Теоретические основы и технология каталитического крекинга
.pdf
Рис. 2.3
В третьей реакционной зоне, имеющей объем около 7,5 м3, продолжительность контакта составляет только 0,25-
0,40 секунды, а скорость паров и газов в ней 13-15 м/с. На выходе из этой зоны общая конверсия сырья достигает 75-
79% при работе установки с максимальным выходом бензина.
Время контакта сырья с катализатором является фактором процесса, который служит для расчета размеров реактора заданной производительности по сырью при максимальном выходе бензина. Изменение мощности установки отражается на результатах процесса. С ее увеличением или уменьшением по сравнению с проектной и том же времени контакта выход бензина падает. Если производительность выше проектной, падение выхода бензина объясняется снижением продолжительности контакта сырья с катализатором. При снижении производительности ниже проектной выход
28
консорциум « Н е д р а»
бензина уменьшается за счет перекрекинга углеводродов бензина в газ и кокс из-за увеличения продолжительности контакта сырья с катализатором.
В связи с этим производительность установки по сырью должна составлять 60-100% от проектной, что обеспечивает более или менее экономически оправданный выход бензина.
Расход водяного пара в реактор. Водяной пар существенно не влияет на протекание химических реакций крекинга,
но его применение позволяет создать благоприятные условия для всего процесса в целом. Он способствует практически полному и мгновенному испарению сырья, равномерному его распределению в потоке, отпарке углеводородов из закоксованного катализатора и созданию псевдокипящего слоя последнего внизу реактора. Водяной пар вводят в
реактор для достижения трех целей:
распыления сырья;
снятия избыточной теплоты с регенерированного катализатора и понижения плотности его слоя в стояке;
отпарки тяжелых углеводородов с отработанного катализатора в отпарной зоне.
Количество водяного пара, поступающего в реактор с сырьем через распределительное устройство, составляет ~1%
на сырье, что позволяет на выходе из сопел при скорости 20-25 м/с получать сырье в виде мелких капель, имеющих диаметр 80-150 микрон, т.е. соизмеримый с размером частиц катализатора. Поступление в реактор сырья в таком распыленном виде создает большую поверхность тепло- и массопередачи, что обеспечивает его мгновенное испарение,
нагрев паров до температуры реакции и предотвращает слипание частиц катализатора. В этих условиях практически не
29
консорциум « Н е д р а»
остается обогащенной асфальто-смолистыми веществами жидкой фазы, что способствует снижению коксоотложения и уменьшению скорости падения активности катализатора.
Оптимальные значения параметров процесса. При производстве бензина на установке каталитического крекинга его выход повышают, изменяя соответствующим образом технологический режим, т.е. параметры процесса, до тех значений, пока затраты на производство бензина растут пропорционально повышению его выхода. Однако при достижении некоторых пределов (при работе установки на данном сырье и катализаторе) рост финансовых расходов начинает превышать рост производства бензина (рис.2.4). Это объясняется резким увеличением скорости образования кокса и газа, что вызывает дополнительные эксплуатационные затраты (увеличение расхода электроэнергии на подачу воздуха в регенератор и на откачку газа компрессором, расхода воздуха, воды и электроэнергии на конденсацию и охлаждение верхнего продукта ректификационной колонны и т.д.). Кроме того, увеличиваются затраты на подпитку циркулирующего катализатора свежим, так как ускоряется падение его активности. На рис. 2.4 представлен пример определения экономически выгодного выхода бензина (53% на сырье) для фиксированного сырья и катализатора.
Экономически выгодный выход бензина при данной производительности установки, сырье и катализаторе – это такое его количество, при превышении которого возрастает затраты на производство.
Изменение затрат в процессе каталитического крекинга в зависимости от выхода бензина
30
консорциум « Н е д р а»
1 – эксплуатационные затраты; 2 – общие затраты
Рис. 2.4
Те значения параметров процесса каталитического крекинга (температура, кратность циркуляции катализатора и т.п.), при которых достигается экономически выгодный выход бензина называются оптимальными.
Анализ влияния основных факторов на результаты процесса показывает их большое практическое значение для квалифицированной эксплуатации установки. Эти факторы определяют технико-экономические показатели,
31
консорциум « Н е д р а»
безопасность работы установки и ее экологическую совместимость с окружающей средой. При этом обслуживающий персонал должен хорошо знать, что все эти факторы взаимосвязаны и их необходимо учитывать при изменении значений того или иного параметра процесса.
