Co to jest reaktor w rafinerii ropy naftowej: cel, rodzaje i sposób działania

Czym jest reaktor w rafinerii ropy naftowej: cel, rodzaje i sposób działania

Odpowiedź na kluczowe pytanie: Czym jest reaktor w rafinerii ropy naftowej? Reaktor to naczynie ciśnieniowe, w którym zachodzą procesy chemiczne, jedyne miejsce w rafinerii, gdzie cząsteczki są celowo rozbijane lub odbudowywane, a nie tylko sortowane. Wszystko inne w zakładzie rozdziela, podgrzewa, chłodzi lub przemieszcza materiał; reaktor zmienia to, czym jest materiał. Hydroodsiarczalnik pracuje w temperaturze 300-400°C i pod ciśnieniem 30-100 bar, przepuszczając strumień destylatu z wodorem przez katalizator kobaltowo-molibdenowy, który usuwa siarkę. Hydrokraker pracuje w temperaturze 350-450°C i pod ciśnieniem 100-200 bar i idzie dalej, krakując ciężki olej gazowy na olej napędowy i paliwo lotnicze. Reforming katalityczny pracuje w temperaturze 480-525°C na platynie, przekształcając naftę w reformowany produkt o wysokiej liczbie oktanowej. Riser w procesie fluidalnego krakingu katalitycznego pracuje w temperaturze 500-540°C z czasem kontaktu wynoszącym zaledwie 2-5 sekund. Te naczynia są największymi i najcięższymi elementami w zakładzie, o grubości ścianek 100-300 mm i wadze sięgającej 1200 ton, a także są najuważniej obserwowane, ponieważ od tego, co dzieje się w ich wnętrzu, zależy rentowność rafinerii.

1. Co faktycznie dzieje się w reaktorze rafinerii

W każdym reaktorze zachodzą cztery rzeczy, a ich zrozumienie wyjaśnia cały projekt:

• Surowiec styka się z katalizatorem: Niemal wszystkie reaktory rafinerii zawierają stały katalizator, materiał porowaty o ogromnej powierzchni wewnętrznej, często 150-400 m2 na gram, na którym zachodzi reakcja. Surowiec jest pompowany i podgrzewany do temperatury reakcji, a następnie przepływa przez złoże peletek katalizatora, zazwyczaj o średnicy 1-3 mm. Szybkość jest wyrażana jako objętościowa prędkość przepływu, zazwyczaj 0,5-5 h-1, co oznacza, że surowiec przepływa przez objętość katalizatora od 0,5 do 5 razy na godzinę, a ta liczba określa osiągniętą konwersję. Ponieważ katalizator jest miejscem tworzenia wartości, wszystko inne w reaktorze istnieje po to, aby mu służyć: dystrybutory do równomiernego rozprowadzania surowca, kratownice podporowe do jego utrzymania, termopary do odczytu temperatury i systemy gaszenia do jej kontroli.
• Ciepło jest uwalniane lub pochłaniane: Jest to czynnik, który w największym stopniu kształtuje konstrukcję mechaniczną. Hydroodsiarczanie i hydrokraking uwalniają ciepło, dlatego reaktor jest zbudowany z kilku oddzielnych złoży katalizatora i między nimi wtryskiwany jest zimny wodór, aby obniżyć temperaturę, ograniczając wzrost temperatury w każdym złożu do 20-40°C. Reforming katalityczny jest odwrotny: reakcje tworzące aromaty pochłaniają ciepło, dlatego reaktory są rozmieszczone w trzech lub czterech etapach adiabatycznych z piecem między nimi, aby ponownie dostarczyć ciepło. Fluidalny kraking katalityczny rozwiązuje problem inaczej, ciągle cyrkulując katalizator między reaktorem a regeneratorem, gdzie koks osadzony podczas krakingu jest spalany w temperaturze 650-730°C, a gorący, zregenerowany katalizator przenosi to ciepło z powrotem do reaktora, aby zasilić reakcję krakingu.
• Katalizator powoli umiera: Każdy katalizator z czasem traci aktywność, a mechanizm zależy od procesu. W krakingu koks osadza się w ciągu sekund. W hydroodsiarczaniu koks i metale, takie jak nikiel i wanad, stopniowo blokują pory, a cykl pracy kończy się po jednym do pięciu latach. W reformingu katalitycznym koks narasta przez sześć do dwudziestu czterech miesięcy. Operator kompensuje to, powoli podnosząc temperaturę w trakcie kampanii, co przywraca szybkość, ale także przyspiesza dezaktywację, więc cykl pracy kończy się, gdy osiągnięta zostanie maksymalna dopuszczalna temperatura, spadek ciśnienia na złożu lub specyfikacja produktu. Reaktor jest następnie wyłączany w celu regeneracji lub wymiany katalizatora, co jest głównym powodem przestojów rafinerii.
• Ciśnienie, metalurgia i obudowa: Reaktor rafinerii to naczynie ciśnieniowe o wyjątkowych parametrach pracy. Grubość ścianek 100-300 mm ze stali niskostopowej chromowo-molibdenowej jest normą, a powodem nie jest samo ciśnienie, ale kombinacja wodoru, siarkowodoru i temperatury. Wodór atomowy pod wysokim ciśnieniem parcjalnym atakuje węgiel w zwykłej stali i tworzy metan w metalu, co jest trybem awarii zwanym atakiem wodoru w wysokiej temperaturze, dlatego materiał jest dobierany zgodnie z krzywą Nelsona API 941. Naczynie jest zbudowane zgodnie z ASME VIII Division 2 z nakładką spawaną ze stali nierdzewnej na wszystkich powierzchniach zwilżonych i jest wyposażone w minimalną temperaturę ciśnieniową, zazwyczaj 90-150°C, poniżej której nigdy nie może być ciśnieniowane, ponieważ stal staje się krucha po długim okresie eksploatacji.

