Переработка тяжелой нефти. Реакторы и моделирование процессов

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

CRC Press is an imprint of the
Taylor & Francis Group, an informa business

Boca Raton   London   New York

Jorge Ancheyta

Modeling of Processes
and Reactors for
Upgrading of Heavy
Petroleum

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Хорхе Анчита

ПЕРЕРАБОТКА  

ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ  

РЕАКТОРЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

 
 

Санкт-Петербург

2015

Перевод с английского языка

под редакцией О. Ф. Глаголевой, В. А. Винокурова

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

УДК 663.63
ББК 35.514

 
 

  

Приведены классификация процессов и сопоставление различных техно
логий переработки тяжелой нефти: от термических до термокаталитических 
и гидрогенизационных процессов. Рассмотрены важные вопросы совместимости и стабильности тяжелых видов нефтяного сырья, особое внимание уделено асфальтенам и их роли в образовании кокса.

Выполнен анализ основных факторов, влияющих на сложную цепь реак
ций, равновесие фаз, массоперенос, диффузию в частицы катализатора.

Отдельные главы посвящены моделированию процесса газификации и тер
мических процессов висбрекинга и коксования.

Для каждого процесса приведены экспериментальные данные, даны прак
тические рекомендации по реализации моделей, определению ключевых параметров и их влиянию на выбор технологии и типа реактора. Результаты 
моделирования процессов и реакторов подтверждены сравнительными  экспериментальными и фактическими данными. 

УДК 663.63
ББК 35.514

All Rights Reserved. Authorized translation from English language edition published by CRC Press,  

an imprint of Taylor & Francis Group LLC.

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена  

в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых из
дательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические 
ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых све
дений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

ISBN 978-1-4398-8046-3 (англ.)
ISBN 978-5-91884-068-9

Хорхе Анчита
Переработка тяжелой нефти. Реакторы и моделирование процессов : 
пер. с англ. яз. под ред. О. Ф. Глаголевой, В. А. Винокурова. — СПб. : 
ЦОП «Профессия», 2015. — 592 с., ил.
 
ISBN 978-5-91884-068-9
ISBN 978-1-4398-8046-3 (англ.)

© 2013 by Taylor & Francis Group, LLC

© ЦОП «Профессия», 2015

© Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2015

Ан64

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление

Предисловие к русскому изданию ........................................................... 17

Предисловие ......................................................................................... 19

Благодарности ...................................................................................... 23

Глава 1. Тяжелая нефть ......................................................................... 27

1.1. Определение ....................................................................................................27
1.2. Классификация нефтей ..................................................................................28
1.3. Свойства ..........................................................................................................29

1.3.1. Физические и химические свойства ........................................................29
1.3.2. Асфальтены ...............................................................................................31
1.3.3. Оценка химического состава асфальтенов ..............................................34

1.3.3.1. Экспериментальная часть ...............................................................36
1.3.3.2. Результаты........................................................................................38

1.3.4. Склонность к коксообразованию ............................................................42
1.3.5. Вязкость ....................................................................................................43

1.3.5.1. Вязкость нефтей ..............................................................................43
1.3.5.2. Вязкость смеси нефтей ....................................................................45
1.3.5.3. Другие свойства смесей ...................................................................52

1.3.6. Стабильность и совместимость нефтей ...................................................53

1.3.6.1. Определения ....................................................................................53
1.3.6.2. Методы оценки стабильности и совместимости.............................54

1.4. Анализ тяжелой нефти ....................................................................................57

1.4.1. Определение .............................................................................................57
1.4.2. Цели анализа ............................................................................................58
1.4.3. Виды анализа ............................................................................................59
1.4.4. Свойства некоторых тяжелых нефтей .....................................................59

1.5. Проблемы при переработке тяжелой нефти ..................................................66
Литература .............................................................................................................68

Глава 2. Технологии переработки тяжелой нефти .................................... 71

2.1. Общая классификация процессов .................................................................71
2.2. Текущее положение в области переработки тяжелого сырья ........................75

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
6

2.3. Технологии обогащения водородом ...............................................................76

2.3.1. Гидровисбрекинг ......................................................................................77
2.3.2. Гидропереработка в неподвижном слое...................................................77
2.3.3. Гидропереработка в движущемся слое .....................................................78
2.3.4. Гидропереработка в кипящем слое ..........................................................79
2.3.5. Гидропереработка в фазе суспензии ........................................................80

2.4. Технологии обеднения углеродом ..................................................................81

2.4.1. Экстрактивная деасфальтизация .............................................................82
2.4.2. Газификация .............................................................................................82
2.4.3. Коксование ...............................................................................................83
2.4.4. Висбрекинг ...............................................................................................83
2.4.5.  Каталитический крекинг остаточного сырья в псевдоожиженном слое ....83

2.5. Перспективные технологии ...........................................................................84
2.6. Комбинированные процессы облагораживания ...........................................85

2.6.1. Комбинированные технологии обеднения углеродом ...........................85
2.6.2. Комбинированные технологии обогащения водородом ........................92
2.6.3.  Комбинированные технологии обогащения водородом  

  и обеднения углеродом ............................................................................93

Литература ...........................................................................................................100

