원유 처리 반응기: 탈염기, 수첨 탈황 장치 및 FCC 전처리 설계

원유 처리 반응기: 탈염기, 수첨 탈황 장치 및 FCC 전처리 설계

원유 처리 반응기란 무엇인가요? 원유 처리 반응기는 정유 공장에서 원유 또는 그 분획이 업그레이드 전 또는 업그레이드 중에 화학적으로 변환되는 용기이며, 네 가지 중요한 지점에서 나타납니다. 전기 탈염기는 120-150°C에서 염분과 물을 제거하고, 수첨 탈황 장치는 300-450°C 및 30-150 bar에서 오일과 수소를 반응시켜 황, 질소 및 금속을 제거하여 90-99%의 탈황을 달성합니다. 유동 촉매 분해(FCC) 공급 전처리 장치는 금속과 코크스로부터 촉매 분해 장치를 보호하고, 코킹 또는 잔사 수첨 전환은 480-540°C에서 배럴 하단을 전환합니다. 주요 엔지니어링 과제는 아스팔텐 및 염분으로 인한 오염, 수첨 탈황 장치에서의 고온 수소 공격, 용기 내부의 코킹이며, 따라서 반응기는 API 941에 따라 Cr-Mo 강철로 제작되거나 특정 공격에 견딜 수 있도록 라이닝 또는 설계됩니다. 정유 공장 반응기 고장은 안전 및 처리량 재앙이기 때문입니다.

1. 정유 반응기의 역할 및 화학

각 역할은 다운스트림 장치를 보호하거나 분획을 업그레이드합니다:

• 전단부의 전기 탈염: 무엇보다도 원유는 염화물 염과 현탁된 물을 제거하기 위해 탈염됩니다. 그렇지 않으면 증류탑과 가열로를 부식시키고 오염시킬 것입니다. 원유는 4-10%의 세척수와 혼합되고, 염 용해도와 점도를 개선하기 위해 120-150°C로 가열되며, 물방울을 응집시켜 침전시키는 정전기장을 통과합니다. 탈염기 용기는 크고 저압의 수평 드럼이며, 모든 다운스트림 장치가 염분과 물을 상속하기 때문에 신뢰성이 중요합니다. 탈염기가 좋지 않으면 오버헤드 시스템에서 염화물 부식이 발생하고 가열로에서 코크스가 형성됩니다. 화학적으로는 간단하지만, 트레인의 첫 번째 반응기이며 정유 신뢰성의 기반이며, 물의 품질과 전기장은 원유의 특정 염분 및 에멀젼 거동에 맞춰 조정됩니다.
• 수첨 처리 및 수첨 탈황: 수첨 탈황 장치는 현대 정유 공장의 주력 장치로, 300-450°C 및 30-150 bar에서 촉매를 통해 오일과 수소를 반응시켜 황, 질소, 금속 및 산소를 제거하고 올레핀을 포화시켜 90-99%의 탈황을 달성하여 제품 사양을 충족합니다. 반응기는 고정 촉매 베드를 갖춘 두꺼운 벽의 고압 용기이며, 반응 속도와 부식 위험을 모두 설정하는 부분 압력으로 수소를 공급받습니다. 가스-액체 흐름을 균일하게 분배하여 과열을 방지해야 합니다. 화학적으로는 설계에 무해하지만 재료에는 가혹합니다. 고온과 높은 수소 부분 압력의 조합은 고온 수소 공격 및 수소 취성을 유발하며, 공급물의 금속과 코크스는 1-5년의 수명 동안 촉매를 점차 비활성화시킵니다. 수첨 탈황 장치는 정유 공장에서 저유황 연료를 판매할 수 있는 이유입니다.
• FCC 공급 전처리 및 배럴 하단 전환: 유동 촉매 분해는 정유 공장의 주요 가솔린 및 올레핀 생산 장치이지만, 촉매는 금속, 니켈 및 바나듐, 잔사물의 코크스 전구체에 의해 중독됩니다. FCC 장치 앞의 수첨 탈황 장치는 이러한 물질을 제거하여 촉매 분해 장치를 보호하고 수율을 높입니다. 이것이 FCC 전처리가 종종 공장에서 가장 큰 수첨 탈황 장치인 이유입니다. 가장 무거운 분획의 경우, 480-540°C에서의 코킹 또는 잔사 수첨 전환은 길고 더러운 분자를 더 가벼운 제품으로 분해합니다. 코킹은 채워지고 코크스가 제거되는 코크스 드럼을 사용하며, 잔사 수첨 전환은 수소 하에서 유동층 또는 고정층을 사용합니다. 이것들은 가장 가혹한 작업, 가장 높은 온도, 가장 더러운 공급물, 가장 많은 오염이며, 코크스 연료 대신 판매 가능한 제품이 되는 배럴의 양을 결정합니다.

