Расчет реактора установки каталитического крекинга

Давление р=0,1-0,3 МПа создается  исключительно для создания направленного  движения потоков сырья и катализатора.

Для самого процесса каталитического  крекинга повышение давления нежелательно, так как это усиливает реакции  конденсации и адсорбцию тяжелых  компонентов на катализаторе.

Время контакта сырья изменяет соотношение продуктов крекинга. Кратность циркуляции катализатора оказывает на конверсию сырья  и выход продуктов влияние, аналогичное  времени контакта. Под кратностью циркуляции понимают количество катализатора, воспринимающего единицу количества сырья. Увеличение кратности циркуляции приводит к возрастанию коксообразования.

1.5.Характеристика  катализатора.

Реакции каталитического  крекинга протекают на поверхности  катализатора. Направление реакций  зависит от свойств катализатора, сырья и условий крекинга. В  результате крекинга на поверхности  катализатора отлагается кокс, поэтому  важной особенностью каталитического  крекинга является необходимость частой регенерации катализатора (выжигание  кокса). Для каталитического крекинга применяются алюмосиликатные катализаторы. Это природные или искусственно полученные твердые высокопористые вещества с сильно развитой внутренней поверхностью.

В заводской практике применяют  алюмосиликатные активированные природные  глины и синтетические алюмосиликатные  катализаторы в виде порошков, микросферических частиц диаметром 0,04-0,06 мм или таблеток и шариков размером 3-6мм. В массе  катализатор представляет собой  сыпучий материал, который можно  легко транспортировать Потоком  воздуха или углеводородных паров.

На установках крекинга применяются  следующие алюмосиликатные катализаторы:

1. Синтетические пылевидные  катализаторы с частицами размеров 1-150 мк.

2. Природные микросферические  или пылевидные катализаторы, приготовляемые  из природных глин (бентониты,  бокситы и некоторые другие) кислотной  и термической обработкой или  только термической обработкой.

3. Микросферический формованный  синтетический катализатор с  частицами размером 10-150 мк. По сравнению  с пылевидным, микросферический  катализатор при циркуляции меньше  измельчается и в меньшей степени  вызывает абразивный износ аппаратуры  и катализаторопроводов. Удельный  расход его ниже, чем расход  пылевидного катализатора.

4. Синтетический катализатор  в виде стекловидных шариков  диаметром 3-6 мм.

5. Природные и синтетические  катализаторы с частицами размером 3-4мм искаженной цилиндрической. формы. Их часто называют таблетированными, они характеризуются меньшей  прочностью, чем шариковые, и используются  преимущественно на установках  с неподвижным катализатором.

Указанные выше 5 типов катализаторов  являются аморфными.

6. Синтетические кристаллические  цеолитсодержащие катализаторы, содержащие  окись хрома (что способствует  лучшей регенерации), а также окиси,  редкоземельных металлов (улучшающие  селективность катализатора и  увеличивающие выход бензина  с некоторым улучшением его  свойств). Они вырабатываются гранулированными - для установок с нисходящим  потоком катализатора - и микросферическими  - для установок в кипящем слое.

1.6.Технологическая  схема и основное оборудование  процесса каталитического крекинга

Первые промышленные установки  каталитического крекинга появились  на нефтеперерабатывающих заводах  в 20-30-х годах прошлого века. Вначале  в процессе использовались реакторы с плотным (стационарным) слоем крупногранулированного катализатора (рис. 7, а), однако от него вскоре отказались. Причина заключалась в том, что, в результате высокой скорости химических реакций, с одной стороны, и низкой селективности катализатора, с другой, последний очень быстро закоксовывался и терял свою активность. Это происходило не смотря на то, что первоначально в качестве сырья использовались дизельные фракции, менее склонные к коксообразованию. Требовались частые остановки (через 7-10 дней) для регенерации катализатора, которая осуществлялась без его выгрузки, непосредственно в реакторах. Вследствие этого процесс являлся по сути периодическим, а его производительность оставалась невысокой.

Рисунок 7 - Варианты схем каталитического крекинга: а) с неповижным слоем катализатора; б) с движущимся слоем крупногранулированного катализатора; в) с псевдоожиженным слоем катализатора; г) с лифтреактором; 1 - реактор; 2 - регенератор; 3 - сепаратор; І - сырье; ІІ - воздух; ІІІ - продукты сгорания; IV - продукты реакции; V - водяной пар.