Глава 3. Моделирование висбрекинга ....................................................105

3.1. Введение ........................................................................................................105
3.2. Описание процесса .......................................................................................106
3.3. Способы висбрекинга ...................................................................................106

3.3.1. Висбрекинг в змеевике ...........................................................................108
3.3.2. Висбрекинг с выносной реакционной камерой ....................................108
3.3.3. Различия между процессами ..................................................................109

3.4. Параметры процесса .....................................................................................109

3.4.1. Свойства сырья .......................................................................................110
3.4.2. Температура ............................................................................................111
3.4.3. Давление .................................................................................................111
3.4.4. Время пребывания в реакционной зоне ................................................111
3.4.5. Закачка пара ...........................................................................................112
3.4.6. Главные параметры процесса .................................................................112

3.5. Химия процесса ............................................................................................112

3.5.1. Разрыв связи C–C ..................................................................................114
3.5.2. Дегидрирование ......................................................................................114
3.5.3. Изомеризация .........................................................................................114
3.5.4. Полимеризация и конденсация .............................................................114
3.5.5. Реакции с участием гетероатомов ..........................................................114

3.6. Кинетика реакций ........................................................................................115
3.7. Моделирование реакторов ...........................................................................118

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
7

3.7.1. Эмпирические зависимости ..................................................................118
3.7.2. Моделирование реакторов .....................................................................119

3.7.2.1. Общие характеристики реакторов висбрекинга ...........................119
3.7.2.2.  Моделирование процессов в змеевике и в реакционной камере ....120

3.7.3. Моделирование процесса висбрекинга .................................................125

3.7.3.1. Характеристики реакторов и рабочие условия .............................125
3.7.3.2. Свойства сырья и продуктов .........................................................126
3.7.3.3. Результаты моделирования ...........................................................127
3.7.3.4. Заключительные замечания и рекомендации ...............................131
Обозначения ........................................................................................................133

Литература ...........................................................................................................135

Глава 4. Моделирование процесса газификации .....................................137

4.1. Введение ........................................................................................................137
4.2. Типы процессов газификации ......................................................................138

4.2.1. Газификация в стационарном слое ........................................................138

4.2.1.1. Противоточные газогенераторы стационарного слоя ..................138
4.2.1.2. Параллельноточные газогенераторы стационарного слоя ...........139

4.2.2. Газогенераторы с кипящим (псевдоожиженным) слоем ......................139
4.2.3. Факельные газогенераторы ....................................................................140
4.2.4. Другие способы газификации ................................................................140

4.3. Параметры процесса .....................................................................................141

4.3.1. Температура ............................................................................................141
4.3.2. Давление .................................................................................................141
4.3.3. Скорость начала псевдоожижения ........................................................142
4.3.4. Соотношение воздух / пар ......................................................................142
4.3.5. Коэффициент избытка окислителя .......................................................142
4.3.6. Размер частиц .........................................................................................142

4.4. Описание процесса .......................................................................................142
4.5. Химия и термодинамика процесса...............................................................144
4.6. Моделирование реактора газификации .......................................................145

4.6.1. Уравнения модели ..................................................................................146

4.6.1.1. Баланс масс ....................................................................................146
4.6.1.2. Термодинамическое равновесие ...................................................148
4.6.1.3. Баланс энергий ..............................................................................154
4.6.1.4. Теплота сгорания синтез-газа и КПД газификации .....................156

4.6.2. Решение уравнений модели ...................................................................157

4.7. Моделирование процесса газификации ......................................................158

4.7.1. Проверка модели ....................................................................................158
4.7.2. Влияние условий реакций ......................................................................160

4.7.2.1. Влияние давления ..........................................................................160

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
8

4.7.2.2. Влияние температуры ....................................................................162
4.7.2.3. Влияние кратности кислорода к сырью ........................................162
4.7.2.4. Влияние кратности воды к сырью .................................................164

4.7.3. Применение модели ...............................................................................165

4.7.3.1.  Применение модели к вакуумным остаткам с различными  

  свойствами ............................................................................................165

4.7.3.2. Оптимизация выхода водорода .....................................................167

Литература ...........................................................................................................168

Глава 5. Моделирование процесса коксования .......................................170

5.1. Введение ........................................................................................................170
5.2. Процессы коксования ..................................................................................171

5.2.1. Замедленное коксование........................................................................172
5.2.2. Непрерывное коксование (флюидкокинг) ............................................173
5.2.3. Флексикокинг ........................................................................................174

5.3. Описание процесса .......................................................................................175
5.4. Параметры процесса .....................................................................................177

5.4.1. Температура на выходе из печи и на входе в камеры коксования ...........177
5.4.2. Давление в камере коксования ..............................................................178
5.4.3. Коэффициент рециркуляции сырья ......................................................179
5.4.4. Виды сырья .............................................................................................179

5.5. Теоретические основы процесса коксования ..............................................180

5.5.1. Химия процесса ......................................................................................180
5.5.2. Кинетика реакций ..................................................................................181
5.5.3. Термическое разложение асфальтенов ..................................................182

5.6. Кинетика реакций коксования ....................................................................184

