Wat is een reactor in een olieraffinaderij: doel, soorten en werking

Wat is een reactor in een olieraffinaderij: Doel, soorten en hoe het werkt

Het beantwoorden van de kernvraag: Wat is een reactor in een olieraffinaderij? Een reactor is de drukvat waarin de chemie plaatsvindt, de enige plek in een raffinaderij waar moleculen opzettelijk worden afgebroken of opnieuw worden opgebouwd in plaats van alleen te worden gesorteerd. Al het andere in de fabriek scheidt, verwarmt, koelt of verplaatst materiaal; de reactor verandert wat het materiaal is. Een hydrotreater draait op 300-400°C en 30-100 bar, waarbij een distillaatstroom met waterstof over een kobalt-molybdeen katalysator wordt geleid die zwavel verwijdert. Een hydrocracker draait op 350-450°C en 100-200 bar en gaat verder, waarbij zware gasolie wordt gekraakt tot diesel en vliegtuigbrandstof. Een katalytische reformer draait op 480-525°C over platina om nafta om te zetten in reformaat met een hoog octaangehalte. Een fluid catalytic cracking riser werkt op 500-540°C met een contacttijd van slechts 2-5 seconden. Deze vaten zijn de grootste en zwaarste onderdelen in de fabriek, met wanddiktes van 100-300 mm en gewichten die 1.200 ton bereiken, en ze worden ook het nauwst in de gaten gehouden, omdat de winstgevendheid van een raffinaderij erin wordt bepaald.

1. Wat gebeurt er werkelijk in een reactor van een raffinaderij

Vier dingen gebeuren in elke reactor, en het begrijpen ervan verklaart het hele ontwerp:

• De voeding ontmoet een katalysator: Bijna alle reactoren in raffinaderijen bevatten een vaste katalysator, een poreus materiaal met een enorm intern oppervlak, vaak 150-400 m2 per gram, waarop de reactie plaatsvindt. De voeding wordt gepompt en verwarmd tot de reactietemperatuur en stroomt vervolgens door het gepakte bed van katalysatorpellets, meestal 1-3 mm in diameter. De snelheid wordt uitgedrukt als een ruimtelijke snelheid, meestal 0,5-5 h-1, wat betekent dat de voeding het katalysatorvolume tussen 0,5 en 5 keer per uur passeert, en dit getal bepaalt de bereikte conversie. Omdat de katalysator de plek is waar waarde wordt gecreëerd, bestaat al het andere in de reactor om deze te dienen: verdelers om de voeding gelijkmatig te verspreiden, steunroosters om deze vast te houden, thermocouples om de temperatuur te meten en quenchsystemen om deze te regelen.
• Warmte wordt vrijgegeven of geabsorbeerd: Dit is de factor die het mechanische ontwerp het meest vormgeeft. Hydrotreating en hydrocracking geven warmte af, dus de reactor is gebouwd met verschillende afzonderlijke katalysatorbedden en er wordt koude waterstof tussen geïnjecteerd om de temperatuur weer te verlagen, waardoor de stijging over elk bed wordt beperkt tot 20-40°C. Katalytisch reformeren is het tegenovergestelde: de reacties die aromaten creëren, absorberen warmte, dus de reactoren zijn gerangschikt in drie of vier adiabatische trappen met een oven ertussen om de warmte terug te brengen. Fluid catalytic cracking lost het probleem anders op, door de katalysator continu te circuleren tussen de reactor en een regenerator, waar de cokes die tijdens het kraken wordt afgezet, wordt verbrand op 650-730°C, en de hete geregenereerde katalysator draagt die warmte terug naar de reactor om de kraakreactie te voeden.
• De katalysator sterft langzaam af: Elke katalysator verliest na verloop van tijd activiteit, en het mechanisme hangt af van het proces. Bij kraken worden cokes in seconden afgezet. Bij hydrotreating blokkeren cokes plus metalen zoals nikkel en vanadium geleidelijk de poriën, en de campagne eindigt na één tot vijf jaar. Bij katalytisch reformeren bouwen cokes zich op gedurende zes tot vierentwintig maanden. De operator compenseert door de temperatuur langzaam te verhogen gedurende de campagne, wat de snelheid herstelt, maar ook de deactivatie versnelt, dus de campagne eindigt wanneer de maximaal toegestane temperatuur, de drukval over het bed, of de product specificatie is bereikt. De reactor wordt dan stilgelegd voor katalysatorregeneratie of -vervanging, wat de belangrijkste reden is voor een stilstand van de raffinaderij.
• Druk, metallurgie en insluiting: Een reactor van een raffinaderij is een drukvat van uitzonderlijke kwaliteit. Wanddiktes van 100-300 mm in laag-gelegeerd chroom-molybdeen staal zijn normaal, en de reden is niet alleen de druk, maar de combinatie van waterstof, waterstofsulfide en temperatuur. Atoomwaterstof bij hoge partiële druk tast de koolstof in gewoon staal aan en vormt methaan in het metaal, een faalmodus die high-temperature hydrogen attack wordt genoemd, daarom wordt het materiaal geselecteerd tegen de API 941 Nelson curve. Het vat is gebouwd volgens ASME VIII Division 2 met een roestvrijstalen lasbekleding op alle natte oppervlakken, en het is uitgerust met een minimale drukzet temperatuur, meestal 90-150°C, waaronder het nooit onder druk mag worden gezet omdat het staal broos wordt na lange dienst.

