Ахметов и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа (2006)

ционную насадку. Сочетание реактора с ректификацией в одном реак- ционно-ректификационном аппарате позволяет:

—обеспечитьпрактическиполную конверсиюза счет исключения термодинамическихограниченийпутемнепрерывноговыводацелевого продукта из зоны реакции 5;

—проводить процесс при более низком давлении и более эффективно использовать тепло реакции для проведения процессов ректификации непосредственно в реакторе, снижая энергоемкость процесса;

—упростить аппаратурное оформление и значительно сократить металлоемкость процесса и др.

Сырье. В качестве углеводородного сырья в процессах синтеза МТБЭ наибольшее применение получила бутан-бутиленовая фракция (ББФ) двух процессов — каталитического крекинга и пиролиза. Примерный состав этих фракций следующий (в% мас.):

Ресурсы изобутилена для производств МТБЭ можно увеличить за счет н-бутана, содержащегося в попутных нефтяных газах или газоконденсатах, используя процессы дегидрирования и последующей изомеризации бутиленов. Источником изобутиленов могут стать газы термодеструктивных или нефтехимических процесов, в частности производств изобутилового спирта.

Вторым сырьевым реагентом процесса синтеза МТБЭ является метанол марки А (по ГОСТ 2222–78), имеющий следующие свойства:

5При удалении из реакционной системы изобутен + метанол МТБЭ продукта реакции МТБЭ скорость обратной реакции деалкилирования в результате снижения концентрации МТБЭ существенно замедляется, а скорость О-ал- килирования, наоборот, возрастает. Это означает, что в реакционно-ректифи- кационном аппарате по существу протекает необратимая реакция изобутен + метанол → МТБЭ.

691

ОсновыуправленияпроцессомО-алкилированияметанолаизобу-

тиленом.Важнымиоперативнымипараметрами,влияющиминавыход и качество МТБЭ, являются температура, давление, объемная скорость подачисырьяисоотношениеметанол:изобутен.Закономерностьвлияния этих параметров на синтез МТБЭ примерно идентична влиянию их на процесс С-алкилирования изобутана бутенами. Ниже приводим оптимальные пределы режимных параметров синтеза МТБЭ:

При этих условиях в ректификационно-реакторном аппарате конверсия изобутилена составляет 99,5% мас.

Технологическая схема отечественной установки О-алкилирования метанола изобутеном представлена на рис. 6.13.

Процесс синтеза МТБЭ осуществляется в ректификационно-реак- ционном аппарате, состоящем из средней реакторной зоны, разделенной на три слоя катализатора, и верхней и нижней ректификационных зон с двумя тарелками в каждой. На установке имеются два таких аппарата: на одном из них после потери активности катализатора (через 4000 ч работы) осуществляется предварительная очистка исходной сырьевой смеси от серо- и азотсодержащих примесей, а также для поглощения катионов железа, присутствующих в рециркулирующем метаноле вследствие коррозии оборудования. Таким образом, поочередно первый аппарат работает в режиме форконтактной очистки сырья на отработанном катализаторе, а другой – в режиме синтеза МТБЭ на свежем катализаторе. Катализатор после выгрузки из форконтактного

692

аппарата(насхеменепоказан)неподвергаютрегенерации(направляют на захоронение).

Рис. 6.13. Принципиальная технологическая схема установки получения метил-трет-бутилового эфира:

I — сырье (бутан-бутиленовая фракция); II — свежий метанол; III — циркулирующий метанол; IV — метил-трет-бутиловый эфир; V — отработанная бутан-бутиленовая фракция; VI — сброс воды; VII — раствор щелочи

Исходная бутан-бутиленовая фракция с установки каталитического крекинга, подвергнутая демеркаптанизации, и циркулирующий метанол через емкость Е поступают в верхнюю часть реактора форконтактной очистки. Очищенная смесь после нагрева в теплообменнике до 60°С поступает в зону синтеза под каждый слой катализатора Р-1 (2). В верхнюю часть реакционной зоны во избежание перегрева катализатора подается также подогретый в теплообменнике до 50...60°С свежий метанол.