5.6.1. Разделение атмосферного остатка .........................................................184
5.6.2. Неизотермическая кинетика .................................................................185
5.6.3. Термическое разложение........................................................................186
5.6.4. Кинетические параметры ......................................................................189
5.6.5. Примечания ............................................................................................193

5.7. Зависимости для прогнозирования выхода кокса .......................................193

5.7.1. Зависимости ...........................................................................................193

5.7.1.1. Зависимости Гэри и Хэндверка .....................................................194
5.7.1.2. Зависимости Мейплза ...................................................................195
5.7.1.3. Зависимости Шаброна и Спайта ...................................................197
5.7.1.4. Зависимости Кастильони ..............................................................198
5.7.1.5. Зависимости Смита и соавторов ...................................................201
5.7.1.6. Зависимости Фолька и соавторов .................................................202

5.7.2. Применение зависимостей ....................................................................203

5.7.2.1. Влияние свойств сырья .................................................................203

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
9

5.7.2.2. Влияние давления ..........................................................................205
5.7.2.3. Влияние температуры ....................................................................206

5.7.3. Заключительные положения ..................................................................207
Обозначения ........................................................................................................208
Литература ...........................................................................................................209

Глава 6. Некаталитическая (термическая) гидропереработка ..................212

6.1. Введение ........................................................................................................212
6.2. Экспериментальная часть ............................................................................214

6.2.1. Сырье ......................................................................................................214
6.2.2. Оборудование .........................................................................................215
6.2.3. Условия реакций .....................................................................................217
6.2.4. Методы анализа ......................................................................................217

6.3. Результаты .....................................................................................................218

6.3.1. Двухреакторная установка .....................................................................218

6.3.1.1. Некаталитическое гидрообессеривание ........................................218
6.3.1.2.  Избирательность к некаталитическим процессам  

  гидрообессеривания и гидродеметаллизации..............................221

6.3.1.3.  Влияние температуры и соотношения FmT

 / VSiC на плотность  

  продукта ............................................................................................222

6.3.1.4.  Влияние температуры и соотношения FmT
 / VSiC на кривую  

  разгонки продукта .........................................................................223

6.3.1.5. Влияние на состав суммарного жидкого продукта .......................223
6.3.1.6. Распределение температур по оси реакторов ................................227

6.3.2. Однореакторная установка ....................................................................228

6.3.2.1. Кинетика некаталитической гидроочистки ..................................228
6.3.2.2. Кинетика превращения вакуумного остатка ................................230
6.3.2.3. Кинетика некаталитического гидрокрекинга ...............................232
Обозначения ........................................................................................................237
Латинские ........................................................................................................237
Нижние индексы .............................................................................................238

Литература ...........................................................................................................238

Глава 7. Моделирование каталитической гидроочистки ..........................243

7.1. Введение ........................................................................................................243

7.1.1. Значение гидроочистки в нефтепереработке ........................................244
7.1.2. Текущая ситуация в нефтеперерабатывающей отрасли ........................247

7.2. Описание процесса .......................................................................................249
7.3. Типы реакторов .............................................................................................251

7.3.1. Реакторы с неподвижным слоем ...........................................................251

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
10

7.3.1.1. Охлаждение в реакторах с неподвижным слоем катализатора ...........254
7.3.1.2. Внутреннее оборудование реакторов ............................................256

7.3.2. Реакторы с движущимся слоем катализатора .......................................258
7.3.3. Реакторы с кипящим слоем катализатора .............................................259
7.3.4. Реакторы с суспензионным слоем .........................................................261

7.4. Теоретические основы ..................................................................................262

7.4.1. Реакции гидроочистки ...........................................................................262

7.4.1.1. Гидрообессеривание ......................................................................263
7.4.1.2. Гидродеазотирование .....................................................................265
7.4.1.3. Гидродеоксигенация ......................................................................265
7.4.1.4. Гидродеметаллизация ....................................................................266
7.4.1.5. Реакции гидрирования ..................................................................266
7.4.1.6. Гидрокрекинг .................................................................................266
7.4.1.7. Гидродеасфальтизация ...................................................................267

7.4.2. Кинетика реакций ..................................................................................267
7.4.3. Термодинамика .......................................................................................272
7.4.4. Катализаторы ..........................................................................................275

7.5. Параметры процесса .....................................................................................277

7.5.1. Температура реакций ..............................................................................278
7.5.2. Парциальное давление водорода ...........................................................280
7.5.3. Скорость подачи сырья ..........................................................................281
7.5.4. Кратность водорода к сырью и скорость циркуляции ..........................281
7.5.5. Активация катализатора .........................................................................283

7.6. Моделирование гидроочистки газойля, полученного из тяжелой нефти ........... 285

7.6.1. Экспериментальная часть ......................................................................285

7.6.1.1. Материалы и оборудование ...........................................................285
7.6.1.2. Эксперименты ...............................................................................286
7.6.1.3. Методы анализа .............................................................................287

7.6.2. Построение модели реактора .................................................................288

7.6.2.1. Допущения, принимаемые в рамках модели ................................288
7.6.2.2. Баланс масс в нестационарном состоянии ...................................289
7.6.2.3. Баланс теплоты в нестационарном состоянии .............................290
7.6.2.4. Граничные условия ........................................................................291
7.6.2.5. Метод интегрирования ..................................................................292

