Теоретические основы и пути интенсификации процесса каталитического крекинга вакуумного газойля

С конверсией связано такое понятие, как жесткость технологического режима процесса. Жесткий режим – это повышенные температура в реакторе, кратность циркуляции катализатора, обеспечивающие высокое значение конверсии и, как следствие, увеличение выхода кокса и максимальное октановое число бензина.

Показатели качества сырья и их влияние на результаты каталитического крекинга были рассмотрены в предыдущей главе. Здесь мы остановимся на других факторах процесса, в основном, с точки зрения получения главного продукта – бензина.

Температура в реакторе. В процессе каталитического крекинга основные химические реакции протекают с поглощением теплоты и по этой причине температура продуктов крекинга снижается по мере их продвижения от зоны контакта сырья с катализатором до выхода из реактора. Перепад температуры по высоте реактора может достигать 30-40°С. Ее значения контролируются в нескольких точках, расположенных по высоте и сечению реактора. В рабочем режиме установки она изменяется в пределах 490-530°С [2]. За температуру в реакторе обычно принимают температуру продуктов реакции на выходе из него при входе в циклоны. Она зависит от расходов вводимых в реактор сырья и катализатора, их температуры, активности катализатора, глубины превращения,

количества подаваемого водяного пара, степени распыления сырья и его физико-химических свойств. Температура в реакторе, наряду с кратностью циркуляции и температурой регенерированного катализатора, относится к основным параметрам, которые можно изменять в процессе работы установки. При эксплуатации установки активность и селективность катализатора снижаются. Поэтому, а также из-за его потерь через циклоны реактора и регенератора, в систему циркуляции вводят свежий или равновесный катализатор. Для сохранения выхода бензина и его октанового числа требуется постоянная, желательно равномерная, подпитка катализатора и повышение

Консорциум « Н е д р а »

температуры в реакторе. Эти операции приводят к возрастанию скорости первичных (расщепление тяжелых

углеводородов сырья при их контакте с катализатором) и вторичных (превращение углеводородов, образовавшихся

врезультате первичных реакций) химических реакций, что способствует росту конверсии сырья, изменению выхода и состава получаемых продуктов. В среднем, повышение температуры в реакторе на 10°С приводит к увеличению конверсии на 12-13%. С ее ростом до 530°С (рис. 2.1) увеличивается выход бензина (н.к.-195°С) и его октановое число по исследовательскому методу [2].

При температуре выше 530°С количество образующегося бензина уменьшается, так как начинают разлагаться углеводороды, входящие в его состав. Это явление называют перекрекингом. Он приводит к образованию избыточных количеств газа и кокса. Необходимо подчеркнуть, что на рис.1 дан пример изменения выхода бензина

взависимости от температуры для определенного сырья и катализатора. При других составе сырья и катализаторе численные значения выхода и октанового числа бензина будут другими, но влияние температуры (ход кривых)

останется аналогичным.

Зависимость выхода бензина и его октанового числа (ИМ) от температуры в реакторе [2]

Консорциум « Н е д р а »

Таким образом, температура в реакторе является главнейшим параметром процесса, который, при данном сырье, катализаторе и производительности определяет оптимальный выход бензина с заданным октановым числом.

Остальные параметры процесса такие, как кратность катализатор/сырье, температура катализатора и сырья (200-

250°С), расход водяного пара и т.п., должны иметь значения, при которых возможно установить требуемую температуру в реакторе.

Кратность циркуляции катализатора. Процесс каталитического крекинга проходит в присутствии катализатора, который непрерывно циркулирует по контуру: реактор → регенератор → реактор и т.д. Массовая скорость циркуляции (т/час) должна быть такой, чтобы катализатор мог выполнять следующие функции:

−подвод теплоты в реактор для нагрева и испарения сырья и перегрева его паров до температуры реакции;

−подвод теплоты в реактор для возмещения его затрат на проведение эндотермических реакций крекинга;

−обеспечение высоких скоростей химических реакций процесса;

−вынос кокса из реактора на поверхности своих частиц.