2. De belangrijkste reactoren die u in een raffinaderij zult vinden

Een moderne raffinaderij bevat vijf tot vijftien reactoren, en elk heeft een specifieke taak in het proces schema:

• Hydrotreater: De meest voorkomende reactor in elke raffinaderij en degene die moderne brandstofspecificaties mogelijk maakt. Het verwijdert zwavel, stikstof, zuurstof, metalen en olefinen door ze te laten reageren met waterstof over een kobalt-molybdeen of nikkel-molybdeen katalysator op 300-400°C en 30-100 bar. De output is waterstofsulfide en ammoniak, die worden gescheiden en naar de zwavelinstallatie worden gestuurd, en een schoon product dat voldoet aan de 10 ppm zwavellimiet voor ultra-lage zwavel diesel. Bijna elke stroom in een raffinaderij passeert er een: nafta vóór de reformer, omdat zwavel platina vergiftigt; kerosine vóór het mengen van vliegtuigbrandstof; diesel vóór verkoop; gasolie vóór de FCC of hydrocracker; en vacuüm gasolie vóór conversie.
• Hydrocracker: De meest zware en meest waardevolle conversie reactor. Het werkt op 350-450°C en 100-200 bar en doet twee dingen tegelijk: het kraakt zware moleculen tot moleculen in het diesel- en vliegtuigbrandstofbereik met behulp van een zure zeoliet component, en het hydrogeneert ze met behulp van een metaal component. Omdat het kraken plaatsvindt in een waterstofrijke omgeving, zijn de producten verzadigd en laag in zwavel en olefinen, dus hydrocracker diesel en vliegtuigbrandstof behoren tot de hoogste kwaliteit mengcomponenten die beschikbaar zijn. De reactor is een massief dikwandig vat met vier tot zes katalysatorbedden, koude waterstof quench ertussen, en een aparte hydrotreating fase vóór de kraakfase om de kraakkatalysator te beschermen tegen stikstof en zwavel.
• Fluid Catalytic Cracking Reactor en Regenerator: De belangrijkste benzineproducent in de meeste raffinaderijen, en de enige grote eenheid waar de katalysator continu circuleert. Olie wordt geïnjecteerd in de bodem van een verticale riser waar het geregenereerde katalysator ontmoet op 500-540°C en kraakt in 2-5 seconden. De katalysator en damp worden gescheiden in cyclonen, de katalysator wordt gestript van koolwaterstoffen met stoom, en stroomt vervolgens naar de regenerator waar lucht de cokes verbrandt op 650-730°C, waardoor de activiteit wordt hersteld en de warmte wordt geproduceerd die het kraken aandrijft. De geregenereerde katalysator, nu heet en schoon, keert terug naar de riser. De gehele circulatie kan meer dan 20-50 ton per minuut bedragen in een grote eenheid, en de apparatuur is bekleed met erosiebestendig vuurvast materiaal in plaats van met staal, omdat de katalysator zeer schurend is.
• Katalytische Reformer en de kleinere reactoren: Een katalytische reformer neemt zware nafta met een octaangehalte van 40-60 en verhoogt dit tot 95-105 door naphtenen om te zetten in aromaten en paraffinen in vertakte isomeren, over een platina-rhenium katalysator op 480-525°C en 5-35 bar, in drie of vier reactoren in serie met ovens ertussen. Het is ook de belangrijkste bron van waterstof in de raffinaderij. Naast deze zijn er verschillende kleinere reactoren: een isomerisatie reactor die lichte nafta paraffinen omzet in isomeren met een hoger octaangehalte op 120-250°C; een alkylatie reactor die olefinen combineert met isobutaan op 5-20°C met behulp van zwavelzuur of fluorwaterstofzuur; een hydrodesulfuratie of selectieve hydrogenering reactor die diolefinen uit gekraakte nafta verwijdert; en, in de zwavelinstallatie, een Claus thermische reactor op 1.000-1.300°C gevolgd door twee of drie katalytische reactoren op 200-320°C die waterstofsulfide omzetten in elementaire zwavel.

