Что такое реактор нефтепереработки: типы, конструкция и применение на НПЗ

Что такое реактор переработки углеводородов: типы, конструкция и применение в нефтепереработке

Ответ на основной вопрос: Что такое реактор переработки углеводородов? Реактор переработки углеводородов — это сосуд под давлением, в котором нефтяное или нефтехимическое сырье химически преобразуется в продукты с более высокой стоимостью путем крекинга, риформинга, гидроочистки, алкилирования или изомеризации, почти всегда с использованием твердого катализатора и при контролируемой температуре и давлении. Основные классы разделяются по рабочим диапазонам. Каталитический крекинг сжиженного газа контактирует газойль с цеолитовым катализатором в течение 2-5 секунд при температуре 500-540 °C в стояке. Гидрокрекинг работает при температуре 350-450 °C и давлении 100-200 бар с бифункциональным катализатором и высоким парциальным давлением водорода. Каталитический риформинг работает при температуре 480-525 °C и давлении 5-35 бар для повышения октанового числа. Гидроочистка удаляет серу, азот и металлы при температуре 300-400 °C и давлении 30-100 бар. Каждый из этих процессов требует различной конфигурации реактора, поскольку доминирующее ограничение различается: тепловой баланс в FCC, парциальное давление водорода и металлургия в гидрокрекинге, а также перепад давления из-за отложения кокса и металлов в гидроочистке.

1. Маршруты переработки и требуемые реакторы

Четыре маршрута составляют основную часть мощностей по переработке углеводородов, и каждый из них определяет различную конструкцию реактора:

• Каталитический крекинг сжиженного газа: FCC — это процесс переработки с самой высокой температурой на нефтеперерабатывающем заводе, и единственный крупный процесс, в котором катализатор непрерывно циркулирует между реактором и регенератором. Газойль впрыскивается в стояк, где он контактирует с регенерированным катализатором при температуре 500-540 °C и крекируется в течение 2-5 секунд до бензина, СУГ и более легких продуктов. Крекинг является эндотермическим, и тепло поставляется самим горячим регенерированным катализатором, который несет кокс из предыдущего цикла. Отложение кокса в количестве 0,5-1,5% по массе деактивирует катализатор в течение нескольких секунд, поэтому отработанный катализатор отпаривается паром и сжигается в регенераторе при температуре 650-730 °C, восстанавливая активность и обеспечивая технологическое тепло. Поэтому реактор представляет собой не сосуд в обычном смысле, а стояк, сепарационный сосуд с циклонами для отделения катализатора от паров и отпарную колонну, все они облицованы износостойкой огнеупорной футеровкой, поскольку катализатор сильно абразивен.
• Гидрокрекинг и гидроочистка: Это каталитические процессы с неподвижным слоем, проводимые при высоком парциальном давлении водорода. Гидроочистка удаляет серу, азот, кислород и металлы при температуре 300-400 °C и давлении 30-100 бар с использованием кобальт-молибденового или никель-молибденового катализатора на оксиде алюминия, производя сероводород и аммиак, которые должны быть удалены из рециркулирующего газа. Гидрокрекинг работает при более высокой температуре и давлении, 350-450 °C при 100-200 бар, и добавляет функцию кислотного крекинга, так что тяжелое сырье одновременно обессеривается и преобразуется в дистилляты. Оба процесса сильно экзотермичны, поэтому реактор имеет несколько слоев катализатора и охлаждение холодным водородом между ними, ограничивая повышение температуры каждого слоя до 20-40 °C. Два основных конструктивных ограничения: соотношение водорода к нефти 300-1500 Нм³/м³ для подавления образования кокса и перепад давления, который растет по мере накопления кокса и металлов до тех пор, пока слой не потребуется заменить или удалить.
• Каталитический риформинг: Риформинг преобразует низкооктановый нафта в высокооктановый риформат и ароматические соединения на платиновом или платино-рениевом катализаторе на хлорированном носителе из оксида алюминия при температуре 480-525 °C и давлении 5-35 бар. Основные реакции — дегидрирование нафтенов до ароматических соединений, дегидроциклизация парафинов и изомеризация, и они в целом сильно эндотермичны, поэтому реакторы расположены в три или четыре адиабатических неподвижных слоя последовательно с промежуточными нагревателями. Водород производится как ценный побочный продукт. Доминируют два технологических параметра: баланс воды и хлорида на катализаторе, поскольку хлорид постоянно теряется с продуктом и должен быть повторно введен для поддержания кислотности, и отложение кокса, которое управляется либо циклическим регенерированием, либо полурегенеративной конструкцией с циклом 6-24 месяца, заканчивающимся регенерацией при остановке, либо непрерывным регенерированием катализатора, где катализатор медленно циркулирует через регенератор.
• Термическая переработка и коксование: Когда сырье слишком тяжелое или слишком загрязненное для катализатора, нефтеперерабатывающие заводы используют термическую переработку. Замедленное коксование нагревает вакуумный остаток до 480-510 °C в печи и выдерживает его в больших коксовых барабанах в течение 12-24 часов, где он крекируется до более легких продуктов и твердого кокса, который затем вырезается водой под высоким давлением. Висбрекинг — это более мягкий вариант, который снижает вязкость путем мягкого термического крекинга при температуре 450-500 °C с коротким временем пребывания. Это полупериодические или змеевиковые процессы, а не каталитические неподвижные слои, и проблемы конструкции реактора являются термическими, а не каталитическими: металлургия стенок барабана при циклическом термическом напряжении, надежность запорных и переключающих клапанов, а также сильное загрязнение и склонность к коксованию труб нагревателя, что управляется высокой скоростью впрыска пара или конденсата для поддержания короткого времени пребывания.

