Co to jest reaktor przetwórstwa ropy naftowej: zadania rafinerii, elementy wewnętrzne i zakres pracy

Odpowiedź na kluczowe pytanie: Co to jest reaktor przetwórstwa ropy naftowej? Reaktor przetwórstwa ropy naftowej to grubościenny zbiornik ciśnieniowy zawierający złoże stałego katalizatora, przez które strumień rafinerii przepływa w kontrolowanej temperaturze i ciśnieniu w celu konwersji lub oczyszczenia. Znajduje się on poniżej frakcjonowania i powyżej obróbki produktów, a rafineria zazwyczaj zawiera od pięciu do piętnastu takich reaktorów. Hydroodsiarczalniki pracują w temperaturze 300-400°C i pod ciśnieniem 30-100 bar, usuwając siarkę, azot i metale. Hydrokrakery pracują w temperaturze 350-450°C i pod ciśnieniem 100-200 bar, konwertując olej napędowy na destylaty. Reformery katalityczne pracują w temperaturze 480-525°C i pod ciśnieniem 5-35 bar, podnosząc liczbę oktanową. Riser FCC pracuje w temperaturze 500-540°C z ciągłym obiegiem katalizatora. Żywotność katalizatora waha się od sekund w krakingu do pięciu lat w hydroodsiarczaniu, a cała konstrukcja mechaniczna, od dystrybutora wlotowego do kolektora wylotowego, służy temu, aby katalizator był dostępny, równomiernie zwilżony i kontrolowany termicznie przez cały cykl.

1. Położenie reaktorów w schemacie przepływu rafinerii

Rafineria to sekwencja etapów separacji i konwersji, a każdy reaktor zajmuje określone miejsce w tej sekwencji:

• Przygotowanie wsadu i hydroodsiarczanie: Ropa naftowa jest najpierw rozdzielana przez destylację atmosferyczną i próżniową na naftę, naftę lotniczą, olej napędowy, olej gazowy i pozostałość. Pierwszym reaktorem, z którym spotyka się każdy z tych strumieni, jest zazwyczaj hydroodsiarczalnik, który chroni wszystkie jednostki znajdujące się poniżej. Hydroodsiarczanie nafty usuwa siarkę i azot do poziomu poniżej 0,5-1 ppm, zanim strumień trafi do reformera katalitycznego, ponieważ oba są trucizną dla katalizatora platynowego; pracuje on w temperaturze 300-340°C i pod ciśnieniem 20-40 bar na katalizatorze kobaltowo-molibdenowym. Hydroodsiarczanie oleju napędowego jest głównym procesem produkcji oleju napędowego o ultra-niskiej zawartości siarki, redukując siarkę z 5000-15000 ppm do poniżej 10 ppm w temperaturze 330-380°C i pod ciśnieniem 40-80 bar, a intensywność procesu jest określana przez zawartość aromatyczną wsadu, ponieważ sterowo utrudnione dibenzotiofeny wymagają wysokowydajnego katalizatora niklowo-molibdenowego lub katalizatora metali szlachetnych w drugim etapie.
• Konwersja: kraking i reforming: Cięższe strumienie, które są mniej wartościowe niż produkty, którymi mogą się stać, są kierowane do konwersji. Hydrokraker łączy hydroodsiarczanie i kraking w jednym obiegu wysokociśnieniowym, konwertując 30-90% oleju gazowego z destylacji próżniowej na olej napędowy, paliwo lotnicze i naftę w temperaturze 350-450°C i pod ciśnieniem 100-200 bar, z egzotermią zarządzaną przez chłodzenie zimnym wodorem między złożami. Fluidalny kraker katalityczny krakinguje olej gazowy i pozostałość w riserze w temperaturze 500-540°C z czasem kontaktu 2-5 sekund i jest głównym producentem benzyny w rafinerii. Reforming katalityczny podnosi liczbę oktanową ciężkiej nafty z około 40-60 do 95-105 poprzez konwersję naftenów i parafin do aromatów w temperaturze 480-525°C. Opóźnione koksowanie termicznie konwertuje pozostałość próżniową do lżejszych produktów i koksu naftowego w temperaturze 480-510°C w połączonych bębnach koksowniczych pracujących w cyklu 12-24 godzin.
• Reaktory do obróbki i wykańczania: Po konwersji produkty wymagają końcowej obróbki. Strumienie nafty i benzyny mogą przechodzić przez jednostkę selektywnej hydrogenacji w celu konwersji diolefin do olefin w temperaturze 80-200°C i pod ciśnieniem 20-40 bar, zapobiegając tworzeniu się gumy poniżej. Nafta lotnicza i paliwo lotnicze są hydroodsiarczane w celu usunięcia siarki i merkaptanów. LPG przechodzi przez absorbent aminowy i absorbent kaustyczny, a w niektórych konfiguracjach przez reaktor Merox lub reaktor kobaltowo-molibdenowy w celu usunięcia siarki. Jednostka Claus konwertuje siarkowodór ze wszystkich regeneratorów amin do siarki elementarnej, używając reaktora termicznego w temperaturze 1000-1300°C, a następnie reaktorów katalitycznych w temperaturze 200-320°C na tlenku glinu lub tlenku tytanu; nie są to reaktory węglowodorowe, ale dzielą tę samą dyscyplinę projektowania mechanicznego i ogniotrwałego.
• Reaktory instalacji wodoru i mediów pomocniczych: Każda jednostka hydroodsiarczania i hydrokrakingu zależy od wodoru, który jest produkowany w reformatorze parowym metanu, gdzie rury reformera pierwotnego pracują w temperaturze 800-900°C i pod ciśnieniem 20-35 bar na katalizatorze niklowym, a następnie wysokotemperaturowy przesunięcie w temperaturze 320-450°C na żelazowo-chromowym i niskotemperaturowy przesunięcie w temperaturze 200-250°C na miedziowo-cynkowo-aluminiowym, a na końcu metanizacja w temperaturze 280-350°C lub adsorpcja ciśnieniowa. Reformer jest reaktorem rurowym ogrzewanym, a nie zbiornikiem, a jego rury są najściślej monitorowanymi elementami w rafinerii, ponieważ pękanie pełzające jest mechanizmem końca życia, śledzonym przez temperaturę metalu rury i okresowe pomiary pełzania laserowego lub ultradźwiękowego.

