Что такое реактор на нефтеперерабатывающем заводе: назначение, типы и способы его работы

Что такое реактор на нефтеперерабатывающем заводе: назначение, типы и принцип работы

Ответ на основной вопрос: Что такое реактор на нефтеперерабатывающем заводе? Реактор — это сосуд под давлением, в котором происходят химические реакции, единственное место на НПЗ, где молекулы намеренно расщепляются или перестраиваются, а не просто сортируются. Все остальное оборудование на заводе разделяет, нагревает, охлаждает или перемещает материал; реактор изменяет его состав. Гидроочиститель работает при температуре 300-400°C и давлении 30-100 бар, пропуская поток дистиллята с водородом через кобальт-молибденовый катализатор, который удаляет серу. Гидрокрекинг работает при температуре 350-450°C и давлении 100-200 бар и идет дальше, расщепляя тяжелый газойль на дизельное топливо и авиакеросин. Каталитический риформинг работает при температуре 480-525°C на платиновом катализаторе для преобразования нафты в высокооктановый риформат. Восходящий поток установки каталитического крекинга работает при температуре 500-540°C с временем контакта всего 2-5 секунд. Эти сосуды являются самыми большими и тяжелыми элементами установки, с толщиной стенок 100-300 мм и весом до 1200 тонн, и за ними также пристально следят, потому что от того, что происходит внутри них, зависит прибыльность НПЗ.

1. Что на самом деле происходит внутри реактора НПЗ

В каждом реакторе происходят четыре вещи, и понимание их объясняет всю конструкцию:

• Сырье встречается с катализатором: Почти все реакторы НПЗ содержат твердый катализатор — пористый материал с огромной внутренней поверхностью, часто 150-400 м² на грамм, на котором происходит реакция. Сырье подается насосом и нагревается до температуры реакции, а затем проходит через слой гранул катализатора, обычно диаметром 1-3 мм. Скорость выражается как объемная скорость подачи, обычно 0,5-5 ч⁻¹, что означает, что сырье проходит через объем катализатора от 0,5 до 5 раз в час, и это число определяет достигнутую конверсию. Поскольку именно катализатор создает ценность, все остальное в реакторе существует для его обслуживания: распределители для равномерного распределения сырья, опорные решетки для его удержания, термопары для измерения его температуры и системы охлаждения для ее контроля.
• Тепло либо выделяется, либо поглощается: Это фактор, который больше всего влияет на механическую конструкцию. Гидроочистка и гидрокрекинг выделяют тепло, поэтому реактор строится с несколькими отдельными слоями катализатора, и между ними впрыскивается холодный водород для снижения температуры, ограничивая повышение температуры в каждом слое до 20-40°C. Каталитический риформинг — наоборот: реакции, создающие ароматические соединения, поглощают тепло, поэтому реакторы располагаются в три или четыре адиабатические ступени с печью между каждой для возврата тепла. Каталитический крекинг решает проблему иначе, непрерывно циркулируя катализатор между реактором и регенератором, где кокс, отложившийся во время крекинга, сжигается при температуре 650-730°C, а горячий регенерированный катализатор возвращает это тепло в реактор для обеспечения реакции крекинга.
• Катализатор медленно умирает: Каждый катализатор со временем теряет активность, и механизм зависит от процесса. При крекинге кокс откладывается за секунды. При гидроочистке кокс и металлы, такие как никель и ванадий, постепенно блокируют поры, и цикл работы заканчивается через один-пять лет. При каталитическом риформинге кокс накапливается в течение шести-двадцати четырех месяцев. Оператор компенсирует это, медленно повышая температуру в течение кампании, что восстанавливает скорость, но также ускоряет дезактивацию, поэтому цикл работы заканчивается, когда достигается максимально допустимая температура, перепад давления на слое или спецификация продукта. Затем реактор останавливается для регенерации или замены катализатора, что является главной причиной остановки НПЗ на капитальный ремонт.
• Давление, металлургия и герметичность: Реактор НПЗ — это сосуд под давлением исключительной нагрузки. Толщина стенок 100-300 мм из низколегированной хромомолибденовой стали является нормой, и причина не только в давлении, но и в сочетании водорода, сероводорода и температуры. Атомный водород при высоком парциальном давлении атакует углерод в обычной стали и образует метан в металле — режим отказа, называемый высокотемпературной водородной атакой, поэтому материал выбирается в соответствии с кривой Нельсона API 941. Сосуд изготавливается по ASME VIII Division 2 с наплавкой из нержавеющей стали на всех мокрых поверхностях и оснащен минимальной температурой давления, обычно 90-150°C, ниже которой он никогда не должен находиться под давлением, поскольку сталь становится хрупкой после длительной эксплуатации.

