Bir Hidrokarbon İşleme Reaktörü Nedir: Türleri, Tasarımı ve Rafinasyon Uygulamaları

Hidrokarbon İşleme Reaktörü Nedir: Tipler, Tasarım ve Rafineri Uygulamaları

Temel soruyu yanıtlamak: Hidrokarbon işleme reaktörü nedir? Hidrokarbon işleme reaktörü, petrol veya petrokimya hammaddesinin, neredeyse her zaman katı bir katalizör üzerinde ve kontrollü sıcaklık ve basınç altında çatlatma, reformasyon, hidroişleme, alkilasyon veya izomerizasyon yoluyla daha yüksek değerli ürünlere kimyasal olarak dönüştürüldüğü bir basınçlı kap. Ana sınıflar, çalışma aralıklarına göre ayrılır. Akışkan katalitik çatlatma, buharlaştırılmış gaz yağını 2-5 saniye boyunca 500-540°C'de bir yükselticide zeolit katalizörü ile temas ettirir. Hidrokratlama, bifonksiyonel bir katalizör ve yüksek hidrojen kısmi basıncı ile 350-450°C ve 100-200 bar'da çalışır. Katalitik reformasyon, oktan sayısını artırmak için 480-525°C ve 5-35 bar'da çalışır. Hidroişleme, 300-400°C ve 30-100 bar'da kükürt, azot ve metalleri giderir. Bunların her biri, baskın kısıtlamanın farklı olması nedeniyle farklı bir reaktör konfigürasyonu gerektirir: FCC'de ısı dengesi, hidrokratlamada hidrojen kısmi basıncı ve metalurji, hidroişlemede kok ve metal birikiminden kaynaklanan basınç düşüşü.

1. Dönüşüm Yolları ve Gerektirdikleri Reaktörler

Dört yol, hidrokarbon dönüşüm kapasitesinin büyük bir kısmını oluşturur ve her biri farklı bir reaktör tasarımı gerektirir:

• Akışkan Katalitik Çatlatma: FCC, bir rafinerideki en yüksek sıcaklıktaki dönüşüm işlemidir ve katalizörün bir reaktör ile bir rejeneratör arasında sürekli olarak dolaştığı tek büyük işlemdir. Gaz yağı, rejeneratör katalizörü ile 500-540°C'de 2-5 saniye içinde temas ettiği ve benzin, LPG ve daha hafif ürünlere çatladığı bir yükselticiye enjekte edilir. Çatlatma endotermiktir ve ısı, önceki döngüden kok taşıyan sıcak rejeneratör katalizörünün kendisi tarafından sağlanır. %0,5-1,5 ağırlık oranında kok birikimi, katalizörü saniyeler içinde devre dışı bırakır, bu nedenle harcanmış katalizör buharla sıyrılır ve rejeneratörde 650-730°C'de yakılarak aktiviteyi geri kazandırır ve işlem ısısını sağlar. Bu nedenle reaktör, olağan anlamda bir kap değil, bir yükseltici, katalizörü buhardan ayırmak için siklonlara sahip bir ayırma kabı ve bir sıyırıcıdır; hepsi aşınmaya dayanıklı refrakter astar ile inşa edilmiştir çünkü katalizör oldukça aşındırıcıdır.
• Hidrokratlama ve Hidroişleme: Bunlar, yüksek hidrojen kısmi basıncı altında gerçekleştirilen sabit yataklı katalitik işlemlerdir. Hidroişleme, alümina üzerinde kobalt-molibden veya nikel-molibden katalizörü ile 300-400°C ve 30-100 bar'da kükürt, azot, oksijen ve metalleri giderir, geri dönüştürülen gazdan temizlenmesi gereken hidrojen sülfür ve amonyak üretir. Hidrokratlama daha sıcak ve daha sert çalışır, 350-450°C'de 100-200 bar'da ve asidik bir çatlatma fonksiyonu ekler, böylece ağır besleme hem kükürtten arındırılır hem de distilatlara dönüştürülür. Her ikisi de güçlü ekzotermiktir, bu nedenle reaktör, aralarında soğuk hidrojen söndürme ile birden fazla katalizör yatağı ile inşa edilir ve her yatak sıcaklık artışını 20-40°C ile sınırlar. İki yönetici tasarım kısıtlaması, kok oluşumunu bastırmak için 300-1.500 Nm3/m3'lük bir hidrojen-yağ oranı ve kok ve metaller biriktikçe artan ve yatağın değiştirilmesi veya sıyrılması gereken bir basınç düşüşüdür.
• Katalitik Reformasyon: Reformasyon, düşük oktanlı naftayı, klorlanmış alümina desteği üzerinde bir platin veya platin-rhenium katalizörü üzerinde, 480-525°C ve 5-35 bar'da yüksek oktanlı reformata ve aromatiklere dönüştürür. Ana reaksiyonlar, naftenlerin aromatiklere dehidrojenasyonu, parafinlerin dehidrosiklizasyonu ve izomerizasyondur ve bunlar genel olarak güçlü endotermiktir, bu nedenle reaktörler, ara ısıtıcılarla seri olarak üç veya dört adyabatik sabit yatak halinde düzenlenir. Hidrojen değerli bir yan ürün olarak üretilir. İki işlem değişkeni baskındır: katalizör üzerindeki su-klorür dengesi, çünkü klorür sürekli olarak akışa kaybolur ve asitliği korumak için yeniden enjekte edilmesi gerekir ve kok birikimi, döngüsel rejenerasyon, 6-24 aylık bir döngü sonunda durdurma rejenerasyonu ile yarı-rejeneratif bir tasarım veya yavaşça bir rejeneratörden geçen katalizörün dolaştığı sürekli katalizör rejenerasyonu ile yönetilir.
• Termal Dönüşüm ve Koklaştırma: Beslemenin katalizör için çok ağır veya çok kirli olduğu durumlarda, rafineriler termal dönüşüm kullanır. Gecikmeli koklaştırma, vakum kalıntısını bir fırında 480-510°C'ye ısıtır ve 12-24 saat boyunca büyük kok tamburlarında tutar, burada daha hafif ürünlere ve daha sonra yüksek basınçlı su ile kesilen katı koka çatlatılır. Visbreaking, 450-500°C'de kısa bir kalış süresi ile hafif termal çatlatma ile viskoziteyi azaltan daha hafif bir versiyondur. Bunlar, katalitik sabit yataklar yerine yarı-kesikli veya bobinli işlemlerdir ve reaktör tasarım zorlukları termaldir, katalitik değil: döngüsel termal gerilim altındaki tambur duvar metalurjisi, söndürme ve anahtar valf güvenilirliği ve ısıtıcı tüplerinin ciddi kirlenme ve koklanma eğilimi, kısa kalış süresini korumak için yüksek buhar veya yoğuşma enjeksiyon hızı ile yönetilir.

2. Reaktör Konfigürasyonları ve Seçimin Nasıl Yapıldığı

Temas modları arasındaki seçim, katalizör ömrü, ekzoterm şiddeti ve besleme kirliliğinden kaynaklanır:

