Оборудование нефтеперерабатывающих предприятий и основы проектирования

Ниже рассмотрены конструкции  и правила эксплуатации наиболее распространенных на нефтеперерабатывающих заводах реакционных аппаратов.

 

Реакторы и  регенераторы установок каталитического  крекинга

Процесс каталитического крекинга протекает при температуре 450—500°С и давлении 0,05—0,15 МПа. Сырьем для крекинга являются керосиновые и соляровые дистилляты и остаточные продукты (например, мазут). Процесс предназначен для получения высокооктановых бензинов, газов и газойля.

В настоящее время  на нефтеперерабатывающих заводах  применяют установки каталитического крекинга двух типов: 1) установки, на которых процессы химического превращения сырья (крекинг сырья) и регенерации катализатора осуществляются в сплошном слое катализатора (катализатор шариковый); 2) установки, на которых те же процессы происходят в псевдоожиженном, или кипящем, слое катализатора (катализатор порошкообразный).

На установках с циркулирующим  катализатором процесс протекает  в аппаратах шахтного типа, через  которые непрерывным потоком сверху вниз движутся шарики катализатора диаметром 3—5 мм. В прямоточных реакторах катализатор и сырье контактируют, двигаясь прямотоком. Реакторный блок каждой установки состоит из реактора, регенератора и системы транспорта катализатора.

Наибольшее распространение  получают установки с порошкообразным или микросферическим катализатором. Возможность создания режима кипящего слоя позволяет упростить конструкцию реакционных аппаратов и систему транспорта катализатора.

 

Аппараты установок  с циркулирующим шариковым

 катализатором

Схемы реакторных блоков зависят от взаимного расположения реакторов и регенераторов по высоте. На отечественных заводах получила распространение схема с однократным подъемом катализатора. По этой схеме реактор размещают под регенератором или, наоборот, регенератор под реактором. При ином расположении неизбежен двукратный подъем катализатора (для подачи его в реактор и затем в регенератор).

Отличительной особенностью установок крекинга с однократным  подъемом катализатора является большая  высота реакторного блока (около 100 м).

Реакторы. Прямоточные  реакторы установок крекинга с шариковым катализатором имеют шесть характерных зон, каждая из которых выполняет определенную функцию (рис. 16).

Из верхнего бункера  через стояк катализатор самотеком  поступает в верхнее распределительное устройство, представляющее собой цилиндрическую обечайку. Оно предназначено для равномерного распределения потока катализатора в зоне реакции аппарата и с этой целью снабжено распределительными трубами, изогнутыми таким образом, чтобы нижние концы их были расположены по трем или четырем концентрическим окружностям, распределяемым равномерно по сечению реакционной зоны. Такая конструкция позволяет изменять объем указанной зоны, наращивая длину труб установкой специальных труб-удлинителей. В сборник катализатора подают инертный газ для создания затвора и предотвращения уноса продуктов реакции.

В зоне ввода сырья  обеспечивается равномерное распределение его по сечению реакционной зоны. Конструкция этой зоны зависит от качества и состояния сырья, поступающего в аппарат. Необходимо, чтобы шарики катализатора равномерно опыливались жидкой фазой сырья.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      При работе на облегченном сырье его подают в пространство над устройством для распределения катализатора через два штуцера в верхнем сферическом днище корпуса реактора               (см. рис. 16). В случае тяжелого сырья такая конструкция ввода может привести к закоксовыванию верхней части аппарата, поэтому трубы распределительного устройства защищают от контакта с сырьем завесой из катализатора. Для этого                   распределитель сырья¹ помещают посередине, под средним                   конусным распределителем катализатора (рис. 17).

Реакции каталитического крекинга происходят в пустотелой части аппарата, называемой реакционной зоной, и сопровождаются поглощением тепла. Поэтому температура катализатора и реакционной смеси при их прямоточном движении снижается. Прямоток позволяет использовать избыточное тепло регенерированного катализатора для нагрева и испарения сырья, предотвращая в то же время перегрев паров продуктов реакции. Объем реакционной зоны должен быть таким, чтобы продолжительность контакта паров сырья с катализатором была достаточной для достижения заданной глубины крекинга.

