یک راکتور پردازش هیدروکربن چیست: انواع، طراحی و کاربردهای پالایشگاه

راکتور پردازش هیدروکربن چیست: انواع، طراحی و کاربردهای پالایشگاهی

پاسخ به سوال اصلی: راکتور پردازش هیدروکربن چیست؟ راکتور پردازش هیدروکربن یک مخزن تحت فشار است که در آن خوراک نفتی یا پتروشیمیایی با کراکینگ، ریفرمینگ، هیدروتریتینگ، آلکیلاسیون یا ایزومریزاسیون به محصولات با ارزش‌تر تبدیل می‌شود، تقریباً همیشه بر روی یک کاتالیزور جامد و تحت دما و فشار کنترل شده. کلاس‌های اصلی بر اساس پنجره‌های عملیاتی آنها جدا می‌شوند. کراکینگ کاتالیستی سیال، گازوئیل تبخیر شده را با کاتالیزور زئولیت برای 2-5 ثانیه در دمای 500-540 درجه سانتیگراد در یک رایزر تماس می‌دهد. هیدروکراکینگ در دمای 350-450 درجه سانتیگراد و فشار 100-200 بار با کاتالیزور دو عاملی و فشار جزئی بالای هیدروژن اجرا می‌شود. ریفرمینگ کاتالیستی در دمای 480-525 درجه سانتیگراد و فشار 5-35 بار برای افزایش عدد اکتان عمل می‌کند. هیدروتریتینگ گوگرد، نیتروژن و فلزات را در دمای 300-400 درجه سانتیگراد و فشار 30-100 بار حذف می‌کند. هر یک از اینها پیکربندی متفاوتی از راکتور را تحمیل می‌کند، زیرا محدودیت غالب متفاوت است: تعادل حرارتی در FCC، فشار جزئی هیدروژن و متالورژی در هیدروکراکینگ، و افت فشار ناشی از رسوب کک و فلزات در هیدروتریتینگ.

1. مسیرهای تبدیل و راکتورهای مورد نیاز آنها

چهار مسیر بخش عمده‌ای از ظرفیت تبدیل هیدروکربن را تشکیل می‌دهند و هر کدام طراحی متفاوتی از راکتور را دیکته می‌کنند:

• کراکینگ کاتالیستی سیال: FCC بالاترین دمای فرآیند تبدیل در پالایشگاه است و تنها فرآیند اصلی است که در آن کاتالیزور به طور مداوم بین یک راکتور و یک احیا کننده در گردش است. گازوئیل به یک رایزر تزریق می‌شود که در آنجا با کاتالیزور احیا شده در دمای 500-540 درجه سانتیگراد تماس پیدا می‌کند و در عرض 2-5 ثانیه به بنزین، LPG و محصولات سبک‌تر کراک می‌شود. کراکینگ گرماگیر است و گرما توسط خود کاتالیزور داغ احیا شده تامین می‌شود که کک را از چرخه قبلی حمل می‌کند. رسوب کک 0.5-1.5 درصد وزنی کاتالیزور را در عرض چند ثانیه غیرفعال می‌کند، بنابراین کاتالیزور مصرف شده با بخار جدا شده و در احیا کننده در دمای 650-730 درجه سانتیگراد سوزانده می‌شود، که فعالیت را بازیابی کرده و گرمای فرآیند را تامین می‌کند. بنابراین راکتور به معنای معمول یک مخزن نیست، بلکه یک رایزر، یک مخزن جداکننده با سیکلون‌هایی برای جدا کردن کاتالیزور از بخار، و یک جداکننده است که همگی با پوشش نسوز مقاوم در برابر سایش ساخته شده‌اند زیرا کاتالیزور بسیار ساینده است.
• هیدروکراکینگ و هیدروتریتینگ: اینها فرآیندهای کاتالیستی بستر ثابت هستند که تحت فشار جزئی بالای هیدروژن انجام می‌شوند. هیدروتریتینگ گوگرد، نیتروژن، اکسیژن و فلزات را در دمای 300-400 درجه سانتیگراد و فشار 30-100 بار با کاتالیزور کبالت-مولیبدن یا نیکل-مولیبدن بر روی آلومینا حذف می‌کند و سولفید هیدروژن و آمونیاک تولید می‌کند که باید از گاز بازیافتی جدا شوند. هیدروکراکینگ داغ‌تر و سخت‌تر، 350-450 درجه سانتیگراد در فشار 100-200 بار اجرا می‌شود و یک تابع کراکینگ اسیدی اضافه می‌کند تا خوراک سنگین هم گوگردزدایی شده و هم به تقطیرها تبدیل شود. هر دو به شدت گرمازا هستند، بنابراین راکتور با بسترهای کاتالیستی چندگانه و کوئنچ هیدروژن سرد بین آنها ساخته می‌شود که افزایش دمای هر بستر را به 20-40 درجه سانتیگراد محدود می‌کند. دو محدودیت طراحی حاکم عبارتند از نسبت هیدروژن به روغن 300-1500 نرمال متر مکعب بر متر مکعب برای سرکوب تشکیل کک، و افت فشار که با تجمع کک و فلزات افزایش می‌یابد تا زمانی که بستر باید تعویض یا تراشیده شود.
• ریفرمینگ کاتالیستی: ریفرمینگ نفتای با عدد اکتان پایین را به رفورمات با عدد اکتان بالا و آروماتیک‌ها بر روی کاتالیزور پلاتین یا پلاتین-رنیوم بر روی پایه آلومینای کلرینه شده، در دمای 480-525 درجه سانتیگراد و فشار 5-35 بار تبدیل می‌کند. واکنش‌های اصلی عبارتند از دهیدروژناسیون نفتن‌ها به آروماتیک‌ها، دهیدروسیکلیزاسیون پارافین‌ها و ایزومریزاسیون، و آنها به طور کلی به شدت گرماگیر هستند، بنابراین راکتورها در سه یا چهار بستر ثابت آدیاباتیک به صورت سری با گرم‌کننده‌های بینابینی چیده شده‌اند. هیدروژن به عنوان یک محصول جانبی ارزشمند تولید می‌شود. دو متغیر فرآیند غالب هستند: تعادل آب-کلر بر روی کاتالیزور، از آنجایی که کلر به طور مداوم به جریان خروجی از دست می‌رود و باید مجدداً تزریق شود تا اسیدیته حفظ شود، و رسوب کک که یا با احیای چرخه‌ای، یا با طراحی نیمه احیا کننده با چرخه 6-24 ماهه که با خاموشی برای احیا به پایان می‌رسد، یا با احیای کاتالیزور پیوسته که کاتالیزور به آرامی از طریق یک احیا کننده در گردش است، مدیریت می‌شود.
• تبدیل حرارتی و کک‌سازی: در مواردی که خوراک برای کاتالیزور خیلی سنگین یا خیلی آلوده است، پالایشگاه‌ها از تبدیل حرارتی استفاده می‌کنند. کک‌سازی تاخیری، باقی‌مانده خلاء را در دمای 480-510 درجه سانتیگراد در یک کوره گرم کرده و آن را برای 12-24 ساعت در مخازن بزرگ کک نگه می‌دارد، جایی که به محصولات سبک‌تر و کک جامد تبدیل می‌شود که بعداً با آب پرفشار بریده می‌شود. ویس‌بریکینگ نسخه ملایم‌تری است که ویسکوزیته را با کراکینگ حرارتی ملایم در دمای 450-500 درجه سانتیگراد با زمان ماند کوتاه کاهش می‌دهد. اینها فرآیندهای نیمه دسته‌ای یا کویلی هستند تا بسترهای کاتالیستی ثابت، و چالش‌های طراحی راکتور حرارتی هستند، نه کاتالیستی: متالورژی دیواره مخزن تحت تنش حرارتی چرخه‌ای، قابلیت اطمینان شیرهای کوئنچ و سوئیچینگ، و تمایل شدید به گرفتگی و کک‌سازی لوله‌های هیتر که با سرعت بالای تزریق بخار یا میعانات برای کوتاه نگه داشتن زمان ماند مدیریت می‌شود.

