ระบบปฏิกิริยาในการแปรรูปน้ํามันดิบ: การออกแบบ Desalter, Hydrotreater และ FCC Pre-treatment

เครื่องปฏิกรณ์แปรรูปน้ำมันดิบ: การออกแบบเครื่องแยกเกลือ, เครื่องไฮโดรทรีตเตอร์ และเครื่องพรีทรีต FCC

เครื่องปฏิกรณ์แปรรูปน้ำมันดิบคืออะไร? เครื่องปฏิกรณ์แปรรูปน้ำมันดิบคือภาชนะในโรงกลั่นที่น้ำมันดิบหรือส่วนประกอบของน้ำมันดิบถูกเปลี่ยนสภาพทางเคมีก่อนหรือระหว่างการปรับปรุงคุณภาพ และปรากฏในสี่จุดสำคัญ: เครื่องแยกเกลือด้วยไฟฟ้า ซึ่งกำจัดเกลือและน้ำที่อุณหภูมิ 120-150°C; เครื่องไฮโดรทรีตเตอร์ ซึ่งทำปฏิกิริยากับน้ำมันด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ 300-450°C และความดัน 30-150 บาร์ เพื่อกำจัดกำมะถัน ไนโตรเจน และโลหะ โดยให้ผลการกำจัดกำมะถัน 90-99%; เครื่องพรีทรีตป้อนเข้าเครื่องแตกตัวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาแบบของไหล (FCC) ซึ่งปกป้องเครื่อง FCC จากโลหะและโค้ก; และการโค้กหรือการแปลงไฮโดรเจนของกาก ซึ่งแปลงส่วนล่างของถังที่อุณหภูมิ 480-540°C ความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญคือการอุดตันจากแอสฟัลทีนและเกลือ, การโจมตีด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูงในเครื่องไฮโดรทรีตเตอร์ และการเกิดโค้กภายในภาชนะ ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์จึงถูกสร้างขึ้นจากเหล็กกล้า Cr-Mo ตามมาตรฐาน API 941 และบุผนังหรือออกแบบมาเพื่อทนทานต่อการโจมตีที่เฉพาะเจาะจง เนื่องจากความล้มเหลวของเครื่องปฏิกรณ์ในโรงกลั่นถือเป็นภัยพิบัติทั้งด้านความปลอดภัยและกำลังการผลิต

1. หน้าที่ของเครื่องปฏิกรณ์ในโรงกลั่นและเคมีของมัน

แต่ละหน้าที่ปกป้องหน่วยที่อยู่ปลายน้ำหรือปรับปรุงส่วนประกอบ:

• การแยกเกลือด้วยไฟฟ้าที่ส่วนหน้า: ก่อนอื่น น้ำมันดิบจะถูกแยกเกลือเพื่อกำจัดเกลือคลอไรด์และน้ำที่แขวนลอย ซึ่งหากไม่กำจัดจะทำให้เกิดการกัดกร่อนและอุดตันในคอลัมน์กลั่นและเตาเผา น้ำมันดิบจะผสมกับน้ำล้าง 4-10% ถูกให้ความร้อนถึง 120-150°C เพื่อเพิ่มความสามารถในการละลายของเกลือและลดความหนืด และผ่านสนามไฟฟ้าสถิตที่รวมหยดน้ำเข้าด้วยกันเพื่อให้ตกตะกอน ภาชนะแยกเกลือเป็นถังแนวนอนขนาดใหญ่ที่มีความดันต่ำ และความน่าเชื่อถือของมันมีความสำคัญเนื่องจากทุกหน่วยที่อยู่ปลายน้ำจะได้รับผลกระทบจากเกลือและน้ำที่เหลืออยู่ หากเครื่องแยกเกลือทำงานได้ไม่ดี จะส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนด้วยคลอไรด์ในระบบส่วนบนและเกิดโค้กในเตาเผา แม้ว่าจะมีหลักการทางเคมีที่เรียบง่าย แต่ก็เป็นเครื่องปฏิกรณ์ตัวแรกในสายการผลิตและเป็นรากฐานของความน่าเชื่อถือของโรงกลั่น และคุณภาพน้ำและสนามไฟฟ้าจะถูกปรับให้เข้ากับพฤติกรรมของเกลือและอิมัลชันเฉพาะของน้ำมันดิบ
• การไฮโดรทรีตและการไฮโดรดีซัลฟูไรเซชัน: เครื่องไฮโดรทรีตเตอร์เป็นหัวใจสำคัญของการกลั่นสมัยใหม่ โดยทำปฏิกิริยากับน้ำมันด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ 300-450°C และความดัน 30-150 บาร์ ผ่านตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อกำจัดกำมะถัน ไนโตรเจน โลหะ และออกซิเจน และเพื่ออิ่มตัวโอเลฟิน โดยให้ผลการกำจัดกำมะถัน 90-99% เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์ เครื่องปฏิกรณ์เป็นภาชนะความดันผนังหนาที่มีชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบคงที่ ป้อนด้วยไฮโดรเจนที่ความดันย่อยซึ่งกำหนดทั้งอัตราการเกิดปฏิกิริยาและความเสี่ยงในการกัดกร่อน และต้องกระจายการไหลของก๊าซ-ของเหลวอย่างสม่ำเสมอเพื่อไม่ให้เกิดความร้อนสูงเกินไป เคมีของมันไม่เป็นอันตรายต่อการออกแบบ แต่โหดร้ายต่อวัสดุ เนื่องจากอุณหภูมิสูงและความดันย่อยของไฮโดรเจนสูงรวมกันทำให้เกิดการโจมตีด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูงและการเปราะของไฮโดรเจน และโลหะและโค้กในวัตถุดิบจะค่อยๆ ลดประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาในช่วงอายุ 1-5 ปี เครื่องไฮโดรทรีตเตอร์คือเหตุผลที่โรงกลั่นสามารถจำหน่ายเชื้อเพลิงกำมะถันต่ำได้
• การพรีทรีตป้อนเข้า FCC และการแปลงก้นถัง: การแตกตัวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาแบบของไหลเป็นแหล่งผลิตน้ำมันเบนซินและโอเลฟินหลักของโรงกลั่น แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกเป็นพิษจากโลหะ นิกเกิล และวาเนเดียม และจากสารตั้งต้นโค้กในกาก การใช้เครื่องไฮโดรทรีตเตอร์ก่อนหน่วย FCC จะกำจัดสิ่งเหล่านี้ ปกป้องเครื่อง FCC และเพิ่มผลผลิต ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเครื่องพรีทรีต FCC จึงมักเป็นเครื่องไฮโดรทรีตเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในโรงงาน สำหรับส่วนประกอบที่หนักที่สุด การโค้กที่อุณหภูมิ 480-540°C หรือการแปลงไฮโดรเจนของกากจะแตกโมเลกุลที่ยาวและสกปรกให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่เบาขึ้น การโค้กใช้ถังโค้กที่เต็มแล้วและถูกกำจัดโค้กออก ในขณะที่การแปลงไฮโดรเจนของกากใช้ชั้นของไหลหรือชั้นคงที่ภายใต้ไฮโดรเจน นี่คือหน้าที่ที่รุนแรงที่สุด อุณหภูมิสูงสุด วัตถุดิบสกปรกที่สุด การอุดตันมากที่สุด และเป็นตัวกำหนดว่ากี่ส่วนของถังจะกลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่ขายได้ แทนที่จะเป็นเชื้อเพลิงโค้ก

2. วัสดุ การอุดตัน และความน่าเชื่อถือ

เครื่องปฏิกรณ์ในโรงกลั่นทำงานในสภาวะที่รุนแรงที่สุดในการแปรรูป ดังนั้นจึงถูกสร้างขึ้นโดยคำนึงถึงโหมดความล้มเหลว:

• ไฮโดรเจนอุณหภูมิสูงและเหล็กกล้า Cr-Mo: ในการไฮโดรทรีตและการแปลงไฮโดรเจน ผนังเครื่องปฏิกรณ์จะสัมผัสกับอุณหภูมิสูงและความดันย่อยของไฮโดรเจนสูงพร้อมกัน ซึ่งเป็นสภาวะที่ทำให้เกิดการโจมตีด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง ซึ่งไฮโดรเจนจะแทรกซึมเข้าไปในเหล็กกล้า ทำปฏิกิริยากับคาร์บอนที่ขอบเกรน และทำให้เกิดฟองอากาศและการสูญเสียความแข็งแรงอย่างถาวร การป้องกันคือเคมีของวัสดุ: เหล็กกล้าผสมต่ำโครเมียม-โมลิบดีนัม, 1.25Cr-0.5Mo ถึง 2.25Cr-1Mo และสูงกว่านั้น ซึ่งได้รับการรับรองตามมาตรฐาน API 941 (เส้นโค้งของเนลสัน) มักจะมีการบุผนังภายในด้วยสแตนเลส เพื่อให้พื้นผิวที่สัมผัสกับไฮโดรเจนเป็นแบบออสเทนไนต์ ภาชนะยังได้รับการอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อมและเย็นตัวเป็นขั้นๆ เพื่อหลีกเลี่ยงการเปราะจากอุณหภูมิอบคืนตัว ดังนั้น เครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรทรีตเตอร์จึงเป็นภาชนะรับแรงดันที่ออกแบบทางวิศวกรรมอย่างสูง ซึ่งการเลือกวัสดุถูกกำหนดโดยความดันย่อยของไฮโดรเจนและอุณหภูมิ ไม่ใช่โดยเคมีของน้ำมัน และการรับรองตามมาตรฐาน HTHA เป็นส่วนบังคับของการออกแบบ
• การอุดตัน โค้ก และการป้องกันภายใน: น้ำมันดิบสกปรก และกากเป็นสิ่งที่สกปรกที่สุด ดังนั้นการอุดตันและการเกิดโค้กจึงเป็นภัยคุกคามอย่างต่อเนื่อง เกลือและตะกอนจะสะสมบนท่อและถาดของเตาเผา แอสฟัลทีนจะตกตะกอนและเกิดโค้กในเครื่องปฏิกรณ์หรือเตาเผา และโลหะจะเคลือบอยู่บนตัวเร่งปฏิกิริยา เครื่องปฏิกรณ์และส่วนประกอบภายในได้รับการออกแบบมาเพื่อทนทานและทำความสะอาดได้: แผ่นกระจายที่ยังคงเปิดอยู่ ส่วนประกอบภายในที่ถอดออกได้สำหรับการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยา และวัสดุบุผนังทนไฟหรือทนการสึกกร่อนในบริเวณที่มีการไหลแบบเสียดสีหรือร้อนจัด เครื่องปฏิกรณ์โค้กจะจัดการโค้กโดยเจตนา โดยการเติมถังแล้วกำจัดโค้กออก ในขณะที่หน่วยที่มีชั้นคงที่จะได้รับการปกป้องโดยเครื่องปฏิกรณ์กันชนที่ดักจับโลหะและของแข็งก่อนที่จะถึงชั้นหลัก อัตราการอุดตัน 0.5-3 มม. ต่อปีบนพื้นผิวที่สัมผัสเป็นเรื่องปกติ ดังนั้นการออกแบบจึงรวมถึงส่วนเผื่อและช่องทางเข้าถึง เนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์ที่อุดตันจะสูญเสียกำลังการผลิต และตัวกระจายที่อุดตันจะสูญเสียความจำเพาะ
• ความน่าเชื่อถือ การตรวจสอบ และการหยุดซ่อมบำรุง: เนื่องจากความล้มเหลวของเครื่องปฏิกรณ์ในโรงกลั่นจะทำให้หน่วยที่มีมูลค่าหลายล้านต่อวันหยุดทำงาน ภาชนะจึงถูกสร้างขึ้นเพื่อความสามารถในการตรวจสอบและอายุการใช้งานที่ยาวนาน พวกมันมีช่องทางเข้าถึงส่วนประกอบภายในอย่างกว้างขวาง ออกแบบมาสำหรับการตรวจสอบด้วยรังสีและอัลตราโซนิก และได้รับการตรวจสอบระหว่างการหยุดซ่อมบำรุง โดยทั่วไปทุกๆ 3-5 ปี เพื่อหาการสึกบางของผนัง การโจมตีด้วยไฮโดรเจน การคืบ และการแตกร้าว ตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกเปลี่ยนตามรอบของมันเอง 1-5 ปี ผ่านช่องทางเข้าออกขนาดใหญ่ และบางครั้งก็ใช้เครนที่ติดตั้งด้านบน ดังนั้นฝาครอบภาชนะและส่วนประกอบภายในจึงถูกจัดเรียงเพื่อการหยุดซ่อมบำรุงที่รวดเร็ว แนวปฏิบัติสมัยใหม่เพิ่มการตรวจสอบการไหลของไฮโดรเจนและอุณหภูมิโลหะแบบออนไลน์เพื่อตรวจจับการเสื่อมสภาพก่อนที่จะกลายเป็นความล้มเหลว ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์จึงถูกระบุว่าเป็นสินทรัพย์ด้านความน่าเชื่อถือ: วัสดุ การบุผนัง และช่องทางเข้าถึงถูกเลือกเพื่อให้หน่วยทำงานได้อย่างปลอดภัยจนถึงการหยุดซ่อมบำรุงตามแผนครั้งต่อไป แทนที่จะล้มเหลวระหว่างนั้น