7.6.3. Модели кинетики реакций ....................................................................292

7.6.3.1. Гидрообессеривание ......................................................................292
7.6.3.2. Гидродеазотирование .....................................................................292
7.6.3.3. Гидродеароматизация ....................................................................293
7.6.3.4. Гидрирование олефинов ................................................................295
7.6.3.5. Мягкий гидрокрекинг ...................................................................295

7.6.4. Расчет параметров ..................................................................................295

7.6.4.1. Кинетические параметры ..............................................................295

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
11

7.6.4.2. Коэффициент эффективности катализатора ................................298
7.6.4.3. Гидродинамические параметры .....................................................299

7.6.5. Анализ результатов .................................................................................300

7.6.5.1.  Имитация динамического режима в изотермическом  

  лабораторном реакторе гидроочистки .........................................300

7.6.5.2.  Имитация динамического режима в изобарическом  

  неизотермическом промышленном реакторе гидроочистки .......302

Обозначения ........................................................................................................309
Греческие ..........................................................................................................309
Латинские ........................................................................................................309
Нижние индексы .............................................................................................311
Верхние индексы .............................................................................................312
Литература ...........................................................................................................312

Глава 8. Моделирование и имитация гидропереработки тяжелой нефти ...316

8.1. Введение ........................................................................................................316
8.2.  Описание процесса гидрооблагораживания Мексиканского  

  нефтяного института ...................................................................................317

8.3. Экспериментальные исследования ..............................................................319

8.3.1. Получение кинетических данных ..........................................................319
8.3.2.  Исследование влияния тяжелого сырья на деактивацию  

  катализатора ..........................................................................................323

8.3.3. Испытание катализатора на долговременную стабильность ................327

8.4. Моделирование .............................................................................................328

8.4.1. Стационарные уравнения баланса масс и теплоты ...............................329
8.4.2. Динамические уравнения баланса масс и тепла ...................................331
8.4.3. Кинетика реакций ..................................................................................333
8.4.4. Масштабирование кинетических данных .............................................334
8.4.5. Деактивация катализатора .....................................................................335
8.4.6. Метод решения .......................................................................................337

8.4.6.1. Моделирование установившегося процесса .................................337
8.4.6.2. Моделирование динамического процесса ....................................337

8.5. Согласование данных ...................................................................................338

8.5.1. Кинетические параметры.......................................................................338
8.5.2. Параметры деактивации ........................................................................340

8.6. Моделирование процесса на лабораторной установке ...............................341

8.6.1.  Моделирование реактора при стационарной активности  

  катализатора ..........................................................................................341

8.6.2.  Моделирование реактора при переменной активности  

  катализатора ..........................................................................................345

8.6.2.1.  Влияние типа сырья и температуры реакций на деактивацию  

  катализатора ..............................................................................................345

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
12

8.6.2.2.  Результативность процесса при испытании катализатора 

   на долговременную стабильность ................................................347

8.7.  Масштабирование кинетических данных, полученных  

  на лабораторной установке ..........................................................................349

8.8. Моделирование процесса в промышленном реакторе ................................352

8.8.1.  Выбор компоновки и моделирование работы реактора  

  при постоянной активности катализатора ...........................................352

8.8.2.  Моделирование и анализ работы реакторов в течение рабочего  

  цикла ......................................................................................................355

8.8.3. Переходное поведение реактора при пуске ...........................................358

8.8.3.1. Охлаждение ....................................................................................359
8.8.3.2. Температура сырья .........................................................................362
8.8.3.2. Тактика пуска .................................................................................364
Обозначения ........................................................................................................365

Латинские и русские ........................................................................................365
Греческие ..........................................................................................................367
Нижние индексы .............................................................................................368
Литература ...........................................................................................................368

Глава 9.  Моделирование лабораторного реактора для гидроочистки 

мексиканской тяжелой нефти «Майя» ......................................370

9.1. Введение ........................................................................................................370
9.2. Модель ...........................................................................................................371

9.2.1. Допущения при разработке модели .......................................................371
9.2.2. Описание модели ...................................................................................372

9.2.2.1. Стехиометрические коэффициенты реакций ГДО .......................373
9.2.2.2. Коэффициенты скоростей реакций ..............................................374
9.2.2.3. Определение кинетических параметров .......................................376
9.2.2.4. Оценка транспортных и термодинамических свойств .................377

9.2.3. Решение модели .....................................................................................383

9.3. Экспериментальная часть ............................................................................384

9.3.1. Характеристики сырья ...........................................................................384
9.3.2. Экспериментальный реактор .................................................................385
9.3.3. Изотермическая работа реактора...........................................................385
9.3.4. Свойства катализатора ...........................................................................385
9.3.5. Загрузка катализатора ............................................................................386
9.3.6. Активация катализатора .........................................................................386
9.3.7. Сопротивление массопереносу ..............................................................386
9.3.8. Влияние условий реакций ......................................................................387

9.4. Результаты .....................................................................................................387

9.4.1. Стехиометрические коэффициенты ......................................................387

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
13

9.4.2.  Кинетические параметры реакций гидрообессеривания  

  и гидродеметаллизации ........................................................................388