2. پیکربندی‌های راکتور و نحوه انتخاب آنها

انتخاب بین حالت‌های تماس از عمر کاتالیزور، شدت گرمازا و آلودگی خوراک ناشی می‌شود:

• راکتور بستر ثابت: ساده‌ترین و پرکاربردترین پیکربندی: گلوله‌های کاتالیزور 1-3 میلی‌متری در یک یا چند بستر که توسط یک شبکه و یک لایه درجه‌بندی شده از توپ‌های سرامیکی خنثی پشتیبانی می‌شوند، بارگذاری می‌شوند. جریان اساساً جریان پیستونی است که حداکثر تبدیل در هر عبور را فراهم می‌کند و هیچ فرسایش کاتالیزور یا تجهیزات جداسازی وجود ندارد. محدودیت‌ها مشخص می‌کنند که کجا می‌توان از بسترهای ثابت استفاده کرد. حذف گرما ضعیف است، بنابراین واکنش‌های به شدت گرمازا نیاز به کوئنچ چند بستری یا طراحی لوله‌ای دارند. افت فشار با رسوب کک و فلزات افزایش می‌یابد و در نهایت باعث خاموشی می‌شود. و اگر غیرفعال شدن کاتالیزور سریع باشد، بستر را نمی‌توان بدون توقف واحد تعویض کرد. بنابراین بسترهای ثابت برای خوراک‌های تمیز با عمر کاتالیزور یک تا پنج سال مناسب هستند، به همین دلیل است که هیدروتریتینگ، هیدروکراکینگ و ریفرمینگ را تحت سلطه خود درآورده‌اند.
• راکتورهای بستر سیال و جوشان: هنگامی که کاتالیزور در عرض چند ثانیه غیرفعال می‌شود، مانند FCC، کاتالیزور باید به طور مداوم در گردش باشد و بستر سیال این امکان را فراهم می‌کند در حالی که یکنواختی دما و انتقال حرارت عالی را ارائه می‌دهد. جریمه آن فرسایش کاتالیزور، همراهی است که نیاز به سیکلون‌های با راندمان بالا دارد، و اختلاط برگشتی که تبدیل در هر عبور را نسبت به جریان پیستونی کاهش می‌دهد. یک بستر جوشان که برای هیدروکانورژن باقی‌مانده استفاده می‌شود، کاتالیزور را در جریان رو به بالای مایع و گاز معلق می‌کند تا بستر 30-50٪ منبسط شود و عملیات تقریباً ایزوترمال، افت فشار کم و ثابت، و توانایی اضافه کردن و برداشتن کاتالیزور به صورت آنلاین هر روز را فراهم می‌کند. این مزیت تعیین کننده در پردازش باقی‌مانده با 50-350 ppm فلزات است، زیرا فلزات به طور دائم کاتالیزور را مسموم می‌کنند و فقط جایگزینی مداوم اقتصاد را توجیه می‌کند.
• ستون حباب دوغاب و راکتورهای لوله‌ای: راکتور دوغاب، کاتالیزور ریز را در مایع با حباب زدن گاز از طریق آن معلق می‌کند و حذف حرارت عالی و استفاده بسیار بالایی از کاتالیزور را ارائه می‌دهد و در سنتز فیشر-تروپش و هیدروکراکینگ دوغاب باقی‌مانده استفاده می‌شود. چالش جداسازی کاتالیزور ریز از محصول است که توسعه فیلتراسیون و جداسازی مغناطیسی را هدایت می‌کند. در مقابل، یک راکتور لوله‌ای، کاتالیزور را در هزاران لوله با قطر کوچک با یک محیط انتقال حرارت در سمت پوسته قرار می‌دهد. این در مواردی انتخاب می‌شود که کنترل دما حیاتی است، مانند اصلاح بخار، که در آن واکنش گرماگیر است و لوله‌ها در یک کوره در دمای 800-900 درجه سانتیگراد گرم می‌شوند، یا در اکسیداسیون‌های انتخابی به شدت گرمازا که فرار باید از نظر فیزیکی غیرممکن باشد. تعداد لوله‌ها 200-1000 و طول 6-13 متر معمول است، با صفحه لوله و اتصال لوله به صفحه لوله که جزئیات ساخت چالش برانگیزتری هستند.
• مواد، کدها و یکپارچگی: راکتورهای هیدروکربنی در مرز قابلیت متالورژیکی عمل می‌کنند و سه مکانیزم تخریب انتخاب مواد را هدایت می‌کنند. حمله هیدروژن در دمای بالا که با منحنی API 941 نلسون مدیریت می‌شود، نیاز به فولادهای کروم-مولیبدن دارد: 1.25Cr-0.5Mo یا 2.25Cr-1Mo برای هیدروپردازش، گاهی اوقات با روکش استنلس استیل 347 یا پوشش جوشی 321 یا 347 برای مقاومت در برابر خوردگی در برابر سولفید هیدروژن. تردی تمپر 2.25Cr-1Mo در محدوده 350-575 درجه سانتیگراد با محدود کردن فاکتور J، ردیابی تردی خنک‌سازی پله‌ای از ذوب‌های تولیدی، و کنترل راه‌اندازی و خاموشی برای جلوگیری از فشار دادن یک مخزن سرد زیر حداقل دمای فشار دادن آن، کنترل می‌شود. و ترک خوردگی تنش سولفیدی ناشی از سولفید هیدروژن مرطوب از طریق محدودیت‌های NACE MR0175 / ISO 15156 در سختی و عملیات حرارتی اجباری پس از جوش‌کاری مورد بررسی قرار می‌گیرد. تخلیه فشار به طور جداگانه از طریق API 520 و API 521 مورد بررسی قرار می‌گیرد، با استفاده از روش‌شناسی DIERS در مواردی که یک واکنش فرار می‌تواند بخار را سریع‌تر از آنچه یک دستگاه تخلیه معمولی می‌تواند مدیریت کند، تولید کند.

