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

Рис. 6.18. Регенератор установки каталитического крекинга с шариковым катализатором:

1 — коллектор ввода воздуха; 2 — коллектор вывода дымовых газов; 3 — охлаждающие змеевики; 4 — распределительное устройство; 5 — сборное выравнивающее устройство; 6 — колосниковая решетка; 7 — воздухораспределительный короб; 8 — газосборный короб

701

корпус регенератора 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 в 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 врегенератор и газы отводятся из него через центрально расположенные коробчатые коллекторы. 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.

Подаваемый в аппарат воздух движется прямотоком или противотоком с катализатором, 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:

—только 40% площади сечения аппарата используется для сепарации газа, поэтому скорость его искусственно снижают, чтобы предотвратить унос катализатора;

—не обеспечивается достаточно равномерное распределение воздуха по сечению регенератора;

—трудно достигается необходимая герметичность крепления элементов.

На рис. 6.19 приведены более совершенные конструкции газосборных устройств. Так, на рис. 6.19агазосборные короба пронизывают все сечение аппарата и своими открытыми концами собирают газ в кольцевой камере, откуда он отводится через штуцера. Конструкция, показанная на рис. 6.19б, отличается ложным днищем с переточными трубами.

702

Рис. 6.19. Газосборные устройства:

а — с кольцевым фартуком; б — с внутренним днищем; 1 — перепускная труба; 2 — кольцевой фартук; 3 — короб; 4 — внутреннее днище

Для распределения воздуха применяют также трубный коллектор с перфорированными лучами, равномерно распределенными по сечению регенератора.

Змеевики для охлаждающей смеси изготовляют в виде бесшовных труб размерами 60×5 мм из сталей марок 1Х18Н9Т или 15Х5М. Трубы соединяют в змеевики сваркой с помощью гнутых двойников, расстояние между которыми составляет 150 мм. Зазоры между смежными элементами в регенераторе должны обеспечивать по всему сечению равномерное движение катализатора, не нарушаемое местными сужениями. Для этого, в частности, необходимо, чтобы желобы коллекторов находились на расстоянии не менее 60 мм один от другого.

Змеевики работают при температуре 230°С и давлении 3 МПа. Чтобы не происходило расслаивания охлаждающей пароводяной смеси, скоростьеевтрубномзмеевикедолжнабытьнениже0,7м/с.Рядызмеевиков самостоятельно соединены с приемным и распределительным коллекторами смеси. Благодаря этому в случае необходимости можно выключить из системы тот ряд, в котором обнаружена неплотность. Вкорпусеаппаратапривареныспециальныенесущиебалки,накоторые опираются ряды змеевиков.

Конструкция и способ изготовления реакционных аппаратов должны обеспечивать прочность катализатора, стенок корпусов и катализатопроводов. Поверхности, по которым скользит катализатор, должны бытьгладкими,сварныешвы—высококачественнымиизачищенными. Футеровку иногда защищают обшивкой из листовой стали. Особенно опасны участки с крутыми изгибами (переточные трубы и др.).

6.8.1.2.Аппараты установок с кипящим (псевдоожиженным) слоем пылевидного катализатора

Установкикаталитическогокрекингаскипящимслоемпылевидного или микросферического катализатора работают на синтетическом или естественном активизированном алюмосиликатном катализаторе, размер частиц которого 20…80 мкм.

703

Преимуществами данного вида крекинга по сравнению с крекингом, в котором используют шариковый катализатор, являются:

—возможность простого регулирования в широких пределах степени превращения сырья и циркуляции катализатора;

—интенсивное перемешивание в реакторе и регенераторе, исключающее местные перегревы и обеспечивающее высокие коэффициенты теплопередачи;

—меньшие энергетические затраты на транспорт катализатора;

—более простые конструкции основных аппаратов.

Особенностьюпроцессаявляетсято,чтокрекингирегенерацияпротекают в кипящем слое катализатора, т.е. в слое взвешенных мелких частиц его, находящихся в постоянном движении. Кипящий слой образуетсяприпропусканиигазовчерезслойкатализатора.Еслискорость газов достаточна, частицы катализатора, отрываясь от слоя, начинают хаотическиперемещаться.Интенсивностьдвижения частици,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 плотностькипящегослояувеличивается,объемуменьшается,икатализатор 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…660 кг катализатора.

Установкикрекингаскипящимслоемкатализатораработаютпоследующей 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 определенную высоту итемпературукипящегослоя.Смесьпаровуглеводородов,полученных в результате реакции, водяных паров и уносимых с ними частиц катализатора, не осевших в отстойной зоне реактора (пустотелой части ап-

704

парата), 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 этом слое происходит выжигание кокса воздухом при температуре 580…650°С. Температуру регулируют путем отбора избыточного тепла установленными в кипящем слое змеевиками пароперегревателя. Регенерированный катализатор вновь направляют в реактор.

