DD249916A1 - Verfahren zur erzeugung heller produkte und konventionell verwertbaren heizoeles aus schweren metall- und schwefelreichen erdoelrueckstaenden - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von hellen Produkten, wie Vergaser- und Dieselkraftstoffen, und konventionell verwertbaren Heizoeles durch thermische Umwandlung von schweren metall- und schwefelreichen Erdoelrueckstaenden. Die thermische Spaltung der Rueckstaende erfolgt durch mildes Spalten in mehreren Stufen, wobei der jeweils nachfolgenden Spaltstufe der nach Abtrennung der Konversionsprodukte der vorhergehenden Spaltstufe verbleibende Rueckstand zugefuehrt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung heller Produkte, wie Diesel- und Vergaserkraftstoffe, und konventionell verwertbaren Heizöles durch thermische Umwandlung von schweren metall- und schwefelreichen Erdölrückständen.
Die Konversionsprozesse zur Umwandlung schwerer Erdölrückstände in wertvolle helle Produkte, wie Diesel- und Vergaserkraftstoffe, gewinnen bei sinkender primärer Erdölverarbeitung ständig mehr an Bedeutung. Herkömmliche katalytische Spaltanlagen (FCC) und Hydrospa lter sind gewöhnlich nurfürden Einsatz sauberer Destillate geeignet. Solche Rohstoffe sind jedoch in vielen Fällen nicht mehr in ausreichendem Maße verfügbar.
Ein langjährig praktiziertes Prinzip zur Umwandlung schwerer Kohlenwasserstoffe ist das thermische Spalten. Je nach Schärfe der Behandlung wird zwischen sogenannten Coking Prozessen (Hydrocarbon Processing Vol.59, Nr.9, Sept. 1980, S. 154), bei denen als wesentliches Produkt erhebliche Koksmengen mehr oder weniger schlechter Qualitätje nach Einsatzstoffqualität anfällt, und mild spaltenden Visbreaki ng Verfahren (Hydrocarbon Processing, Vol.59, Nr. 9, Sept. 1980S. 158) unterschieden. Der aus den gegenwärtig verfügbaren.schwefel- und metallreichen Erdölrückständen erzeugbare Petrolkoks ist minderwertig und schwer bzw. nicht absetzbar. Auch führt die Anwendung des in den japanischen Patentanmeldungen 56 — 3921, 56 — 93011, 56 — 103210 und 56 — 169427 wie auch in den DD-AP 201 804, 202446, 207923 und 208817 beschriebenen neuen thermischen Spaltverfahren und der auf der dritten Internationalen Konferenz für schwere Erdöle und Teersande vom 22.—31.7.1985 in Long Beach unter dem Titel „HSC-ROSE/DESUS-High Conversion Upgrading of extra heavy oils by a new process combination" vorgestellte Anwendungsfall dieses neuen Verfahrens zu Rückständen, die in konventionellen Heizölverbrennungsanlagen nicht handhabbar sind, so daß in vielen Fällen nur eine milde Spaltung wie beim Visbreaking von z. B. Erdölvakuumrückstand zu niedrigviskoserem Heizöl möglich ist. Als Maß der Spaltschärfe werden vor allem die erzielte Viskositätsreduzierung im Produkt gegenüber dem Einsatzprodukt sowie die Konversion in Prozent gebildete leichte Anteile z.B. unter 5000C siedend verwendet. Mit den bisher bekannten thermischen Spaltverfahren, bei denen als Produkt noch ein verwertbares Heizöl anfällt, werden nur relativ niedrige Konversionsgrade erreicht, die je nach Einsatzproduktqualität und Verfahren etwa zwischen 20 und 30% bezogen auf 500°C —betragen.
Eine spürbare Erhöhung der Konversion durch z. B. Verschärfung der Reaktionsbedingungen ist mit den bekannten Verfahren selbst bei Inkaufnahme von vielen Problemen beim praktischen Betrieb eines Visbreakers, insbesondere durch stark zunehmende Verkokungsneigung nicht möglich, da das anfallende Visbreakerheizöl instabil wird und nicht mehr handhabbar ist.