2. 재료, 오염 및 신뢰성

정유 반응기는 가혹한 서비스 환경에서 작동하므로 고장 모드를 중심으로 제작됩니다:

• 고온 수소 및 Cr-Mo 강철: 수첨 처리 및 수첨 전환에서 반응기 벽은 고온과 높은 수소 부분 압력을 동시에 받습니다. 이는 수소가 강철로 확산되어 결정립계에서 탄소와 반응하여 기포와 영구적인 강도 손실을 유발하는 고온 수소 공격을 유발하는 정확한 조건입니다. 이에 대한 방어는 재료 화학입니다. 저합금 크롬-몰리브덴 강철(1.25Cr-0.5Mo에서 2.25Cr-1Mo 이상)은 API 941(넬슨 곡선)에 따라 검증되며, 종종 내부 스테인리스 클래딩이 있어 수소 접촉 표면이 오스테나이트계입니다. 용기는 또한 용접 후 열처리 및 단계 냉각을 통해 템퍼 취성을 방지합니다. 따라서 수첨 탈황 반응기는 오일 화학이 아닌 수소 부분 압력과 온도에 의해 결정되는 고도로 설계된 압력 용기이며, HTHA에 대한 검증은 설계의 필수적인 부분입니다.
• 오염, 코크스 및 내부 보호: 원유는 더럽고 잔사는 가장 더럽기 때문에 오염과 코킹은 끊임없는 위협입니다. 염분과 침전물이 가열로 튜브와 트레이에 쌓이고, 아스팔텐이 침전되어 반응기나 가열로에 코크스를 형성하며, 금속이 촉매에 증착됩니다. 반응기와 내부 장치는 저항하고 청소할 수 있도록 설계되었습니다. 개방된 상태를 유지하는 분배 플레이트, 촉매 교체를 위한 분해 가능한 내부 장치, 흐름이 마모성이거나 매우 뜨거운 곳에는 내화물 또는 침식 방지 라이닝이 있습니다. 코킹 반응기는 코크스를 의도적으로 관리하여 드럼을 채우고 코크스를 제거하며, 고정층 장치는 금속과 고형물이 메인 베드에 도달하기 전에 포집하는 가드 반응기를 사용합니다. 노출된 표면의 연간 0.5-3mm의 오염 속도는 정상적이므로 설계에는 여유와 접근성이 포함됩니다. 오염된 반응기는 전환율을 잃고 막힌 분배기는 선택성을 잃기 때문입니다.
• 신뢰성, 검사 및 정기 보수: 정유 반응기 고장은 하루 수백만 달러의 가치가 있는 장치를 중단시키기 때문에 용기는 검사 용이성과 긴 수명을 위해 제작됩니다. 광범위한 내부 접근성을 갖추고 있으며, 방사선 및 초음파 검사를 위해 설계되었으며, 일반적으로 3-5년마다 정기 보수 시 벽 두께 감소, 수소 공격, 크리프 및 균열에 대해 검사됩니다. 촉매는 1-5년 주기로 대형 맨웨이와 때로는 상단 장착 크레인을 통해 교체되므로 용기 헤드와 내부 장치는 빠른 정기 보수를 위해 배열됩니다. 현대적인 관행은 고장이 발생하기 전에 열화를 감지하기 위해 수소 유량 및 금속 온도에 대한 온라인 모니터링을 추가합니다. 따라서 반응기는 신뢰성 자산으로 사양됩니다. 재료, 라이닝 및 접근성은 장치가 그 사이에 고장나는 대신 다음 계획된 정기 보수까지 안전하게 작동하도록 선택됩니다.

원유 처리 반응기 역할 매트릭스

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q: 원유 처리에서 수첨 탈황 장치와 FCC 장치의 차이점은 무엇인가요?