Жидкие продукты реакции, состоящие из МТБЭ с примесью метанола и углеводородов, выводят из куба Р-1 (2) и направляют на сухую отпарку примесей в отпарную колонну К-2, снабженную паровым кипятильником. Целевой продукт — МТБЭ — выводят с куба К-2и после теплообменников и холодильников откачивают в товарный парк.

Паровая фаза Р-1 (2), состоящая из отработанной ББФ, метанола и следов МТБЭ, поступает на конденсацию МТБЭ в колонну К-1, являющуюся по существу конденсатором смешения. Конденсированный МТБЭ возвращают на верхнюю тарелку Р-1 (2) в качестве холодного орошения.

С верха К-1 отводят несконденсировавшиеся пары отработанной ББФ и метанола, которые после охлаждения и конденсации в холодильниках поступают в емкость-сепаратор С-1.

693

Разделение конденсата в С-1 на отработанную ББФ и метанол осуществляют экстракцией последнего водой в экстракторе К-3 (при температуре 40°С и давлении 0,9 МПа). Отработанную ББФ, выводимую с верха К-3, после охлаждения в холодильниках давлением системы направляют в товарный парк и далее для последующей переработки (например, на С-алкилирование).

Отгонку циркуляционного метанола от воды производят в ректификационной колонне К-4при давлении 0,02…0,06 МПа и температуре

вкубе 120°С и верха колонны ≈ 70°С. Метанол, выводимый с верха К-4, охлаждают и конденсируют в воздушных и водяных конденсатораххолодильниках и собирают в рефлюксной емкости С-3. Часть метанола подают в качестве холодного орошения К-4, а остальную часть —

вемкость Е.

Воду, выводимую из куба К-4, после охлаждения в теплообменнике и холодильнике направляют в экстрактор К-3 для отмывки метанола от отработанной ББФ.

Материальный баланс установки синтеза МТБЭ следующий, % мас:

6.8.Оборудование каталитических процессов переработки нефтяного сырья

6.8.1. Реакторы установок каталитического крекинга

Процесскаталитическогокрекингаоснованнаприменениикатализаторов, ускоряющих реакции; он протекает при температуре 450…500°С идавлении0,05…0,15МПа.Сырьемявляютсякеросиновыеисоляровые дистиллятыиостаточныепродукты(мазутидр.).Процесспредназначен для получения высокооктановых бензинов, газов и газойля.

В настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах применяют два типа установок каталитического крекинга:

—установки, на которых процесс химического превращения (крекинг сырья) и регенерации катализатора осуществляется в сплошном слое катализатора (катализатор шариковый);

694

—установки,накоторыхтежепроцессыпроисходятвпсевдоожиженном, 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.

Впрямоточных 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. Режим кипящего слоя позволяет упростить конструкцию реакционных аппаратов и систему транспорта катализатора.

Внефтехимическойпромышленностиширокоеприменениеполучили сменно-циклические реакционные процессы с твердым катализатором, который одновременно используется и в качестве теплоносителя.

Особенностью этих процессов (примером может служить каталитический крекинг) являются сравнительно быстрое отравление катализатора из-за отложений на его поверхности кокса и необходимость периодической регенерации катализатора путем выжига кокса. Проведение химической реакции и регенерации катализатора может быть осуществлено в одном и том же периодически переключающемся аппарате или в двух различных аппаратах – реакторе и регенераторе.

Впервомслучаекатализаторнеподвижен,адляобеспечениянепрерывностиработыустановкисооружаетсядваилибольшеечислоаппаратов.

Вто время как один аппарат используется как реактор, в другом осуществляется регенерация катализатора; затем аппараты взаимно переключаются.Вовторомслучаекатализаторнепрерывноперемещаетсяиз реактора,гдеосуществляется нефтехимическийпроцесс,врегенератор, где с катализатора выжигается кокс. После регенерации катализатор поступает в реактор. В процессе регенерации температура катализатора повышается, он аккумулирует часть выделившегося тепла, которое в дальнейшем целиком или частично используется на осуществление эндотермической реакции, что приводит к понижению температуры катализатора. В этом случае катализатор одновременно используется и как теплоноситель. В процессе регенерации выделяется значительное количество тепла, часть которого отводится и используется, например, для получения водяного пара.