2. Конфигурации реакторов и как делается выбор

Выбор между режимами контакта зависит от срока службы катализатора, степени экзотермичности и загрязнения сырья:

• Реактор с неподвижным слоем: Самая простая и широко используемая конфигурация: гранулы катализатора размером 1-3 мм загружаются в один или несколько слоев, поддерживаемых решеткой и градуированным слоем инертных керамических шариков. Поток в основном поршневой, что максимизирует конверсию за один проход, и нет истирания катализатора или оборудования для его разделения. Пределы определяют, где могут использоваться неподвижные слои. Отвод тепла плохой, поэтому сильно экзотермические реакции требуют многослойного охлаждения или трубчатой конструкции. Перепад давления растет по мере отложения кокса и металлов, в конечном итоге вынуждая остановку. И если деактивация катализатора быстрая, слой нельзя заменить без остановки установки. Поэтому неподвижные слои подходят для чистого сырья со сроком службы катализатора от одного до пяти лет, поэтому они доминируют в гидроочистке, гидрокрекинге и риформинге.
• Реакторы с псевдоожиженным и кипящим слоем: Когда катализатор деактивируется за секунды, как в FCC, катализатор должен циркулировать непрерывно, а псевдоожиженный слой делает это возможным, обеспечивая превосходную равномерность температуры и теплопередачу. Недостатком является истирание катализатора, унос, требующий высокоэффективных циклонов, и противоток, который снижает конверсию за проход по сравнению с поршневым потоком. Кипящий слой, используемый для гидроконверсии остатка, суспендирует катализатор в восходящем потоке жидкости и газа, так что слой расширяется на 30-50%, обеспечивая почти изотермическую работу, низкий и постоянный перепад давления, а также возможность добавлять и извлекать катализатор в режиме онлайн каждый день. Это решающее преимущество при переработке остатка с 50-350 ppm металлов, поскольку металлы необратимо отравляют катализатор, и только непрерывная замена делает процесс экономически выгодным.
• Реакторы с барботажной колонной и трубчатые реакторы: Реактор с суспензией суспендирует мелкий катализатор в жидкости с барботированием газа, обеспечивая превосходный отвод тепла и очень высокое использование катализатора, и используется в синтезе Фишера-Тропша и в гидрокрекинге остатка в суспензии. Проблема заключается в отделении мелкого катализатора от продукта, что стимулирует разработку фильтрации и магнитного разделения. Трубчатый реактор, напротив, размещает катализатор внутри тысяч трубок малого диаметра с теплоносителем с внешней стороны. Это выбирается там, где контроль температуры имеет решающее значение, как в паровом риформинге, где реакция эндотермична, а трубки нагреваются в печи при температуре 800-900 °C, или в сильно экзотермических селективных окислениях, где неуправляемая реакция физически невозможна. Типичное количество трубок составляет 200-1000, а длина — 6-13 м, причем трубная решетка и соединение трубки с трубной решеткой являются наиболее сложными деталями изготовления.
• Материалы, коды и целостность: Реакторы для переработки углеводородов работают на пределе металлургических возможностей, и три механизма деградации определяют выбор материала. Высокотемпературная водородная атака, описываемая кривой Нельсона API 941, требует хромомолибденовых сталей: 1,25Cr-0,5Mo или 2,25Cr-1Mo для гидропроцессов, иногда с наплавкой из нержавеющей стали 347 или сварным покрытием из 321 или 347 для коррозионной стойкости к сероводороду. Отпускная хрупкость 2,25Cr-1Mo в диапазоне 350-575 °C контролируется путем ограничения J-фактора, отслеживания ступенчатого охлаждения хрупкости партий производства и контроля запуска и остановки, чтобы избежать повышения давления в холодном сосуде ниже его минимальной температуры повышения давления. А растрескивание под действием сульфидного напряжения от влажного сероводорода решается с помощью ограничений NACE MR0175 / ISO 15156 по твердости и обязательной термообработки после сварки. Сброс давления отдельно рассматривается в соответствии с API 520 и API 521, при этом методология DIERS применяется там, где неуправляемая реакция может генерировать пар быстрее, чем может справиться обычное предохранительное устройство.

