Petrol Rafinerisinde Reaktör Nedir: Amacı, Türleri ve Nasıl Çalışır

Bir Petrol Rafinerisinde Reaktör Nedir: Amaç, Türleri ve Nasıl Çalışır

Temel soruyu yanıtlıyoruz: Bir petrol rafinerisinde reaktör nedir? Reaktör, kimyanın gerçekleştiği basınçlı kap olup, bir rafineride moleküllerin sadece ayrıştırılmak yerine kasıtlı olarak parçalandığı veya yeniden inşa edildiği tek yerdir. Tesisin geri kalanı malzemeyi ayırır, ısıtır, soğutur veya hareket ettirir; reaktör malzemenin ne olduğunu değiştirir. Bir hidroişlem ünitesi 300-400°C ve 30-100 bar'da çalışır, kükürtü gidermek için kobalt-molibden katalizörü üzerinde bir distilat akışını hidrojenle geçirir. Bir hidroçatlatıcı 350-450°C ve 100-200 bar'da çalışır ve daha ileri giderek ağır gaz yağını dizel ve jet yakıtına çatlatır. Bir katalitik reformer, naftayı yüksek oktanlı reformata dönüştürmek için platin üzerinde 480-525°C'de çalışır. Bir akışkan katalitik çatlatma yükselticisi, yalnızca 2-5 saniyelik temas süresiyle 500-540°C'de çalışır. Bu kaplar, 100-300 mm duvar kalınlıkları ve 1.200 tona varan ağırlıklarıyla tesisteki en büyük ve en ağır parçalardır ve aynı zamanda en yakından izlenenlerdir, çünkü bir rafinerinin karlılığı onların içinde belirlenir.

1. Bir Rafineri Reaktörünün İçinde Gerçekten Ne Olur

Her reaktörde dört şey olur ve bunları anlamak tüm tasarımı açıklar:

• Besleme Bir Katalizörle Buluşur: Neredeyse tüm rafineri reaktörleri, reaksiyonun gerçekleştiği, genellikle gram başına 150-400 m²'lik devasa bir iç yüzey alanına sahip gözenekli bir malzeme olan katı bir katalizör içerir. Besleme, reaksiyon sıcaklığına pompalanır ve ısıtılır, ardından tipik olarak 1-3 mm çapında katalizör peletlerinden oluşan yatakta akar. Hız, bir alan hızı olarak ifade edilir, genellikle 0,5-5 sa⁻¹, bu da beslemenin saatte 0,5 ila 5 kez katalizör hacminden geçtiği anlamına gelir ve bu sayı elde edilen dönüşümü belirler. Değerin yaratıldığı yer katalizör olduğu için, reaktördeki diğer her şey ona hizmet etmek için vardır: beslemeyi eşit şekilde dağıtmak için dağıtıcılar, onu tutmak için destek ızgaraları, sıcaklığını okumak için termokupllar ve onu kontrol etmek için söndürme sistemleri.
• Isı Salınır veya Emilimlenir: Bu, mekanik tasarımı en çok şekillendiren faktördür. Hidroişlem ve hidroçatlatma ısı salar, bu nedenle reaktör birkaç ayrı katalizör yatağı ile inşa edilir ve sıcaklığı tekrar düşürmek için aralarına soğuk hidrojen enjekte edilir, her yatak boyunca yükselmeyi 20-40°C ile sınırlar. Katalitik reformasyon ise tam tersidir: aromatikleri oluşturan reaksiyonlar ısı emer, bu nedenle reaktörler üç veya dört adyabatik aşamada bir fırınla düzenlenir. Akışkan katalitik çatlatma sorunu farklı bir şekilde çözer, katalizörü sürekli olarak reaktör ve rejeneratör arasında dolaştırır, burada çatlatma sırasında biriken kok 650-730°C'de yakılır ve sıcak rejeneratör katalizörü çatlatma reaksiyonunu sağlamak için bu ısıyı reaktöre geri taşır.
• Katalizör Yavaşça Ölür: Her katalizör zamanla aktivitesini kaybeder ve mekanizma sürece bağlıdır. Çatlatmada, kok saniyeler içinde birikir. Hidroişlemde, nikel ve vanadyum gibi metallerle birlikte kok gözenekleri kademeli olarak tıkar ve çalışma süresi bir ila beş yıl sürer. Katalitik reformasyonda, altı ila yirmi dört ay boyunca kok birikir. Operatör, kampanyayı yavaşça sıcaklığı artırarak telafi eder, bu da hızı geri yükler ancak aynı zamanda deaktifleştirmeyi hızlandırır, bu nedenle çalışma süresi izin verilen maksimum sıcaklığa, yatak üzerindeki basınç düşüşüne veya ürün spesifikasyonuna ulaşıldığında sona erer. Reaktör daha sonra katalizör rejenerasyonu veya değişimi için kapatılır, bu da bir rafineri bakım duruşunun en büyük nedenidir.
• Basınç, Metalurji ve Muhafaza: Bir rafineri reaktörü olağanüstü görevli bir basınçlı kaptır. Düşük alaşımlı krom-molibden çeliğinde 100-300 mm duvar kalınlıkları normaldir ve neden sadece basınç değil, aynı zamanda hidrojen, hidrojen sülfür ve sıcaklığın birleşimidir. Yüksek kısmi basınçtaki atomik hidrojen, sıradan çelikteki karbona saldırır ve metalde metan oluşturur, bu yüksek sıcaklıkta hidrojen saldırısı olarak adlandırılan bir arıza modudur, bu nedenle malzeme API 941 Nelson eğrisine göre seçilir. Kap, ASME VIII Bölüm 2'ye göre, tüm ıslak yüzeylerde paslanmaz kaynak kaplaması ile inşa edilmiştir ve minimum basınçlandırma sıcaklığına, tipik olarak 90-150°C'ye sahiptir, bunun altında asla basınçlandırılmamalıdır çünkü çelik uzun hizmet sonrası kırılgan hale gelir.

2. Bir Rafineride Bulacağınız Ana Reaktörler

Modern bir rafineride beş ila on beş reaktör bulunur ve her birinin akış şemasında belirli bir görevi vardır:

• Hidroişlem Ünitesi: Herhangi bir rafinerideki en yaygın reaktör ve modern yakıt spesifikasyonlarını mümkün kılan reaktör. Kükürt, azot, oksijen, metaller ve olefinleri 300-400°C ve 30-100 bar'da kobalt-molibden veya nikel-molibden katalizörü üzerinde hidrojenle reaksiyona sokarak giderir. Çıktısı, ayrıştırılıp kükürt tesisine gönderilen hidrojen sülfür ve amonyak ile ultra düşük kükürtlü dizel için 10 ppm kükürt sınırını karşılayan temiz bir üründür. Rafinerideki neredeyse her akış birinden geçer: reformer öncesi nafta, çünkü kükürt platini zehirler; jet yakıtı harmanlamadan önce gazyağı; satıştan önce dizel; FCC veya hidroçatlatıcı öncesi gaz yağı; ve dönüşümden önce vakum gaz yağı.
• Hidroçatlatıcı: En şiddetli ve en değerli dönüşüm reaktörü. 350-450°C ve 100-200 bar'da çalışır ve aynı anda iki şey yapar: asidik bir zeolit bileşeni kullanarak ağır molekülleri dizel ve jet yakıtı aralığındaki moleküllere çatlatır ve bir metal bileşeni kullanarak onları hidrojenler. Çatlatma zengin bir hidrojen ortamında gerçekleştiği için, ürünler doymuş ve düşük kükürt ve olefinlidir, bu nedenle hidroçatlatıcı dizel ve jet, mevcut en yüksek kaliteli harmanlama bileşenlerindendir. Reaktör, dört ila altı katalizör yatağı, aralarında soğuk hidrojen söndürme ve çatlatma katalizörünü azot ve kükürtten korumak için çatlatma aşamasının önünde ayrı bir hidroişlem aşaması olan devasa kalın duvarlı bir kaptır.
• Akışkan Katalitik Çatlatma Reaktörü ve Rejeneratörü: Çoğu rafinerideki birincil benzin üreticisi ve katalizörün sürekli dolaştığı tek büyük ünitedir. Yağ, rejeneratör katalizörüyle 500-540°C'de buluştuğu dikey bir yükselticinin dibine enjekte edilir ve 2-5 saniyede çatlatılır. Katalizör ve buhar siklonlarda ayrılır, katalizör buharla hidrokarbondan sıyrılır ve ardından kokun 650-730°C'de yakıldığı rejeneratöre akar, aktiviteyi geri yükler ve çatlatmayı sağlayan ısıyı üretir. Sıcak ve temiz olan rejeneratör katalizörü yükselticiye geri döner. Büyük bir ünitede tüm dolaşım dakikada 20-50 tonu aşabilir ve ekipman, katalizör oldukça aşındırıcı olduğu için çelikle kaplanmak yerine erozyona dayanıklı refrakter ile kaplanmıştır.
• Katalitik Reformer ve Daha Küçük Reaktörler: Bir katalitik reformer, oktan sayısı 40-60 olan ağır naftayı alır ve 480-525°C ve 5-35 bar'da, aralarında fırınlar bulunan üç veya dört seri reaktörde, naftenleri aromatiklere ve parafinleri dallanmış izomerlere dönüştürerek 95-105'e yükseltir. Aynı zamanda rafinerinin ana hidrojen kaynağıdır. Bunların yanında birkaç küçük reaktör bulunur: hafif nafta parafinlerini 120-250°C'de daha yüksek oktanlı izomerlere dönüştüren bir izomerizasyon reaktörü; sülfürik veya hidroflorik asit kullanarak olefinleri izobütan ile 5-20°C'de birleştiren bir alkilasyon reaktörü; çatlatılmış naftadan diolefinleri gideren bir hidrodesülfürizasyon veya seçici hidrojenasyon reaktörü; ve kükürt tesisinde, 1.000-1.300°C'de bir Claus termal reaktörü ve ardından hidrojen sülfürü elementel kükürte dönüştüren 200-320°C'de iki veya üç katalitik reaktör.

Ana Rafineri Reaktörleri Karşılaştırma Matrisi

Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S: Reaktör ile distilasyon kolonu arasındaki fark nedir?

C: Bir distilasyon kolonu, zaten var olanı ayırır; bir reaktör ise var olmayanı yaratır. Bir kolonda, moleküller kaynama noktalarına göre ayrışana kadar buhar ve sıvı arasında hareket eder ve hiçbir kimyasal bağ kırılmaz veya oluşmaz. Bir reaktörde, bağlar kırılır ve yeniden oluşur, bu nedenle ayrılan malzeme giren malzemeden kimyasal olarak farklıdır. Bu fark tasarımda kendini gösterir: bir kolon tepsi veya dolgu ile doludur ve alttan üste bir sıcaklık gradyanı üzerinde çalışır, oysa bir reaktör katalizörle doludur ve neredeyse düzgün veya kasıtlı olarak kademeli, dikkatlice kontrol edilen bir sıcaklıkta çalışır. Aynı zamanda tükettikleri şeylerde de kendini gösterir: bir kolon ısı ve soğutma tüketir, bir reaktör katalizör, hidrojen ve çatlatmada katalizör üzerinde oluşan kok tüketir.

S: Rafineri reaktörleri neden bu kadar büyük ve ağırdır?

