Lò phản ứng xử lý hydrocacbon là gì: Các loại, thiết kế và ứng dụng trong nhà máy lọc dầu

Bộ phản ứng xử lý hydrocarbon là gì: Các loại, thiết kế và ứng dụng trong nhà máy lọc dầu

Trả lời câu hỏi cốt lõi: Bộ phản ứng xử lý hydrocarbon là gì? Bộ phản ứng xử lý hydrocarbon là một bình áp lực trong đó nguyên liệu dầu mỏ hoặc hóa dầu được chuyển đổi hóa học thành các sản phẩm có giá trị cao hơn bằng cách cracking, reforming, hydrotreating, alkylation hoặc isomerisation, gần như luôn luôn trên chất xúc tác rắn và dưới nhiệt độ và áp suất được kiểm soát. Các lớp chính được phân tách theo cửa sổ hoạt động của chúng. Fluid catalytic cracking tiếp xúc dầu khí hóa với chất xúc tác zeolite trong 2-5 giây ở 500-540°C trong một ống nâng. Hydrocracking hoạt động ở 350-450°C và 100-200 bar với chất xúc tác lưỡng chức và áp suất riêng phần hydro cao. Catalytic reforming hoạt động ở 480-525°C và 5-35 bar để tăng chỉ số octan. Hydrotreating loại bỏ lưu huỳnh, nitơ và kim loại ở 300-400°C và 30-100 bar. Mỗi loại trong số này đòi hỏi một cấu hình bộ phản ứng khác nhau, vì ràng buộc chi phối khác nhau: cân bằng nhiệt trong FCC, áp suất riêng phần hydro và luyện kim trong hydrocracking, và sụt áp do lắng đọng cốc và kim loại trong hydrotreating.

1. Các tuyến chuyển đổi và bộ phản ứng mà chúng yêu cầu

Bốn tuyến chuyển đổi chiếm phần lớn công suất chuyển đổi hydrocarbon, và mỗi tuyến quy định một thiết kế bộ phản ứng khác nhau:

• Fluid Catalytic Cracking: FCC là quá trình chuyển đổi ở nhiệt độ cao nhất trong nhà máy lọc dầu và là quá trình chính duy nhất mà chất xúc tác lưu thông liên tục giữa bộ phản ứng và bộ tái sinh. Dầu khí được bơm vào một ống nâng nơi nó tiếp xúc với chất xúc tác đã tái sinh ở 500-540°C và bị cracking trong vòng 2-5 giây thành xăng, LPG và các sản phẩm nhẹ hơn. Phản ứng cracking là phản ứng thu nhiệt và nhiệt được cung cấp bởi chính chất xúc tác đã tái sinh nóng, mang theo cốc từ chu kỳ trước. Lượng cốc lắng đọng 0,5-1,5% khối lượng làm mất hoạt tính của chất xúc tác trong vài giây, vì vậy chất xúc tác đã sử dụng được tách bằng hơi nước và đốt cháy trong bộ tái sinh ở 650-730°C, phục hồi hoạt tính và cung cấp nhiệt cho quá trình. Do đó, bộ phản ứng không phải là một bình chứa theo nghĩa thông thường mà là một ống nâng, một bình tách có bộ phận cyclone để tách chất xúc tác khỏi hơi, và một bộ phận tách, tất cả đều được chế tạo bằng lớp lót chịu lửa chống mài mòn vì chất xúc tác có tính ăn mòn cao.
• Hydrocracking và Hydrotreating: Đây là các quá trình xúc tác giường cố định được thực hiện dưới áp suất riêng phần hydro cao. Hydrotreating loại bỏ lưu huỳnh, nitơ, oxy và kim loại ở 300-400°C và 30-100 bar với chất xúc tác coban-molypden hoặc niken-molypden trên alumina, tạo ra hydro sunfua và amoniac phải được loại bỏ khỏi khí tuần hoàn. Hydrocracking hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao hơn, 350-450°C ở 100-200 bar, và bổ sung chức năng cracking axit để dầu nặng vừa được khử lưu huỳnh vừa được chuyển đổi thành các sản phẩm chưng cất. Cả hai đều tỏa nhiệt mạnh, vì vậy bộ phản ứng được chế tạo với nhiều giường xúc tác và làm lạnh bằng hydro giữa chúng, giới hạn sự tăng nhiệt độ của mỗi giường lên 20-40°C. Hai ràng buộc thiết kế chi phối là tỷ lệ hydro trên dầu từ 300-1.500 Nm3/m3 để ngăn chặn sự hình thành cốc, và sụt áp tăng lên khi cốc và kim loại tích tụ cho đến khi giường phải được thay thế hoặc loại bỏ.
• Catalytic Reforming: Reforming chuyển đổi naphtha có chỉ số octan thấp thành reformate có chỉ số octan cao và các hợp chất thơm trên chất xúc tác platin hoặc platin-rhenium trên chất mang alumina đã được clo hóa, ở 480-525°C và 5-35 bar. Các phản ứng chính là khử hydro của naphthenes thành các hợp chất thơm, khử hydro vòng hóa của paraffins và đồng phân hóa, và chúng nhìn chung là thu nhiệt mạnh, vì vậy các bộ phản ứng được sắp xếp thành ba hoặc bốn giường cố định đoạn nhiệt nối tiếp nhau với các bộ gia nhiệt trung gian. Hydro được sản xuất như một sản phẩm phụ có giá trị. Hai biến số quá trình chi phối: cân bằng nước-clo trên chất xúc tác, vì clo liên tục bị mất vào dòng chảy ra và phải được tái bơm để duy trì tính axit, và sự lắng đọng cốc, được quản lý bằng cách tái sinh theo chu kỳ, thiết kế bán tái sinh với chu kỳ 6-24 tháng kết thúc bằng quá trình tái sinh ngừng hoạt động, hoặc tái sinh chất xúc tác liên tục nơi chất xúc tác lưu thông chậm qua bộ tái sinh.
• Chuyển đổi nhiệt và Coking: Khi nguyên liệu quá nặng hoặc quá nhiễm bẩn đối với chất xúc tác, các nhà máy lọc dầu sử dụng chuyển đổi nhiệt. Delayed coking làm nóng cặn chân không đến 480-510°C trong lò và giữ nó trong các thùng cốc lớn trong 12-24 giờ, nơi nó bị cracking thành các sản phẩm nhẹ hơn và cốc rắn sau đó được cắt ra bằng nước áp suất cao. Visbreaking là một phiên bản nhẹ hơn làm giảm độ nhớt bằng cách cracking nhiệt nhẹ ở 450-500°C với thời gian lưu trú ngắn. Đây là các quá trình bán liên tục hoặc quá trình ống dẫn thay vì giường cố định xúc tác, và các thách thức thiết kế bộ phản ứng là nhiệt, không phải xúc tác: luyện kim thành thùng dưới ứng suất nhiệt theo chu kỳ, độ tin cậy của van làm lạnh và chuyển mạch, và xu hướng ăn bám và đóng cốc nghiêm trọng của các ống lò, được quản lý bằng tốc độ phun hơi hoặc ngưng tụ cao để giữ cho thời gian lưu trú ngắn.