Матрица сравнения типов реакторов переработки углеводородов

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: В чем основное различие между гидроочисткой и гидрокрекингом?

О: Оба используют водород и сульфидированный катализатор при повышенном давлении, но их назначение и условия эксплуатации различаются. Гидроочистка удаляет загрязнители, преобразуя серу в сероводород, азот в аммиак и слегка насыщая олефины и ароматические соединения при температуре 300-400 °C и давлении 30-100 бар практически без изменения диапазона кипения. Гидрокрекинг намеренно разрывает связи углерод-углерод для преобразования 30-90% тяжелого сырья в более легкие дистилляты, работая при температуре 350-450 °C и давлении 100-200 бар на бифункциональном катализаторе, который сочетает функцию гидрирования металла с функцией кислотного крекинга. На практике гидрокрекер строится как стадия гидроочистки, за которой следует стадия крекинга в одном и том же контуре высокого давления, поскольку катализатор крекинга отравляется серой и азотом, и сырье должно быть сначала очищено.

В: Почему парциальное давление водорода так важно в гидропроцессах?

О: Парциальное давление водорода подавляет реакции конденсации и дегидрирования, которые образуют кокс на поверхности катализатора. Кокс является основным обратимым механизмом деактивации, и повышение парциального давления водорода может удвоить или утроить срок службы катализатора, позволяя либо более длительный цикл при той же интенсивности, либо более высокую интенсивность при той же длине цикла. Оно также смещает равновесие десульфуризации и денитрирования в сторону продуктов и улучшает насыщение ароматических соединений. Именно поэтому установки гидропроцессов проектируются с высокими скоростями рециркулирующего газа, обычно 300-1500 Нм³/м³ сырья, с аминовой очисткой рециркулирующего газа для удаления сероводорода и аммиака, которые в противном случае разбавляли бы водород, и с поддержанием чистоты свежего водорода выше примерно 90-95% путем продувки части потока для предотвращения накопления инертных газов.

В: Что приводит к окончанию цикла работы реактора гидропроцесса?

О: Достигаются три предела, и тот, который достигается первым, определяет цикл. Перепад давления: кокс, окалина и, при переработке остатка, взвешенные твердые частицы забивают свободное пространство в верхней части слоя, и реактор останавливается, когда дифференциальное давление достигает механического предела внутренних элементов или компрессора рециркуляции. Температура: по мере деактивации катализатора оператор повышает средневзвешенную температуру слоя для поддержания конверсии, и цикл заканчивается, когда достигается максимально допустимая температура слоя, обычно 415-440 °C для металлургии и селективности. И качество продукта или металлургический предел: когда больше нельзя достичь требуемого содержания серы в продукте, или когда температура на выходе из реактора приближается к пределу, установленному с учетом водородной атаки. Каждый из этих факторов управляется по-разному, поэтому градуировка слоя, ловушки окалины и хорошо спроектированная система охлаждения оказывают такое большое влияние на длину цикла.

В: Как реактор переработки углеводородов защищен от неуправляемой реакции и повышения давления?

О: Защита многоуровневая. По своей сути, конструкция многослойного охлаждения и высокое соотношение водорода к нефти ограничивают повышение температуры, которое может вызвать любая экзотермическая реакция, а металлургия реактора выбирается с запасом выше максимально возможной рабочей температуры. Инструментальная защита использует независимые термопары температуры слоя с сигнализацией высокого-высокого уровня и блокировкой, которая отключает нагреватель сырья и, в тяжелых случаях, снижает давление в установке через систему аварийного снижения давления, рассчитанную по API 521, обычно снижая давление с рабочего до 7 бар в течение 15 минут для остановки распространяющейся экзотермической реакции. Механическая защита — это предохранительный клапан, настроенный по API 520 и рассчитанный на допустимую нагрузку сброса, которая для гидрокрекера может быть случаем полного испарения. Там, где неуправляемая реакция может генерировать пар неконденсируемым образом и быстрее, чем может справиться сброс, используется методология DIERS для определения того, является ли система темперированной или газообразной, и достаточно ли предохранительного устройства или требуется резервуар для сброса давления или полное аварийное снижение давления.