Qu'est-ce qu'un réacteur de traitement des hydrocarbures : types, conception et applications en raffinerie

Qu'est-ce qu'un réacteur de traitement des hydrocarbures: types, conception et applications en raffinerie

Pour répondre à la question fondamentale:Qu'est-ce qu'un réacteur de traitement des hydrocarbures?Un réacteur de traitement des hydrocarbures est un récipient sous pression dans lequel une matière première pétrolière ou pétrochimique est chimiquement convertie en produits de plus grande valeur par craquage, reformage, hydrotraitement,Alkylation ou isomérisationLes principales classes sont séparées par leurs fenêtres de fonctionnement.Les contacts de craquage catalytique fluide sont des gaz vaporisés avec un catalyseur de zéolite pendant 2 à 5 secondes à 500 à 540 °C dans un riser.L'hydrocraquage fonctionne à 350-450 °C et 100-200 bar avec un catalyseur bifonctionnel et une pression partielle d'hydrogène élevée.L'hydrotraitement élimine le soufreLes réacteurs à chaleur à 300-400 °C et 30-100 bar sont tous différents, car la contrainte dominante est différente:hydrogène sous pression partielle et métallurgie dans l'hydrocraquage, et la chute de pression due au dépôt de coke et de métaux lors de l'hydrotraitement.

1Les voies de conversion et les réacteurs nécessaires

Quatre voies représentent l'essentiel de la capacité de conversion des hydrocarbures, chacune dictant une conception différente du réacteur:

• Craquage catalytique par fluide:La FCC est le procédé de conversion à la température la plus élevée dans une raffinerie et le seul procédé majeur où le catalyseur circule en continu entre un réacteur et un régénérateur.L'huile gazeuse est injectée dans un réservoir où elle entre en contact avec le catalyseur régénéré à 500 à 540 °C et se fissure en 2 à 5 secondes en essence.Le craquage est endothermique et la chaleur est fournie par le catalyseur de régénération chaud lui-même, qui transporte le coke du cycle précédent.5 wt% désactivent le catalyseur en quelques secondes, le catalyseur usé est ainsi dépouillé de vapeur et brûlé dans le régénérateur à 650-730°C, rétablissant l'activité et fournissant la chaleur du procédé.Le réacteur n'est donc pas un récipient au sens habituel, mais un "riser", un récipient de désengagement avec des cyclones pour séparer le catalyseur de la vapeur, et un décapant, tous construits avec une doublure réfractaire résistante à l'érosion parce que le catalyseur est très abrasif.
• Hydrocraquage et hydrotraitement:Il s'agit de procédés catalytiques à lit fixe effectués sous haute pression partielle d'hydrogène.oxygène et métaux à 300-400°C et 30-100 bar avec un catalyseur cobalt-molybdène ou nickel-molybdène sur l'alumine, produisant du sulfure d'hydrogène et de l'ammoniac qui doivent être nettoyés du gaz de recyclage.et ajoute une fonction de craquage acide afin que les aliments lourds soient à la fois désulfurés et convertis en distillatesLes deux sont fortement exothermiques, de sorte que le réacteur est construit avec plusieurs lits de catalyseurs et un étanchement à l'hydrogène froid entre eux, limitant chaque élévation de température de lit à 20-40 °C.Les deux contraintes de conception régissant sont un rapport hydrogène/huile de 300-1.La résistance à l'accumulation de coke et de métaux augmente jusqu'à ce que le lit doive être remplacé ou écrasé.
• Réforme catalytique:La reformation convertit la naphtha à faible octane en reformate et aromatiques à haute octane sur un catalyseur platine ou platine-rhénium sur un support d'alumine chlorée, à 480-525 °C et 5-35 bar.Les principales réactions sont la déshydrogénation des napthènes en aromatiquesLes réacteurs sont donc disposés en trois ou quatre lits adiabatiques fixes en série avec des interchauffants.L'hydrogène est produit comme un sous-produit précieuxDeux variables de procédé dominent: l'équilibre eau-chlorure sur le catalyseur, puisque le chlorure est continuellement perdu dans l'effluent et doit être réinjecté pour maintenir l'acidité, et la mise en place du coke.qui est gérée soit par régénération cyclique, par une conception semi-régénérative avec un cycle de 6 à 24 mois se terminant par une régénération d'arrêt, ou par une régénération continue du catalyseur où le catalyseur circule lentement à travers un régénérateur.
• Conversion thermique et cokage:Lorsque l'aliment est trop lourd ou trop contaminé pour un catalyseur, les raffineries utilisent la conversion thermique.Le coke retardé chauffe le résidu sous vide à 480-510 °C dans un four et le maintient dans de gros fûts de coke pendant 12 à 24 heures, où il se fissure pour former des produits plus légers et du coke solide qui est ensuite coupé à l'eau à haute pression.Le visbreaking est une version plus douce qui réduit la viscosité par craquage thermique léger à 450-500 °C avec un temps de résidence courtIl s'agit de procédés semi-batch ou en bobine plutôt que de lits fixes catalytiques, et les défis de conception des réacteurs sont thermiques et non catalytiques: métallurgie des parois de tambour sous contrainte thermique cyclique,fiabilité des vannes d'extinction et de commutation, et la forte tendance à l'encrassement et à la cokéfaction des tubes de chauffage, qui est gérée par une grande vitesse d'injection de vapeur ou de condensat pour réduire le temps de résidence.

