原油処理反応器：脱塩装置、水素化脱硫装置、FCC前処理設計

原油処理反応器: 脱塩装置、水素化処理装置および FCC 前処理設計

原油処理炉とは何ですか?原油処理反応器は、精製前または精製中に原油またはその留分が化学的に変換される製油所内の容器であり、4 つの重要なポイントに現れます。120 ～ 150 °C で塩と水を除去する電気脱塩装置。水素化処理装置は、300～450°C、30～150 barで油と水素を反応させて硫黄、窒素、金属を除去し、90～99%の脱硫を達成します。金属やコークスからキャットクラッカーを保護する流動接触分解フィード前処理装置。コークス化または残留物水素化変換では、バレルの底部を 480 ～ 540 °C で変換します。主なエンジニアリング上の課題は、アスファルテンや塩によるファウリング、水素化処理装置での高温水素の攻撃、容器内のコークス化です。そのため、製油所の反応器の故障は安全性とスループットの大惨事の両方をもたらすため、反応器は API 941 に従って Cr-Mo 鋼で作られ、特定の攻撃に耐えるようにライニングまたは設計されています。

1. 製油所の反応器の役割とその化学

各任務は下流ユニットを保護するか、一部をアップグレードします。

• フロントエンドでの電気脱塩:何よりもまず、原油は脱塩され、蒸留塔や炉を腐食したり汚したりする塩化物塩や懸濁水を除去します。原油は4～10%の洗浄水と混合され、塩の溶解度を高めて粘度を下げるために120～150℃に加熱され、水滴が凝集して沈殿する静電場を通過します。脱塩容器は大型の低圧水平ドラムであり、下流のすべてのユニットがその塩と水を引き継ぐため、その信頼性が重要になります。脱塩装置が不十分であると、オーバーヘッド システムで塩化物が腐食し、炉内でコークスが生成します。化学的には単純ですが、これは列車の最初の反応器であり、製油所の信頼性の基礎であり、その水質と電場は原油の特定の塩とエマルションの挙動に合わせて調整されています。
• 水素化処理と水素化脱硫:水素化処理装置は現代の精製の主力であり、触媒上、300 ～ 450°C、30 ～ 150 bar で油と水素を反応させ、硫黄、窒素、金属、酸素を除去し、オレフィンを飽和させ、製品仕様を満たす 90 ～ 99% の脱硫を達成します。反応器は固定触媒床を備えた厚壁の高圧容器で、反応速度と腐食リスクの両方を設定する分圧で水素が供給されます。また、チャネルが過熱しないように気液の流れを均一に分配する必要があります。その化学的性質は設計には優しいですが、材料には過酷です。高温と高い水素分圧の組み合わせが高温水素攻撃と水素脆化を招き、供給原料の金属とコークスが触媒を 1 ～ 5 年の寿命にわたって徐々に失活させるからです。精製所が低硫黄燃料を販売できるのは、水素処理装置のおかげです。
• FCC 飼料の前処理とバレル底部の変換:流動接触分解はこの製油所の主なガソリンとオレフィン生産装置ですが、その触媒は金属、ニッケル、バナジウム、および残油中のコークス前駆体によって汚染されます。 FCC ユニットの前にある水素化処理装置はこれらを除去し、キャット クラッカーを保護し、その収量を高めます。そのため、FCC 前処理装置が工場内で最大の水素化処理装置となることがよくあります。最も重い留分については、480 ～ 540 °C でのコーキングまたは残留物の水素化変換により、長く汚れた分子がより軽い生成物に分解されます。コークス化では、充填して脱コークス化されるコークスドラムが使用されますが、残留物の水素化変換では、水素下の沸騰床または固定床が使用されます。これらは最も厳しい義務、最高の温度、最も汚れた飼料、最も汚れの多いものであり、バレルのどれだけがコークス燃料ではなく販売可能な製品になるかを決定します。