Схема реакторного блока определяется взаимным расположением реактора и регенератора, а также системой подачи (транспорта) в них катализатора. От выбранной схемы блока 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. Процесс осуществляется при избыточном давлении 0,15…0,3 МПа в реакторе и 0,5…1,0 МПа — в регенераторе. Регенератор размещают на такой высоте по отношению к реактору, чтобы вес катализатора в спускном стояке обеспечивал преодоление давления

вреакторе. 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.

3.Схема с расположением реактора и регенератора на одном уровне. Катализатор транспортируется в плотной фазе под действием разности весов в нисходящей и восходящей ветвях с учетом столба катализатора внутри аппаратов. Количество циркулирующего катализатора регулируют изменением плотности его в подъемных стояках, для чего варьируют количество подаваемого в стояки водяного пара или воздуха.

4.Схема с соосным расположением реактора и регенератора и однократным подъемом катализатора в разбавленной фазе. По этой схеме реактор может быть размещен над регенератором или под ним

водном блоке.

Недостаток крекинга в кипящем слое заключается в том, что из-за интенсивного перемешивания сырье в реакторе смешивается с продуктами реакции, а восстановленный катализатор в регенераторе – с закоксованным катализатором, т.е. отсутствуют противоток и более

705

полная регенерация и обработка катализатора. Поэтому в реакционных устройствах кипящий слой разделен на несколько секций с ограниченным смешением газовой фазы и катализатора в каждой секции.

Реакторы современных установок крекинга с кипящим слоем катализатора представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты сконическимиилиполушаровымиднищамидиаметром2500…12000мм, высотой до 27000 мм. Температура среды в работающем реакторе обычно составляет 450…480°С. Корпус аппарата изготовляют из углеродистой стали или биметалла.

На рис. 6.20 приведена схема реактора, в котором обозначены пять характерных зон: распределения смеси паров сырья и катализатора, реакционная, отстаивания, циклонов и отпарки.

На рис. 6.21 представлена конструкция реактора с такими же характерными рабочими зонами. Он представляет собой цилиндрический аппарат, закрытый сверху и снизу коническими днищами. Диаметр аппарата 5350мм, высота 26400мм. Корпус аппарата внутри изолирован шлаковатой и покрыт футеровкой из огнеупорного кирпича, облицованной листовой сталью. Верхнее днище реактора также футеруют огнеупорным кирпичом, подвешиваемым за тавровые балки, приваренные к корпусу.

Смеськатализаторассырьемподаютподраспределительноеустройство реактора — равномерно перфорированную решетку с отверстиями диаметром 35…50 мм. Решетка подвержена интенсивной эрозии и поэтому изготовлена из листовой хромомолибденовой стали толщиной 20…40ммилиизуглеродистойстали,агильзыкотверстиямвыполнены из хромомолибденовых сталей. Решетка служит для равномерного распределенияпотокасырьяикатализатораповсемупоперечномусечению

реактора. Площадь перфорации составляет 5…6% площади решетки.

Распределительное устройство крепится к конусной опоре и свободно опирается по периферии наопорноекольцо,приваренноеккорпусуаппарата. Это обеспечивает свободную компенсацию температурных деформаций. Смесь из транспортной линиипоступаеткрешеткечерезконическуюворонку (расширитель), также несколько выравнивающую поток до решетки.

Рис. 6.20. Схема реактора с пылевидным катализатором:

1 — зона распределения сырья и катализатора; 2 — реакционная зона; 3 – отстойная зона; 4 — циклоны; 5 — отпарная зона; I — сырье и катализатор;

II — продукты реакции; III — вывод катализатора, IV — водяной пар

706

В нижней части реактора путем установки над решеткой вертикальной перегородки образуют отпарную зону (секцию), в которой отработанный катализатор продувают перегретым водяным паром для удаления из него паров углеводородов. Перегородку снабжают несколькими рядами горизонтальных прорезей, через которые катализатор перетекает в зону отпарки вследствие большой плотности кипящего слоя реакционной зоны. Это препятствует движению отпаренных углеводородов в реакционную зону или к стоякам. Пар для продувки катализатора вводят по штуцеру в нижнем конусном днище с помощью форсунок. Иногда отпарные секции выносят за аппарат.

Реакционная зона является пустотелой частью аппарата. Иногда для ограничения внутренней циркуляции сырья и катализатора здесь размещают трубные решетки.

Высота зоны отстаивания обычно не менее 4,5 м, чтобы увлеченные парами мелкие частицы катализатора успели осесть и снова попасть в кипящий слой, высоту которого поддерживают в пределах 6…8 м.