2. Elementy wewnętrzne, metalurgia i zakres pracy

Obudowa zbiornika przyciąga uwagę, ale elementy wewnętrzne i metalurgia decydują o tym, jak długo jednostka faktycznie pracuje:

• Dystrybutor wlotowy i podpora złoża: Każdy problem z wydajnością w reaktorze ze złożem stałym ostatecznie sprowadza się do dystrybucji. Dystrybutor wlotowy musi równomiernie rozprowadzić dwufazowy strumień gazu i cieczy na całym przekroju, ponieważ niewłaściwa dystrybucja wsadu powoduje kanałowanie, lokalne gorące punkty i część katalizatora, która nigdy nie styka się z wsadem. Nowoczesne konstrukcje wykorzystują tacę z podnośnikiem parowym, tacę z kapeluszami bąbelkowymi lub perforowany dystrybutor kominowy z głębokością cieczy 50-150 mm nad pokładem tacy, dobraną tak, aby pozostać stabilną przy minimalnym obniżeniu przepływu. Pułapki na kamień i stopniowane złoże większych pierścieni obojętnych na górze wychwytują rdzę i kamień z linii wlotowej, co jest najczęstszą przyczyną przedwczesnego wzrostu spadku ciśnienia. Podpora katalizatora składa się z siatki lub ekranu z drutu klinowego typu Johnson, pokrytego stopniowanymi warstwami ceramicznych kulek, a podpora musi przenosić pełny ciężar katalizatora plus różnicę ciśnień na końcu biegu bez ugięcia.
• Systemy chłodzenia i pomiar temperatury: Ponieważ hydroprzetwarzanie jest egzotermiczne, temperatura reaktora jest kontrolowana przez wtrysk zimnego wodoru lub zimnego płynu recyrkulacyjnego między złożami przez dystrybutor chłodzący, który redystrybuuje i miesza strumień przed kolejnym złożem. Każdemu złożu pozwala się na wzrost temperatury o 20-40°C, a cały reaktor jest śledzony przez dwie liczby pochodne: średnią ważoną temperaturę złoża, która jest średnią ważoną wszystkich temperatur złoża i jest najlepszym wskaźnikiem aktywności katalizatora, oraz maksymalną temperaturę złoża lub powierzchni, która jest limitem bezpieczeństwa. Wiele termopar na złoże, często od sześciu do dwunastu rozmieszczonych w schemacie z kilkoma pozycjami promieniowymi na każdym poziomie, wykrywa niewłaściwą dystrybucję jako rozkład temperatury promieniowej; rozkład powyżej 10-20°C sygnalizuje kanałowanie lub zanieczyszczony dystrybutor, a rosnący trend jest najwcześniejszym ostrzeżeniem o problemie.
• Metalurgia i mechanizmy degradacji: Reaktory hydroprzetwórcze pracują w warunkach, gdzie występują atak wodoru, kruchość odpuszczania i korozja siarczkowa. Podstawowy metal to zazwyczaj 2,25Cr-1Mo lub 3Cr-1Mo zgodnie z ASME VIII Division 2, dobrany zgodnie z krzywą Nelsona API 941 dla projektowego ciśnienia cząstkowego wodoru i temperatury, z austenityczną nakładką spawaną ze stali nierdzewnej 347 lub 309/308L na wszystkich zwilżonych powierzchniach w celu odporności na korozję siarkowodorem. Kruchość odpuszczania stali