3. Технология каталитического крекинга
Установки с крупногранулированным катализатором начали вводить в эксплуатацию в 1943 г.
Рис. 1. Схема установки крекинга Г-43-102 с движущимся слоем крупногранулированного катализатора: Н-1 - Н-7 - насосы; Т-1, Т-2 - теплообменники; Р-1 - реактор; Р-2 – регенератор, С-2 С-3- бункеры-сепараторы; А-1, А-2 - дозеры катализатора; К1ректификационная колонна, К2-отпарная колонна; ХК-1 - холодильник-конденсатор; С-1 — газосепараторПК1 - газовый компрессор; ПК-2 - турбовоздуходувка; П-1 -трубчатая печь; П-2 - топка под давлением.
На рис. 1 изображена технологическая схема установки Г-43-102 в ее первоначальном исполнении. Поскольку блок ректификации почти одинаков для всех установок каталитического крекинга, остановимся только на ходе сырья и работе реакторного блока. Сырье (газойль) подают насосом Н-1 через серию теплообменников Т-1 и Т-2, обогреваемых
32
консорциум « Н е д р а»
соответственно легким и тяжелым газойлем каталитического крекинга, поступающими из ректификационной колонны К-1. Нагретое до 200—220 °С сырье направляют в нагревательную трубчатую печь П-1, а оттуда в реактор Р-1. Пары продуктов крекинга выводятся в ректификационную колонну К-1, где разделяются на газо-бензиновый погон (уходящий сверху) и два газойлевых дистиллята. Отработанный катализатор ссыпается в дозер А-2 пневмоподъемника и поднимается в сепаратор С-3 потоком горячего воздуха из топки П-2 под давлением. Из сепаратора через дозер А-2
катализатор непрерывно поступает в регенератор Р-2.
Регенерация происходит путем контакта медленно движущегося катализатора с воздухом, подаваемым воздуходувкой ПК-2 в восемь точек по высоте регенератора. Продукты сгорания выводят с девяти сечений регенератора в дымовую трубу. Во избежание перегрева катализатора в секции регенератора (между коллекторами воздуха и дымовых газов) вмонтированы змеевики водяного охлаждения, объединенные в системе из котла-утилизатора С-5 и
водяного насоса Н-7. Регенерированный катализатор попадает в дозер А-1, проходит через пневмоподъемник в потоке горячего воздуха, выходящего из топки П-2, и поступает в сепаратор С-2, а оттуда снова в реактор Р-1 через стояк,
соединяющий реактор с бункером и являющийся затвором для углеводородной фазы реак-
ционного объема.
Предусмотрена циркуляция некоторого количества катализатора через систему отсеивания пыли, образующейся при его истирании. Эта система состоит из отсеивателя, циклонного сепаратора С-4 и бункера для пыли.
Рис. 2. Реактор с шариковым катализатором:
1 - верхний распределитель катализатора; 2 - корпус; 3 - патрубки для отвода паров (гирлянды); 4 - днище; 5 - нижний распределитель катализатора; 6 - переточные трубы.
33
консорциум « Н е д р а»
На рис. 2 изображен реактор типовой установки каталитического крекинга. При проектной пропускной способности установки 800 т в сутки (по свежему сырью) диаметр реактора равен 3900 мм, общая высота 41130 мм, объем реакционной зоны от 30 до 50 м3. Аппарат изготовлен из углеродистой стали и имеет внутри обкладку из легированной стали.
Регенерированный катализатор ссыпается в реактор из бункера через стояк, причем реактор, бункер и стояк смонтированы в общем корпусе. Катализатор, перемещаясь по коническому переходу через переточные трубы,
распределяется по сечению реактора. Перед пуском установки можно отрегулировать длину переточных труб в соответствии с заданным реакционным объемом, поскольку уровень катализатора совпадает с сечением среза труб.
Сырье поступает в реактор в виде паров. В случае тяжелого сырья и если оно испарено только частично, жидкую его часть распыляют через форсунку непосредственно на поверхность катализатора.