9.4.3. Моделирование лабораторного реактора ..............................................391
9.4.4. Замечания о допущениях в модели ........................................................396
Обозначения ........................................................................................................398
Греческие ..........................................................................................................398
Латинские ........................................................................................................398
Нижние индексы .............................................................................................400
Литература ...........................................................................................................400

Глава 10.  Моделирование реакторов с кипящим или суспензионным  
  слоем ...................................................................................403

10.1. Введение ......................................................................................................403
10.2. Реакторы с кипящим слоем ........................................................................405

10.2.1. Элементы реактора с кипящим слоем .................................................407
10.2.1.1. Рециркуляционный поддон .........................................................407
10.2.1.2. Система распределения потока ...................................................407
10.2.1.3. Распределительная тарелка .........................................................408
10.2.1.4. Стояк ............................................................................................408
10.2.1.5. Разрыхляющий насос ..................................................................408

10.2.2. Достоинства и недостатки реакторов с кипящим слоем.....................409
10.2.3. Рабочий заряд катализатора .................................................................410
10.2.4. Образование осадка ..............................................................................411
10.2.5. Износ частиц катализатора ..................................................................412
10.2.6. Деактивация катализатора ...................................................................413
10.2.7. Экономические аспекты процесса ......................................................417

10.3. Промышленные технологии кипящего слоя .............................................418

10.3.1. Процесс H-Oil .......................................................................................418
10.3.2. Процесс T-Star ......................................................................................419
10.3.3. Процесс LC-Fining .................................................................................420

10.4. Моделирование реактора с кипящим слоем ..............................................422

10.4.1. Исследования гидродинамики .............................................................423
10.4.2. Исследования обратного масштабирования .......................................425
10.4.3. Моделирование реактора .....................................................................431

10.5. Моделирование реакторов с суспензионным слоем .................................439
10.6.  Исследование кинетики гидрокрекинга тяжелой нефти в проточном  

  реакторе смешения ....................................................................................442

10.6.1. Экспериментальная часть ....................................................................444

10.6.1.1. Оборудование...............................................................................444
10.6.1.2. Загрузка и активация катализатора .............................................445
10.6.1.3. Эксперименты и анализ продуктов .............................................445

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
14

10.6.2. Анализ результатов ...............................................................................450

10.6.2.1. Ограничения массопереноса .......................................................450
10.6.2.2. Моделирование кинетики ...........................................................451

10.6.3. Выводы ..................................................................................................454

10.7. Заключительные замечания .......................................................................454
Обозначения ........................................................................................................455
Латинские ........................................................................................................455
Греческие ..........................................................................................................458
Нижние индексы .............................................................................................459
Литература ...........................................................................................................459

Глава 11.  Моделирование гидрокрекинга непрерывным агрегированием    
  кинетики ..............................................................................463

11.1. Введение ......................................................................................................463
11.2. Непрерывное агрегатное моделирование кинетики ..................................467

11.2.1. Описание модели ..................................................................................467
11.2.2. Допущения модели для реактора с неподвижным слоем ...................470
11.2.3. Решение модели....................................................................................470

11.3. Экспериментальная часть ...........................................................................477

11.3.1. Гидрокрекинг нефти «Майя» ................................................................477
11.3.2. Влияние давления на гидрокрекинг нефти «Майя» ............................478
11.3.3.  Одновременные гидрообессеривание и гидрокрекинг тяжелой  

  нефти ...................................................................................................478

11.4. Пошаговый пример применения модели ..................................................479

11.4.1. Исходные данные .................................................................................479
11.4.2. Учет температуры кипения ..................................................................479
11.4.3. Численное решение ..............................................................................480
11.4.4. Результаты .............................................................................................480

11.4.4.1. Максимальная температура кипения ..........................................481
11.4.4.2.  Разбиение области изменения и линейное приближение 

   функции выхода ......................................................................................482

11.4.4.3. Шаг приращения времени пребывания ......................................482
11.4.4.4. Значения параметров модели ......................................................482
11.4.4.5. Результаты применения модели ..................................................483

11.5. Моделирование гидрокрекинга нефти «Майя» .........................................483

11.5.1. Экспериментальные результаты ..........................................................483
11.5.2. Расчет параметров ................................................................................485
11.5.3. Проверка модели ..................................................................................486
11.5.4. Применение модели .............................................................................488

11.6.  Моделирование влияния давления и температуры на гидрокрекинг  

  нефти «Майя» .............................................................................................490

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
15

11.6.1. История исследований .........................................................................490

11.6.1.1. Обзор литературы ........................................................................490
11.6.1.2. Влияние давления ........................................................................491
11.6.1.3. Значимость влияния давления ....................................................492

11.6.2. Учет влияния давления .........................................................................492
11.6.3. Анализ результатов ...............................................................................494

11.6.3.1. Экспериментальные данные .......................................................494
11.6.3.2. Зависимость параметров модели от давления и температуры ..........494
11.6.3.3. Значения параметров модели как функции давления ................497
11.6.3.4. Расчетные кривые разгонки ........................................................498

11.7. Совместное моделирование гидрообессеривания тяжелой нефти ...........501

11.7.1. Описание модели ..................................................................................501