Ниже реакционной зоны расположена зона отделения продуктов реакции и паров неразложившегося сырья от катализатора. Сепарационное устройство состоит из тарелки (трубной решетки), в которую вмонтированы трубы для вывода паров продуктов реакции (газосборньге трубы) и для ввода  катализатора   (преточные трубы). Жесткость    тарелки обеспечивается ребрами из листовой стали.  Чтобы избежать спуска катализатора через щели, тарелку по периферии снабжают уплотнением из асбестового шнура.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Регенераторы. Регенераторы служат для восстановления (регенерации) отработанного катализатора. Для этого необходимо выжечь кокс, покрывший поверхность катализатора. Температура катализатора после выжигания кокса очень высока, поэтому до подачи в реактор его охлаждают до 500—560 °С.

Кокс выжигают подачей  в слой закоксованного катализатора горячего воздуха, нагреваемого в специальных топках под давлением до температуры 500 °С. Чем больше количество и выше температура воздуха, тем интенсивнее выжигание. Процесс сопровождается выделением большого количества тепла и, следовательно, повышением температуры среды. Для регулирования параметров процесса избыточное тепло отнимают пароводяной смесью (соотношение пара и воды 1:5), циркулирующей в змеевике, который помещают в слое регенерируемого катализатора.

Регенерация катализатора происходит при движении его в  аппарате сверху вниз поочередно в  нескольких зонах, одинаковых по конструкции и назначению. В каждой зоне имеются устройства для ввода воздуха и вывода дымовых газов, а также змеевик, по которому движется охлаждающая смесь. Число зон зависит от кратности циркуляции катализатора. В каждой зоне выжигают часть кокса и перед подачей в следующую зону катализатор охлаждают. Скорость слоя катализатора в регенераторе не должна превышать 0,25 м/с, чтобы предотвратить значительный механический износ футеровки и внутренних устройств.

Регенератор представляет собой цилиндрический или прямоугольного сечения аппарат. Вследствие высокой температуры среды (до 700 °С) корпус регенератора, изготовляемый из стали марки СтЗ, изнутри футеруют огнеупорной кладкой в один кирпич (толщиной 250 мм). Между футеровкой и стенкой корпуса прокладывают тепловую изоляцию (листовой асбест). К стенкам корпуса приваривают полки, поддерживающие кладку (рис. 19); они снабжены вырезами, воспринимающими температурные деформации. С той же целью зазоры между полками и нижним слоем футеровки заполняют асбестовым шнуром. Внутренние устройства регенератора выполняют из стали марки 1Х18Н9Т.

На рис. 20 представлена конструкция сварного вертикального регенератора квадратного сечения с пятью зонами выжигания. Верхнее распределительное устройство, выполненное из труб, вынесено за аппарат и установлено над ним. Нижнее распределительное устройство, как и в реакторе, состоит из нескольких ярусов сборных воронок. Над первым рядом воронок расположена колосниковая решетка, что способствует измельчению комков спекшегося катализатора. Скорость движения катализатора регулируют шибером, установленным на общем выводе катализатора из регенератора.

 

 

 

 

 

 

 

В некоторых  конструкциях регенераторов выравнивающие устройства потока катализатора делают выносными, т. е. устанавливают под корпусом аппарата.

Корпус регенератора рассчитывают на избыточное рабочее  давление 0,01 МПа и на давление от катализатора. Для большей прочности корпус опоясывают горизонтальными и вертикальными ребрами из двутавровых балок или швеллеров.

Все зоны выжигания (или регенерации) снабжены системами для равномерного распределения воздуха по сечению аппарата, а также сбора и вывода дымовых газов. Кроме того, они оборудованы охлаждающим змеевиком. Поверхность охлаждающих змеевиков зависит от расположения зоны выжигания. Например, в верхней части регенератора, где температура катализатора на начальной стадии процесса низкая, змеевик отсутствует; внизу же, где регулируется температура выводимого из аппарата сильно нагретого катализатора, поверхность змеевика наибольшая.

Конструкция системы  распределения воздуха и сбора  газов должна быть разборной и  легко воспринимать температурные деформации. Воздух подается в регенератор, и газы выводятся из него через центрально- расположенные коробчатые коллекторы (рис. 21). В обе стороны от аппарата отходят подвижно соединенные с ним открытые снизу короба, которые по периферии опираются на корпус. Короба газосборного устройства должны быть такими, чтобы вместе с газом через них не уносился катализатор. Для более равномерного распределения воздуха в регенераторе нижние кромки коробов снабжены треугольными прорезями.

Подаваемый в аппарат воздух движется прямотоком с катализатором или противотоком к нему в зависимости от расположения коллектора по отношению к газосборному устройству. Весьма ответственным узлом является соединение воздушного или газосборного коллектора со штуцерами корпуса регенератора, осуществляемое свободным ниппелем, введенным внутрь центрального коллектора.