Опыт эксплуатации установок на тяжелом сырье показал, что паро-жидкостную сырьевую смесь целесообразно смешивать с потоком катализатора до реакционной зоны в специальном смесителе диффузорного типа (рис. 3); при этом удается почти полностью устранить коксование внутренних стенок и переточных труб
аппарата.
Рис. 3. Узел ввода тяжелого сырья в реактор:
1- центральная переточная труба; 2 - сырьевая линия; 3 - корпус; 4 - боковые переточиые трубы; 5 -
распределитель; 6 - распорная тяга; 7 -тарелка; 8 - дозирующая диафрагма.
34
консорциум « Н е д р а»
Продукты крекинга уходят из реактора через серию патрубков 3 (см. рис. 2), куда проникают через прорези,
размещенные под колпаками, чтобы предотвратить попадание в них катализатора. Пары продуктов выходят из реактора через штуцеры сборной камеры. Отработанный катализатор, отделившийся от основной массы углеводородных паров,
высыпается через патрубки 5 и водяным паром, вводимым через распределительное устройство, отпаривается от механически увлеченных и адсорбированных нефтяных паров. Отпаренный катализатор стекает через сборные воронки распределителя 5, который должен обеспечивать равномерное поступательное движение частиц по высоте реактора и тем самым одинаковую срабатываемость всех порций катализатора.
Второй основной аппарат реакторного блока – регенератор. На описываемой установке регенератор многосекционный, квадратного сечения (3X3 м); общая высота его — 27 м, полезный объем 115 м3. Внутренняя поверхность регенератора обмурована огнеупорной шамотной кладкой. Регенератор имеет восемь зон; каждая зона состоит из желобов для ввода воздуха, коробов для вывода газа и размещенного между ними (начиная с третьей зоны)
змеевика водяного охлаждения, входящего в систему котла-утилизатора. Катализатор проходит регенерационный объем так же, как и в реакторе, с малой линейной скоростью; длительность регенерации от 60 до 80 мин.
Еще одним основным аппаратом на установках каталитического крекинга является топка под давлением — подогреватель воздуха. В аппаратах такого типа (рис. 4)
Рис. 4. Топка под давлением: 1 - штуцер для форсунки; 2 - камера горения; 3 - лкж; 4 - камера смешения; 5 - штуцер для установки предохр. клапана; 6 - дренажный штуцер.
35
консорциум « Н е д р а»
топливо сжигают при давлении, превышающем атмосферное, так как уходящий поток инертного газа или подогретого воздуха должен преодолеть сопротивление слоя катализатора (подвергающегося транспортированию, нагреванию или регенерации), а также местные сопротивления линий пневмотранспорта, распределительных устройств регенератора и т.
д. Избыточное давление в топочном устройстве обеспечивается посредством его герметизации. Топка состоит из двух камер, заключенных в общий корпус, — камеры горения 2 и камеры смешения 4. В камере 2 происходит сгорание жидкого или газообразного топлива.
Если топка предназначена для производства инертного (не содержащего кислорода) газа, то топливо сжигают при расходе воздуха, близком к теоретическому; продукты сгорания смешиваются далее в камере смешения с основным потоком инертного газа, поступающим через штуцер в кольцевое пространство топки; в результате смешения вторичный поток нагревается до требуемой температуры. Если (как в процессе каталитического крекинга) топка служит для подогрева воздуха, то коэффициент его избытка в камере горения может быть принят более высоким, и дымовые газы, содержащие кислород, смешивают с подогреваемым воздухом. Корпус аппарата в целом и камеры горения изготовлен из углеродистой стали; стенки камер горения и смешения выложены изнутри огнеупорным кирпичом.
Снаружи аппарат покрыт теплоизоляцией.
При параллельном расположении реактора и регенератора предусмотрены три топки под давлением: одна для воздуха, подаваемого на регенерацию, и две для обеспечения горячим воздухом линий пневмотранспорта катализатора при пуске установки. Тепловое напряжение камеры горения составляет ~ 3770 тыс. кДж/(м3*ч) [900 тыс. ккал/(м3*ч)].
Топка снабжена предохранительным клапаном, рассчитанным на возможный подъем давления в системе. Расположена
36
консорциум « Н е д р а»
Макет космического корабля «Восток-1» в павильоне «Космос» на ВДНХ. За ним — цитата К. Э. Циолковского:
«Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчёт. И уже в конце концов исполнение венчает мысль»