Гидрокрекинг

Давление.

 Повышение давления пpи неизменных прочих параметрах процесса вызывает изменение степени превращения неуглеводоpодных компонентов в результате увеличения парциального давления водорода, сырья и содержание жидкого компонента в системах, находящихся пpи давлениях и температурах соответственно выше и ниже условий начала конденсации.

 Первый фактор способствует  увеличению степени превращения,  второй замедляет протекание реакций. С ростом общего давления в процессе, пpи прочих равных условиях, растет парциальное давление водорода, что ускоряет реакцию гидрирования и способствует уменьшению возможности отложения кокса на катализаторе. Суммарное влияние парциального давления водорода слагается из раздельных влияний общего давления, концентрации водорода в циркуляционном водородосодержащем газе и отношения водород/углеводородное сырье. Хотя все положительные результаты достигаются за счет увеличения расхода водорода, целесообразно поддерживать и общее давление и содержание водорода в циркуляционном водородосодержащем газе на максимально высоком уровне, насколько это допускается ресурсами свежего водородосодержащего газа и экономическими соображениями.

Объемная  скорость.

 Количество загружаемого в реактор катализатора определяется количеством и качеством проектного сырья и заданной конверсией. Отношение количества подаваемого сырья на количество загруженного катализатора в реакторы при фиксированной единице времени называют объемной часовой скоростью.

 При увеличении расхода подачи  свежего сырья при постоянном  объеме катализатора повышается часовая объемная скорость жидкости, и для сохранения постоянной конверсии потребуется соответствующее повышение температуры катализатора. Повышение температуры катализатора приводит к более быстрому коксообразованию и следовательно к сокращению периодов между регенерациями. При работе установки при часовых объемных скоростях, значительно превышающих расчетные, скорость дезактивации катализатора может стать недопустимо высокой.[12, c.297]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Литературный обзор

 

Гидрокрекинг  — один из видов крекинга, переработка высококипящих нефтяных фракций, мазута, вакуумного газойля или деасфальтизата для получения бензина, дизельного и реактивного топлива, смазочных масел, сырья для каталитического крекинга и др. Проводят действием водорода при 330—450°С и давлении 5-30 МПа в присутствии никель-молибденовых катализаторов.

Проектная мощность установки "Гидрокрекинг" по сырью составляет 112,5 т/ч.

Диапазон производительности составляет 60-100% от максимальной, количество часов  работы установки –8000 часов в  год.

 В процессе гидрокрекинга  происходят следующие превращения:

1. Гидроочистка — из сырья удаляются сера-азотсодержащие соединения;

2. Расщепление тяжелых молекул  углеводорода на более мелкие;

3. Насыщение водородом непредельных  углеводородов. [1, c.201]

Самое важное — то, что при гидрокрекинге  не образуется никакого тяжелого неперегоняющегося остатка (кокса, пека или кубового остатка), а только легкокипящие фракции.

Процесс гидрокрекинга является эффективным, поскольку происходит увеличение объема продуктов на 25%. Сочетание крекинга и гидрирования дает продукты, относительная плотность которых значительно ниже, чем плотность сырья.

В зависимости от степени превращения  сырья различают легкий (мягкий) и жесткий гидрокрекинг.

Легкий гидрокрекинг — процесс, проходящий при давлении 5 МПа и температуре 380—400°С и избытке водорода в одном реакторе (стадии), который направлен на получение дизельного топлива и сырья каталитического крекинга.

Жесткий гидрокрекинг — процесс, проходящий при давлении 10 МПа и температуре 380—400°С и избытке водорода в нескольких реакторах (стадиях), который направлен на получение дизельного топлива, керосиновых и бензиновых фракций.