2Configuration des réacteurs et choix des réacteurs

Le choix entre les modes de contact découle de la durée de vie du catalyseur, de la gravité de l'exotherme et de la contamination des aliments:

• Réacteur à lit fixe:La configuration la plus simple et la plus utilisée: des granulés de catalyseur de 1-3 mm sont chargés dans un ou plusieurs lits soutenus par une grille et une couche graduée de boules de céramique inerte.,Les limites définissent où les lits fixes peuvent être utilisés. L'élimination de la chaleur est faible,Les réactions extrêmement exothermiques nécessitent un étanchement multi-lit ou une conception tubulaire.La chute de pression s'accumule à mesure que le coke et les métaux se déposent, forçant finalement un arrêt, et si la désactivation du catalyseur est rapide, le lit ne peut pas être changé sans arrêter l'unité.Les lits fixes conviennent donc aux aliments propres avec une durée de vie du catalyseur d'un à cinq ans., ce qui explique pourquoi ils dominent le traitement hydrothermal, l'hydrocraquage et le reformage.
• Réacteurs à lit fluidisé et ébulli:Lorsque le catalyseur se désactive en quelques secondes, comme dans FCC, le catalyseur doit circuler en continu, et un lit fluidisé le rend possible tout en donnant une excellente uniformité de température et un excellent transfert de chaleur.La punition est l' attrition du catalyseur., entraînement qui nécessite des cyclones à haut rendement, et le rétro-mélange qui réduit la conversion par passage par rapport au débit de prise.suspend le catalyseur dans un flux ascendant de liquide et de gaz de sorte que le lit se dilate de 30 à 50%, ce qui donne un fonctionnement presque isotherme, une baisse de pression faible et constante, et la possibilité d'ajouter et de retirer le catalyseur en ligne chaque jour.C'est l'avantage décisif lors du traitement des résidus contenant 50 à 350 ppm de métaux., parce que les métaux empoisonnent définitivement le catalyseur et que seul le remplacement continu fait fonctionner l'économie.
• Pour les réacteurs à colonne à bulles de fumier et tubulaires:Un réacteur à lisier suspend un catalyseur fin dans un liquide avec des bulles de gaz à travers, ce qui donne une excellente élimination de la chaleur et une utilisation très élevée du catalyseur,et est utilisé dans la synthèse de Fischer-Tropsch et dans l'hydrocraquage des résidus de lisierLe défi consiste à séparer le catalyseur fin du produit, ce qui conduit au développement de la filtration et de la séparation magnétique.place le catalyseur à l'intérieur de milliers de tubes de petit diamètre avec un milieu de transfert de chaleur sur le côté de la coqueCette méthode est choisie lorsque le contrôle de la température est essentiel, comme dans le reformage à la vapeur, où la réaction est endothermique et où les tubes sont cuits dans un four à 800-900 °C,ou dans des oxydations sélectives extrêmement exothermiques où une fuite doit être physiquement impossibleLe nombre de tubes de 200 à 1000 et la longueur de 6 à 13 m sont typiques, la feuille de tubes et le joint tube-à-feuille étant les détails de fabrication les plus exigeants.
• Matériaux, codes et intégrité:Les réacteurs à hydrocarbures fonctionnent à la limite des capacités métallurgiques, et trois mécanismes de dégradation régissent la sélection des matériaux.manipulé par la courbe de Nelson API 941, nécessite des aciers au chrome-molybdène: 1,25Cr-0,5Mo ou 2,25Cr-1Mo pour l'hydroprocessage,parfois avec revêtement en inox 347 ou revêtement soudé en 321 ou 347 pour résistance à la corrosion contre le sulfure d'hydrogène. la fragilité à température de 2,25 Cr-1 Mo dans la plage 350-575 °C est contrôlée en limitant le facteur J, en suivant la fragilité par refroidissement des chaleurs de production,et contrôler le démarrage et l'arrêt pour éviter de faire basser la pression d'un récipient froid en dessous de sa température minimale de pressionLe craquage par stress des sulfures d'hydrogène sulfure humide est réglé par les limites de dureté de la NACE MR0175/ISO 15156 et par un traitement thermique obligatoire après soudage.Le soulagement de la pression est traité séparément par API 520 et API 521, avec la méthodologie DIERS appliquée lorsqu'une réaction de fuite peut générer de la vapeur plus rapidement qu'un dispositif de secours conventionnel ne peut le faire.