Попытки устранить отмеченный недостаток привели ученых и производственников к мысли осуществить непрерывную  регенерацию катализатора. Для этого  необходимо было вывести его в  отработанном (закоксованном) состоянии, регенерировать в отдельном аппарате и вернуть в восстановленном  виде в реактор. Другими словами, следовало организовать непрерывную  циркуляцию катализатора, а также  разработать новые конструкции  реактора и регенератора.

Эта идея была внедрена в  практику в начале 40-х годов прошедшего столетия на установках с движущимся крупногранулированным (шариковым) катализатором. Его перемещение (циркуляция) между  реактором и регенератором осуществлялось с помощью пневмотранспорта, где  в качестве носителя использовался  воздух. Такая циркуляция катализатора схематично показана на рис. 7, б. Со времени внедрения процесса с движущимся катализатором характерной особенностью всех установок каталитического крекинга стало наличие двух аппаратов – реактора и регенератора, работающих всегда в паре и тесно связанных между собой. Такое решение позволило перевести процесс в разряд непрерывных и в значительной степени повысить его эффективность. Тем не менее, установки этого типа также имели весьма существенный недостаток, связанный с пневмотранспортом крупногранулированного катализатора. Высокий удельный расход транспортирующего газа не позволял значительно повысить мощность установки. Кроме того, длительное время пребывания катализатора в реакторе, связанное с невысокой скоростью движения, обуславливало недостаточную эффективность его использования.

Дальнейшее развитие каталитического  крекинга сопровождалось переходом  на процесс в псевдоожиженном (кипящем) слое катализатора (за рубежом процесс  получил название "флюид" или FCC), для чего последний использовался  вначале в виде частиц неправильной формы (пылевидный), а впоследствии преимущественно в виде мельчайших шариков (микросферический). В обоих  случаях размеры зерен катализатора составляли 10-120 мкм. Следует отметить, что псевдоожиженный слой твердых  частиц напоминает жидкость не только по внешнему виду, но и по способности  легко перемещаться из одного аппарата в другой по трубопроводам: вниз (под  действием силы тяжести) и вверх (с потоком газа или паров). Схема  такого процесса представлена на рис. 7, в. Установки с псевдоожиженным слоем катализатора получили наибольшее распространение в нефтеперерабатывающей промышленности многих стран. Это объясняется тем, что в таком процессе обеспечивается равномерный и эффективный тепло – и массообмен во всем реакционном пространстве. При этом заметно уменьшается время, необходимое для диффузии молекул сырья к поверхности катализатора, следовательно, и в целом сокращается время контакта. Это явление было отмечено при эксплуатации установок подобного типа, особенно при использовании цеолитсодержащего катализатора, и позволило перейти к процессу с, так называемым, лифтреактором (рис. 7, г). Лифтреактор представляет собой вертикальную трубу, в которой транспорт катализатора потоком паров сырья сочетается с протеканием химических реакций. Время пребывания катализатора и сырья в таком реакторе составляет 5-7 секунд и этого вполне достаточно (при определенной активности катализатора) для завершения основных процессов превращения, приводящих к образованию целевых продуктов.

Последним словом в развитии рассматриваемого процесса явилось  создание системы MSCC (каталитический крекинг  миллисеконд). Главная ее особенность  заключается в очень коротком времени испарения сырья и  последующем его контакте с катализатором, что подчеркивается в названии. Справедливости ради отметим, что это время исчисляется, конечно, не тысячными долями секунды, а несколько большей величиной (в среднем 0,5-1,5 секунд), которая однако значительно меньше таковой, например, в лифтреакторе.

Рассмотрим систему MSCC, которая, в частности, в ОАО "Мозырский  НПЗ" именуется комплексом каталитического  крекинга. Структурно комплекс подразделяется на 5 секций:

секция 1000 – утилизация тепла  и очистка газов регенерации, вспомогательные системы;

секция 2000 – каталитический крекинг MS и фракционирование;

секция 3000 – газофракционирование;

секция 4000 – очистка сжиженного углеводородного газа от сернистых  соединений;

секция 5000 – очистка бензиновой фракции от сернистых соединений

Блок – схема комплекса  и его взаимосвязь с другими  установками завода показана на рис. 8.