11.7.1.1. Модель гидрокрекинга ................................................................501
11.7.1.2. Модель гидрообессеривания .......................................................504

11.7.2. Решение модели....................................................................................506
11.7.3. Анализ результатов ...............................................................................506

11.7.3.1. Гидрокрекинг ...............................................................................506
11.7.3.2. Гидрообессеривание .....................................................................506
11.7.3.3. Заключительные замечания.........................................................508

11.8. Значимость параметров непрерывной модели ..........................................509

11.8.1. О параметрах модели ............................................................................509
11.8.2. Другие факторы, влияющие на параметры модели .............................510
11.8.3. Открытые вопросы ...............................................................................510
Обозначения ........................................................................................................511
Латинские и русские ........................................................................................511
Нижние индексы .............................................................................................512
Верхние индексы .............................................................................................513
Греческие ..........................................................................................................513

Литература ...........................................................................................................513

Глава 12. Зависимости и прочие вопросы ...............................................516

12.1.  Зависимости для прогнозирования свойств продуктов  

  гидроочистки тяжелой нефти ....................................................................517

12.1.1. Описание зависимостей .......................................................................519
12.1.2. Анализ результатов ...............................................................................523

12.1.2.1. Экспериментальные данные .......................................................523
12.1.2.2. Расчет по оригинальным значениям параметров........................524
12.1.2.3. Расчет по оптимизированным значениям параметров ...............528
12.1.2.4. Корреляция значений параметров со свойствами сырья ............530

12.2. Расход водорода при каталитической гидроочистке .................................533

12.2.1. Расход водорода ....................................................................................535

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Оглавление
16

12.2.1.1. Расчет по балансу водорода в газовых потоках ...........................537
12.2.1.2. Расчет по общему балансу водорода ............................................537
12.2.1.3. Расчет по потреблению водорода в химических реакциях .........538
12.2.1.4. Расчет по среднему вкладу отдельных реакций ..........................540
12.2.1.5. Расчет по кинетической модели ..................................................541

12.2.2. Растворимость водорода .......................................................................542
12.2.3. Анализ результатов ...............................................................................543

12.2.3.1. Экспериментальные данные .......................................................543
12.2.3.2. Расчет по общему балансу водорода ............................................545
12.2.3.3. Расчет по балансу водорода в газовых потоках ...........................548
12.2.3.4. Расчет по потреблению водорода в химических реакциях .........548
12.2.3.5. Расчет по среднему вкладу отдельных реакций ..........................549

12.3.  Истинные значения степени превращения и выхода продукта  

  при гидропереработке тяжелой нефти ......................................................549

12.3.1. Экспериментальные данные ................................................................551
12.3.2. Методика...............................................................................................552
12.3.3. Результаты .............................................................................................554

12.4. Пересчет содержания металлов на свежий катализатор ...........................556

12.4.1. Постановка задачи ................................................................................557
12.4.2. Пробы катализатора .............................................................................559
12.4.3. Результаты .............................................................................................559

12.5.  Применение функций распределения вероятностей  

  для приближения кривых кипения нефти ................................................562

12.5.1. Функции распределения вероятности .................................................564
12.5.2. Методика...............................................................................................566

12.5.2.1. Данные .........................................................................................566
12.5.2.2. Иллюстрация расчета параметров на примере ............................567
12.5.2.3. Расчет параметров всех функций распределения .......................571

12.5.3. Результаты .............................................................................................573

12.5.3.1. Ранжирование функций ..............................................................573
12.5.3.2. Проверка наилучших функций ...................................................579
Обозначения ........................................................................................................583
Латинские ........................................................................................................583
Нижние индексы .............................................................................................585
Верхние индексы .............................................................................................585
Греческие ..........................................................................................................586
Литература ...........................................................................................................586

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Предисловие к русскому изданию

Предлагаемая вашему вниманию книга содержит обширный материал по термическим и каталитическим процессам переработки тяжелого сырья. Многие сведения 
почерпнуты из открытых литературных источников, в том числе патентов, научных 
трудов и материалов конференций.

В последние годы проблема переработки тяжелых нефтей и нефтяных остатков 

привлекает все большее внимание ученых, практиков и проектировщиков. Переработка тяжелых видов сырья представляет собой тяжелую задачу вследствие наличия 
в них серы, азота, тяжелых металлов и смолисто-асфальтеновых веществ. Такую задачу не решить без новых технологий и катализаторов, а также без высокого расхода водорода, позволяющего обеспечить надлежащее качество получаемых продуктов. Все 
эти вопросы получают здесь достаточное освещение.

Каждую главу предваряет краткое изложение ее содержания. Это дает читателю 

возможность быстрее ориентироваться в материале как отдельных глав, так и всей 
книги в целом.

В первой главе приводится характеристика тяжелых нефтей, добываемых на уже 

разработанных месторождениях США, Канады и Венесуэлы. Особое внимание уделено асфальтенам — как наиболее высокомолекулярной части нефти — и их роли 
в образовании кокса. Затрагиваются важные вопросы, связанные со стабильностью 
и совместимостью тяжелых видов нефтяного сырья.

