Получение высококонцентрированных пропиленовой и пропановой фракций на АГФУ FCC

Процесс каталитического крекинга продолжает иметь большое значение для глубокой переработки нефти, обеспечивая получение из малоценного тяжёлого сырья компонентов бензина и дизельного топлива, углеводородные газы – сырья нефтехимических процессов.

В связи с этим, для многих заводов установка каталитического крекинга является ключевой в плане достижения рентабельности работы всего предприятия [1–3].

Наличие в их составе газофракционирующей установки позволяют получать из нефтезаводских газов углеводородные фракции высокой

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License чистоты или индивидуальные легкие углеводороды, которые являются не только экологически чистым топливом, но и сырьем для получения спиртов, полипропилена, МТБЭ, бутадиенового каучука и т. д.

Пропан-пропиленовая фракция (ППФ), вырабатываемая на абсорбционной газофракционирующей установке (АГФУ) в составе установки флюид-каталитического крекинга (FCC), имеет широкое использование в промышленности, например, в крупнотоннажном процессе алкилирования бензола пропиленом в производстве фенола-ацетона.

Отметим, что особо важное значение имеем присутствие пропилена в ППФ. В настоящее время отмечается интенсивный рост спроса на пропилен, основным способом промышленного получения которого является пиролиз жидкого углеводородного сырья. В связи с этим актуальным является поиск возможных технологических вариантов по увеличению выпуска пропилена. Для решения этого вопроса разработан ряд модификаций каталитического крекинга с увеличенным выходом пропилена [4], разрабатываются присадки, используемые в катализаторах и обеспечивающие увеличение выхода лёгких олефинов [5–7].

В работах [8–10] с целью получения пропилена ППФ предлагается использовать в виде дополнительного источника сырья на блоке газоразделения производства этилена-пропилена.

Важным направлением получения пропилена, имеющим практический и экономический интерес, представляется ректификационное концентрирование пропилена из пропан-пропиленовой фракции.

В исследовании [11] показано фракционирование ППФ диоксидом углерода при умеренных температурах с помощью имитируемого движущегося слоя газовой фазы в цеолите. Возможность достаточно чёткого отделения пропилена от пропана путем экстрактивной дистилляции с использованием водного раствора N-метил-2-пирролидона в качестве разделяющего агента показана в работе [12]. Для оптимизации работы ректификационной колонны разделения ППФ в статье [13] предлагается динамическая модель с использованием промышленного контроллера.

Разделение ректификацией с применением углеводородных разбавителей и / или селективной абсорбцией с частичной отпаркой в кипятильнике потока, который возвращают в зону ректификации или абсорбции, обеспечивает содержание пропилена выше 97% мас. [14]. Способ разделения ППФ пиролиза в двух ректификационных колоннах предлагается в исследовании [15–20], однако содержание пропилена в пропиленовой фракции составляет 90% масс. В работе [15] показано, что для схемы разделения ППФ, состоящей из двух колонн, расчетным методом определены оптимальные технологические режимы, которые обеспечивают содержание пропилена 99,1% масс. и пропана не более 0,8% масс. в пропиленовой фракции, а в пропановой фракции пропилена – не более 0,03% масс.

Цель работы – исследование возможности получения высококонцентрированных пропиленовой (содержание пропилена не ниже 99,5% масс.) и пропановой фракций на АГФУ FCC.

Методы

Объектом настоящего исследования является АГФУ в составе FCC. Сырьё АГФУ – жирный газ (ЖГ), выделяемый из состава реакционной массы на фракционирующей колонне FCC. Операционная схема АГФУ показана на рисунке 1.

Очистка ЖГ cleaning of FG

Бензин | petrol

ППФ| PPF

ББФ | BBF фракция C-^C;

fraction C|+C2

топливный газ fuel gas

Разделение СУГ

Separation of LPG

Стабилизация и очистка бензина

Stabilization and purification of gasoline

Двухступенчатая абсорбция ЖГ

Two-stage absorption of FG

Компремирование ЖГ compression of FG

Рисунок 1. Операционная схема АГФУ

Figure 1. The operating scheme of the AGFU

ЖГ поступает на узел «Очистка ЖГ» под нижнюю тарелку аминового абсорбера, где обеспечивается его очистка от сероводорода раствором моноэтаноламина (МЭА) и отмывка от примеси МЭА водой. ЖГ с верха аминового абсорбера подаётся на узел «Компремирование ЖГ» и далее на контур «Двухступенчатая абсорбция ЖГ», предназначенный для извлечения из ЖГ углеводородов С3+ с использованием в качестве абсорбента нестабильного бензина и лёгкого газойля в первичном и вторичном абсорберах соответственно. «Сухой газ» направляется в топливную сеть, а насыщенные абсорбенты подаются на узел «Стабилизация и очистка бензина», после чего фракция углеводородов С3+ поступает на блок разделения сжиженных углеводородных газов «Разделение СУГ» для ректификационного фракционирования и получения целевых пропан-пропиленовой (ППФ) и бутан-бутиленовой (ББФ) фракций.