ตารางหน้าที่ของเครื่องปฏิกรณ์แปรรูปน้ำมันดิบ

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ถาม: อะไรคือความแตกต่างระหว่างเครื่องไฮโดรทรีตเตอร์และหน่วย FCC ในการแปรรูปน้ำมันดิบ?

ตอบ: เป็นขั้นตอนที่แตกต่างกันโดยมีเคมีที่แตกต่างกัน เครื่องไฮโดรทรีตเตอร์เป็นเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรเจนที่ทำปฏิกิริยากับน้ำมันด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ 300-450°C และความดัน 30-150 บาร์ เพื่อกำจัดกำมะถัน ไนโตรเจน โลหะ และออกซิเจน และเพื่ออิ่มตัวโอเลฟิน โดยให้ผลการกำจัดกำมะถัน 90-99% มันปรับปรุงคุณภาพของกระแส การแตกตัวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาแบบของไหลเป็นหน่วยแตกตัวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา ไม่มีไฮโดรเจนปริมาณมาก ที่แตกโมเลกุลหนักให้เป็นน้ำมันเบนซินและโอเลฟินโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาหมุนเวียนที่อุณหภูมิ 500-540°C ที่สำคัญคือ FCC จะเป็นพิษจากโลหะและสารตั้งต้นโค้กในกาก ดังนั้นเครื่องไฮโดรทรีตเตอร์จึงมักถูกวางไว้ก่อนหน้าเพื่อพรีทรีตวัตถุดิบและปกป้องเครื่อง FCC เครื่องไฮโดรทรีตเตอร์คือขั้นตอนคุณภาพ; FCC คือขั้นตอนการแปลง; และเครื่องพรีทรีตคือเครื่องไฮโดรทรีตเตอร์ที่ให้บริการ FCC

ถาม: ทำไมเครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรทรีตเตอร์จึงทำจากเหล็กกล้า Cr-Mo?

ตอบ: เนื่องจากทำงานที่สภาวะอุณหภูมิสูงและความดันย่อยของไฮโดรเจนสูงที่ทำให้เกิดการโจมตีด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง ซึ่งไฮโดรเจนจะแทรกซึมเข้าไปในเหล็กกล้าคาร์บอน ทำปฏิกิริยากับคาร์บอนที่ขอบเกรน และทำให้เกิดฟองอากาศและการสูญเสียความแข็งแรงอย่างถาวร เหล็กกล้าผสมต่ำโครเมียม-โมลิบดีนัม, 1.25Cr-0.5Mo ถึง 2.25Cr-1Mo และสูงกว่านั้น ทนทานต่อสิ่งนี้ และได้รับการรับรองตามมาตรฐาน API 941 ซึ่งเป็นเส้นโค้งของเนลสัน มักจะมีการบุผนังภายในด้วยสแตนเลสออสเทนไนต์บนพื้นผิวที่สัมผัสกับไฮโดรเจน วัสดุถูกกำหนดโดยความดันย่อยของไฮโดรเจนและอุณหภูมิ ไม่ใช่น้ำมัน และการอบชุบด้วยความร้อนหลังการเชื่อมและการเย็นตัวเป็นขั้นๆ ป้องกันการเปราะจากอุณหภูมิอบคืนตัว เครื่องปฏิกรณ์ไฮโดรทรีตเตอร์ที่สร้างจากเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาจะล้มเหลวเนื่องจาก HTHA ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม Cr-Mo จึงเป็นข้อบังคับสำหรับหน้าที่นี้

