Реактор переработки сырой нефти: Опреснитель, гидроочистка и предварительная обработка FCC

Реактор переработки сырой нефти: Опреснитель, гидроочистка и предварительная обработка каталитического крекинга

Что такое реактор переработки сырой нефти? Реактор переработки сырой нефти — это аппарат на нефтеперерабатывающем заводе, в котором сырая нефть или ее фракции подвергаются химической трансформации до или во время переработки, и он встречается в четырех критических точках: электростатический опреснитель, который удаляет соль и воду при температуре 120-150°C; гидроочиститель, который реагирует нефть с водородом при температуре 300-450°C и давлении 30-150 бар для удаления серы, азота и металлов, достигая 90-99% обессеривания; предварительный обработчик сырья для каталитического крекинга, который защищает каталитический крекинг от металлов и кокса; и коксование или гидроконверсия остатков, которая перерабатывает донную фракцию при температуре 480-540°C. Основные инженерные проблемы — это отложения из асфальтенов и солей, высокотемпературное воздействие водорода в гидроочистителе и коксование внутри аппарата, поэтому реакторы изготавливаются из хромомолибденовых сталей по стандарту API 941 и футеруются или проектируются для противостояния специфическому воздействию, поскольку отказ реактора на НПЗ является катастрофой как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения производительности.

1. Назначение и химия реакторов НПЗ

Каждое назначение защищает последующую установку или перерабатывает фракцию:

• Электростатическое опреснение на начальном этапе: Прежде всего, сырая нефть обессоливается для удаления хлоридных солей и взвешенной воды, которые в противном случае вызвали бы коррозию и отложения в ректификационной колонне и печах. Сырая нефть смешивается с 4-10% промывочной воды, нагревается до 120-150°C для улучшения растворимости соли и снижения вязкости, и пропускается через электростатическое поле, которое коалесцирует капли воды, чтобы они осели. Аппарат опреснения представляет собой большой горизонтальный барабан низкого давления, и его надежность имеет решающее значение, поскольку каждая последующая установка наследует его соль и воду; плохой опреснитель означает коррозию хлоридами в верхней системе и образование кокса в печи. Несмотря на химическую простоту, это первый реактор в технологической цепочке и основа надежности НПЗ, а качество его воды и электрическое поле настраиваются в соответствии с конкретным поведением соли и эмульсии в сырой нефти.
• Гидроочистка и гидрообессеривание: Гидроочиститель — это рабочая лошадка современного нефтеперерабатывающего завода, реагирующая нефть с водородом при температуре 300-450°C и давлении 30-150 бар на катализаторе для удаления серы, азота, металлов и кислорода, а также для насыщения олефинов, достигая 90-99% обессеривания для соответствия спецификациям продукции. Реактор представляет собой толстостенный сосуд высокого давления с неподвижным слоем катализатора, в который подается водород под парциальным давлением, определяющим как скорость реакции, так и риск коррозии, и он должен равномерно распределять газожидкостный поток, чтобы ни один канал не перегревался. Его химия безвредна для конструкции, но жестока к материалам, поскольку сочетание высокой температуры и высокого парциального давления водорода способствует высокотемпературному воздействию водорода и водородному охрупчиванию, а металлы и кокс в сырье постепенно деактивируют катализатор в течение 1-5 лет. Гидроочиститель — причина, по которой НПЗ могут продавать топливо с низким содержанием серы.
• Предварительная обработка сырья для каталитического крекинга и переработка донной фракции: Каталитический крекинг — основной производитель бензина и олефинов на НПЗ, но его катализатор отравляется металлами, никелем и ванадием, а также предшественниками кокса в остатке. Гидроочиститель перед установкой каталитического крекинга удаляет их, защищая каталитический крекинг и повышая его выход, поэтому предварительная обработка для каталитического крекинга часто является самым большим гидроочистителем на заводе. Для самых тяжелых фракций коксование при температуре 480-540°C или гидроконверсия остатков расщепляет длинные, грязные молекулы на более легкие продукты; коксование использует коксовый барабан, который заполняется и очищается от кокса, в то время как гидроконверсия остатков использует кипящий или неподвижный слой под водородом. Это самые жесткие условия эксплуатации, самая высокая температура, самое грязное сырье, самое сильное отложение отложений, и они определяют, какая часть нефтяного сырья становится товарным продуктом, а не коксовым топливом.

