3 000 долларов за

тельность между низкой и высокой производитель-

баррель. Хотя предложение нефти и спрос на про-

ностью по сырью. Блок FCC используется главным

дукцию ограничены, они стабильны. В целом, не-

образом при больших количествах подаваемого

фтяные компании ставят задачу технологическому

сырья, входящего потока, а при небольших его ко-

подразделению крупного НПЗ оптимизировать его

личествах он нерентабелен. Благодаря настоящему

рентабельность, которая будет представлена в раз-

исследованию возможно рассчитать оптимальную

деле экономического анализа.

мощность установки FCC по входящему потоку, ко-

В установках FCC остаток в колоннах сначала

торая будет обсуждаться в разделе экономического

нагревается, а затем вводится в реактор. Одновре-

анализа. Эксплуатационные расходы и капиталь-

менно вводится катализатор при высокой темпера-

ные затраты рассчитаны с помощью программного

туре. Крекинг происходит в восходящем реакто-

обеспечения ICARUS. Точка безубыточности рас-

ре и все продукты присутствуют в верхней части

считывается на основе графика. На рис. 2 представ-

реактора в виде газа. Катализатор возвращается в

лены схемы крупномасштабной и маломасштабной

регенератор, где восстанавливает свою активность.

Таблица 2. Сравнение установок FCC в крупно- и маломасштабном производствах

FFC (крупномасштабное

FFC (маломасштабное

Параметр

Ед. изм.

производство)

Расход сырья

BPSD

62 000

2 500

Реактор

SMM

102.6

Всего инвестиций

SMM

161.6

20.5

Инвестиции на баррель

S/bbl

3 000

8 200

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 4 2021

488

AREGAWI BEYENE HAGOS и др.

Таблица 3. Прямые затраты (USD) для установки FCC мощностью 23 400 баррелей в сутки

(2) Оборудование

26.0

шт.

1.576.81

40 997

32.76

1 342 869

2 206 215.19

57 361 595

58 704 464

(3) Труба AG

2.946.6

119.62

352 461

32.61

11 494 227

3 672 91

10 822 657

22 316 885

(4) Бетон

1.935.2

м³

10.68

20 676

25.64

530 178

281 95

545 633

1 075 811

(4) Цементный

11.5

127.29

1 469

24.59

36 12

3 935 53

45 416

81 536

раствор

м³

(5) Сталь

41.1

тонн

44.93

1 848

30.01

55 463

8 127 10

334 308

389 771

(6) Приборы

517.0

шт.

16.01

8 279

32.51

269 113

2 614 63

1 351 763

1 620 876

(7) AG Электрика

7.394.5

0.75

5 510

31.50

173 557

125 71

929 559

1 103 115

(7) UG Электрика

1.005.1

0.90

901

28.33

25 528

16 61

16 696

42 224

(8) Изоляция

7.511.8

3.87

29 063

24.23

704 249

70 16

527 05

1 231 299

оборудования

м²

(8) Изоляция труб

3.089.1

3.86

11 935

24.31

290 095

176 92

546 51

836 605

(9) Краска

20.197.1

м²

0.48

9 649

24.00

231 583

5 73

115 721

347 305

Итого:

482 789

15 116 862

71 523 348

87 749 891

Осевший на нем кокс сжигается. Тепло газов сож-

косвенные затраты, такие как налоги, инженерные

жения, в основноми СО и СО₂, используют для

работы, накладные расходы, надзор, услуги по за-

производства пара. Регенерированный катализатор

купкам, непредвиденные расходы и другие расхо-

снова вводят в процесс. Это непрерывный цикл,

ды по проекту.

при котором катализатор последовательно вводит-

На рис. 3a-в показаны затраты, связанные с об-

ся в процесс и используется.

щими, материальными и трудовыми издержками

Экономический анализ был выполнен по

по различным позициям для установки FCC мощ-

программе ICARUS для различных мощностей

ностью 23 400 баррелей в сутки.

установки FCC, результаты обобщены в табл. 3.

Эти цифры помогаю оценить стоимость различ-

Прямые и косвенные затраты представлены для

ных позиций проекта с точки зрения материалов и

мощности потребления 23 400 баррелей в сутки.

трудозатрат, таких как щтат сотрудников, оборудо-

Ставка заработной платы - базовое вознагражде-

вание, трубопроводы, штат, стальные конструкции,

ние за время выполнения какой-либо нормы тру-

инструменты, электрические компоненты, изоля-

да. Человек/час (чел./ч) - объем работы, который

ция, окраска и пр.

может быть выполнен одним человеком в течение

На рис. 4 показана стоимость оборудования

проектного периода. Трудозатраты - сумма всей за-

различного типа и класса с учетом стоимости его

работной платы, выплачиваемой работникам. Ука-

покупки и наладки на установке FCC мощностью

занные в отчете капитальные затраты включают

24 300 баррелей в сутки. Видно, что самыми до-

затраты на поставку, изготовление и строительные

рогостоящими являются дебутанизатор и основной

работы для оборудования, гражданского строи-

реактор, а самым дешевым - главный теплообмен-

тельства, трубопроводов, стальных конструкций,

ник.

инструментов, электричества, изоляции и окраски.

В табл. 5 представлены результаты операцион-

Для вышеупомянутых пунктов были рассчитаны

ных, капитальных и общих годовых затрат с вы-

человеко-часы (чел./час), ставка заработной платы,

ручкой различных мощностей для установки FCC.

стоимость рабочей силы и стоимость материалов,

Кроме того, в ней представлены результаты, полу-

которые включают прямые затраты. Наконец, озву-

ченные при моделировании установки FCC, кото-

чена общая сумма прямых затрат. В табл. 4 указаны

рые включают чистую прибыль (разницу между

косвенные затраты, которые включают прямые и

ценой на продукцию и сырье). Как показано в этой

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 4 2021

490

AREGAWI BEYENE HAGOS и др.

Таблица 4. Косвенные затраты (USD) для установки FCC мощностью 23 400 баррелей в сутки

Вид расходов

Наименование косвенных расходов