ماتریس مقایسه انواع راکتور پردازش هیدروکربن

سوالات متداول (FAQ)

س: تفاوت اصلی بین هیدروتریتینگ و هیدروکراکینگ چیست؟

پاسخ: هر دو از هیدروژن و کاتالیزور سولفیده شده در فشار بالا استفاده می‌کنند، اما هدف و شدت آنها متفاوت است. هیدروتریتینگ آلاینده‌ها را حذف می‌کند، گوگرد را به سولفید هیدروژن، نیتروژن را به آمونیاک تبدیل می‌کند و اولفین‌ها و آروماتیک‌ها را به آرامی اشباع می‌کند، در دمای 300-400 درجه سانتیگراد و فشار 30-100 بار بدون تغییر اساسی در محدوده جوش. هیدروکراکینگ به طور عمدی پیوندهای کربن-کربن را می‌شکند تا 30-90٪ از خوراک سنگین را به تقطیرهای سبک‌تر تبدیل کند، در دمای 350-450 درجه سانتیگراد و فشار 100-200 بار بر روی یک کاتالیزور دو عاملی که ترکیبی از عملکرد هیدروژناسیون فلزی با عملکرد کراکینگ اسیدی است، اجرا می‌شود. در عمل، یک هیدروکراکر به عنوان یک مرحله هیدروتریتینگ و سپس یک مرحله کراکینگ در همان حلقه فشار بالا ساخته می‌شود، زیرا کاتالیزور کراکینگ توسط گوگرد و نیتروژن مسموم می‌شود و خوراک باید ابتدا تمیز شود.