Diese Probleme werden von vielen Forschern bzw. Firmen analysiert und es wird z. B. von Gädda im Oil & Gas Journal vom 18.10.1982, Seite 120-122, wie auch von Lewis u.a. im Oil & Gas Journal vom 8.4.1985, Seite 73-81 darüber berichtet. Nach Gädda werden Visbreakereinsatzstoffe als kolloidale Systeme angesehen. Die darin enthaltenen Asphaltene sind hochmolekulare Kohlenwasserstoffe mit einem hohen C/H-Verhältnis. Sie enthalten außerdem Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff. Der Asphaltenkern in der Mitte einer Mizelle ist von Komponenten mit zunehmendem C/H-Verhältnis umgeben, der Malthenphase. In einem beständigen Rückstand befindet sich diese kolloidale Mizelle im physikalischen Gleichgewicht mit der Ölphase, d. h. die Asphaltene sind in der Malthenphase peptisiert.
Diese kolloidale Beständigkeit wird während des thermischen Spaltens gestört. Die kontinuierliche Ölphase wird zu kleineren Molekülen gespalten. Es werden neue Asphaltene gebildet. Die Veränderung in der Malthenphase kann einen Punkt erreichen, bei dem die Absorptionskräfte zwischen den Asphaltenen und den Malthenharzen so erheblich reduziert werden, daß die Asphaltene zur Ausflockung tendieren. Bei diesem Punkt sind die Visbreakingheizöle instabil und es kommt zur Schlammbildung.
Als praktikable Bewertungskriterien für die Stabilität von Konversionsheizölen werden gemäß Lewis u.a. Oil & Gas Journal vom 8.4.1985, Seite 73-81, von vielen Heizölerzeugern und -Verbrauchern die Methoden zur Bestimmung des vorhandenen Trockenschlamms nach beschleunigter Alterung mittels Heißfiltration verwendet, die in der oben genannten Veröffentlichung auch beschrieben sind. Heizöle sind als stabil anzusehen, wenn der vorhandene Trockenschlamm < 0,15 Ma.-% und die Differenz zwischen vorhandenen Trockenschlamm und Trockenschlamm nach beschleunigter Alterung <0,04Ma.-% betragen. Wie Gädda (Visbreaking as related to the blending technology of its products", Vortrag zur 2. Internationalen Konferenz für schwere Erdöle und Teersande, 1982, Caracas, Reprint Chapter 134, S. 1258-1261) berichtet, kann die Stabilität von Konversionsheizölen nicht durch Mischung mit anderen Produkten oder Fraktionen verbessert werden, sondern es besteht sogar die Gefahr, daß noch stabile Konversionsöle bei Mischung mit anderen Produkten instabil werden. Deshalb werden Viskreakinganlagen mit mehr oder weniger Sicherheitsabstand an der Grenze der Produktverwertbarkeit gefahren und die Möglichkeiten der Konversionserhöhung mit bisher bekannten Mitteln liegen im wesentlichen in der Verringerung dieses Sicherheitsabstandes durch verbesserte Betriebsführung und -überwachung sowie in der Optimierung der Betriebsbedingungen. Somit liegen sowohl die Unterschiede zwischen den einzelnen bekannten Verfahren, bezogen auf gleiche Einsatzprodukte, als auch die möglichen Verbesserungen nur im Bereich von 1-2% Konversion.
Dieses Ergebnis ist entsprechend den gegenwärtigen und künftigen Anforderungen zur höheren Veredelung des Erdöles für die Raffinerien unbefriedigend und es besteht vielerseits der Wunsch und das Erfordernis zur spürbaren Verbesserung der Umwandlungsraten bei der Aufarbeitung der Erdölrückstände.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung heller Produkte und konventionell verwertbaren Heizöles mit wesentlich verbesserten technisch-ökonomischen Kennziffern, insbesondere mit hoher Destillatausbeute durch thermische Umwandlung von schweren metall- und schwefelreichen Erdölrückständen, bereitzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Destillatausbeute bei der kostengünstigen thermischen Umwandlung schwerster metall- und schwefelreicher Erdölrückstände bei gleichzeitiger Erzeugung von noch konventionell verwertbarem Heizöl durch neue technisch-technologische Lösungen gegenüber bekannten Verfahren wesentlich zu steigern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der schwere Rückstand thermisch mild in mehreren Stufen gespalten wird, wobei der verbleibende Rückstand nach Trennung von Umsetzungsprodukten der vorhergehenden Krackstufe in die betreffende Krackstufe geleitet wird, und wobei die Reaktion jeder voran gegangenen thermischen Krackstufe bei höheren Druck und Temperatur, jedoch mit geringerer Verweilzeit, als diejenige, die für die nachfolgende thermische Krackstufe verwendet wird, erfolgt. Eine hohe Effektivität wird bereits bei zwei Spaltstufen erreicht, wobei die erste Spaltstufe bei etwa 1 MPa und die zweite Stufe bei nahezu atmosphärischem Druck mit etwa 25°C tieferer Temperatur sowie etwa dreifacher Verweilzeit als die erste Stufe zu betreiben ist.