Циркуляция катализатора характеризуется кратностью, которая представляет собой отношение массовых расходов катализатора и сырья, подаваемых в реактор. В промышленных условиях массовая кратность циркуляции катализатора обычно составляет 4-7 и регулируется, как и его расход, специальной задвижкой в зависимости от требуемой температуры в реакторе. При повышении температуры регенерированного катализатора, поступающего в реактор, его расход уменьшается (при стабильной температуре в реакторе). Это приводит к увеличению содержания кокса в отработанном катализаторе, которое не должно превышать 1% мас. При большем количестве

Консорциум « Н е д р а »

кокса происходит его осаждение в пористой структуре катализатора, что затрудняет выжиг углерода и, вследствие этого, снижается эффективность регенерации, т.е. содержание остаточного кокса в регенерированном катализаторе увеличивается. Для снижения содержания кокса в отработанном катализаторе уменьшают температуру в регенераторе и увеличивают подачу кислой воды в стояк регенерированного катализатора, поступающего в реактор. Для предотвращения падения активности количество остаточного кокса на регенерированном катализаторе не должно превышать 0,02-0,03% мас. Вместо термина «содержание кокса на отработанном

(закоксованном) катализаторе» специалисты часто используют понятие «дельта кокс», величину которого рассчитывают по уравнению [2]:

где Кокс – содержание кокса на отработанном катализаторе, % мас.;

К0 – выход кокса на сырье, % мас.;

N – кратность циркуляции катализатора.

Параметр «дельта-кокс» является очень важным для установки каталитического крекинга. Он прямо или косвенно влияет практически на все факторы процесса. Так, снижение его значения приводит к падению количества теплоты, выделяющейся в регенераторе при выжиге кокса. В результате нарушается тепловой баланс реакторно-регенераторного блока, вследствие чего снижаются температура в реакторе, конверсия сырья, выход бензина и кокса. При этом для поддержания температуры в реакторе автоматически увеличивается кратность

Консорциум « Н е д р а »

циркуляции катализатора. Общее количество кокса на катализаторе несколько увеличивается, но «дельта-кокс» еще больше падает.

Уменьшение величины «дельта-кокс» происходит при резком увеличении количества водяного пара,

подаваемого на распыление сырья, облегчении фракционного состава сырья и его коксуемости, а также в период пуска установки при относительно низких температурах в реакторе и загрузках по сырью.

Рост показателя «дельта-кокс» ведет к увеличению температуры в регенераторе и реакторе. Автоматически снижается кратность циркуляции катализатора, при этом активность катализатора падает, уменьшается выход бензина, а количество кокса на отработанном катализаторе возрастает. В результате этого «дельта кокс» продолжает расти.

Причиной увеличения показателя «дельта-кокс» могут быть: резкое утяжеление и рост коксуемости сырья,

повышение температуры предварительного нагрева сырья, уменьшение количества кислой воды (или водяного пара), подаваемой в линию регенерированного катализатора перед вводом его в реактор, и т.д.

Параметр «дельта-кокс» может быть очень полезен при выборе одного из ряда предлагаемых фирмами-

производителями конкурентных катализаторов. По результатам лабораторных испытаний на реальном сырье образцов катализаторов можно оценить выход кокса на них и сделать качественные выводы о целесообразной кратности циркуляции катализатора и уровне его активности.

С повышением кратности циркуляции катализатора растет его концентрация в реакционной зоне, что увеличивает площадь поверхности контакта сырья с катализатором и замедляет падение его активности. В итоге

Консорциум « Н е д р а »

повышается конверсия сырья и, следовательно, выход газа, бензина и кокса (рис.2), при этом образуется меньше легкого газойля и кубового продукта.

Следует отметить, что с ростом кратности циркуляции катализатора до 6,5-7 выход бензина стабилизируется,

а выше 7 несколько падает вследствие перекрекинга входящих в него углеводородов с образованием газа и кокса

(рис.2). Кроме того, высокое значение кратности приводит к сокращению времени его пребывания в отпарной зоне реактора и ухудшению отпарки углеводородов из отработанного катализатора. Это, в свою очередь, вызывает повышение температуры в регенераторе.

Можно сказать, что кратность циркуляции катализатора – это комплексный фактор процесса, т.к. от него зависит не только выход продуктов и их качество, но и условия работы реактора, его отпарной зоны и регенератора.

Зависимость конверсии и выхода целевых продуктов от кратности циркуляции катализатора при постоянной температуре процесса [2]

Консорциум « Н е д р а »