2. Материалы, отложения и надежность

Реакторы НПЗ работают в самых суровых условиях эксплуатации, поэтому они проектируются с учетом возможных отказов:

• Высокотемпературное воздействие водорода и хромомолибденовые стали: При гидроочистке и гидроконверсии стенка реактора одновременно подвергается воздействию высокой температуры и высокого парциального давления водорода — именно тех условий, которые вызывают высокотемпературное воздействие водорода, при котором водород диффундирует в сталь, реагирует с углеродом на границах зерен и вызывает образование пузырей и необратимую потерю прочности. Защита заключается в химическом составе материала: низколегированные хромомолибденовые стали, от 1,25Cr-0,5Mo до 2,25Cr-1Mo и выше, соответствующие стандарту API 941 (кривые Нельсона), часто с внутренней нержавеющей облицовкой, чтобы поверхность, контактирующая с водородом, была аустенитной. Сосуд также подвергается термообработке после сварки и ступенчатому охлаждению для предотвращения отпускной хрупкости. Таким образом, реактор гидроочистки является высокотехнологичным сосудом под давлением, выбор материала которого определяется парциальным давлением водорода и температурой, а не химией нефти, и его соответствие требованиям HTHA является обязательной частью проектирования.
• Отложения, кокс и внутренняя защита: Сырая нефть грязная, а остатки — самые грязные, поэтому отложения и коксование представляют постоянную угрозу. Соль и осадок откладываются на трубах нагревателей и тарелках, асфальтены осаждаются и коксуются в реакторе или печи, а металлы оседают на катализаторе. Реактор и его внутренние элементы спроектированы так, чтобы противостоять отложениям и очищаться: распределительные тарелки, которые остаются открытыми, съемные внутренние элементы для замены катализатора и футеровка из огнеупорных или износостойких материалов там, где поток абразивный или очень горячий. Реакторы коксования целенаправленно управляют коксом, заполняя барабан, а затем очищая его от кокса, в то время как установки с неподвижным слоем защищены защитными реакторами, которые улавливают металлы и твердые частицы до того, как они достигнут основного слоя. Скорость образования отложений от 0,5 до 3 мм в год на открытых поверхностях является нормальной, поэтому конструкция предусматривает запас и доступ, поскольку загрязненный реактор теряет конверсию, а забитый распределитель — селективность.
• Надежность, инспекция и ремонт: Поскольку отказ реактора НПЗ останавливает установку стоимостью миллионы в день, сосуды изготавливаются с учетом возможности инспекции и длительного срока службы. Они имеют обширный доступ к внутренним элементам, спроектированы для радиографического и ультразвукового контроля и инспектируются во время ремонтов, обычно каждые 3-5 лет, на предмет истончения стенки, воздействия водорода, ползучести и трещин. Катализатор меняется по своему циклу, 1-5 лет, через большие люки и иногда с помощью крана, установленного сверху, поэтому головка сосуда и внутренние элементы расположены для быстрого ремонта. Современная практика добавляет онлайн-мониторинг потока водорода и температуры металла для выявления деградации до того, как она приведет к отказу. Таким образом, реактор специфицируется как актив актива надежности: его материал, футеровка и доступ выбираются таким образом, чтобы установка работала безопасно до следующего планового ремонта, а не выходила из строя между ними.

Матрица назначений реактора переработки сырой нефти

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: В чем разница между гидроочистителем и установкой каталитического крекинга при переработке сырой нефти?