2. Основные реакторы, которые вы найдете на НПЗ

Современный НПЗ содержит от пяти до пятнадцати реакторов, и каждый имеет свою специфическую задачу в технологической схеме:

• Гидроочиститель: Самый распространенный реактор на любом НПЗ и тот, который делает возможным современные спецификации топлива. Он удаляет серу, азот, кислород, металлы и олефины, реагируя их с водородом на кобальт-молибденовом или никель-молибденовом катализаторе при температуре 300-400°C и давлении 30-100 бар. Его выход — сероводород и аммиак, которые отделяются и отправляются на серный завод, и чистый продукт, соответствующий пределу содержания серы 10 ppm для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы. Почти каждый поток на НПЗ проходит через него: нафта перед риформером, потому что сера отравляет платину; керосин перед смешиванием авиакеросина; дизельное топливо перед продажей; газойль перед установкой каталитического крекинга или гидрокрекинга; и вакуумный газойль перед конверсией.
• Гидрокрекинг: Самый жесткий и самый ценный реактор конверсии. Он работает при температуре 350-450°C и давлении 100-200 бар и выполняет две задачи одновременно: он расщепляет тяжелые молекулы до молекул дизельного топлива и авиакеросина, используя кислый цеолитный компонент, и гидрирует их, используя металлический компонент. Поскольку крекинг происходит в среде, богатой водородом, продукты насыщены и содержат мало серы и олефинов, поэтому дизельное топливо и авиакеросин гидрокрекинга являются одними из самых высококачественных компонентов смешивания. Реактор представляет собой массивный толстостенный сосуд с четырьмя-шестью слоями катализатора, холодным водородным охлаждением между ними и отдельной стадией гидроочистки перед стадией крекинга для защиты катализатора крекинга от азота и серы.
• Реактор и регенератор каталитического крекинга: Основной производитель бензина на большинстве НПЗ и единственный крупный агрегат, где катализатор циркулирует непрерывно. Нефть впрыскивается в нижнюю часть вертикального стояка, где она встречается с регенерированным катализатором при температуре 500-540°C и расщепляется за 2-5 секунд. Катализатор и пары разделяются в циклонах, катализатор очищается от углеводородов паром, а затем поступает в регенератор, где воздух сжигает кокс при температуре 650-730°C, восстанавливая активность и производя тепло, которое приводит в действие крекинг. Регенерированный катализатор, теперь горячий и чистый, возвращается в стояк. Общая циркуляция может превышать 20-50 тонн в минуту в крупном агрегате, и оборудование облицовано износостойким огнеупором, а не сталью, потому что катализатор очень абразивен.
• Каталитический риформер и меньшие реакторы: Каталитический риформер берет тяжелую нафту с октановым числом 40-60 и повышает его до 95-105 путем преобразования нафтенов в ароматические соединения и парафинов в разветвленные изомеры на платино-рениевом катализаторе при температуре 480-525°C и давлении 5-35 бар в трех или четырех последовательных реакторах с печами между ними. Это также основной источник водорода на НПЗ. Наряду с ними существует несколько меньших реакторов: реактор изомеризации, преобразующий парафины легкой нафты в изомеры с более высоким октановым числом при температуре 120-250°C; реактор алкилирования, объединяющий олефины с изобутаном при температуре 5-20°C с использованием серной или плавиковой кислоты; реактор гидродесульфуризации или селективного гидрирования, удаляющий диолефины из крекированной нафты; и, на серном заводе, термический реактор Клауса при температуре 1000-1300°C, за которым следуют два или три каталитических реактора при температуре 200-320°C, преобразующие сероводород в элементарную серу.

