石油精製所のリアクターとは：目的、種類、仕組み

石油精製所の反応器とは：目的、種類、仕組み

核心的な質問に答える：石油精製所の反応器とは？ 反応器は、化学反応が起こる圧力容器であり、精製所内で分子が意図的に分解または再構築される唯一の場所です。プラントの他の部分は材料を分離、加熱、冷却、または移動させるだけですが、反応器は材料そのものを変化させます。水素化脱硫装置は300～400℃、30～100バールで運転され、コバルトモリブデン触媒上で水素とともに留分流を通過させ、硫黄を除去します。水素化分解装置は350～450℃、100～200バールで運転され、さらに重質ガスオイルを軽油とジェット燃料に分解します。接触改質装置は480～525℃で白金触媒上で運転され、ナフサを高オクタン価のリフォーメートに転換します。流動接触分解ライザーは500～540℃で、接触時間はわずか2～5秒です。これらの容器はプラントで最も大きく重いもので、壁厚は100～300mm、重量は1,200トンに達し、精製所の収益性がそこで決まるため、最も厳重に監視されています。

1. 精製所反応器内で実際に起こること

すべての反応器で4つのことが起こり、それらを理解することで全体の設計が説明できます。

• 原料が触媒と出会う： ほとんどすべての精製所反応器には固体触媒が含まれています。これは、反応が起こる巨大な内部表面積（グラムあたり150～400 m2）を持つ多孔質材料です。原料は反応温度までポンプで送られ加熱され、通常直径1～3mmの触媒ペレットの充填層を通過します。流速は空間速度で表され、通常0.5～5 h-1です。これは、原料が触媒体積を1時間あたり0.5～5回通過することを意味し、この数値が達成される転化率を設定します。触媒が価値を生み出す場所であるため、反応器内の他のすべては触媒に奉仕するために存在します。原料を均一に分散させるための分配器、触媒を保持するための支持格子、温度を読み取るための熱電対、および温度を制御するためのクエンチシステムです。
• 熱が放出されるか吸収されるか： これは機械設計を最も形作る要因です。水素化脱硫と水素化分解は熱を放出するため、反応器は複数の別々の触媒層で構築され、それらの間に冷たい水素が注入されて温度を下げ、各層での上昇を20～40℃に制限します。接触改質は逆です。芳香族を生成する反応は熱を吸収するため、反応器は3つまたは4つの断熱ステージに配置され、各ステージの間に炉があり、熱を戻します。流動接触分解は問題を別の方法で解決します。触媒を反応器と再生器の間で連続的に循環させます。再生器では、分解中に堆積したコークスが650～730℃で燃焼され、活性を回復し、分解反応に必要な熱を供給するために熱い再生触媒が反応器に運ばれます。
• 触媒はゆっくりと死んでいく： すべての触媒は時間とともに活性を失い、そのメカニズムはプロセスによって異なります。分解では、コークスは数秒以内に堆積します。水素化脱硫では、コークスとニッケルやバナジウムなどの金属が徐々に細孔を詰まらせ、運転は1年から5年で終了します。接触改質では、コークスは6ヶ月から24ヶ月かけて蓄積します。オペレーターはキャンペーン中にゆっくりと温度を上げることで補償しますが、これにより流速は回復しますが、失活も加速されるため、運転は許容最大温度、層間の圧力降下、または製品仕様に達したときに終了します。その後、反応器は触媒の再生または交換のためにシャットダウンされます。これは精製所のターンアラウンドの最大の理由です。
• 圧力、冶金、封じ込め： 石油精製所の反応器は、例外的な負荷のかかる圧力容器です。低合金クロムモリブデン鋼の壁厚100～300mmは一般的であり、その理由は圧力だけでなく、水素、硫化水素、温度の組み合わせです。高分圧の原子状水素は、通常の鋼の炭素を攻撃し、金属内にメタンを形成します。これは高温水素攻撃と呼ばれる故障モードであり、材料がAPI 941ネルソン曲線に対して選択される理由です。容器はASME VIII部門2に準拠して製造され、すべての濡れ面にステンレス鋼の溶接オーバーレイが施され、最低加圧温度（通常90～150℃）が装備されています。この温度を下回ると、長期間の使用後に鋼が脆くなるため、加圧してはなりません。