Пары вместе с не осевшей в отстойнойзонекатализаторнойпылью,поднимаясьвверх,поступаютвдвухступенчатый батарейный циклонный сепаратор, состоящий из восьми циклонов (по четыре в каждой ступени). В каждом циклоне можно установить самостоятель-

ныйстоякдлявозвращенияотсепарированногокатализаторавкипящий слой. Учитывая, что в циклонах второй ступени улавливается меньше катализатора, выходные трубы их объединяют в общий бункер с одним стояком. Концы стояков, погруженные в кипящий слой, снабжают кла-

707

панами-хлопушками, предотвращающими прорыв паров из этого слоя

встояки.Циклонныебатареисостоякамиподвешиваютвверхнейчасти аппаратазаэлементы,приваренныеккорпусу.Стоякициклоновприкрепляюткнемутягами,непрепятствующимисвободнойкомпенсациитемпературныхдеформаций.Парыизциклоновнаправляютвсборнуюкамеру реактораипошлемовымтрубамотводятвректификационнуюколонну.

Отработанный катализатор, на поверхности которого содержится 1,1…1,3% кокса, удаляют из аппарата через нижний штуцер и стояк. Трубопроводы для подвода к реактору и отвода от него сырья, продуктов реакции и катализатора имеют диаметр до 1 м. Эти трубопроводы необходимо присоединять к корпусу таким образом, чтобы температурные деформации их не передавались аппарату. На рис. 6.22 показан вариант такого соединения, предусматривающий установку линзового компенсатора на штуцеры и гильзовый ввод трубы.

Все внутренние устройства реактора работают в условиях высоких температур при сильной эрозии потоком катализатора, поэтому их изготовляют из сталей марок 08X13 и 1Х18Н9Т.

Рабочие параметры. Основными эксплуатационными показателями реактора являются температура и давление. Средняя температура

вреакционной зоне определяется количеством введенных в аппарат сырья и катализатора, их температурой и свойствами. Температурный режимработыреактораприпостоянныхсырьеикатализаторерегулируют изменением температуры предварительного нагрева сырья и кратности циркуляции катализатора.

708

6 мм. Футеровка верхнего конического днища выполнена из подвесных кирпичей. Применяют внут-

реннюю изоляцию корпуса регенератора торкрет-бетоном. Для этого ккорпусупривариваютшпильки,устанавливаютсетчатуюметаллическую арматуру и наносят слой бетона толщиной 175 мм. Бетонный слой покрывают экранирующей сеткой и слоем торкрет-бетона толщиной

25… 30 мм.

709

Все внутренние устройства регенератора выполняют из стали марки 1Х18Н9Т. Отработанный катализатор поступает в нижнюю часть аппарата по трубе диаметром 800 мм с коническим диффузором, расширяющимся в сторону распределительной решетки. Воздух подают

вслой катализатора через кольцевые прямоугольные короба, снабженныеперфорированнымиверхнимилистами(диаметротверстий10мм). Короба устанавливают в кольцевом участке между корпусом и распределительной решеткой.

Втечение одного часа в кипящем слое регенератора выжигают 1500…1600 кг кокса. Процесс сопровождается выделением большого количества тепла, избыток которого (1,4…1,6 кВт) отнимают пароводяной смесью, прокачиваемой через охлаждающий трубный змеевик. Этот змеевик, состоящий из нескольких самостоятельно выключаемых секций, располагают вертикально по периферии корпуса на определенном участке (в псевдоожиженном слое).

Размеры кольцевых трубных коллекторов секций — 219 ×8 мм, теплообменных труб — 60×6 мм.

Вкорпусе регенератора ниже пароводяных коллекторов размещены форсунки для разогрева аппарата и катализатора в начале пуска установки.

Газы реакции (дымовые газы) вместе с частью увлеченного потоком катализаторапоступаютвдвухступенчатыйциклонныйсепаратор,подвешенныйвверхуаппарата.Сначалагазынаправляютвшестьциклонов первой ступени. Отсепарированный в них катализатор собирают в три бункера (один бункер на два циклона) и по их стоякам возвращают

вкипящийслой.Далеегазыпроходятчерезшестьциклоноввторойступени,гдедоочищаютсяоткатализатора,поступающеговобщийбункер, и также возвращаются по стояку в псевдоожиженный слой.

При правильном подборе режима выжигания кислород воздуха используется полностью. Если в газах регенерации содержится свободный кислород, то в верхней части аппарата окись углерода полностью окисляется до двуокиси углерода и температура среды резко повышается. Чтобы не допустить дезактивации катализатора и предохранить внутренниеустройстваотвоздействиявысокойтемпературы,вкорпусе регенератора,нескольконижециклонов,устанавливаютпоокружности форсунки, а над циклонами — кольцевой перфорированный коллектор для подачи охлаждающего конденсата. Следует избегать подачи большого количества воды, чтобы предотвратить увеличение уноса катализатора и повышение механического износа циклонов.

Газы, очищенные от катализатора, из циклонов поступают в сбор- нуюкамеру,реактора.Отсюдачерезкотел-утилизатор,гдеиспользуется

710