Оборудование нефтеперерабатывающих предприятий и основы проектирования

 

Реакторы установок гидроочистки дизельных топлив

Каталитическую гидроочистку дизельных  топлив применяют для  уменьшения содержания в них серы до 0,2% (масс.) и ниже, для повышения их термической стабильности и улучшения других свойств. Процесс гидроочистки сопровождается реакциями насыщения олефиновых углеводородов и деструктивной гидрогенизации сернистых, кислородных и азотных соединений с образованием парафиновых углеводородов, сероводорода, воды и аммиака.

Гидроочистка осуществляется в присутствии водородсодер-жащего газа при температуре 360—425 °С и давлении 2—5МПа. Степень обессеривания и глубина гидрирования непредельных соединений повышаются с ростом температуры и давления процесса, а также с увеличением кратности циркуляции водо-родсодержащего газа. Для ускорения процесса применяют различные катализаторы, однако особенно часто — алюмокобальт-молибденовый таблетированный катализатор.

Реакции гидрирования протекают  с выделением тепла, избыток которого отводят с помощью хладоагентов (холодного циркуляционного газа, сырья или гидрогенизата).

На отечественных заводах  гидроочистку дизельных топлив сернистых  нефтей осуществляют на двухблочных  установках, реакторные блоки которых  работают следующим образом. Сырье  после смешения с очищенным циркуляционным газом и свежим техническим водородом нагревают сначала в теплообменниках, затем в трубчатой печи (до 360—380 °С) и направляют в реакторы. По мере снижения активности катализатора температуру подогрева сырья повышают. При этом необходимо следить за тем, чтобы максимальная температура в зоне реакции не превышала 435 °С. В противном случае ускоряется за-коксовывание поверхности катализатора и повышается газообразование, являющееся результатом термического крекинга сырья.

Газопродуктовый поток, представляющий собой смесь паров гидрогенизата, газов реакции, сероводорода и циркуляционного газа, поступает из реакторов в сепаратор после предварительного охлаждения в теплообменниках и секционных холодильниках до 50 °С. В сепараторе смесь газов и паров при давлении 4,5 МПа разделяется на гидрогенизат и циркуляционный газ, которые далее перерабатывают в .соответствующих аппаратах.

Отработанный катализатор  в конце реакции содержит 10— 13% (масс.) кокса и до 7% (масс.) серы. Активность катализа тора восстанавливают путем окислительной газовоздушной регенерации. Перед регенерацией систему продувают под давлением 0,8 МПа инертным газом, который затем удаляют из аппарата через вытяжную трубу. Газы регенерации содержат до 0,2% (об.) диоксида серы. Процесс восстановления катализатора начинают с выжигания кокса газами при температуре 420—430 °С и давлении 4 МПа и заканчивают прокаливанием катализатора в течение'четырех часов при температуре 520— 550 °С и давлении 2 МПа. Чтобы сохранить/прочность металла коммуникационных труб при высокой температуре, давление в процессе прокаливания постепенно снижают. Продолжительность выжигания составляет 48—60 ч в зависимости от количества кокса и серы.

Общая продолжительность  цикла регенерации катализатора равна 100—150 ч, поэтому данную операцию совмещают во времени с планово-предупредительными ремонтами. Периодичность регенерации определяется качеством сырья и глубиной очистки топлива и составляет от трех месяцев до двух лет.

Реакторы устанавливают  на железобетонных постаментах таким  образом, чтобы обеспечить выгрузку катализатора самотеком через соответствующие люки.

На рис. 26 показан политропический (многослойный, многосекционный) реактор установки гидроочиетки дизельных топлив. Он представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 1400 мм, высотой 14000 мм с эллиптическими днищами. Корпус реактора изготовлен из двухслойной стали 12ХМ + ЭИ496 толщинойг40 мм, штуцера из стали Х5М. Изнутри корпус футеруют жаропрочным торкрет-бетонном толщиной обычно 125—200 мм. Футеровка должна быть монолитной и состоять из двух слоев: термоизоляционного — непосредственно у корпуса и эрозионное - стойкого — внутреннего. Состояние футеровки проверяют путем измерения температуры стенок корпуса аппарата поверхностными термопарами. Превышение допустимой температуры (200 °С) свидетельствует о нарушении герметичности футеровки на данном участке.

 

 

Рис. 26. Политропический реактор установки гидроочистки дизельных топ-лив:

/ — корпус; 2 —футеровка; 3 — катализатор; 4 — опорное кольцо; 5 — штуцера для термопары; 6 — вывод газосырьевой смеси; 7 —днище; 8 — нижний штуцер; 9 — муфта для манометра- 10 — ввод охлаждающего газа; //— опора; 12 — штуцер для предохранительного клапана; 13 — воздушник; 14 — люк; 15 — штуцер ввода газосырьевой смеси; 16 — съемная колосниковая решетка; 17 — опорный перфорированный лист.