chromowo-molibdenowej w zakresie 350-575°C jest kontrolowana przez określenie niskiego współczynnika J i niskiej zawartości krzemu, przez testy stopniowego chłodzenia wytopów produkcyjnych, a operacyjnie przez nigdy nieciśnienie zbiornika poniżej jego minimalnej temperatury ciśnieniowej, zazwyczaj 90-150°C po okresie eksploatacji. Wilgotny siarkowodór wymaga zgodności z NACE MR0175 / ISO 15156, w tym limitów twardości i obróbki cieplnej po spawaniu.
• Zarządzanie cyklem, rozruch i zatrzymanie: Cykl hydroprzetwarzania kończy się, gdy zostanie osiągnięty spadek ciśnienia, maksymalna temperatura złoża lub specyfikacja produktu, w zależności od tego, co nastąpi pierwsze. Przed otwarciem katalizator jest albo regenerowany oksydacyjnie kontrolowanym tlenem i parą, albo reaktor jest inertyzowany i chłodzony w celu wymiany katalizatora. Rozruch jest regulowany przez minimalną temperaturę ciśnieniową: zbiornik musi być podgrzany powyżej tego progu przed podniesieniem ciśnienia, w przeciwnym razie możliwe jest kruche pękanie w kruczym zbiorniku. Presulfidacja katalizatora konwertuje tlenki metali do aktywnej formy siarczkowej, albo in situ z dimetylodisulfidu, albo ex situ przed załadunkiem. Sam załadunek katalizatora jest specjalnością: gęsty załadunek zwiększa ilość katalizatora w tej samej objętości o 10-20% i poprawia dystrybucję, ale wymaga sprzętu i umiejętności, podczas gdy załadunek w workach jest tańszy i bardziej wybaczający. Inspekcje remontowe szukają zniekształceń siatki podporowej, zanieczyszczenia kolektora wylotowego, odspajania nakładki i pęknięć w nakładce spawanej i dyszach.

Macierz porównania zadań reaktorów rafinerii

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

P: Jaka jest różnica między reaktorem przetwórstwa ropy naftowej a zwykłym zbiornikiem ciśnieniowym?

O: Prawnie i mechanicznie reaktor jest zbiornikiem ciśnieniowym, zbudowanym zgodnie z ASME VIII Division 1 lub Division 2 i odpowiednio oznakowanym. Funkcjonalnie jednak reaktor zawiera aktywne chemicznie zapasy, które zmieniają się w czasie. Separator lub zbiornik przechowuje statyczne zapasy w stabilnych warunkach, podczas gdy reaktor przechowuje katalizator, którego aktywność spada, generuje ciepło i narzuca rosnący profil temperatury w cyklu. Ta różnica napędza wszystko: wewnętrzne dystrybutory i kolektory zamiast prostych króćców, wiele termopar na kilku pozycjach promieniowych zamiast jednej, system chłodzenia, który wtryskuje zimny płyn między złoża, metalurgię dobraną zgodnie z krzywą Nelsona API 941 dla ataku wodoru zamiast tylko na podstawie ciśnienia, oraz zakres pracy, który obejmuje minimalną temperaturę ciśnieniową, poniżej której zbiornik nie może być ciśnieniowany. Interwały inspekcji i ocena pozostałego życia są odpowiednio bardziej wymagające.