Types de réacteurs de traitement des hydrocarbures Matrice de comparaison

Questions fréquemment posées

Q: Quelle est la principale différence entre l'hydrotraitement et l'hydrocraquage?

R: Les deux utilisent de l'hydrogène et un catalyseur sulfuré à haute pression, mais leur but et leur intensité diffèrent.de l'azote à l'ammoniac, et saturant légèrement les oléfines et les aromatiques, à 300 à 400 °C et 30 à 100 bar, sans modification substantielle de la plage d'ébullition.L'hydrocraquage brise intentionnellement les liaisons carbone-carbone pour convertir 30 à 90% de l'alimentation lourde en distillates plus légers, fonctionnant à 350-450 °C et 100-200 bar sur un catalyseur bifonctionnel qui combine une fonction d'hydrogénation des métaux avec une fonction de craquage acide.Dans la pratique, un hydrocracker est construit comme une étape de traitement d'hydrogène suivie d'une étape de craquage dans la même boucle à haute pression, car le catalyseur de fissuration est empoisonné par le soufre et l'azote et l'aliment doit être nettoyé en premier.

Q: Pourquoi la pression partielle de l'hydrogène est-elle si importante dans l'hydroprocessage?

A: La pression partielle de l'hydrogène supprime les réactions de condensation et de déshydrogénation qui forment du coke à la surface du catalyseur.et augmenter la pression partielle de l'hydrogène peut doubler ou tripler la durée de vie du catalyseur, permettant soit un cycle plus long à la même sévérité, soit un cycle plus élevé à la même durée de cycle.Il conduit également les équilibres de désulfuration et de dénitrogénation vers les produits et améliore la saturation aromatiqueC'est pourquoi les unités d'hydroprocessage sont conçues avec des taux de gaz de recyclage élevés, généralement de 300 à 1 500 Nm3/m3 d'alimentation,avec dépollution par amine du gaz de recyclage pour éliminer le sulfure d'hydrogène et l'ammoniac qui, autrement, dilueraient l'hydrogène, et avec une pureté de l'hydrogène de maquillage maintenue au-dessus d'environ 90-95% en purgeant un flux de glissement pour éviter l'accumulation d'inertie.

Q: Qu'est-ce qui fait que le réacteur d'hydroprocessage touche à sa fin?

R: trois limites sont atteintes, et la première qui arrive détermine le cycle. chute de pression: coke, balance de fer et, en service de résidus, solides en suspension bouchent l'espace vide au sommet du lit,et le réacteur est arrêté lorsque la pression différentielle atteint la limite mécanique des composants internes ou du compresseur de recyclageTempérature: lorsque le catalyseur est désactivé, l'opérateur augmente la température moyenne pondérée du lit pour maintenir la conversion et la course se termine lorsque la température maximale admissible du lit est atteinte.généralement 415-440°C pour la métallurgie et la sélectivitéLa qualité du produit ou la limite métallurgique: lorsque le niveau de soufre du produit ne peut plus être atteint,ou lorsque la température de sortie du réacteur atteint une limite fixée par les considérations d'attaque à l'hydrogèneChacune d'elles est gérée différemment, ce qui explique pourquoi la classification des lits, les pièges à échelles et un système d'extinction bien conçu ont un effet si important sur la durée du cycle.

Q: Comment un réacteur à hydrocarbures est-il protégé contre les fuites et la surpression?

R: La protection est en plusieurs couches, la conception de l'extincteur à plusieurs couches et un rapport hydrogène/huile élevé limitent la hausse de température que peut produire toute exothermie.et la métallurgie du réacteur est sélectionnée avec une marge supérieure à la température de fonctionnement maximale crédibleLa protection instrumentale utilise des thermocouples indépendants à température de lit avec une alarme très haute et un verrou qui déclenche le chauffe-eau et, dans les cas graves,dépressurise l'unité par un système de dépressurisation d'urgence de la taille API 521, réduisant généralement la pression de fonctionnement à 7 bar en 15 minutes pour arrêter une propagation exothermique.La protection mécanique est une soupape de soulagement de pression réglée selon API 520 et dimensionnée pour la charge de soulagement crédible, qui pour un hydrocracker peut être le cas de la vaporisation totale. où une réaction en fuite peut générer de la vapeur non condensée et plus rapidement que le relief ne peut gérer, the DIERS methodology is used to determine whether the system is tempered or gassy and whether a relief device is sufficient or a pressure-containing dump tank or full emergency depressuring is required.