Следует сказать, что всякая технологическая установка как  самостоятельная структурная единица  в составе НПЗ, как правило, разделяется  на секции, блоки или узлы. Такое  деление преследует две цели. Во-первых, повышается безопасность эксплуатации, поскольку между элементами схемы (блоками и т.п.) устанавливаются  отсекающие и изолирующие устройства. Во-вторых, возможно более гибко  и эффективно управлять процессом.

Главной и новой для  Мозырского НПЗ частью комплекса  является секция 2000, включающая собственно каталитический крекинг и первичное  фракционирование продуктов реакции. Ее часто называют сердцем установки. Здесь установлено оборудование, конструкция и эксплуатация которого имеет свои характерные особенности  и сложности. Если для других секций можно отыскать подобные аппараты и  технологические потоки на действующих  установках (например, секция газофракционирования 3000 аналогична секции 400 установки ЛК-6У), реакторнорегенераторный блок является во всех отношениях новым и уникальным для завода. Именно поэтому мы остановимся  подробно только на работе секции 2000.

1.7.Описание технологической  схемы установки каталитического  крекинга

Сырье, нагретое в печи П-1 до 350 °С, вводят в поток регенерированного катализатора перед его входом в реактор Р-1. Полное испарение и частичное превращение сырья происходят еще до поступления взвеси в псевдоожиженный слой. Отработанный катализатор уходит в нижнюю, суженную отпарную секцию-десорбер, где из пор закоксованного катализатора отпариваются летучие углеводороды.

Отпаренный закоксованный  катализатор транспортируют в регенератор Р-2. Чтобы поддержать движение, в основание восходящей части линии пневмотранспорта вдувают воздуходувкой В-3 часть воздуха, направляемого в регенератор для сжигания кокса. Снижение концентрации твердой фазы на этом участке обеспечивает устойчивый транспорт отработанного катализатора.

Регенерированный катализатор  возвращается из регенератора Р-2 в реактор. Пары, образующиеся при контакте сырья с катализатором, снижают концентрацию твердой фазы; в результате обеспечивается движущий импульс в линии регенерированного катализатора.

Пары продуктов крекинга и сопутствующий им водяной пар  покидают псевдоожиженный слой реактора при 490-500 °С и - 0,18 МПа, проходят циклонные  сепараторы и направляются в ректификационную колонну К-1. Основная масса катализаторной мелочи отделяется в циклонах и возвращается в псевдоожиженный слой; самые мелкие частицы пыли уносятся в ректификационную колонну и отмываются в ее нижней части циркулирующей флегмой, образуя шлам. Из колонны К-1 выходят два боковых погона. Нижний представляет собой тяжелый каталитический газойль с н. к. = 350°С. Этот продукт можно направить на повторный крекинг в смеси со свежим сырьем. Верхний боковой погон - легкий каталитический газойль с пределами выкипания 195-350 °С. Бензин и газ вместе с водяным паром выходят с верха колонны К-1-В конденсаторе-холодильнике Т-1 образуются конденсаты нестабильного бензина и водяного пара, расслаивающиеся в газоводоотделителе Е-1. Нестабильный бензин и равновесный с ним жирный газ направляют в систему газофракционирования (на схеме не показана).

Для сброса катализатора из реактора и регенератора при регулярных и аварийных остановках имеется  емкость Б-1; для подпитки системы свежим катализатором и для регулирования его уровня в реакторе предусмотрена емкость Б-2.

Газы, выходящие из регенератора при - 600°С, содержат значительные количества оксида углерода и несут большой  запас тепла. Использование этого  тепла, особенно после дожигания  оксида углерода, позволяет получить в котле-утилизаторе П-3 значительное количество водяного пара при ~4 МПа.

Чтобы обеспечить точность регулировки отвода избыточного  тепла из псевдоожиженного слоя в  регенераторе Р-2, в змеевики регенератора подают не воду, а насыщенный пар из увлажнителя Т-2. Пар, перегревшийся в первой секции змеевиков, охлаждают, впрыскивая водный конденсат в камеру Т-3, до требуемой температуры и подают во вторую секцию, где он вновь нагревается. По выходе из второй секции пар идет в паровую турбину компрессора углеводородного газа, направляемого на газофракционирование.