 

 

Внутри аппарата имеется  шесть съемных колосниковых решеток, на которые насыпан таблетированный алюмокобальтмолибденовый катализатор. Колосники устанавливают на кольцевые опоры, приваренные к корпусу реактора. Все внутренние устройства аппарата выполнены из стали ЭИ496.

Над каждым слоем катализатора расположен маточник из хромоникелевых труб для подачи охлаждающего циркуляционного газа. Это позволяет поддерживать в каждой секции необходимую/температуру с постепенным повышением ее по ходу парогазовой смеси. Таким образом, в любой секции протекает адиабатический процесс, а в реакторе в целом — политропический.

Таблетированный катализатор в количестве 12 м загружают в аппарат через верхний люк диаметром 450 мм, на крышке которого имеется воздушник для отвода продувочных газов. Над блоком реакторов сооружают специальные площадки. С них катализатор по гибкому рукаву засыпают в соответствующую секцию (снизу вверх), где рабочий, находящийся внутри аппарата, соблюдая требования техники безопасности для работы в закрытых сосудах, выравнивает вручную слой катализатора. Газосырьевая смесь поступает в верхнюю секцию по штуцеру в верхней части аппарата, последовательно проходит через слой катализатора во всех секциях и по штуцеру под нижней секцией выводится из реактора.

Реактор гидроочистки дизельных топлив, показанный на рис.27, отличается»меньшим отношением высоты аппарата к диаметру и наличием всего двух слоев катализатора (верхний высотой 2,6 м и нижний высотой 4,7 м). Верхний слой катализатора засыпается на колосниковую решетку, нижний — на фарфоровые шарики, которыми заполняется сферическая часть нижнего днища.

Сырье, подаваемое через  штуцер в верхнем днище, равно-•  мерно распределяется по всему сечению, затем для задержания механических примесей проходит через фильтрующее  устройство, состоящее из сетчатых корзин, погруженных в верхний слой катализатора. Промежутки между корзинами заполнены фарфоровыми шарами.

Эксплуатация реакторов установок каталитического риформинга и гидроочистки. Реакторы установок каталитического риформинга и гидроочистки работают в условиях химической и электрохимической ррозии, а также механического износа металла аппаратов катализатором. Химическая коррозия реакторов обусловлена содержанием в высокотемпературных газовых потоках сероводорода и водорода, а электрохимическая коррозия — содержанием в циркулирующих дымовых газах регенерации паров воды и диоксида серы.

Сероводородная коррозия металла аппаратов реакторного» блока установок тем сильнее, чем больше концентрация серы в сырье и чем выше содержание сероводорода -в циркулирующем газе.

 

 

 

Водород, циркулирующий  в системе реакторного блока, вызывает межкристаллитную коррозию металла, сопровождающуюся снижением его прочности и увеличением хрупкости. Межкристаллитное растрескивание, образование раковин и вздутий в  металле оборудования под действием водорода усиливаются при повышении температуры и давления в системе.

Сульфидная коррозия практически протекает очень  медленно, однако продукты коррозии засоряют катализатор, забивают поры между таблетками, а также трубы теплообменников, что нарушает технологический режим процесса гидроочистки или каталитического риформинга, ухудшает теплопередачу и приводит к недопустимому возрастанию гидравлического сопротивления. По возникновению большого перепада давления между входом в реактор и выходом из него часто судят о степени сульфидной коррозии.

Реактор и катализатор  засоряются также из-за присутствия  в газовых потоках кислорода, хлоридов и азотсодержащих соединений. Кислород способствует окислению сернистых соединений, поэтому его концентрация в циркулирующем газе должна быть ограничена (0,0002—0,0006%). Хлориды и азотсодержащие соединения при взаимодействии с водородом образуют соответственно хлористый водород и аммиак, которые, связываясь, превращаются в хлорид аммония, выпадающий в виде осадка. Осадок удаляют периодической промывкой, для чего в процессе эксплуатации установки по ходу продуктов реакции от реактора до сепаратора в систему впрыскивают воду. Промывку продолжают до тех пор, пока перепад давления не уменьшится до значения, определенного технологической картой.