Günstige Bedingungen sind etwa 4250C und 20 min Verweilzeit in der ersten Stufe und etwa 4000C und 60 min Verweilzeit bei ca. 15% Dampfzusatz, bezogen auf Einsatz in der zweiten Stufe.
Falls die Viskosität des verbleibenden Rückstandes für die in manchen Fällen nur verfügbaren veralteten Verbrennungsanlagen zu hoch ist, kann diese durch Mischung mit FCC-Kreislauföl, das zumindest teilweise aus der katalytischen Spaltung der zuvor hydrokatalytisch behandelten schweren Destillatfraktion der zweistufigen milden thermischen Spaltung stammt, auf den erforderlichen Wert reduziert werden.
Ein mittels Vakuumdestillation gewonnener Erdölrückstand folgender Spezifikation
Dichte bei 15 0C (kg/l) 1,011
Stockpunkt (0C) 42
ConradsonTest(Ma.-%) 18,3
Viskosität bei 130 0C (cSt) 182 Hexanunlösliches (Ma.-%) 8,1
Schwefel! M a.-%) 3,12
Stickstoff (Ma.-%) 0,86
Nickel (Mappm) 74
Vanadium (Mappm) 195
wurde derthermischen Spaltung nach dem Visbreakingprinzip unterworfen. Dabei wurde versucht durch Variation der Parameter die Konversion zu maximieren. Im einzelnen wurden folgende Ergebnisse erhalten:
Versuch Temperatur, 0C Verweilzeit, min Druck, MPa Konversion 500 °C-, Ma.-% Qualität des Konversionsrückstandes
— vorhandener Trockenschlamm gemäß Heißfiltrationstest, Ma.-%
Ausbeute mittels atmosphärischer Destillation gewinnbarer Destillate, Ma.-% Erwartete Laufzeit bis zum erforderlichen Entkoken, Tage
415 20
1 18,2
421 20
1 26,3
430 | 20 | 32,5 | -3- | 249 916 | 420 | 42 | 32,8 | |
3 | 1 | 4 | 1 | |||||
<0,15
>350
<0,15
11,6
250
0,45
16,5
15
0,41
16,9
15
424 | 425 |
400 | 400 |
1 | 1 |
0,106 | 0,106 |
20 | 20 |
60 | 55 |
Die Versuchsdaten zeigen, daß mit dem zur Verfügung stehenden Einsatzprodukt eine Konversion von über 25 Ma.-% bezogen auf 5000C erreichbar ist. Konversionsgrade über 30% sind jedoch mittels konventionellen Visbreakens nicht mit zufriedenstellendem Resultat erzielbar. Die durch atmosphärische Destillation aus dem Konversionsprodukt gewinnbare Menge heller Produkte ist relativ niedrig. Durch eine nachgeschaltete Vakuumdestillation ist die Destillatmenge zwar zu steigern, jedoch sind damit nicht unerhebliche Aufwendungen verbunden, die in vielen Fällen den erzielbaren Effekt überwiegen. In einer weiteren Versuchsreihe wurde eine Probe des gleichen Erdölrückstandes erfindungsgemäß einer zweistufigen milden thermischen Spaltung bei zwischengeschalteter Abtrennung von Konversionsprodukt mit folgendem Ergebnis unterworfen:
Versuch ' 5 6
Temperatur, 0C I.Stufe
2. Stufe Druck, MPa I.Stufe
2. Stufe Verweilzeit, min I.Stufe
2. Stufe Dampfzugabe in der2. Stufe
Ma.-%bez. auf Einsatz Abtrennung von Konversionsprodukt nach der 1. Stufe
Ma.-% bzw. auf Einsatz Gesamtkonversion
Ma.-%500°C-Qualität des Rückstandes nach der 1. Stufe, Ma.-% vorhandener Trockenschlamm im Heißfiltrationstest Qualität des Rückstandes nach der 2. Stufe— Differenz von Trockenschlamm nach beschleunigter Alterung und vorhandenem Trockenschlamm im Heißfiltrationstest, Ma.-%
— Schwefel, Ma.-%
— Viskosität bei 225°C,cSt Destillatausbeuten mittels atmosphärischer Destillation bezogen auf Einsatz, Ma.-% Cs-200oC 200-3500C 350-5000C
15
18
54,4
<0,15
15
25,5
58,5
<0,15
0,04 | 0,02 |
2,99 | 3,06 |
42 | 45 |
6,2 | 6,0 |
21,5 | 20,6 |
23,8 | 29,1 |
Gesamtdestillat
51,5
55,7