C: Üç neden birleşir. Basınç ve sıcaklık: 200 bar ve 450°C'deki bir hidroçatlatıcı, düşük alaşımlı çelikte 150-300 mm'lik bir kabuk duvarı gerektirir, bu da tek başına boş kabı birkaç yüz tona çıkarır. Hacim: katalizör stoğu, beslemenin onunla doğru miktarda temas süresi geçirmesi için yeterince büyük olmalıdır ve 1 sa⁻¹ alan hızında saatte 300 m³ besleme, 300 m³ katalizör gerektirir, bu nedenle kap tanım gereği büyüktür. Ve iç aksamlar: dağıtıcılar, destek ızgaraları, söndürme sistemleri, termokupllar ve çıkış toplayıcıları iç karmaşıklık ve yükseklik ekler. En büyük hidroçatlatıcı reaktörleri 1.200 tonu aşar, bu da çoğu nakliye rotasının kapasitesinin ve genellikle imalat atölyesi vinçlerinin kapasitesinin üzerindedir, bu nedenle bir su yolunun yakınına inşa edilirler veya bölümler halinde taşınır ve sahada tamamlanırlar.

S: Bir rafineri reaktörü kapanmadan ne kadar süre çalışır?

C: Tamamen katalizörün ne kadar hızlı deaktifleştiğine bağlıdır. Akışkan katalitik çatlatma katalizörü saniyeler içinde deaktifleştirilir ve sürekli olarak rejeneratörlenir, bu nedenle ünite mekanik ve refrakter koşullar yerine katalizör nedeniyle üç ila beş yıl arasında çalışır. Hidroişlem üniteleri bir ila beş yıl çalışır; temiz besleme üzerindeki bir nafta hidroişlem ünitesi altı yıla ulaşabilirken, çatlatılmış besleme üzerindeki bir dizel hidroişlem ünitesi on sekiz ay ile sınırlı kalabilir. Hidroçatlatıcılar iki ila beş yıl çalışır. Yarı rejeneratif katalitik reformerler, yerinde rejenerasyon öncesi altı ila yirmi dört ay çalışırken, sürekli katalizör rejenerasyonuna sahip üniteler prensipte süresiz olarak çalışır ve mekanik denetim aralıklarıyla sınırlıdır. Her durumda sınırlayıcı faktör üç faktörden biridir: yatak üzerindeki artan basınç düşüşü, izin verilen maksimum yatak sıcaklığına ulaşılması veya ürün spesifikasyonunu karşılayamaması.

S: Rafineri reaktörlerini tehlikeli yapan nedir?

C: Dört tehlike, hepsi sadece prosedürle değil, tasarım yoluyla yönetilir. Bir hidrokarbon ve hidrojen stoğunda yüksek basınç ve sıcaklık, bu da bir sızıntının büyük bir yanıcı stoğu serbest bırakabileceği ve hidrojen hizmetinde neredeyse görünmez bir alevle tutuşabileceği anlamına gelir. Yüksek kısmi basınçtaki hidrojenin çelikteki karbonla reaksiyona girerek metan oluşturduğu yüksek sıcaklıkta hidrojen saldırısı, dışarıdan görülemeyen iç çatlaklara neden olur; bu nedenle malzeme seçimi API 941 Nelson eğrisini takip eder ve denetim gelişmiş ultrasonik yöntemler kullanır. Özellikle hidroçatlatma ve hidroişlemde, akış kaybı veya yanlış dağılımın reaksiyonu daha da hızlandıran bir sıcak nokta oluşturduğu ekzotermik kaçış, söndürme sistemleri, çoklu termokupllar ve API 521'e göre boyutlandırılmış bir acil durum basınç düşürme sistemi ile yönetilir. Ve kükürt hizmetindeki kapların içinde oluşan ve bakım duruşu sırasında kap hava ile açıldığında kendiliğinden tutuşan piroforik demir sülfür, kontrollü oksidasyon veya katalizör boşaltma sırasında kabı ıslak tutarak yönetilir.