A: 서로 다른 화학 작용을 하는 다른 단계입니다. 수첨 탈황 장치는 300-450°C 및 30-150 bar에서 오일과 수소를 반응시켜 황, 질소, 금속 및 산소를 제거하고 올레핀을 포화시켜 90-99%의 탈황을 달성하는 수소 반응기입니다. 스트림의 품질을 업그레이드합니다. 유동 촉매 분해는 대량의 수소가 없는 촉매 분해 장치로, 500-540°C에서 순환 촉매를 사용하여 중질 분자를 가솔린 및 올레핀으로 분해합니다. 결정적으로 FCC는 잔사물의 금속과 코크스 전구체에 의해 중독되므로, 공급물을 전처리하고 촉매 분해 장치를 보호하기 위해 종종 그 앞에 수첨 탈황 장치가 배치됩니다. 수첨 탈황 장치는 품질 단계이고, FCC는 전환 단계이며, 전처리 장치는 FCC에 사용되는 수첨 탈황 장치입니다.

Q: 수첨 탈황 반응기는 왜 Cr-Mo 강철로 만들어지나요?

A: 고온과 높은 수소 부분 압력의 정확한 조합에서 작동하기 때문입니다. 이 조합은 수소가 탄소강으로 확산되어 결정립계에서 탄소와 반응하여 기포와 영구적인 강도 손실을 유발하는 고온 수소 공격을 유발합니다. 저합금 크롬-몰리브덴 강철(1.25Cr-0.5Mo에서 2.25Cr-1Mo 이상)은 이를 방지하며, API 941(넬슨 곡선)에 따라 검증되며, 종종 수소 접촉 표면에 내부 오스테나이트계 스테인리스 클래딩이 있습니다. 재료는 오일이 아닌 수소 부분 압력과 온도에 의해 결정되며, 용접 후 열처리 및 단계 냉각은 템퍼 취성을 방지합니다. 일반 탄소강으로 제작된 수첨 탈황 반응기는 HTHA로 고장나므로 Cr-Mo는 이 작업에 필수적입니다.

Q: 원유 처리 반응기에서 오염과 코킹을 유발하는 원인은 무엇인가요?

A: 원유는 본질적으로 더럽고 잔사는 가장 더럽습니다. 염분과 침전물이 가열로와 트레이에 쌓입니다. 무거운 방향족 분획인 아스팔텐이 침전되어 뜨거운 표면과 반응기에서 코크스를 형성합니다. 니켈 및 바나듐과 같은 금속이 촉매에 증착되어 중독시킵니다. 노출된 표면의 연간 0.5-3mm의 오염 속도는 잔사 서비스에서 정상입니다. 반응기는 개방된 상태를 유지하는 분배 플레이트, 촉매 교체를 위한 분해 가능한 내부 장치, 내화물 또는 침식 방지 라이닝, 그리고 코킹의 경우 채우고 코크스를 제거하는 의도적인 코크스 드럼 주기를 통해 이를 방지하도록 설계되었습니다. 고정층 장치는 금속과 고형물이 메인 베드에 도달하기 전에 포집하기 위해 가드 반응기를 추가합니다. 오염은 전환율이 다음 정기 보수까지 유지되도록 여유와 접근성을 설계하여 관리됩니다.

Q: 원유 처리 반응기는 얼마나 신뢰성이 있어야 하나요?

A: 극도로 신뢰성이 있어야 합니다. 고장 시 하루 수백만 달러의 가치가 있는 정유 장치가 중단되고 주요 안전 사고가 발생할 수 있기 때문입니다. 용기는 신뢰성 자산으로 제작됩니다. 고온 수소 공격에 대해 검증된 Cr-Mo 또는 클래드 재료, 방사선 및 초음파 검사를 위해 설계되었으며, 1-5년마다 빠른 촉매 교체 및 3-5년마다 정기 보수 시 검사를 위해 내부 장치가 배열됩니다. 현대적인 관행은 고장이 발생하기 전에 열화를 감지하기 위해 온라인 수소 유량 및 금속 온도 모니터링을 추가합니다. 사양은 용기에 내장된 여유 공간보다 훨씬 더 많은 비용이 드는 계획되지 않은 반응기 중단으로 인해, 다음 계획된 정기 보수까지 장치가 안전하게 작동하도록 보장하기 위해 더 높은 재료 및 설계 비용을 수용합니다.