Vergelijkingsmatrix van de belangrijkste reactoren van de raffinaderij

Veelgestelde vragen (FAQ)

V: Wat is het verschil tussen een reactor en een destillatiekolom?

A: Een destillatiekolom scheidt wat er al is; een reactor creëert wat er niet was. In een kolom bewegen moleculen tussen damp en vloeistof totdat ze zichzelf sorteren op kookpunt, en er wordt geen chemische binding verbroken of gevormd. In een reactor worden bindingen verbroken en opnieuw gevormd, dus het materiaal dat vertrekt is chemisch anders dan het materiaal dat binnenkomt. Dit verschil blijkt uit het ontwerp: een kolom is vol met trays of pakking en werkt op een temperatuurgradiënt van onder naar boven, terwijl een reactor vol is met katalysator en werkt op een zorgvuldig gecontroleerde temperatuur die bijna uniform of bewust stapsgewijs is. Het blijkt ook uit wat ze verbruiken: een kolom verbruikt warmte en koeling, een reactor verbruikt katalysator, waterstof en, bij kraken, de cokes die zich op de katalysator vormen.

V: Waarom zijn reactoren van raffinaderijen zo groot en zwaar?

A: Drie redenen stapelen zich op. Druk en temperatuur: een hydrocracker op 200 bar en 450°C heeft een mantelwand van 150-300 mm in laag-gelegeerd staal nodig, wat alleen al het lege vat op enkele honderden tonnen brengt. Volume: de katalysatorvoorraad moet groot genoeg zijn zodat de voeding de juiste tijd in contact ermee doorbrengt, en bij een ruimtelijke snelheid van 1 h-1 heeft een voeding van 300 m3 per uur 300 m3 katalysator nodig, dus het vat is per definitie groot. En interne onderdelen: verdelers, steunroosters, quenchsystemen, thermokoppels en uitlaatcollectoren voegen interne complexiteit en hoogte toe. De grootste hydrocracker reactoren overschrijden 1.200 ton, wat buiten de capaciteit van de meeste transportroutes ligt en vaak buiten de capaciteit van de kraan van de fabricagewerkplaats, dus ze worden gebouwd nabij een waterweg of in secties getransporteerd en ter plaatse afgewerkt.

V: Hoe lang draait een reactor van een raffinaderij voordat deze wordt stilgelegd?

A: Het hangt volledig af van hoe snel de katalysator deactiveert. Fluid catalytic cracking katalysator wordt binnen seconden gedeactiveerd en continu geregenereerd, dus de eenheid draait drie tot vijf jaar tussen stilstanden, beperkt door mechanische en vuurvaste omstandigheden in plaats van door de katalysator. Hydrotreaters draaien één tot vijf jaar; een nafta hydrotreater op schone voeding kan zes jaar bereiken, terwijl een diesel hydrotreater op gekraakte voeding beperkt kan zijn tot achttien maanden. Hydrocrackers draaien twee tot vijf jaar. Semi-regeneratieve katalytische reformers draaien zes tot vierentwintig maanden voor een in-situ regeneratie, terwijl eenheden met continue katalysatorregeneratie in principe oneindig draaien en beperkt worden door mechanische inspectie intervallen. In elk geval is de beperkende factor één van de drie: stijgende drukval over het bed, het bereiken van de maximaal toegestane bedtemperatuur, of het niet voldoen aan de product specificatie.

V: Wat maakt reactoren van raffinaderijen gevaarlijk?

A: Vier gevaren, die allemaal door ontwerp en niet alleen door procedures worden beheerst. Hoge druk en temperatuur in een koolwaterstof- en waterstofvoorraad, wat betekent dat een lek een grote brandbare voorraad kan vrijgeven en, in waterstofdienst, met een bijna onzichtbare vlam kan ontbranden. High-temperature hydrogen attack, waarbij waterstof bij hoge partiële druk reageert met de koolstof in het staal om methaan te vormen, waardoor interne fissuren ontstaan die van buitenaf niet zichtbaar zijn; daarom volgt de materiaalkeuze de API 941 Nelson curve en daarom gebruikt inspectie geavanceerde ultrasone methoden. Exotherme runaway, met name bij hydrocracking en hydrotreating, waarbij een verlies van stroming of een onjuiste verdeling een hot spot creëert die de reactie verder versnelt, beheerd door quenchsystemen, meerdere thermocouples en een noodontluchtingssysteem gedimensioneerd volgens API 521. En pyrofore ijzersulfide, dat zich aan de binnenkant van vaten in zwaveldienst vormt en spontaan ontbrandt wanneer het vat tijdens een stilstand aan de lucht wordt geopend, beheerd door gecontroleerde oxidatie of door het vat nat te houden tijdens het lossen van de katalysator.