Главной особенностью данного процесса является сам реактор, в котором  непосредственно происходит основная реакция.[6, c.241]

Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химические процессы, сочетающие химические реакции с массо – и теплопереносом. Типичные реакторы – промышленные печи, контактные аппараты, реактора с механическим, пневматическим и струйным перемешиванием, варочные котлы, гидраторы и т. д. Основные требования к промышленным реакторам:

1. Максимальная производительность и интенсивность работы.
2. Высокий выход продукта и наибольшая селективность процесса. Они обеспечиваются оптимальным режимом работы реактора: температурой, давлением, концентрацией исходных веществ и продуктов реакции.
3. Минимальные энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, а также наилучшее использование теплоты экзотермических реакций или теплоты, подводимой в реактор для нагрева реагирующих веществ до оптимальных температур.
4. Легкая управляемость и безопасность работы. Эти условия обеспечиваются рациональной конструкцией реактора и малыми колебаниями параметров технологического режима, позволяющими легко автоматизировать работу реактора.
5. Низкая стоимость изготовления реактора и ремонта его. Это достигается простотой конструкции и применением дешевых конструкционных материалов: черных металлов, силикатных изделий, наиболее дешевых пластмасс.
6. Устойчивость работы реактора при значительных изменениях основных параметров режима.

Перечисленные требования взаимосвязаны  и в значительной степени противоречивы; рациональность их определяется влиянием на себестоимость и качество продукции. Обычно не удается реализовать процесс в реакторе таким образом, чтобы были удовлетворены одновременно все предъявляемые к нему требования в виду их противоречивости. Приходится вырабатывать наиболее рациональные и экономичные решения, обеспечивающие поддержание заданных значений основных параметров процесса: времени реакции, температуры в различных точках реакционной зоны, давления, степени перемешивания реагирующих веществ, изменения концентраций реагентов по высоте (длине) реактора. При проектировании необходимо учитывать кинетику химической реакции и производительность реактора.

При рассмотрении основных закономерностей  была установлена сложность классификации химико-технологических процессов и соответствующих реакторов: по характеру операции (периодические и непрерывные), фазовому составу реагирующих масс (различные группы гомогенных и гетерогенных процессов), тепловому эффекту процесса (экзо- и эндотермические), наивысшей температуре (низко- и высокотемпературные), применяемому давлению (вакуумные, под атмосферным и высоким давлением), степени перемешивания (смешения и вытеснения), температурному режиму (адиабатические, изотермические и политермические). Поскольку гидродинамическая обстановка и температурный режим в основном определяют кинетику процесса, протекающего в реакторе, представляется возможным использовать их, как основу для классификации реакторов. А именно, рассматривать реакторы, работающие в предельных гидродинамических режимах – идеального вытеснения и полного (идеального) смешения в изотермических, адиабатических, или же политермических условиях. Подобная идеализация позволяет исключить из рассмотрения второстепенные черты процесса и использовать те, которые определяют поведение системы.

Степень перемешивания реагирующих  масс в реакторах непосредственно  влияет на режим их работы. Полное смешение обеспечивает постоянство параметров, в частности температуры во всем реакционном объеме, а при идеальном вытеснении температура, как правило, изменяется по высоте реакционного объема. В результате в реакторах вытеснения меняется константа скорости реакции и соответственно скорости процесса. При сравнении моделей идеальных реакторов вытеснения и смешения условно принято постоянство температуры и соответственно константы скорости реакции для всех типов реакторов.

В реакторе идеального вытеснения, например трубчатом, все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь  с движущимися впереди и сзади  и полностью вытесняя подобно поршню находящиеся впереди частицы потока (поршневое движение потока).

Поточный реактор смешения представляет собой аппарат, в котором интенсивно перемешиваются реагенты, например при  помощи мешалки. В него непрерывно подаются реагенты и непрерывно выводятся продукты реакции. Поступающие в такой реактор частицы вещества мгновенно смешиваются с находящимися в нем частицами, т.е. равномерно распределяются в объеме аппарата. В результате во всех точках реакционного объема мгновенно выравниваются параметры, характеризующие процесс: концентрации, степени превращения, скорости реакции, температуры и др.