Сравнительная таблица основных реакторов НПЗ

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Какова разница между реактором и ректификационной колонной?

О: Ректификационная колонна разделяет то, что уже есть; реактор создает то, чего не было. В колонне молекулы перемещаются между паром и жидкостью, пока не разделятся по температуре кипения, и ни одна химическая связь не разрывается и не образуется. В реакторе связи разрываются и образуются заново, поэтому выходящий материал химически отличается от входящего. Эта разница проявляется в конструкции: колонна заполнена тарелками или насадкой и работает с температурным градиентом от низа к верху, в то время как реактор заполнен катализатором и работает при тщательно контролируемой температуре, которая почти равномерна или намеренно ступенчатая. Это также проявляется в том, что они потребляют: колонна потребляет тепло и охлаждение, реактор потребляет катализатор, водород и, при крекинге, кокс, который образуется на катализаторе.

В: Почему реакторы НПЗ такие большие и тяжелые?

О: Три причины складываются. Давление и температура: гидрокрекинг при давлении 200 бар и температуре 450°C требует стенки корпуса толщиной 150-300 мм из низколегированной стали, что само по себе делает пустой сосуд весом в несколько сотен тонн. Объем: запас катализатора должен быть достаточно большим, чтобы сырье проводило достаточно времени в контакте с ним, и при объемной скорости подачи 1 ч⁻¹ поток 300 м³/ч требует 300 м³ катализатора, поэтому сосуд по определению большой. И внутренние элементы: распределители, опорные решетки, системы охлаждения, термокарманы и выходные коллекторы добавляют внутреннюю сложность и высоту. Самые большие реакторы гидрокрекинга весят более 1200 тонн, что превышает возможности большинства транспортных маршрутов и часто превышает возможности крана производственного цеха, поэтому их строят вблизи водного пути или транспортируют по частям и достраивают на месте.

В: Как долго работает реактор НПЗ до остановки?

О: Это полностью зависит от того, как быстро дезактивируется катализатор. Катализатор каталитического крекинга дезактивируется за секунды и постоянно регенерируется, поэтому агрегат работает три-пять лет между капитальными ремонтами, ограниченный механическим состоянием и состоянием огнеупора, а не катализатором. Гидроочистители работают от одного до пяти лет; нафтовый гидроочиститель на чистом сырье может проработать до шести лет, в то время как дизельный гидроочиститель на крекированном сырье может быть ограничен восемнадцатью месяцами. Гидрокрекеры работают два-пять лет. Полурегенеративные каталитические риформеры работают шесть-двадцать четыре месяца до внутрицеховой регенерации, в то время как агрегаты с непрерывной регенерацией катализатора работают в принципе неограниченно и ограничены интервалами механического осмотра. В каждом случае ограничивающим фактором является одно из трех: повышение перепада давления на слое, достижение максимально допустимой температуры слоя или невыполнение спецификации продукта.

В: Что делает реакторы НПЗ опасными?

О: Четыре опасности, все они управляются конструкцией, а не только процедурой. Высокое давление и температура в среде углеводородов и водорода, что означает, что утечка может привести к выбросу большого количества легковоспламеняющегося вещества и, в случае водорода, воспламениться почти невидимым пламенем. Высокотемпературная водородная атака, при которой водород при высоком парциальном давлении реагирует с углеродом в стали с образованием метана, вызывая внутреннее растрескивание, которое невозможно увидеть снаружи; поэтому выбор материала следует кривой Нельсона API 941, и поэтому для инспекции используются передовые ультразвуковые методы. Экзотермический разгон, особенно в гидрокрекинге и гидроочистке, где потеря потока или неравномерное распределение создает горячую точку, которая еще больше ускоряет реакцию, управляется системами охлаждения, множественными термопарами и системой аварийного сброса давления, рассчитанной по API 521. И пирофорный сульфид железа, который образуется на внутренней поверхности сосудов в серосодержащих средах и самопроизвольно воспламеняется при вскрытии сосуда на воздухе во время капитального ремонта, управляется контролируемым окислением или поддержанием сосуда во влажном состоянии во время выгрузки катализатора.