ถาม: อะไรเป็นสาเหตุของการอุดตันและการเกิดโค้กในเครื่องปฏิกรณ์แปรรูปน้ำมันดิบ?

ตอบ: น้ำมันดิบมีสิ่งสกปรกโดยธรรมชาติ และกากเป็นสิ่งที่แย่ที่สุด เกลือและตะกอนจะสะสมบนเตาเผาและถาด แอสฟัลทีน ซึ่งเป็นส่วนประกอบอะโรมาติกหนัก จะตกตะกอนและก่อตัวเป็นโค้กบนพื้นผิวที่ร้อนและในเครื่องปฏิกรณ์ และโลหะ เช่น นิกเกิลและวาเนเดียม จะเคลือบอยู่บนตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้เป็นพิษ อัตราการอุดตัน 0.5-3 มม. ต่อปีบนพื้นผิวที่สัมผัสเป็นเรื่องปกติในบริการกาก เครื่องปฏิกรณ์ได้รับการออกแบบเพื่อป้องกันสิ่งนี้ด้วยแผ่นกระจายที่ยังคงเปิดอยู่ ส่วนประกอบภายในที่ถอดออกได้สำหรับการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยา วัสดุบุผนังทนไฟหรือทนการสึกกร่อน และในการโค้ก จะมีวงจรการเติมและกำจัดโค้กในถังโค้กโดยเจตนา หน่วยที่มีชั้นคงที่จะเพิ่มเครื่องปฏิกรณ์กันชนเพื่อดักจับโลหะและของแข็งก่อนถึงชั้นหลัก การอุดตันจะถูกจัดการ ไม่ใช่กำจัด โดยการออกแบบส่วนเผื่อและช่องทางเข้าถึง เพื่อให้กำลังการผลิตคงที่จนถึงการหยุดซ่อมบำรุงครั้งต่อไป

ถาม: เครื่องปฏิกรณ์แปรรูปน้ำมันดิบต้องมีความน่าเชื่อถือเพียงใด?

ตอบ: สูงมาก เนื่องจากความล้มเหลวของมันจะทำให้หน่วยโรงกลั่นที่มีมูลค่าหลายล้านต่อวันหยุดทำงาน และอาจเป็นเหตุการณ์ด้านความปลอดภัยที่สำคัญ ภาชนะถูกสร้างขึ้นเป็นสินทรัพย์ด้านความน่าเชื่อถือ: วัสดุ Cr-Mo หรือบุผนังที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐานการโจมตีด้วยไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง ออกแบบมาสำหรับการตรวจสอบด้วยรังสีและอัลตราโซนิก โดยมีส่วนประกอบภายในที่จัดเรียงเพื่อการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วทุกๆ 1-5 ปี และการตรวจสอบระหว่างการหยุดซ่อมบำรุงทุกๆ 3-5 ปี แนวปฏิบัติสมัยใหม่เพิ่มการตรวจสอบการไหลของไฮโดรเจนและอุณหภูมิโลหะแบบออนไลน์เพื่อตรวจจับการเสื่อมสภาพก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว ข้อกำหนดจะยอมรับต้นทุนวัสดุและการออกแบบที่สูงขึ้น เพื่อรับประกันว่าหน่วยจะทำงานได้อย่างปลอดภัยจนถึงการหยุดซ่อมบำรุงตามแผนครั้งต่อไป แทนที่จะล้มเหลวระหว่างนั้น เนื่องจากค่าใช้จ่ายในการหยุดทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่คาดคิดนั้นสูงกว่าส่วนเผื่อที่รวมอยู่ในภาชนะมาก