Реакторные блоки каталитических процессов с движущимся катализатором, включающие реактор, регенератор и систему транспорта катализатора, по взаимному расположению аппаратов и схемам цир-

695

куляции катализатора подразделяются на установки с одно- и двукратным подъемом катализатора.

Для схем с однократным подъемом катализатора используются два варианта – реактор располагают над регенератором или регенератор над реактором. При прочих равных условиях схемы с однократным подъемом катализатора отличаются большей высотой установки. Так, для установки каталитического крекинга с гранулированным катализатором высота реакторного блока при двукратном подъеме составляет 60…70, а при однократном 80…100 м.

6.8.1.1.Аппараты установок с циркулирующим шариковым катализатором

Реакторы. Прямоточные реакторы установок крекинга с шариковым катализатором имеют шесть характерных зон, каждая из которых выполняет определенную функцию (рис. 6.14).

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, равномерно по сечению реакционной зоны. Такая конструкция позволяет изменять объем указанной зоны путемнаращиваниядлинытрубустановкойспециальныхтруб-удлини- телей.Всборник катализатора подают инертный газ, создающийзатвор

ипредотвращающий унос продуктов реакции.

Взоне 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 подача его в пространство над устройствомдляраспределениякатализатораосуществляетсячерездва штуцера в верхнем сферическом днище корпуса реактора.

Вслучае 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 сырья помещают посредине, под средним конусным распределителем катализатора (рис. 6.15).

Реакции каталитического крекинга происходят в пустотелой части аппарата, называемой реакционной зоной, и сопровождаются поглоще-

696

697

698

рат снабжают нижним распределительным устройством, собирающим катализатор в один узкий поток для транспортировки в регенератор.

Сборное выравнивающее устройство, показанное на рис. 6.14, состоитизтрехярусов.Из60воронокверхнегоярусакатализаторсобирается сначала в 16 воронок второго яруса, откуда попадает в четыре воронки третьего яруса и далее по штуцерам на нижнем днище реактора выводится к сборнику стояка. Воронки верхнего яруса сверху закрыты перфорированной крышкой, что еще больше увеличивает равномерность поступления катализатора в каждую воронку. Все воронки опираются на балки и крепятся болтами. Между ярусами воронки соединяются прямыми и гнутыми трубами. Прямые трубы подвергаются меньшему износу, а гнутые обеспечивают более равномерный вывод катализатора и его лучшую сохранность. Обязательным условием движения катализатора является наклон труб под некоторым углом, который для шариковогоалюмосиликатногокатализаторадолженбытьнеменее45°.

Реакторы работают при высоких температурах, определяемых температурой катализатора, вводимого через верхний стояк (600…660°С). Поэтому корпуса реакторов изготовляют из легированной стали марки 1Х18Н9Т или биметалла 12МХ+08Х13, а все внутренние устройства — из сталей марок 1Х18Н9Т или 08X13.

Корпус реактора должен быть рассчитан на прочность с учетом рабочего давления и горизонтальной составляющей давления слоя катализатора на стенки аппарата.

После определения толщины стенки аппарата по расчетному давлению обязательна проверка на ветровую и сейсмическую нагрузки.

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

Коксвыжигаютподачейвслойзакоксованногокатализаторагорячеговоздуха,нагреваемоговспециальныхтопкахподдавлениемдотемпературы500°С.Чембольшеколичествоивышетемпературавоздуха,тем интенсивнеевыжигание.Процесссопровождаетсявыделениембольшого количестватепла и, следовательно,повышениемтемпературы 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 конструк-

699

ции 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 поступлением

вследующуюзонукатализаторохлаждают.Скоростьслоякатализатора

врегенераторе не должна превышать 0,25 м/с, чтобы предотвратить значительный механический износ футеровки и внутреннихустройств.

Регенератор представляет собой цилиндрический или прямоугольного сечения аппарат. Вследствие высокой температуры среды (до 700°С) корпус регенератора, изготовляемый из стали марки Ст3, 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. 6.17), которые снабжены вырезами для восприятия температурных деформаций. С той же целью зазоры между полками и нижним слоем футеровки заполняют асбестовым шнуром. Внутренние устройства регенератора выполняют из стали марки 1Х18Н9Т.

На рис. 6.18 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

700