Гидрокрекинг тяжелых нефтяных дистиллятов производят в реакторах со стационарным слоем катализатора при давлении 15 МПа и температуре 450 °С. Они представляют из себя вертикальные цилиндрические аппараты, состоящие по высоте из одной фильтрующей и нескольких реакционных зон. Нефтяной дистиллят в смеси с водородом проходит сверху вниз через фильтрующую зону, где освобождается от примесей, затем последовательно через все реакционные зоны к нижнему штуцеру. Конструкция контактной зоны, показанная на рис. 28, обеспечивает равномерное распределение вступающих в контакт парогазовой и жидкой фаз.

Корпус аппарата многослойный и изнутри изолирован жаростойким торкрет-бетоном (при регенерации катализатора температура стенок повышается до 560 °С). Все внутренние устройства и катализатор размещены в стакане (гильзе), изготовленной из стали марки 12Х18Н10Т. Кольцевое пространство между стенкой аппарата и стаканом продувается водородом.

 

Вопросы для  проверки

1. Катализаторы процесса риформинга
2. Схема работы реакционной секции установки риформинга на платиновом катализаторе
3. Почему теряет активность платиновый катализатор
4. Устройство реакторного блока установки каталитического риформинга
5. Как определяется температура в реакторе
6. Для чего нужна футеровка внутреннюю стенку реактора
7. Катализаторы процесса гидроочистки
8. Работа реакторного блока установки гидроочистки
9. Периодичность регенерации катализатора
10. Устройство реактора гидрокрекинга

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 6

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС АППАРАТА

 

 План

      1.Материальный баланс

      2.Тепловой баланс

      3.Механический расчет

 

Технологический расчет оборудования проводят в определенной последовательности. Сначала на основе законов сохранения массы и энергии составляют материальный и энергетический (тепловой) балансы по следующим уравнениям:

G_н= G_k+ G_н.n (7)                          Q_н= Q_k+ Q_n  (8)

где G_н — масса исходных (начальных) материалов; G_к — масса целевых (конечных) продуктов; Он.п — масса необратимых потерь вещества; 2<2н — вводимое (начальное) тепло; Qк — тепло, уходящее из аппарата с продуктами (конечное); Q_п — потери тепла в окружающую среду.

Материальный баланс для непрерывных  процессов составляют

на единицу времени, для периодических — на одну операцию.

Вводимое тепло включает тепло, вносимое с исходными веществами, тепло, подводимое извне, и тепловой эффект физических или химических превращений. Тепловой эффект является положительной величиной, если процесс сопровождается выделением тепла, и отрицательной — если в ходе процесса тепло поглощается.

Материальный и энергетический (тепловой) балансы для удобства составляют в виде схем или таблиц, где указывают все статьи поступления и расхода. В случае сложных аппаратов материальный и энергетический балансы составляют для отдельных частей (участков) аппарата.

После составления материального  и энергетического (теплового) балансов находят движущую силу и скорость процесса, протекающего в аппарате, чтобы определить основные размеры последнего.

Известно, что всякий процесс протекает до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия. Например, при контакте двух тел, имеющих разные температуры, процесс завершится тогда, когда температура обоих тел станет одинаковой; т. е. наступит состояние равновесия. Разность температур тепло-обменивающихся тел является движущей силой процесса теплообмена. Чем больше эта разность, т. е. чем больше отличается состояние системы от условий, соответствующих равновесным, тем интенсивнее протекает процесс. Таким образом, степень отличия системы от равновесной представляет собой движущую силу процесса.

При расчете каждого аппарата необходимо определить движущую силу процесса, исходя из величин, характеризующих рабочие и равновесные параметры. Связь между размерами аппарата, движущей силой процесса и его скоростью можно выразить уравнением

M/(F

)=K   (9)

где М — количество передаваемого вещества или тепла; F — поверхность, через которую они передаются; т — время, за которое осуществляется эта передача; — движущая сила процесса; К. — коэффициент пропорциональности, характеризующий скорость процесса (выбирают на основании экспериментальных данных либо определяют расчетным путем).

Из уравнения (9) находят рабочую поверхность аппарата, обеспечивающую протекание процесса при всех остальных заданных величинах, входящих в уравнение. Из этого уравнения можно также определить рабочий объем аппарата V, зная, что F =аV (где а — поверхность, приходящаяся на единицу объема аппарата).

При известных объеме среды, находящейся  в аппарате в единицу времени  V сек, и линейной скорости движения среды в аппарате можно найти площадь поперечного сечения аппарата S по соотношению (10). Зная S, определяют линейные размеры поперечного сечения аппарата, исходя из формы сечения. Для цилиндрических аппаратов находят их диаметр D по соотношению   (11).   Высоту   (длину) аппарата  H определяют из соотношения (12).