Попов С.В. и др. Вестник ВГУИТ, 2024, Т. 86, №. 1, С. 219-226

Принципиальная схем а блока разделения СУГ приведена на рисунке 2.

Ректификационная колонна К-06 обеспечивает разделение потока СУГ, подаваемого на 20-ую тарелку (в колонне 37 клапанных тарелок), на ППФ и ББФ фракции. Рассматриваемая нами фракция ППФ отбирается дистиллятом с верха колонны.

Для разработки узла разделения ППФ в моделирующей среде UniSim Design нами были использованы промышленные данные, полученные на действующей установке.

Определение оптимальных конструкционных и режимных параметров проведено на колонне Short Cut Distillation (рисунок 3). Результатом расчётов является формирование пропиленовой (поток ппфВ) и пропановой (поток ппфН) фракций с необходимыми значениями конструкционных и режимных параметров колонны К-доп ШК. Сведения о потоке питания колонны приводятся в таблице 1. Его давление компремировано с 895 кПа до 1750 кПа. Рассчитанные технологические режимы и компонентный состав дистиллята и кубового остатка показаны в таблицах 2, 3. Оценки конструкционных и режимных параметров колонны сведены в таблице 4.

Анализ полученных результатов показывает, что в пропиленовой фракции (дистиллят)

Результаты и обсуждение

Для расчёта проектируемой ректификационной колонны Кдоп принимаем, что в колонне будут использоваться контактные устройства с эффективностью 0,8. Схема рассчитываемой колонны показана на рисунке 4. Поток пропанпропиленовой фракции из узла разделения СУГ (поток ППФ-АГФУ) подаётся на 34-ую тарелку, общее количество трёх-поточных клапанных тарелок – 90. Отметим, что поточность колонны определена по результатам расчёта конструкционных параметров колонны. Технологические параметры и компонентный состав потока питания колонн Кдоп и К-доп ШК аналогичны (таблица 1).

В качестве дистиллята отбирается пропиленовая фракция (поток фрС3Н6), кубовый остаток – пропановая фракция (поток фрС3Н8).

Рисунок 2. Принципиальная схема блока разделения СУГ: Т13, Т15, Т17 – теплообменники; К06 – колонна разделения фракции углеводородов С 3 -С 4 ; Е04 – рефлюксная емкость; Т16 – конденсатор; Т14 – термосифонный ребойлер; Н10а, Н106 – насосы

Figure 2. Schematic diagram of the LPG separation unit: Т13, Т15, Т17 – heat exchangers; К06 – hydrocarbon fraction С 3 -С 4 rectification column; Е04 – reflux tank; Т16 – condenser; Т14 – thermosiphon riboiler; Н10а, Н106 – pumps

Popov S.V. at al Proceedings of VSUET, 2024, vol. 86, no. 1, pp. 219-226

--------►QcK-доп

post@vestnik-vsuet.ru

На конденсатор /—ч

То

Condenser

Qc-1

—►--* —

ППФ АГФУ —

PPF AGFU --

------►ппфВ ppt'Top

------<----QrK-доп

К-доп ШК

ппфН ppfBot

Рисунок 3. Схема колонны Short Cut Distillation

Figure 3. Diagram of the Short Cut Distillation column

Ребойлер Reboiler

Reflux Condenser

Рефлюкс Конденсатор

ППФ-АГФУ PPF-AGFU фрСЗН8

СЗН8 fraction

фрСЗНб

СЗН6 fraction

Reboiler

На ребойлер

Рисунок 4. Схема ректификационной колонны Кдоп

Figure 4. The scheme of the distillation column Кдоп

Таблица

Технологические параметры (а) и компонентный состав (b) питания колонны К-доп ШК (поток ППФ АГФУ )

Table

Technological parameters (a) and component composition (b) supply of the K-доп ШК column ( PPF AGFU flow)