О: Это разные этапы с разной химией. Гидроочиститель — это водородный реактор, который реагирует нефть с водородом при температуре 300-450°C и давлении 30-150 бар для удаления серы, азота, металлов и кислорода, а также для насыщения олефинов, достигая 90-99% обессеривания; он улучшает качество потока. Каталитический крекинг — это установка каталитического крекинга, без объемного водорода, которая расщепляет тяжелые молекулы на бензин и олефины с использованием циркулирующего катализатора при температуре 500-540°C. Важно отметить, что каталитический крекинг отравляется металлами и предшественниками кокса в остатке, поэтому перед ним часто устанавливают гидроочиститель для предварительной обработки сырья и защиты каталитического крекинга. Гидроочиститель — это этап улучшения качества; каталитический крекинг — это этап конверсии; а предварительный обработчик — это гидроочиститель, который обслуживает каталитический крекинг.

В: Почему реакторы гидроочистки изготавливаются из хромомолибденовой стали?

О: Потому что они работают при точном сочетании высокой температуры и высокого парциального давления водорода, которое вызывает высокотемпературное воздействие водорода, при котором водород диффундирует в углеродистую сталь, реагирует с углеродом на границах зерен и вызывает образование пузырей и необратимую потерю прочности. Низколегированные хромомолибденовые стали, от 1,25Cr-0,5Mo до 2,25Cr-1Mo и выше, устойчивы к этому, и они соответствуют стандарту API 941, кривым Нельсона, часто с внутренней аустенитной нержавеющей облицовкой на поверхности, контактирующей с водородом. Материал определяется парциальным давлением водорода и температурой, а не нефтью, а термообработка после сварки и ступенчатое охлаждение предотвращают отпускную хрупкость. Реактор гидроочистки из обычной углеродистой стали вышел бы из строя из-за HTHA, поэтому Cr-Mo является обязательным для этой задачи.

В: Что вызывает отложения и коксование в реакторах переработки сырой нефти?

О: Сырая нефть изначально грязная, а остатки — самые грязные. Соли и осадок откладываются на нагревателях и тарелках; асфальтены, тяжелые ароматические фракции, осаждаются и образуют кокс на горячих поверхностях и в реакторах; а металлы, такие как никель и ванадий, оседают на катализаторе, отравляя его. Скорость образования отложений от 0,5 до 3 мм в год на открытых поверхностях является нормальной в остаточном сервисе. Реактор спроектирован против этого с распределительными тарелками, которые остаются открытыми, съемными внутренними элементами для замены катализатора, футеровкой из огнеупорных или износостойких материалов, а в случае коксования — целенаправленным циклом заполнения и очистки коксового барабана. Установки с неподвижным слоем добавляют защитные реакторы для улавливания металлов и твердых частиц перед основным слоем. Отложения управляются, а не устраняются, путем проектирования запаса и доступа, чтобы конверсия сохранялась до следующего ремонта.

В: Насколько надежным должен быть реактор переработки сырой нефти?

О: Чрезвычайно, поскольку его отказ останавливает установку НПЗ стоимостью миллионы в день и может привести к серьезному инциденту с безопасностью. Сосуды изготавливаются как активы надежности: квалифицированные материалы Cr-Mo или с облицовкой против высокотемпературного воздействия водорода, спроектированы для радиографического и ультразвукового контроля, с внутренними элементами, расположенными для быстрой замены катализатора каждые 1-5 лет и инспекции во время ремонтов каждые 3-5 лет. Современная практика добавляет онлайн-мониторинг потока водорода и температуры металла для выявления деградации до отказа. Спецификация принимает более высокую стоимость материалов и конструкции, чтобы гарантировать безопасную работу установки до следующего планового ремонта, а не отказ между ними, поскольку незапланированный простой реактора обходится гораздо дороже, чем запас, заложенный в сосуд.