• Sabit Yatak Reaktörü: En basit ve en yaygın kullanılan konfigürasyon: 1-3 mm'lik katalizör peletleri, bir ızgara ve dereceli bir inert seramik bilye tabakası ile desteklenen bir veya daha fazla yatağa yüklenir. Akış esas olarak tıkaç akışıdır, bu da geçiş başına dönüşümü en üst düzeye çıkarır ve katalizör aşınması veya ayırma ekipmanı yoktur. Sınırlar, sabit yatakların nerede kullanılabileceğini belirler. Isı giderme zayıftır, bu nedenle yüksek ekzotermik reaksiyonlar çoklu yatak söndürme veya borulu tasarım gerektirir. Kok ve metaller biriktikçe basınç düşüşü artar ve sonunda bir durmaya zorlar. Ve katalizör devre dışı kalması hızlıysa, yatak üniteyi durdurmadan değiştirilemez. Bu nedenle sabit yataklar, bir ila beş yıl katalizör ömrüne sahip temiz beslemeler için uygundur, bu nedenle hidroişleme, hidrokratlama ve reformasyona hakimdirler.
• Akışkan ve Kabarcıklı Yatak Reaktörleri: FCC'de olduğu gibi saniyeler içinde katalizör devre dışı kaldığında, katalizör sürekli olarak dolaşmalıdır ve akışkan bir yatak bunu mümkün kılarken mükemmel sıcaklık tekdüzeliği ve ısı transferi sağlar. Cezası, katalizör aşınması, yüksek verimli siklonları gerektiren sürüklenme ve tıkaç akışına göre geçiş başına dönüşümü azaltan geri karıştırmadır. Hidrokarbon kalıntısının hidrokratlanması için kullanılan kabarcıklı bir yatak, katalizörü sıvı ve gazın yukarı akışında askıya alır, böylece yatak %30-50 oranında genişler, neredeyse izotermal çalışma, düşük ve sabit bir basınç düşüşü ve her gün çevrimiçi katalizör ekleme ve çekme yeteneği sağlar. Bu, metallerin 50-350 ppm olduğu kalıntıları işlerken belirleyici avantajdır, çünkü metaller katalizörü kalıcı olarak zehirler ve yalnızca sürekli değiştirme ekonomiyi çalıştırır.
• Sıvı Kabarcık Kolon ve Borulu Reaktörler: Bir sıvı reaktörü, gazın içinden kabarcıklandığı sıvıda ince katalizörü askıya alır, mükemmel ısı giderme ve çok yüksek katalizör kullanımı sağlar ve Fischer-Tropsch sentezinde ve kalıntı sıvı hidrokratlamada kullanılır. Zorluk, ince katalizörü üründen ayırmaktır, bu da filtreleme ve manyetik ayırma geliştirmesini yönlendirir. Buna karşılık, bir borulu reaktör, binlerce küçük çaplı tüpün içine katalizör yerleştirir ve kabuk tarafında bir ısı transfer ortamı bulunur. Bu, buhar reformasyonu gibi sıcaklık kontrolünün kritik olduğu yerlerde seçilir, reaksiyon endotermiktir ve tüpler bir fırında 800-900°C'de yakılır veya kaçak reaksiyonun fiziksel olarak imkansız olması gereken yüksek ekzotermik seçici oksidasyonlarda. 200-1.000 tüp sayısı ve 6-13 m uzunluk tipiktir, tüp tabakası ve tüpten tüp tabakasına bağlantı en zorlu imalat detaylarıdır.
• Malzemeler, Kodlar ve Bütünlük: Hidrokarbon reaktörleri metalurjik yetenek sınırında çalışır ve üç bozunma mekanizması malzeme seçimini yönetir. API 941 Nelson eğrisi tarafından ele alınan yüksek sıcaklıkta hidrojen saldırısı, krom-molibden çelikleri gerektirir: hidroişleme için 1.25Cr-0.5Mo veya 2.25Cr-1Mo, bazen hidrojen sülfürüne karşı korozyon direnci için 347 paslanmaz kaplama veya 321 veya 347 kaynaklı kaplama ile. 350-575°C aralığında 2.25Cr-1Mo'nun temper gevrekleşmesi, J faktörünü sınırlayarak, üretim ısılarının kademeli soğutma gevrekleşmesini izleyerek ve soğuk bir kabı minimum basınçlandırma sıcaklığının altında basınçlandırmaktan kaçınmak için başlatma ve durdurmayı kontrol ederek kontrol edilir. Ve ıslak hidrojen sülfüründen kaynaklanan sülfit gerilim çatlaması, sertlik üzerindeki NACE MR0175 / ISO 15156 sınırları ve zorunlu kaynak sonrası ısıl işlem ile ele alınır. Basınç tahliyesi, API 520 ve API 521'e göre ayrı olarak ele alınır ve kaçak bir reaksiyonun geleneksel bir tahliye cihazının başa çıkabileceğinden daha hızlı buhar üretebileceği durumlarda DIERS metodolojisi uygulanır.

Hidrokarbon İşleme Reaktörü Tipleri Karşılaştırma Matrisi

Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S: Hidroişleme ve hidrokratlama arasındaki temel fark nedir?

C: Her ikisi de yüksek basınçta hidrojen ve sülfürlenmiş bir katalizör kullanır, ancak amaçları ve şiddetleri farklıdır. Hidroişleme kirleticileri giderir, kükürtü hidrojen sülfürüne, azotu amonyağa dönüştürür ve olefinleri ve aromatikleri hafifçe doyurur, 300-400°C ve 30-100 bar'da kaynama aralığında esasen hiçbir değişiklik olmaz. Hidrokratlama, karbon-karbon bağlarını kasıtlı olarak kırarak ağır beslemenin %30-90'ını daha hafif distilatlara dönüştürür, 350-450°C ve 100-200 bar'da bir metal hidrojenasyon fonksiyonunu asidik bir çatlatma fonksiyonu ile birleştiren bifonksiyonel bir katalizör üzerinde çalışır. Pratikte bir hidrokratlayıcı, bir hidroişleme aşaması ve ardından aynı yüksek basınç döngüsünde bir çatlatma aşaması olarak inşa edilir, çünkü çatlatma katalizörü kükürt ve azot tarafından zehirlenir ve besleme önce temizlenmelidir.