2. Główne reaktory, które znajdziesz w rafinerii

Nowoczesna rafineria zawiera od pięciu do piętnastu reaktorów, a każdy z nich ma specyficzne zadanie w schemacie przepływu:

• Hydroodsiarczalnik: Najczęściej spotykany reaktor w każdej rafinerii i ten, który umożliwia spełnienie nowoczesnych specyfikacji paliw. Usuwa siarkę, azot, tlen, metale i olefiny, reagując je z wodorem na katalizatorze kobaltowo-molibdenowym lub niklowo-molibdenowym w temperaturze 300-400°C i pod ciśnieniem 30-100 bar. Jego produktem jest siarkowodór i amoniak, które są oddzielane i kierowane do instalacji siarkowej, oraz czysty produkt spełniający limit 10 ppm siarki dla oleju napędowego o bardzo niskiej zawartości siarki. Prawie każdy strumień w rafinerii przechodzi przez jeden z nich: nafta przed reformingu, ponieważ siarka zatruwa platynę; nafta lotnicza przed mieszaniem paliwa lotniczego; olej napędowy przed sprzedażą; olej gazowy przed FCC lub hydrokrakerem; i olej gazowy próżniowy przed konwersją.
• Hydrokraker: Najbardziej wymagający i najcenniejszy reaktor konwersyjny. Pracuje w temperaturze 350-450°C i pod ciśnieniem 100-200 bar i wykonuje dwie czynności jednocześnie: krakuje ciężkie cząsteczki na cząsteczki z zakresu oleju napędowego i paliwa lotniczego przy użyciu kwaśnego komponentu zeolitu i uwodornia je przy użyciu komponentu metalowego. Ponieważ krakowanie odbywa się w środowisku bogatym w wodór, produkty są nasycone i mają niską zawartość siarki i olefin, więc olej napędowy i paliwo lotnicze z hydrokrakera należą do najwyższej jakości komponentów mieszania. Reaktor jest masywnym, grubościennym naczyniem z czterema do sześciu złoży katalizatora, zimnym gaszeniem wodorem między nimi i oddzielnym etapem hydroodsiarczania przed etapem krakowania, aby chronić katalizator krakingu przed azotem i siarką.
• Reaktor i regenerator fluidalnego krakingu katalitycznego: Główny producent benzyny w większości rafinerii i jedyna duża jednostka, w której katalizator cyrkuluje w sposób ciągły. Olej jest wtryskiwany na dno pionowego risera, gdzie styka się z zregenerowanym katalizatorem w temperaturze 500-540°C i krakuje w ciągu 2-5 sekund. Katalizator i para są oddzielane w cyklonach, katalizator jest oczyszczany z węglowodorów parą, a następnie przepływa do regeneratora, gdzie powietrze spala koks w temperaturze 650-730°C, przywracając aktywność i wytwarzając ciepło napędzające krakowanie. Zregenerowany katalizator, teraz gorący i czysty, wraca do risera. Całkowita cyrkulacja może przekraczać 20-50 ton na minutę w dużej jednostce, a sprzęt jest wyłożony odporną na erozję wykładziną ogniotrwałą, a nie stalową, ponieważ katalizator jest wysoce ścierny.
• Reforming katalityczny i mniejsze reaktory: Reforming katalityczny pobiera ciężką naftę o liczbie oktanowej 40-60 i podnosi ją do 95-105, przekształcając nafteny w aromaty i parafinę w izomery rozgałęzione, na katalizatorze platynowo-renowym w temperaturze 480-525°C i pod ciśnieniem 5-35 bar, w trzech lub czterech reaktorach szeregowo z piecami między nimi. Jest to również główne źródło wodoru w rafinerii. Obok nich znajduje się kilka mniejszych reaktorów: reaktor izomeryzacji przekształcający parafinę z lekkiej nafty w izomery o wyższej liczbie oktanowej w temperaturze 120-250°C; reaktor alkilacji łączący olefiny z izobutanem w temperaturze 5-20°C przy użyciu kwasu siarkowego lub fluorowodorowego; reaktor hydrodesulfuracji lub selektywnej hydrogenacji usuwający diolefiny z nafty krakowanej; oraz, w instalacji siarkowej, reaktor termiczny Claus w temperaturze 1000-1300°C, a następnie dwa lub trzy reaktory katalityczne w temperaturze 200-320°C przekształcające siarkowodór w siarkę elementarną.

