Теоретические основы и пути интенсификации процесса каталитического крекинга вакуумного газойля

Рис. 2

Давление в рабочей зоне реактора. Реакции крекинга углеводородов сырья протекают с увеличением объема реакционной смеси. В связи с этим, нецелесообразно повышать давление в реакцинной зоне, т.к. это будет смещать равновесие реакций в сторону исходных веществ. В реакторе следует поддерживать минимально необходимое давление, при котором продукты реакции смогут преодолеть гидравлические сопротивления циклонов,

Консорциум « Н е д р а »

трансферной линии, тарелок ректификационной колонны, конденсаторов-холодильников. Кроме того, полученные газообразные углеводороды должны с небольшим избыточным давлением поступать на прием компрессора.

Поэтому давление (избыточное) в рабочей зоне реактора составляет 220-260 кПа (1,2-1,6 ати) и поддерживается автоматически на заданном значении клапаном-регулятором на выходе газов из емкости орошения ректификационной колонны.

При увеличении давления в рабочей зоне реактора происходит неполное испарение сырья, особенно содержащего мазут, что приводит к появлению жидкой фазы, обогащенной асфальто-смолистыми веществами. Эта фаза достаточно легко проникает в поры катализатора, где превращается в кокс. В итоге растет коксообразование,

снижаются активность катализатора и выход бензина. Повышенное давление в реакторе приводит к ускорению реакций полимеризации непредельных углеводородов, содержащихся в бензине, что также негативно отражается на его количественных и качественных показателях.

С понижением давления в реакторе ухудшаются условия адсорбции углеводородов на поверхности и в порах катализатора. При этом часть углеводородов сырья и продуктов первичного крекинга плохо взаимодействует с катализатором. Их крекинг проходит только под влиянием высокой температуры без участия катализатора, что обуславливает разрыв углеводородной цепи в ее середине с образованием предельных и непредельных углеводородов. Такой разрыв цепи для углеводородов С5–С9 приводит к образованию увеличенного количества газов С2–С4 с повышенным содержанием в них непредельных углеводородов. Кроме того, при понижении давления замедляется переток закоксованного катализатора из реактора в регенератор. Это приводит, с одной стороны, к

повышению уровня слоя катализатора в отпарной зоне реактора и, следовательно, увеличению выноса катализатора

Консорциум « Н е д р а »

в циклоны, затрудняя их работу. С другой стороны, уменьшение количества поступающего в регенератор закоксованного катализатора нарушает его температурный режим.

Следует подчеркнуть, что давление в реакторе должно всегда поддерживаться выше, чем в регенераторе для предотвращения проникновения кислорода в реактор, где присутствуют легковоспламеняющиеся и взрывоопасные вещества. Перепад давления между этими аппаратами должен составлять 14-30 кПа (0,14-0,3 ат). При выходе значений перепада давления из этих пределов срабатывает звуковая сигнализация. В целом, давление в реакторе является тем фактором, который фактически не влияет на результаты процесса. Однако оно определяет его безопасность, устойчивую циркуляцию катализатора и вывод продуктов из реактора в ректификационную колонну.

Время контакта сырья с катализатором. Современные высокоактивные катализаторы позволяют проводить реакции крекинга углеводородов при кратковременном взаимодействии друг с другом. Время контакта сырья с катализатором – это время, необходимое для испарения сырья и нагрева его паров до температуры реакции,

адсорбции углеводородов сырья на поверхности пористой структуры катализатора, протекания реакций и вывода образовавшихся продуктов в газопродуктовый поток. По этому показателю рассчитываются размеры реактора для заданной производительности установки. Для конкретного катализатора время контакта определяется в результате специальных исследований на пилотной установке. В реакторе установки каталитического крекинга MS

максимальное общее время контакта сырья с катализатором составляет 6,5-10,5 секунд при производительности

150-250 т/ч. Условно реакционный объем реактора можно разделить на три реакционные зоны с различной продолжительностью пребывания в них газопродуктовой смеси (рис.3). По мере ее движения вверх по реактору в результате увеличения скорости потока время контакта уменьшается от зоны к зоне. Это обусловлено

Консорциум « Н е д р а »

уменьшением площади сечения реактора в зоне 2 и ростом объема реакционной смеси за счет образования более легких, чем сырье, продуктов крекинга. При этом основная часть катализатора отделяется от реакционной смеси еще в зоне 1. Сокращение времени контакта по высоте реактора является важнейшим фактором, предотвращающим перекрекинг продуктов в кокс и газ.

Первая (нижняя) реакционная зона реактора расположена над секцией отпарки (стриппером) катализатора и имеет объем около 80 м3. В ней максимальное время пребывания реакционной смеси составляет 4-8 секунд. Однако контакт сырья с основной массой катализатора занимает 0,8-1,5 секунд. В этой зоне скорость движения потока равна 0,7-0,8 м/с, что позволяет провести осаждение до 50-60% катализатора от общего его количества,

подаваемого в реактор. На выходе из зоны 1 конверсия сырья достигает 45-47%, и это приводит к повышению скорости реакционной смеси до 1,2-1,5 м/с.

Во второй зоне, имеющей объем 23 м3, общая конверсия сырья повышается до 68-69%, что увеличивает объем продуктов реакции и их скорость на выходе из этой зоны до 12-14 м/с. При такой скорости время контакта продуктов реакции с катализатором не превышает 0,5-1 секунды. Пониженная концентрация катализатора в реакционной смеси второй зоны и короткое время контакта исключают перекрекинг продуктов реакции [2].

Схема расположения системы ввода катализатора, сырья и реакционных зон реактора

Консорциум « Н е д р а »

производительности ниже проектной выход бензина уменьшается за счет перекрекинга углеводродов бензина в газ

икокс из-за увеличения продолжительности контакта сырья с катализатором.

Всвязи 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.

Консорциум « Н е д р а »

В этих условиях практически не 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. 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

Консорциум « Н е д р а »