P: Jak długo trwa katalizator reaktora rafinerii?

O: Zależy to całkowicie od zadania. Katalizator fluidalnego krakingu katalitycznego jest dezaktywowany przez koks w ciągu sekund i krąży stale przez regenerator, więc jego zapasy są uzupełniane codziennymi dodatkami, a nie wymianą; całkowite zapasy są wymieniane w ciągu tygodni do miesięcy. Katalizator hydroodsiarczania trwa od jednego do pięciu lat, przy czym hydroodsiarczalnik nafty zazwyczaj działa przez 3-6 lat, a hydroodsiarczalnik oleju napędowego przez 1-3 lata, w zależności od punktu końcowego wsadu i intensywności procesu. Katalizator hydrokrakingu działa przez 2-5 lat. Hydroprzetwarzanie pozostałości z użyciem złoża wrzącego zastępuje 0,5-2% zapasów każdego dnia właśnie dlatego, że żywotność katalizatora jest tak krótka. Katalizator reformingu katalitycznego działa przez 6-24 miesiące w służbie półregeneracyjnej i praktycznie bezterminowo w jednostkach ciągłej regeneracji, gdzie cyrkulacja jest ciągła. Koniec biegu jest określany przez maksymalną temperaturę złoża, spadek ciśnienia przez złoże lub specyfikację produktu.

P: Jaka jest najczęstsza przyczyna przedwczesnego wyłączenia reaktora?

O: Wzrost spadku ciśnienia jest główną przyczyną w hydroprzetwarzaniu i prawie zawsze zaczyna się na górze pierwszego złoża. Rdza i kamień z linii wlotowej, siarczek żelaza z korozji powyżej, koks z pieca, a w służbie pozostałości asfalteny i zawieszone ciała stałe gromadzą się w przestrzeni międzyziarnistej, a ponieważ spadek ciśnienia jest odwrotnie proporcjonalny do kwadratu ułamka objętości pustej, niewielka ilość osadu powoduje nieproporcjonalny wzrost. Drugą przyczyną jest limit temperatury: niewłaściwa dystrybucja przepływu lub zanieczyszczony dystrybutor powoduje rozkład temperatury promieniowej, gorący kanał przyspiesza lokalną dezaktywację, a maksymalna temperatura złoża jest osiągana, zanim średni katalizator zostanie zużyty. Oba problemy są rozwiązywane przez filtrację wsadu, odpowiednio zaprojektowaną pułapkę na kamień i stopniowane złoże, ostrożny rozruch w celu uniknięcia szoku termicznego, który powoduje łuszczenie się katalizatora, oraz przez monitorowanie rozkładu promieniowego jako wczesnego ostrzeżenia, zamiast czekania na temperaturę masową.

P: Jaka metalurgia jest stosowana do reaktorów hydroprzetwórczych i dlaczego?

O: Standardem jest stal niskostopowa 2,25Cr-1Mo lub 3Cr-1Mo z austenityczną nakładką spawaną ze stali nierdzewnej. Metal bazowy jest dobierany zgodnie z krzywą Nelsona API 941, która określa kombinacje ciśnienia cząstkowego wodoru i temperatury, przy których wodór atomowy reaguje z węglem w stali, tworząc metan, powodując międzykrystaliczne pękanie i odowęglanie znane jako wysokotemperaturowy atak wodoru; dodanie chromu i molibdenu tworzy stabilne węgliki i podnosi limit. Od lat 80. XX wieku stosuje się stal 3Cr-1Mo z wanadem lub 2,25Cr-1Mo-0,25V do trudnych zastosowań hydrokrakingu, ponieważ pozwala ona na wyższe temperatury i zapewnia lepszą odporność na kruchość odpuszczania. Nakładka ze stali nierdzewnej, zazwyczaj 309L jako pierwsza warstwa, a następnie 347 lub 308L, jest odporna na korozję siarkowodorem i chroni przed tworzeniem się kamienia żelaznego, który w przeciwnym razie zapchałby złoże. W najgorętszych sekcjach i w separatorach wysokociśnieniowych, gdzie stężenie bisulfidu amonu i hydrosulfidu amonu jest wysokie, stosuje się okładziny ze stopu 825 lub lite elementy Inconel.