Далее рассматриваются классификация процессов и сопоставление различных 

технологий переработки остаточного сырья — от термических процессов до термокаталитических и гидрогенизационных.

При освещении каждого процесса автор подробно описывает моделирование 

на основе анализа кинетики реакций как некаталитических, так и каталитических 
процессов: гидрообессеривания, гидродеазотирования, гидродеметаллизации, гидродеароматизации. В ряде случаев рассмотрены результаты опытов, технологические параметры и их влияние на выход и качество продуктов. Анализируются основные факторы, влияющие на сложную цепь реакций, равновесие фаз, массоперенос, 
диффузию в частицы катализатора.

Отдельные главы посвящены моделированию термических процессов: висбрекин
га (печного или с выносной реакционной камерой) и коксования. Особо рассмотрен 
процесс газификации, а также процессы некаталитического гидрооблагораживания 
с использованием инертных материалов. Наряду с описанием опытов, приводятся 
технологические параметры и оценка их влияния на результаты процесса.

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Предисловие к русскому изданию
18

Описан процесс гидрогенизационной переработки тяжелого сырья примени
тельно к реакторам со стационарным, движущимся, кипящим слоем, а также в фазе 
суспензии.

В книге немало конкретных примеров, связанных с переработкой тяжелой неф
ти «Майя».

Подробно рассмотрены моделирование реакторов, кинетика реакций, стехиоме
трические коэффициенты, даются уравнения и методы их решения.

Книга может быть рекомендована специалистам отрасли, стремящимся к углу
бленному изучению сущности процессов (как термических, так и термокаталитических), протекающих в реакторах разного типа. Вместе с тем она будет полезна 
руководителям производства, людям, занятым в нефтепереработке, а также исследователям механизма и кинетики реакций, протекающих в тяжелом нефтяном сырье. 
Несомненный интерес книга представляет для учащихся вузов нефтегазового профиля и молодых специалистов — всех тех, кто стремится повысить свою квалификацию, 
пополнить и углубить знания об особенностях переработки тяжелого сырья.

О. Ф. Глаголева,
д-р техн. наук, профессор

В. А. Винокуров,
д-р хим. наук, профессор

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Предисловие

Серьезной проблемой современной нефтепереработки является то, что добыча тяжелой нефти обгоняет добычу легкой. Тяжелая нефть содержит повышенное количество примесей (серы, азота, металлов и асфальтенов); ее перегонка дает больше остатка и меньше дистиллятов (бензина и дизельного топлива). Эти особенности 
снижают ценность тяжелой нефти. Кроме того, действующие нефтеперерабатывающие заводы рассчитаны на переработку легкой нефти; перерабатывать одну лишь тяжелую нефть они не могут. Поэтому тяжелую нефть разбавляют легкой, хотя это возможно лишь до определенной степени.

Переработка тяжелой нефти требует или существенных изменений в кон
струкции действующих установок, или сооружения новых. В обоих случаях ввиду технологического разнообразия установок не обойтись без значительных 
капита ловложений.

Одно из возможных решений проблемы — пропустить тяжелую нефть через уста
новку облагораживания, прежде чем отправить на нефтеперерабатывающий завод. 
Такие установки будут преобразовывать тяжелую нефть в промежуточную и легкую 
с малым содержанием примесей и повышенным содержанием дистиллятов. Описанные в литературе процессы облагораживания опираются на один из двух принципов: 
1) обеднение углеродом и 2) обогащение водородом. Основной технологией среди 
первой категории процессов является замедленное коксование, которое в нефтеперерабатывающей промышленности применяется шире остальных. На втором месте 
по объемам применения стоит каталитическая гидроочистка, относящаяся ко второй категории.

Для расчета процессов облагораживания тяжелой нефти нужны инструменты 

имитационного моделирования, опирающиеся на лабораторные эксперименты. Эти 
инструменты представляют собой математические модели, описывающие явления 
в реакторах превращения тяжелой нефти.

Есть публикации, посвященные имитационным моделям для реакторов различ
ного типа и назначения, но информация о моделировании реакторов для переработки тяжелой нефти крайне скудна. Это обусловлено в основном трудностью получения экспериментальных данных, на основании которых можно было бы вывести 
значения параметров моделей.

Кроме того, моделирование и расчет реакторов усложняет то обстоятельство, что 

они должны перерабатывать тяжелую нефть. Состав и свойства последней таковы, 

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Предисловие
20

что в одной и той же реакционной системе фазы реакционной смеси, типы катализаторов, конструкции реакторов, условия реакций, скорость деактивации катализаторов и другие факторы могут быть столь разнообразны, что разработка модели 
становится крайне трудной задачей. Тяжелая нефть содержит сотни различных компонентов, которые вступают в реакции по разнообразным маршрутам и конкурируют за активные центры катализаторов, что вносит дополнительную сложность в формулировку кинетики реакций и моделей реакторов.

Существует множество литературных источников, рассматривающих различные 

аспекты реакторов нефтепереработки. Но ни один из них не раскрывает разработки 
и применения моделей кинетики, а также реакторов облагораживания тяжелой нефти.