Macierz porównawcza głównych reaktorów rafinerii

Często zadawane pytania (FAQ)

P: Jaka jest różnica między reaktorem a kolumną destylacyjną?

O: Kolumna destylacyjna rozdziela to, co już istnieje; reaktor tworzy to, czego nie było. W kolumnie cząsteczki przemieszczają się między fazą gazową a ciekłą, aż posortują się według punktu wrzenia, a żadne wiązanie chemiczne nie jest zrywane ani tworzone. W reaktorze wiązania są zrywane i tworzone na nowo, więc materiał opuszczający reaktor jest chemicznie inny od materiału wchodzącego. Ta różnica objawia się w konstrukcji: kolumna jest pełna tac lub wypełnienia i działa na gradiencie temperatury od dołu do góry, podczas gdy reaktor jest pełen katalizatora i działa w starannie kontrolowanej temperaturze, która jest prawie jednolita lub celowo stopniowana. Objawia się również w tym, co zużywają: kolumna zużywa ciepło i chłodzenie, reaktor zużywa katalizator, wodór i, w przypadku krakingu, koks, który tworzy się na katalizatorze.

P: Dlaczego reaktory rafinerii są tak duże i ciężkie?

O: Trzy powody się sumują. Ciśnienie i temperatura: hydrokraker pracujący pod ciśnieniem 200 bar i w temperaturze 450°C wymaga ścianki o grubości 150-300 mm ze stali niskostopowej, co samo w sobie sprawia, że puste naczynie waży kilkaset ton. Objętość: zapas katalizatora musi być wystarczająco duży, aby surowiec spędził odpowiednią ilość czasu w kontakcie z nim, a przy objętościowej prędkości przepływu 1 h-1, surowiec o przepływie 300 m3 na godzinę wymaga 300 m3 katalizatora, więc naczynie jest z definicji duże. I elementy wewnętrzne: dystrybutory, kratownice podporowe, systemy gaszenia, termopary i kolektory wylotowe dodają wewnętrznej złożoności i wysokości. Największe reaktory hydrokrakerów przekraczają 1200 ton, co przekracza możliwości większości tras transportowych i często możliwości dźwigu w warsztacie produkcyjnym, dlatego są budowane w pobliżu drogi wodnej lub transportowane w sekcjach i wykańczane na miejscu.

P: Jak długo działa reaktor rafinerii przed wyłączeniem?

O: Zależy to całkowicie od tego, jak szybko dezaktywuje się katalizator. Katalizator fluidalnego krakingu katalitycznego dezaktywuje się w ciągu sekund i jest stale regenerowany, więc jednostka pracuje od trzech do pięciu lat między przestojami, ograniczona stanem mechanicznym i ogniotrwałym, a nie katalizatorem. Hydroodsiarczalniki pracują od jednego do pięciu lat; hydroodsiarczalnik nafty na czystym surowcu może osiągnąć sześć lat, podczas gdy hydroodsiarczalnik oleju napędowego na surowcu krakowanym może być ograniczony do osiemnastu miesięcy. Hydrokrakery pracują od dwóch do pięciu lat. Półregeneracyjne reformery katalityczne pracują od sześciu do dwudziestu czterech miesięcy przed regeneracją in-situ, podczas gdy jednostki z ciągłą regeneracją katalizatora pracują zasadniczo bezterminowo i są ograniczone interwałami inspekcji mechanicznej. W każdym przypadku czynnikiem ograniczającym jest jeden z trzech: rosnący spadek ciśnienia na złożu, osiągnięcie maksymalnej dopuszczalnej temperatury złoża lub niespełnienie specyfikacji produktu.

P: Co sprawia, że reaktory rafinerii są niebezpieczne?

O: Cztery zagrożenia, wszystkie zarządzane przez projekt, a nie tylko przez procedury. Wysokie ciśnienie i temperatura w zapasie węglowodorów i wodoru, co oznacza, że wyciek może uwolnić duży łatwopalny zapas, a w przypadku pracy z wodorem zapalić się niemal niewidocznym płomieniem. Atak wodoru w wysokiej temperaturze, gdzie wodór pod wysokim ciśnieniem parcjalnym reaguje z węglem w stali, tworząc metan, powodując wewnętrzne pękanie, którego nie widać z zewnątrz; dlatego dobór materiału jest zgodny z krzywą Nelsona API 941 i dlatego inspekcja wykorzystuje zaawansowane metody ultradźwiękowe. Niepohamowana reakcja egzotermiczna, szczególnie w hydrokrakingu i hydroodsiarczaniu, gdzie utrata przepływu lub nierównomierny rozkład tworzy gorący punkt, który przyspiesza reakcję dalej, zarządzany przez systemy gaszenia, wielokrotne termopary i system awaryjnego odprężania zgodny z API 521. I piroforyczny siarczek żelaza, który tworzy się na wewnętrznej stronie naczyń w służbie siarkowej i zapala się samorzutnie, gdy naczynie jest otwierane na powietrze podczas przestoju, zarządzany przez kontrolowane utlenianie lub przez utrzymywanie naczynia w stanie wilgotnym podczas rozładunku katalizatora.