Die Resultate dieser erfindungsgemäßen Versuchsserie zeigen, daß beträchtliche Steigerungen der Ausbeute heller Produkte bei für die Verwendung als konventionelles Heizöl noch zufriedenstellendere Rückstandsqualität erzielt wurden. Der Vergleich der Versuche 5 und 6 weist aus, daß eine möglichst weitgehende Abtrennung des Konversionsproduktes aus der I.Stufe besonders vorteilhaft ist und selbst bei geringfügig milderen Bedingungen in der 2.Stufe noch eine leichte Steigerung der Gesamtkonversion und insbesondere eine weitere Verschiebung der Produktstruktur zu Gunsten der Fraktion 350-500°C bewirkt, die zur Erzielung hoher Ausbeuten an Vergaserkraftstoff durch die Kopplung von thermischer Spaltung mit katalytischer Spaltung nach dem FCC-Prinzip einschließlich hydrokatalytischer Vorbehandlung besonders wünschenswert ist. In modernen Heizölfeuerungsanlagen sind Rückstände mit Viskositätswerten von über 40 bis zu 5OcSt, die bei üblicher Vorheizung auf 2250C die Rückstände der Versuche 5 und 6 aufweisen, einsetzbar.
Nachstehendes Beispiel zeigt jedoch auch eine Möglichkeit der Viskositätseinstellung für ältere Anlagen bzw. andere Anwender durch Mischung mit FCC-Kreislauföl, das aus der katalytischen Spaltung eines zuvor hydrokatalytisch behandelten Gemisches aus der schweren Destillatfraktion der zweistufigen milden thermischen Spaltung gemäß Versuch 6 und destillativ aus dem Erdöl gewonnenem Vakuumdestillat stammt.
Versuch 7 8
Ma.-% Rückstand aus
Versuch 6 88 74
Ma.-% Kreislauföl 12 26
Qualität der Heizöl-Mischung
Viskosität bei 70°C,cSt 4120 356 '
bei 1000CcSt , 1377 144
bei225°C,cSt 15 —
Schwefel, % . 2,75 ' 2,45
Heißfiltrationstest ·
Ma.-% vorhandener Trok-
kenschlamm < 0,15 <0,15
Ma.-% Differenz von Trokkenschlamm nach beschleunigter Alterung und vorhandenem Trockenschlamm ' 0,01 0,02
Die Versuche 7 und 8 legen dar, daß durch die vorgeschlagenen Mischungsvarianten sowohl Heizöl für Kesselfeuerungen, die nur Viskositäten von ca. 1 ScSt gestatten, erzeugbar ist als auch weit schärfere Viskositätsforderungen, wie sie z. B. für sogenannte Bunker Fuels bestehen, ohne Lagerstabilitätsprobleme, erfüllbar sind.
Claims (4)
1. Verfahren zur Erzeugung heller Produkte und konventionell verwertbaren Heizöles durch thermische Umwandlung von schweren metall- und schwefelreichen Erdölrückständen, gekennzeichnet dadurch, daß der schwere Rückstand thermisch mild in mehreren Stufen gespalten wird, wobei der verbleibende Rückstand nach Trennung von Umsetzungsprodukten der vorhergehenden Krackstufe in die betreffende Krackstufe geleitet wird, und wobei die Reaktion jeder vorangegangenen thermischen Krackstufe bei höherem Druck und Temperatur, jedoch mit geringerer Verweilzeit, als diejenige, die für die nachfolgende thermische Krackstufe verwendet wird, erfolgt.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Zahl der Spaltstufen zwei beträgt, wobei die erste Spaltstufe bei etwa 1 MPa und die zweite Stufe bei nahezu atmosphärischem Druck und etwa 25°G tieferer Temperatur sowie etwa dreifacher Verweilzeit als die erste Stufe betrieben wird.
3. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die erste Stufe bei etwa 4250C und 20min Verweilzeit und die zweite Stufe bei etwa 4000C und 60 min Verweilzeit mit ca. 15% Dampfzugabe bezogen auf Einsatz betrieben wird.
4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Viskosität des verbleibenden Rückstandes durch Mischung mit FCC-Kreislauföl eingestellt wird, das zumindest teilweise aus der katalytischen Spaltung der zuvor hydrokatalytisch behandelten schweren Destillatfraktion der zweistufigen milden thermischen Spaltung stammt.
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