S: Hidroişlemede hidrojen kısmi basıncı neden bu kadar önemlidir?

C: Hidrojen kısmi basıncı, katalizör yüzeyinde kok oluşturan yoğunlaşma ve dehidrojenasyon reaksiyonlarını bastırır. Kok, ana tersinir devre dışı bırakma mekanizmasıdır ve hidrojen kısmi basıncını artırmak, katalizör ömrünü iki veya üç katına çıkarabilir, bu da aynı şiddette daha uzun bir döngü veya aynı döngü uzunluğunda daha yüksek bir şiddet sağlar. Ayrıca desülfürizasyon ve denitrojenasyon dengelerini ürünlere doğru iter ve aromatik doygunluğu iyileştirir. Bu nedenle hidroişleme üniteleri, geri dönüştürülen gazın hidrojen sülfür ve amonyakını gidermek için aminli yıkama ile, aksi takdirde hidrojeni seyreltir ve inert birikimini önlemek için bir kayma akışıyla %90-95'in üzerinde tutulan taze hidrojen saflığı ile tipik olarak 300-1.500 Nm3/m3 besleme oranlarında yüksek geri dönüş gaz oranları ile tasarlanmıştır.

S: Bir hidroişleme reaktörü neden çalışma sonuna ulaşır?

C: Üç sınır aşılır ve hangisi önce gelirse döngüyü belirler. Basınç düşüşü: kok, demir ölçeği ve kalıntı hizmetinde, askıya alınmış katılar yatağın üstündeki boşluğu tıkar ve diferansiyel basınç iç parçaların mekanik sınırına veya geri dönüş kompresörüne ulaştığında reaktör kapatılır. Sıreç: katalizör devre dışı kaldığında, operatör dönüşümü sürdürmek için ağırlıklı ortalama yatak sıcaklığını yükseltir ve maksimum izin verilen yatak sıcaklığına, tipik olarak metalurji ve seçicilik için 415-440°C'ye ulaşıldığında çalışma sona erer. Ve ürün kalitesi veya metalurjik sınır: ürün kükürt artık karşılanamadığında veya reaktör çıkış sıcaklığı hidrojen saldırısı hususları tarafından belirlenen bir sınıra yaklaştığında. Bunların her biri farklı şekilde yönetilir, bu nedenle yatak derecelendirmesi, ölçek tuzakları ve iyi tasarlanmış bir söndürme sisteminin döngü uzunluğu üzerinde bu kadar büyük bir etkisi vardır.

S: Bir hidrokarbon reaktörü kaçak ve aşırı basınçtan nasıl korunur?

C: Koruma katmanlıdır. Doğal olarak, çoklu yatak söndürme tasarımı ve yüksek bir hidrojen-yağ oranı, herhangi bir ekzoterminin üretebileceği sıcaklık artışını sınırlar ve reaktör metalurjisi, maksimum güvenilir çalışma sıcaklığının üzerinde bir marj ile seçilir. Cihazlı koruma, yüksek-yüksek alarmı olan bağımsız yatak sıcaklığı termokuplları ve besleme ısıtıcısını kesen ve ciddi durumlarda API 521'e göre boyutlandırılmış bir acil durum basınçlandırma sistemi aracılığıyla üniteyi basınçlandıran bir kilitleme kullanır, tipik olarak 15 dakika içinde basıncı çalışma basıncından 7 bar'a düşürerek yayılan bir ekzotermiyi durdurur. Mekanik koruma, API 520'ye göre ayarlanmış ve güvenilir tahliye yükü için boyutlandırılmış bir basınç tahliye vanasıdır, bu da bir hidrokratlayıcı için toplam buharlaşma durumu olabilir. Kaçak bir reaksiyonun yoğuşmayan ve tahliyeden daha hızlı buhar üretebileceği durumlarda, sistemin temperli mi yoksa gazlı mı olduğunu ve bir tahliye cihazının yeterli olup olmadığını veya basınçlı bir boşaltma tankının veya tam acil durum basınçlandırmasının gerekli olup olmadığını belirlemek için DIERS metodolojisi kullanılır.