Название потока | Stream Name	ППФ АГФУ PPF AGFU		Название углеводорода The Name of the hydrocarbon	масс. доля mass fractions
Доля паровой фазы | Vapour / Phase Fraction	0,0000		Водород | Hydrogen	0,000000
Температура [оС] | Temperature [oC]	19,32		Метан | Methane	0,000001
Давление [кРа] | Pressure [kPa]	1750		Этан | Ethane	0,000007
Молярный поток [кмоль/ч] | Molar Flow [kmole/h]	244,5		Этилен | Ethylene	0,000001
Массовый поток [кг/ч] | Mass Flow [kg/h]	1,042e+004		Пропан | Propane	0,252997
Объёмный расход [м3/ч] Std Ideal Lig Vol Flow [m3h]	20,14		Пропилен | Propene	0,742993
Молярная энтальпия [кДж/кгмоль] Molar Enthalpy [kJ/kgmole]	-2,662e+004		н-Бутан | n-Butane	0,000300
Молярная энтропия [кДж/кгмоль оС] Molar Entropy [kJ/kgmole oC]	118,7		Изобутан | i-Butane	0,002400
Тепловой поток [кДж/ч] | Heat Flow [kJ/h]	-6,508e+006		1-Бутен | 1-Butene	0,000500
			Изобутен | i-Butene	0,000800
			н-Пентан | n-Pentane	0,000001
		(а)	Итого | Total	1,000000	(b)

Таблица 2.

Технологические параметры (a) и компонентный состав (b) дистиллята колонны К-доп ШК (поток ппфВ )

Table 2.

Technological parameters (a) and component composition (b) of the distillate of the K-доп ШК column ( ppf Top stream)

Название потока | Stream Name	ппфВ ppf Top		Название углеводорода The Name of the hydrocarbon	масс. доля mass fractions
Доля паровой фазы | Vapour / Phase Fraction	0,0000		Водород | Hydrogen	0,000000
Температура [оС] | Temperature [oC]	38,87		Метан | Methane	0,000001
Давление [кРа] | Pressure [kPa]	1600		Этан | Ethane	0,000009
Молярный поток [кмоль/ч] | Molar Flow [kmole/h]	184,7		Этилен | Ethylene	0,000001
Массовый поток [кг/ч] | Mass Flow [kg/h]	7775		Пропан | Propane	0,005238
Объёмный расход [м3/ч] | Std Ideal Lig Vol Flow [m3h]	14,93		Пропилен | Propene	0,994750
Молярная энтальпия [кДж/кгмоль] Molar Enthalpy [kJ/kgmole]	5853		н-Бутан | n-Butane	0,000000
Молярная энтропия [кДж/кгмоль оС] Molar Entropy [kJ/kgmole oC]	107,1		Изобутан | i-Butane	0,000000
Тепловой поток [кДж/ч] | Heat Flow [kJ/h]	1,081e+006		1-Бутен | 1-Butene	0,000000
			Изобутен | i-Butene	0,000000
			н-Пентан | n-Pentane	0,000000
		(а)	Итого | Total	1,000000	(b)

Таблица 3.

Технологические параметры (а) и компонентный состав (в) кубового остатка колонны К-доп ШК (поток ппфН )

Таблица 4.

Оценки конструкционных и режимных параметров колонны К-доп ШК

н-пентана, которые после ректификации вошли в состав пропановой фракции).

Table 4.

Estimates of structural and operational parameters of the K-доп ШК column

Наименование Description	Значение Value
Минимальное флегмовое число | Minimum Reflux	6,602
Минимальное число тарелок | Minimum Trays	61,95
Актуальное число тарелок | Actual Trays	93,48
Оптимальная тарелка питания | Optimal Feed	31,55
Нагрузка конденсатора, кДж/ч Condenser Duty, kJ/h	3,293e+007
Нагрузка ребойлера, кДж/ч | Reboiler Duty, kJ/h	3,356e+007
Давление в конденсаторе, кПа Condenser pressure, kPa	1600
Давление в ребойлере, кПа | Reboiler pressure, kPa	1650
Температура в конденсаторе, °С Condenser temperature, °С	38,87
Температура в ребойлере, °С Reboiler temperature, °С	48,52
Заданное флегмовое число | External Reflux	11,00

Рисунок 5. Температурный профиль по высоте колонны Кдоп (распечатка в моделирующей среде)

Расчёты показали, что на ректификационной колонне Кдоп полностью воспроизводятся режимы и компонентные составы технологических потоков, полученные для колонны К-доп ШК и приведенные в таблице 2 и таблице 3.

Температурный профиль по высоте колонны Кдоп показан на рисунке 5. На рисунке 6 показана ASTM D86 разгонка рассчитанных пропиленовой фр.С3Н6 и пропановой фр.С3Н8 фракций. Видно, что на рассматриваемой колонне достигается чёткое разделение ППФ: содержание пропана в пропиленовой фракции составляет не более 0,5% масс. (на графике имеем практически горизонтальную «прямую» выкипания фракции), а содержание пропилена в пропановой фракции не более 0,3% масс. (на графике отклонение от горизонтального положения кривой разгонки объясняется присутствием в питании колонны порядка 1,5%масс. н-бутана, изобутана, 1-бутена, изобутена и

Acceleration, % by weight

Рисунок 6. ASTM D86 разгонка рассчитанных пропиленовой фр.С 3 Н 6 и пропановой фр.С 3 Н 8 фракций (распечатка в моделирующей среде)

Figure 6. ASTM D86 overclocking of calculated propylene С 3 Н 6 fraction and propane С 3 Н 8 fraction (printout in a modeling environment)

Table 3.