Эта книга содержит новейшие сведения о моделировании реакторов, применя
емых в основных процессах облагораживания тяжелой нефти. Подробно рассматриваются фундаментальные аспекты каждого процесса: термодинамика, химия 
и кинетика реакций, технологические схемы и рабочие параметры. Обстоятельно описываются вывод зависимостей и разработка моделей кинетики и реакторов 
с использованием экспериментальных данных, полученных на реакторах различных масштабов. Благодаря строгому изложению различных вопросов и пошаговому 
описанию формулировки и применения моделей, эта книга станет незаменимым 
источником не только для профессионалов, разрабатывающих модели реакторов 
в нефтяной промышленности, но и для студентов, получающих химико-технологическое образование.

Книга состоит из трех частей. Первая часть имеет дело с общими аспектами 

свойств тяжелой нефти и ее переработки. Вторая и третья части описывают моделирование соответственно некаталитических и каталитических процессов.

Часть I содержит две главы.

•  Глава 1 дает углубленное представление о таких вопросах, как определение тя
желой нефти, ее свойства и анализ. Там же рассматриваются проблемы, часто 
встречающиеся при ее облагораживании и переработке.

•  Глава 2 сообщает о некоторых аспектах промышленного облагораживания тя
желой нефти. Описываются распространенные варианты облагораживания 
методами обеднения углеродом и обогащения водородом, а также комбинированными методами. Освещаются и новые технологии, пока не нашедшие промышленного применения.

Часть II состоит из четырех глав.

•  Глава 3 посвящена моделированию процесса висбрекинга. В ней описаны наи
более важные и фундаментальные особенности этого процесса. Заключительный раздел охватывает моделирование висбрекинга в змеевике и в реакционной камере.

•  Глава 4 имеет дело с моделированием процесса газификации. В начале главы 

описываются основы процесса, его типы и рабочие параметры, затем рассматривается моделирование реакторов.

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Предисловие
21

•  Глава 5 описывает моделирование и имитацию процесса коксования. В первых 

разделах рассматриваются химия процесса и другие теоретические вопросы. 
Остальные разделы имеют дело с моделированием реакторов коксования.

•  Глава 6 посвящена термической гидропереработке. Подробно исследуется вли
яние условий реакций на различные аспекты некаталитических процессов гидрообессеривания, гидродеметаллизации и гидрокрекинга.

Часть III содержит шесть глав.

•  Глава 7 служит введением в вопросы, требующие рассмотрения при моделиро
вании гидрокаталитических реакторов. Она содержит всесторонний обзор важнейших особенностей реакторов, предназначенных для переработки тяжелого сырья, в том числе их классификации, характеристик, параметров процесса 
и теоретических основ. Моделирование иллюстрируется на примере реактора 
гидроочистки газойля, полученного из тяжелой нефти.

•  Глава 8 посвящена моделированию облагораживания тяжелой нефти путем ка
талитической гидропереработки. Описываются получение кинетических данных, исследование влияния сырья на деактивацию катализатора и испытание 
последнего на долговременную стабильность. Приводятся уравнения баланса 
масс и теплоты для моделирования поведения реактора в установившемся и переходном режимах. Описывается также имитация процессов в лабораторных 
и промышленных реакторах в различных ситуациях.

•  Глава 9 рассматривает моделирование лабораторного реактора, в котором про
водятся гидродеметаллизация и гидрообессеривание нефти «Майя». Описываются все аспекты, которые необходимо принимать во внимание при 
моделировании реакторов этого типа, в том числе стехиометрические коэффициенты, коэффициенты скоростей реакций, транспортные и термодинамические свойства.

•  Глава 10 охватывает моделирование реакторов каталитической переработки 

в кипящем слое и в суспензионной фазе. Описываются характеристики и промышленные варианты технологий кипящего слоя. Глава завершается детальным описанием моделирования реакторов.

•  Глава 11 описывает моделирование гидрокрекинга непрерывным агреги
рованием кинетики. Модель иллюстрируется пошаговым описанием ее 
применения.

•  Глава 12 дает представление о других важных аспектах гидрокаталитической 

переработки. Описываются зависимости для прогнозирования свойств продуктов, расчеты расхода водорода, степени превращения сырья и содержания 
металлов в пересчете на свежий катализатор, а также применение функции распределения вероятностей для подгонки кривых кипения.

Каждая глава сопровождается детальными экспериментальными данными, пояс
нениями определения параметров модели и сравнениями результатов расчета по моделям с экспериментальными данными в различных ситуациях.

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru

Предисловие
22

Можно надеяться, что эта книга станет хорошим руководством для читателя, так 

как уделяет особое внимание моделированию реакторов, проверке моделей с использованием экспериментальных данных различного уровня и практическим вопросам, 
касающимся моделирования реакторов для облагораживания тяжелой нефти.
MATLAB® является зарегистрированным торговым знаком компании The Mathworks, Inc. Контактная информация для запроса сведений о продукте:

The MathWorks, Inc.
3 Apple Hill Drive
Natick, MA, 01760-2098 USA
Тел.: 508-647-7000
Факс: 508-647-7001
Электронная почта: info@mathworks.com
Веб-страница: www.mathworks.com

©ЭБС «Неaфть и Газ», 2021 © ЦОП «Профессия», 2009–2021. Все права защищены. www.epcprof.ru