2. 材質、汚れ、信頼性

製油所の反応器は最も過酷な処理環境下で使用されるため、次のような故障モードを中心に構築されています。

• 高温水素鋼およびCr-Mo鋼:水素化処理および水素化変換では、反応器壁は高温と高い水素分圧に同時にさらされます。これはまさに高温水素攻撃を引き起こす条件であり、水素が鋼の中に拡散し、粒界で炭素と反応し、膨れや強度の永久的な損失を引き起こします。防御策は材料化学です。低合金クロムモリブデン鋼、1.25Cr-0.5Mo から 2.25Cr-1Mo 以降、API 941 (ネルソン曲線) に適合しており、多くの場合、内部ステンレスクラッディングが施されているため、水素に面する表面はオーステナイトです。容器はまた、焼き戻し脆化を避けるために溶接後に熱処理され、段階的に冷却されます。したがって、水素化処理反応器は高度に設計された圧力容器であり、その材料の選択は石油化学反応ではなく水素分圧と温度によって決まり、HTHA に対する認定は設計の必須部分です。
• ファウリング、コークス、内部保護:原油は汚れており、残留物が最も汚れているため、ファウリングやコークス化は常に脅威となります。塩と沈殿物がヒーターチューブやトレイに堆積し、アスファルテンが沈殿して反応器や炉をコークス化し、金属が触媒上に付着します。反応器とその内部構造は、耐性があり、洗浄できるように設計されています。開いたままの分配プレート、触媒交換用の取り外し可能な内部構造、および流れが研磨性または非常に高温である場合の耐火性または耐浸食性のライニングです。コーキング反応器はコークスを慎重に管理し、ドラムに充填してからコークスを除去しますが、固定床ユニットは金属や固形物が主床に到達する前にキャッチするガード反応器によって保護されています。露出表面での年間 0.5 ～ 3 mm の汚れの割合は正常であり、汚れた反応器は変換を失い、詰まった分配器は選択性を失うため、設計にはマージンとアクセスが含まれています。
• 信頼性、検査、ターンアラウンド:製油所の反応器が故障すると、1 日あたり数百万ドル相当の装置が停止するため、容器は検査可能性と長寿命を考慮して構築されています。これらは広範な内部アクセスを可能にし、X線検査や超音波検査用に設計されており、壁の薄化、水素攻撃、クリープ、亀裂がないか定期点検（通常は3～5年ごと）で検査されます。触媒は、大型の人道や場合によっては上部クレーンを介して 1 ～ 5 年の独自のサイクルで交換されるため、容器のヘッドと内部構造は迅速な対応ができるように調整されています。最新の手法では、故障に至る前に劣化を把握するために、水素流量と金属温度のオンライン監視が追加されています。したがって、原子炉は信頼性資産として指定されています。その材料、ライニング、およびアクセスは、ユニットが次の計画されたターンアラウンドまでの間で故障するのではなく、安全に稼働するように選択されます。

原油処理炉の義務マトリックス

よくある質問 (FAQ)

Q: 原油処理における水素化処理装置と FCC 装置の違いは何ですか?

A: それらは異なる化学反応を伴う異なるステップです。水素化処理装置は、300 ～ 450°C、30 ～ 150 bar で石油と水素を反応させて硫黄、窒素、金属、酸素を除去し、オレフィンを飽和させ、90 ～ 99% の脱硫を達成する水素反応器です。ストリームの品質が向上します。流動接触分解は、500 ～ 540°C で循環触媒を使用して重分子をガソリンとオレフィンに分解するバルク水素を使用しない接触分解ユニットです。重要なことに、FCC は残油中の金属やコークス前駆体によって汚染されるため、飼料を前処理してキャット クラッカーを保護するために水素処理装置がその前に配置されることがよくあります。水素処理装置は品質のステップです。 FCC は変換ステップです。前処理装置は FCC にサービスを提供する水素処理装置です。

Q: 水素化処理反応器はなぜ Cr-Mo 鋼で作られているのですか?

A: これらは、高温と高い水素分圧の正確な組み合わせで動作するため、高温水素攻撃が発生します。この攻撃では、水素が炭素鋼に拡散し、粒界で炭素と反応し、膨れや永久強度の損失を引き起こします。 1.25Cr-0.5Mo から 2.25Cr-1Mo 以上の低合金クロムモリブデン鋼はこれに耐性があり、API 941、ネルソン曲線に対して認定されており、多くの場合、水素に面する表面に内部オーステナイト系ステンレス クラッディングが施されています。材料は油ではなく水素の分圧と温度によって決まり、溶接後の熱処理と段階冷却によって焼き戻し脆化が防止されます。普通の炭素鋼で作られた水素処理装置は HTHA によって故障するため、この用途には Cr-Mo が必須です。

Q: 原油処理反応器内のファウリングやコーキングの原因は何ですか?

A: 原油は本質的に汚れており、残留物は最悪です。塩分や沈殿物がヒーターやトレイに堆積します。重質芳香族留分であるアスファルテンは、高温の表面や反応器内で沈殿してコークスを形成します。ニッケルやバナジウムなどの金属が触媒上にめっきし、触媒を汚染します。残留物処理では、露出した表面に年間 0.5 ～ 3 mm の汚れが付着するのが通常です。反応器は、これに対抗して、開いたままの分配プレート、触媒交換用の取り外し可能な内部構造、耐火性または耐浸食性ライニング、およびコークス化における充填とデコークスの意図的なコークスドラムサイクルを備えて設計されています。固定床ユニットは、メイン ベッドの前に金属や固体を捕捉するガード リアクターを追加します。ファウリングは除去するのではなく、マージンとアクセスを設計することで管理され、次のターンアラウンドまで変換が維持されるようにします。

Q: 原油処理反応器はどの程度信頼性が必要ですか?

A: 非常にそうです。なぜなら、その故障は 1 日あたり数百万ドル相当の製油所ユニットを停止させ、重大な安全上の事象になる可能性があるからです。容器は信頼性資産として構築されています。高温水素攻撃に対する認定を受けた Cr-Mo またはクラッド材料で、X 線検査および超音波検査用に設計されており、内部は 1 ～ 5 年ごとの迅速な触媒交換と 3 ～ 5 年ごとのターンアラウンド検査のために配置されています。最新の手法では、オンラインの水素フラックスと金属温度のモニタリングを追加して、故障前に劣化を把握します。この仕様では、予定外の原子炉停止のコストが容器に組み込まれたマージンをはるかに上回るため、次の計画されたターンアラウンドまでの間で故障するのではなく、ユニットが安全に稼働することを保証するために、より高い材料費と設計コストが許容されています。