Technological parameters (a) and component composition (b) of the cubic residue of the K-доп ШК column ( ppf Bot stream)

Название потока | Stream Name	ппфН ppf Bot		Название углеводорода The Name of the hydrocarbon	масс. доля mass fractions
Доля паровой фазы | Vapour / Phase Fraction	0,0000		Водород | Hydrogen	0,000000
Температура [оС] | Temperature [oC]	48,52		Метан | Methane	0,000000
Давление [кРа] | Pressure [kPa]	1650		Этан | Ethane	0,000000
Молярный поток [кмоль/ч] | Molar Flow [kmole/h]	59,76		Этилен | Ethylene	0,000000
Массовый поток [кг/ч] | Mass Flow [kg/h]	2645		Пропан | Propane	0,981384
Объёмный расход [м3/ч] Std Ideal Lig Vol Flow [m3h]	5,210		Пропилен | Propene	0,002853
Молярная энтальпия [кДж/кгмоль] Molar Enthalpy [kJ/kgmole]	-1,165e+005		н-Бутан | n-Butane	0,001182
Молярная энтропия [кДж/кгмоль оС] Molar Entropy [kJ/kgmole oC]	183,5		Изобутан | i-Butane	0,009456
Тепловой поток [кДж/ч] | Heat Flow [kJ/h]	-6,963e+006		1-Бутен | 1-Butene	0,001970
			Изобутен | i-Butene	0,003152
			н-Пентан | n-Pentane	0,000004
		(а)	Итого | Total	1,000000	(b)

В таблице 5 приведены рассчитанные конструкционные параметры колонны Кдоп . Оптимальным для исследуемого узла является: - использование ректификационной колонны с одинаковым диаметром 3 м по её высоте; -применение клапанных трёх-поточных тарелок; -расстояние между тарелками 500 мм.

Расчёты показали, что концентрирование пропилена в пропиленовой фракции выше 99,5% масс. приведёт к заметному увеличению числа тарелок и требуемого диаметра колонны.

Таблица 5.

Рассчитанные конструкционные параметры колонны Кдоп

Table 5.

Calculated structural parameters of the Кдоп column

Отметим, что при включении в технологическую схему АГФУ дополнительной колонны Кдоп появляется возможность получить из ППФ пропиленовую и пропановую фракции, которые могут быть реализованы как товарные продукты.

Тип тарелки Internals	Клапанные Valve
Диаметр [м] | Diameter [m]	3,048
Max затопление [%] | Max Flooding [%]	79,39
Х-поверхность [м2] | X-Area [m2]	7,297
Высота [м] | Height [m]	45,00
ДельтаР [кРа] | DeltaP [kPa]	44,00
Поточность | Number of Flow Paths	3
Длина потока [мм] | Flow Length [mm]	749,3
Ширина потока [мм] | Flow Width [mm]	2611
Max DP/тарелка [кПа] | Max DP/Tray [kPa]	0,497
Расстояние между тарелками [мм] Tray Spacing [mm]	500,0
Общая длина слива [мм] Total Weir Length [mm]	7476
Высота слива [мм] | Weir Heigth [mm]	50,80
Активная поверхность [м2] Active Area [m2]	5,870
Свободное сечение [м2] | Hole Area [m2]	0,8981

Заключение

Одним из возможных направлений совершенствования АГФУ является расфракционирова-ние целевой ППФ, что позволит получить новые более дорогие и перспективные на рынке товарные углеводородные фракции, использование которых в других химических синтезах даёт возможность повышения селективности процессов и удельной производительности реакционных узлов.

Приведенными результатами исследований показана возможность включения в технологическую схему АГФУ дополнительной ректификационной колонны для выделения из ППФ пропиленовой (содержание пропилена 99,5% масс.) и пропановой (содержание пропана 98,1% масс.). Рассчитаны и приведены оптимальные технологические и конструкционные параметры ректификационной колонны Кдоп, обеспечивающей чёткое разделение пропиленовой и пропановой фракций.

Модель ректификационной колонны может использоваться для оценки режимных и конструкционных параметров при её промышленном проектировании. Включение предлагаемой колонны в технологическую схему АГФУ FCC позволит получить на предприятии дополнительную экономическую выгоду.