س: چرا فشار جزئی هیدروژن در هیدروپردازش بسیار مهم است؟

پاسخ: فشار جزئی هیدروژن واکنش‌های میعان و دهیدروژناسیون را که باعث تشکیل کک بر روی سطح کاتالیزور می‌شوند، سرکوب می‌کند. کک اصلی‌ترین مکانیزم غیرفعال‌سازی برگشت‌پذیر است و افزایش فشار جزئی هیدروژن می‌تواند عمر کاتالیزور را دو یا سه برابر کند، که امکان چرخه طولانی‌تر با شدت یکسان یا شدت بالاتر در طول چرخه یکسان را فراهم می‌کند. همچنین تعادل گوگردزدایی و نیتروژن‌زدایی را به سمت محصولات سوق می‌دهد و اشباع آروماتیک را بهبود می‌بخشد. به همین دلیل است که واحدهای هیدروپردازش با نرخ‌های بالای گاز بازیافتی، معمولاً 300-1500 نرمال متر مکعب بر متر مکعب خوراک، با شستشوی آمین گاز بازیافتی برای حذف سولفید هیدروژن و آمونیاک که در غیر این صورت هیدروژن را رقیق می‌کنند، و با حفظ خلوص هیدروژن ورودی بالای حدود 90-95٪ با تخلیه یک جریان انحرافی برای جلوگیری از تجمع مواد خنثی، طراحی می‌شوند.

س: چه چیزی باعث می‌شود راکتور هیدروپردازش به پایان دوره کاری خود برسد؟

پاسخ: سه حد به دست می‌آید و هر کدام که زودتر برسد، چرخه را تعیین می‌کند. افت فشار: کک، پوسته آهن و در سرویس باقی‌مانده، جامدات معلق، فضای خالی بالای بستر را مسدود می‌کنند و راکتور زمانی خاموش می‌شود که اختلاف فشار به حد مکانیکی اجزای داخلی یا کمپرسور بازیافت برسد. دما: با غیرفعال شدن کاتالیزور، اپراتور دمای متوسط وزنی بستر را برای حفظ تبدیل افزایش می‌دهد و دوره کاری زمانی به پایان می‌رسد که حداکثر دمای مجاز بستر، معمولاً 415-440 درجه سانتیگراد برای متالورژی و گزینش‌پذیری، به دست آید. و کیفیت محصول یا حد متالورژیکی: زمانی که گوگرد محصول دیگر قابل دستیابی نباشد، یا زمانی که دمای خروجی راکتور به حدی نزدیک شود که توسط ملاحظات حمله هیدروژن تعیین شده است. هر یک از اینها به طور متفاوتی مدیریت می‌شود، به همین دلیل است که درجه‌بندی بستر، تله‌های پوسته و یک سیستم کوئنچ با طراحی خوب تأثیر زیادی بر طول چرخه دارند.

س: چگونه یک راکتور هیدروکربن در برابر فرار و فشار بیش از حد محافظت می‌شود؟

پاسخ: حفاظت لایه‌ای است. ذاتاً، طراحی کوئنچ چند بستری و نسبت بالای هیدروژن به روغن، افزایش دما را که هر گرمازایی می‌تواند تولید کند، محدود می‌کند و متالورژی راکتور با حاشیه بالاتر از حداکثر دمای عملیاتی قابل تصور انتخاب می‌شود. حفاظت ابزار دقیق از ترموکوپل‌های دمای بستر مستقل با هشدار بالا-بالا و یک اینترلاک استفاده می‌کند که هیتر خوراک را خاموش می‌کند و در موارد شدید، واحد را از طریق یک سیستم تخلیه اضطراری با اندازه API 521، که معمولاً فشار را در عرض 15 دقیقه از عملیاتی به 7 بار کاهش می‌دهد تا یک گرمازای در حال انتشار را متوقف کند، تخلیه می‌کند. حفاظت مکانیکی یک شیر اطمینان است که طبق API 520 تنظیم شده و برای بار تخلیه قابل تصور، که برای یک هیدروکراکر ممکن است مورد تبخیر کامل باشد، اندازه‌گیری شده است. در مواردی که یک واکنش فرار می‌تواند بخار را به صورت غیرقابل میعان و سریع‌تر از آنچه تخلیه می‌تواند مدیریت کند، تولید کند، از روش‌شناسی DIERS برای تعیین اینکه آیا سیستم تعدیل شده یا گازی است و آیا دستگاه تخلیه کافی است یا مخزن تخلیه مقاوم در برابر فشار یا تخلیه اضطراری کامل مورد نیاز است، استفاده می‌شود.