В единичном реакторе полного смешения, вследствие того, что концентрации реагентов мгновенно снижаются до конечной величины, скорость реакций при больших степенях превращения невелика и потому для достижения высоких степеней превращения требуются реакторы большого объема. Более целесообразна установка ряда последовательно соединенных реакторов полного смешения – каскада реакторов. В реакторах периодического действия единовременно загружают определенное количество реагентов, которые находятся в нем до тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень превращения. После этого реактор разгружают. Распределение концентрации при любой степени смешения реагентов во времени аналогично реактору идеального вытеснения.[3, c.301]

Одним из факторов, используемых для  сравнения и выбора реакторов, является влияние концентрации реагентов, точнее движущей силы процесса на производительность реактора. При прохождении реакционной смеси через реактор идеального вытеснения уменьшается концентрация исходных реагентов по высоте (длине) реактора и в соответствии с этим снижается движущая сила процесса, а при постоянстве других параметров – и скорость процесса.

Аналогичная картина наблюдается  и в реакторах периодического действия.

Сравнение реакторов только по скорости процесса недостаточно. Следует еще  учитывать, что постоянство температуры  и концентрации реагентов по всему  объёму реактора смешения облегчает  управление процессом, автоматизацию  работы реактора.

В реакторах смешения, как правило, эффективнее, чем при режиме вытеснения, протекают реакции с высокими концентрациями реагентов и при  больших тепловых эффектах реакции. Интенсивное перемешивание улучшает условия теплопередачи; уменьшаются  теплообменные поверхности для  отвода (или подвода) теплоты от реагирующей системы.

С другой стороны, перемешивание может  вызвать нежелательное истирание  твердых реагентов, эрозию аппаратуры, усиление уноса из реактора измельчённых твёрдых частиц или капель жидкости. Энергетические затраты в реакторах  смешения могут быть в несколько  раз выше, чем при режиме вытеснения. На рисунке 1 представлены основные типы химических реакторов.[2, c.152]

 

 

 

Рисунок 1 Основные типы химический реакторов:

 а-проточный емкостный реактор  с мешалкой и теплообменной  рубашкой;

б - многослойный каталитических реактор  с промежуточными и теплообменными элементами;

в-колонный реактор с насадкой для  двухфазного процесса;

 г-трубчатый реактор; 

И-исходные вещества; П- продукты реакции; Т - теплоноситель; К - катализатор; Н-насадка; ТЭ теплообменные элементы.

Технологические схемы весьма сходны, отличие их главным образом в применяемых катализаторах. В зависимости от вида сырья и целенаправленности процесса используют одно- или двухступенчатый вариант. Если требуется получение легких топливных продуктов за счет глубокого превращения сырья, часто используют двухступенчатый вариант процесса. При преимущественном производстве дизельного топлива из прямогонного сырья обычно используют одноступенчатый вариант с рециркуляцией остатка.

Наиболее оптимальным  вариантом процесса гидрокрекинга  является однопроходный двухступенчатый вариант гидрокрекинга в реакторе со стационарным слоем катализатора с реактором предварительной гидроочистки сырья при давлении процесса 14,7 – 15,3 МПа, температуре 370 – 420ºС, что позволит получать максимальное количество дизельного топлива из тяжелого вакуумного газойля.

 

3 Характеристика сырья и готовой продукции. Стандарты

 

Сырьем для данной установки  является: тяжелый вакуумный газойль (387–560ºС), для деструктивной переработки с целью получения углеводородов с более низким молекулярным весом, поступающий с установок АВТ ОАО «Нафтан». Характеристика сырья приведена в таблице1.[4]

 

Таблица 1 – Характеристика сырья, материалов и полупродуктов

 

Наименование сырья, материалов, полупродуктов	Наименование показателей, обязательных для проверки Методика UOP (D-)	Технические показатели с допустимыми  отклонениями
1	2	3
1 Тяжелый вакуумный газойль	Плотность при 15,5°С, г/см3 S2, % мас. N2, вес. ppm Ni+V, вес. ppm Анилиновая точка, 0С Углерод по Кодрадсону, вес.% Фракционный состав: н.к., °С 10% 30% 50% 70% 90% к.к.	0,9287 1,509 1892 0.24 81,0 0,58   387 428 460 479 502 529 560
2 Инертный газ	N2, % масс., min СО, ppm max СО2, ppm max Другие соединения углерода, ppm max Cl, ppm max H2O, ppm max H2, ppm max O2 углеводородные газы	99.7 20 20   5 1 5 20 100 следы