2. 精製所で見られる主な反応器

現代の精製所には5～15個の反応器があり、それぞれがフロースキームで特定の役割を果たしています。

• 水素化脱硫装置： どの精製所でも最も一般的な反応器であり、現代の燃料仕様を可能にするものです。300～400℃、30～100バールでコバルトモリブデンまたはニッケルモリブデン触媒上で水素と反応させ、硫黄、窒素、酸素、金属、オレフィンを除去します。その出力は硫化水素とアンモニアであり、これらは分離されて硫黄プラントに送られ、超低硫黄軽油の10ppm硫黄制限を満たすクリーンな製品が得られます。精製所のほぼすべての流がそれを通過します。改質装置の前にあるナフサ（硫黄は白金を被毒するため）、ジェット燃料ブレンド前の灯油、販売前の軽油、FCCまたは水素化分解装置前のガスオイル、および転換前の真空ガスオイルです。
• 水素化分解装置： 最も過酷で最も価値のある転換反応器です。350～450℃、100～200バールで運転され、2つのことを同時に行います。酸性ゼオライト成分を使用して重質分子を軽油およびジェット燃料範囲の分子に分解し、金属成分を使用してそれらを水素化します。分解は水素豊富な環境で行われるため、生成物は飽和しており、硫黄とオレフィンが少ないため、水素化分解軽油およびジェット燃料は入手可能な最高品質のブレンド成分の1つです。反応器は、4～6個の触媒層、その間の冷たい水素クエンチ、および窒素と硫黄から分解触媒を保護するために分解ステージの前に配置された別々の水素化脱硫ステージを備えた、巨大な厚壁容器です。
• 流動接触分解反応器と再生器： ほとんどの精製所で主要なガソリン生産者であり、触媒が連続的に循環する唯一の主要ユニットです。オイルは、再生触媒と500～540℃で出会い、2～5秒で分解する垂直ライザーの底部に注入されます。触媒と蒸気はサイクロンで分離され、触媒は蒸気で炭化水素が除去され、その後再生器に流れ込みます。再生器では、空気が650～730℃でコークスを燃焼させ、活性を回復し、分解を駆動する熱を生成します。熱くきれいになった再生触媒はライザーに戻ります。大規模ユニットでは、全体の循環は毎分20～50トンを超えることがあり、触媒は非常に研磨性が高いため、装置は鋼でライニングされるのではなく、耐摩耗性の耐火物でライニングされています。
• 接触改質装置と小型反応器： 接触改質装置は、オクタン価40～60の重質ナフサを受け取り、480～525℃、5～35バールで白金-レニウム触媒上で、ナフテンを芳香族に、パラフィンを分岐異性体に転換することにより、95～105に引き上げます。これは3つまたは4つの反応器を直列にし、間に炉を配置します。また、精製所の水素の主な供給源でもあります。これらとともに、いくつかの小型反応器があります。軽質ナフサパラフィンをより高オクタン価の異性体に転換する異性化反応器（120～250℃）。オレフィンとイソブタンを硫酸またはフッ化水素酸を使用して組み合わせるアルキル化反応器（5～20℃）。分解ナフサからジオレフィンを除去する水素化脱硫または選択的水素化反応器。そして、硫黄プラントでは、1,000～1,300℃のクラウス熱反応器と、それに続く200～320℃の2～3個の接触反応器で、硫化水素を元素硫黄に転換します。

主要精製所反応器比較マトリックス

よくある質問（FAQ）

Q: 反応器と蒸留塔の違いは何ですか？

A: 蒸留塔は、すでに存在するものを分離します。反応器は、存在しなかったものを作成します。塔では、分子が蒸気と液体の間で移動し、沸点によって自己分離しますが、化学結合は切断または形成されません。反応器では、結合が切断および再形成されるため、流出する材料は流入する材料とは化学的に異なります。この違いは設計に現れます。塔はトレイまたは充填材で満たされており、底部から上部への温度勾配で運転されますが、反応器は触媒で満たされており、ほぼ均一または意図的に段階的な、慎重に制御された温度で運転されます。また、消費するものにも現れます。塔は熱と冷却を消費し、反応器は触媒、水素、そして分解においては触媒上に形成されるコークスを消費します。

Q: なぜ精製所の反応器はあんなに大きくて重いのですか？

A: 3つの理由が複合しています。圧力と温度：200バール、450℃の水素化分解装置は、低合金鋼のシェル壁が150～300mm必要であり、それだけで空の容器が数百トンになります。体積：触媒在庫は、原料がそれに接触する適切な時間を過ごすのに十分な大きさでなければなりません。空間速度1 h-1で、毎時300 m3の原料には300 m3の触媒が必要なので、容器は定義上大きくなります。そして内部構造：分配器、支持格子、クエンチシステム、熱電対、出口コレクターは、内部の複雑さと高さを増します。最大の水素化分解反応器は1,200トンを超え、ほとんどの輸送ルートの能力を超え、多くの場合、製造工場のクレーンの能力を超えているため、水路の近くで建設されるか、セクションに分割して現場で完成されます。

Q: 精製所の反応器はシャットダウンするまでどのくらい運転されますか？

A: それは完全に触媒の失活速度に依存します。流動接触分解触媒は数秒以内に失活し、連続的に再生されるため、ユニットは機械的および耐火物の状態によって制限され、触媒によってではなく、ターンアラウンドの間で3～5年間運転されます。水素化脱硫装置は1～5年間運転されます。きれいな原料上のナフサ水素化脱硫装置は6年まで到達できますが、分解原料上の軽油水素化脱硫装置は18ヶ月に制限される場合があります。水素化分解装置は2～5年間運転されます。半再生式接触改質装置は、現場再生の前に6～24ヶ月運転されますが、連続触媒再生装置を備えたユニットは原理的には無期限に運転され、機械検査間隔によって制限されます。いずれの場合も、制限要因は次の3つのうちの1つです。層間の圧力降下の上昇、許容最大層温度への到達、または製品仕様を満たせないこと。

Q: 精製所の反応器は何が危険なのですか？

A: 4つの危険があり、すべてが手順だけでなく設計によって管理されます。炭化水素と水素の在庫における高圧と高温。これは、漏洩が発生すると大量の可燃性在庫が放出され、水素サービスではほとんど見えない炎で発火する可能性があることを意味します。高温水素攻撃。高分圧の水素が鋼の炭素と反応してメタンを形成し、外部から見えない内部の亀裂を引き起こします。これが、材料選択がAPI 941ネルソン曲線に従い、検査に高度な超音波法が使用される理由です。発熱暴走。特に水素化分解と水素化脱硫では、流速の喪失または不均一な分布がホットスポットを生成し、反応をさらに加速させます。これは、クエンチシステム、複数の熱電対、およびAPI 521にサイズ設定された緊急減圧システムによって管理されます。そして自然発火性硫化鉄。硫黄サービス中の容器の内側に形成され、ターンアラウンド中に容器が空気に開かれたときに自発的に発火します。これは、制御された酸化または触媒の荷下ろし中に容器を湿った状態に保つことによって管理されます。