Воздухораспределительные и газосборные устройства,                                состоящие из коробов с открытым дном и центрального коробчатого коллектора, имеют следующие недостатки: 1) только 40% площади сечения аппарата используется для сепарации газа, поэтому скорость его искусственно снижают, чтобы предотвратить унос катализатора; 2) не обеспечивается достаточно равномерное распределение воздуха по сечению регенератора; 
3) трудно достигается необходимая герметичность крепления элементов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аппараты установок  с кипящим (псевдоожиженным) слоем  пылевидного катализатора

Установки каталитического  крекинга с кипящим слоем пылевидного или микросферического катализатора работают на синтетическом или естественном активизированном алюмосиликатном катализаторе, размер частиц которого 20—80 мкм.

Преимуществами данного  вида крекинга по сравнению с крекингом, в котором используют шариковый катализатор, являются: 1) возможность простого регулирования в широких пределах степени превращения сырья и циркуляции катализатора; 2) интенсивное перемешивание в реакторе и регенераторе, исключающее местные перегревы и обеспечивающее высокие коэффициенты теплопередачи; 3) меньшие энергетические затраты на транспортирование катализатора; 4) более простые конструкции основных аппаратов.

Особенностью процесса является то, что крекинг и регенерация протекают в кипящем слое катализатора, т. е. в слое взвешенных мелких частиц его, находящихся в постоянном движении. Кипящий слой образуется при пропускании газов через слой катализатора. Если скорость газов достаточна, частицы катализатора, отрываясь от слоя, начинают хаотически перемещаться. Интенсивность движения частиц и, следовательно, размеры пор между ними определяются скоростью газов. Чем больше скорость, тем больше высота кипящего слоя при одинаковом объеме спокойного катализатора. Пылевидный катализатор в слое становится подвижным подобно жидкости, поэтому такой слой называют также псевдоожиженным.

Дальнейшее увеличение скорости (может привести к режиму пневмотранспорта т. е. к уносу катализатора. При снижении скорости плотность кипящего слоя увеличивается, объем уменьшается, и катализатор может прийти в спокойное состояние, при котором пары или газы проходят через пустоты между его частицами, не перемещая их и не перемешивая слоя (такой режим создается, например, в стояках реакторов и регенераторов).

Крекинг в псевдоожиженном  слое протекает при температуре 460—510 °С и избыточном давлении до 0,18 МПа. Скорость потока катализатора в кипящем слое составляет 0,3—0,75 м/с, причем в 1 м³ смеси содержится 400—560 кг катализатора.

Схемы реакторных блоков. Установки крекинга с кипящим  слоем катализатора работают по следующей принципиальной технологической схеме. Нагретое до 400 °С сырье смешивают с горячим восстановленным катализатором, ссыпающимся из регенератора через стояк, и направляют смесь в реактор. Поток катализатора, паров сырья и воды равномерно распределяется по сечению аппарата, в котором поддерживают определенные высоту и температуру кипящего слоя. Смесь паров углеводородов, полученных в результате реакции, водяных паров и уносимых с ними частиц катализатора, не осевших в отстойной зоне реактора (пустотелой части аппарата), поступает в циклонные сепараторы. В циклонах улавливается катализаторная пыль, возвращаемая по стояку в кипящий слой. Пары из сепараторов направляют в ректификационную колонну.

Закоксованный катализатор  из реактора подают в регенератор, где также поддерживается кипящий слой соответствующей высоты. В слое происходит выжигание кокса воздухом при температуре 580—650 °С. Температуру регулируют отбором избыточного тепла установленными в кипящем слое змеевиками пароперегревателя. Регенерированный катализатор вновь направляют в реактор.

Схема реакторного блока  определяется взаимным расположением реактора и регенерат^ра, а также системой подачи (транспорта) в них катализатора. От выбранной схемы зависит давление в этих аппаратах. Различают четыре основные схемы реакторного блока.

1. Схема с двукратным  подъемом катализатора, когда регенератор расположен выше реактора, а катализатор транспортируется в разбавленной фазе. Регенератор размещают на такой высоте по отношению к реактору, чтобы вес катализатора в спускном стояке обеспечивал преодоление давления в реакторе.

При этом условии  катализатор  транспортируется  непрерывно.

2. Схема с двукратным  подъемом катализатора при расположении реактора и регенератора на одном уровне. Реакторный блок работает при одинаковом давлении в обоих аппаратах, что приводит к увеличению расхода энергии на сжатие воздуха.