2. Cấu hình bộ phản ứng và cách lựa chọn

Việc lựa chọn giữa các chế độ tiếp xúc tuân theo tuổi thọ chất xúc tác, mức độ tỏa nhiệt và mức độ nhiễm bẩn của nguyên liệu:

• Bộ phản ứng giường cố định: Cấu hình đơn giản nhất và được sử dụng rộng rãi nhất: các viên xúc tác có kích thước 1-3 mm được nạp vào một hoặc nhiều giường được đỡ bởi một lưới và một lớp bóng gốm trơ được phân cấp. Dòng chảy về cơ bản là dòng chảy piston, tối đa hóa chuyển đổi trên mỗi lượt đi, và không có sự mài mòn chất xúc tác hoặc thiết bị tách. Các giới hạn xác định nơi có thể sử dụng giường cố định. Khả năng loại bỏ nhiệt kém, vì vậy các phản ứng tỏa nhiệt cao cần làm lạnh đa giường hoặc thiết kế ống dẫn. Sụt áp tăng lên khi cốc và kim loại lắng đọng, cuối cùng buộc phải ngừng hoạt động. Và nếu chất xúc tác bị mất hoạt tính nhanh chóng, giường không thể thay đổi mà không dừng đơn vị. Do đó, giường cố định phù hợp với nguyên liệu sạch có tuổi thọ chất xúc tác từ một đến năm năm, đó là lý do tại sao chúng chiếm ưu thế trong hydrotreating, hydrocracking và reforming.
• Bộ phản ứng giường tầng sôi và giường sôi: Khi chất xúc tác bị mất hoạt tính trong vài giây, như trong FCC, chất xúc tác phải lưu thông liên tục, và giường tầng sôi cho phép điều đó xảy ra đồng thời mang lại sự đồng nhất nhiệt độ và truyền nhiệt tuyệt vời. Nhược điểm là sự mài mòn chất xúc tác, sự cuốn theo đòi hỏi bộ phận cyclone hiệu suất cao, và sự trộn ngược làm giảm chuyển đổi trên mỗi lượt đi so với dòng chảy piston. Giường sôi, được sử dụng cho quá trình hydroconversion cặn, làm lơ lửng chất xúc tác trong dòng chảy lên của chất lỏng và khí để giường nở ra 30-50%, mang lại hoạt động gần như đẳng nhiệt, sụt áp thấp và không đổi, và khả năng thêm và rút chất xúc tác trực tuyến mỗi ngày. Đây là lợi thế quyết định khi xử lý cặn có 50-350 ppm kim loại, vì kim loại làm nhiễm độc vĩnh viễn chất xúc tác và chỉ có việc thay thế liên tục mới mang lại hiệu quả kinh tế.
• Cột bong bóng bùn và Bộ phản ứng ống dẫn: Bộ phản ứng bùn làm lơ lửng chất xúc tác mịn trong chất lỏng với khí sủi bọt qua, mang lại khả năng loại bỏ nhiệt tuyệt vời và hiệu suất sử dụng chất xúc tác rất cao, và được sử dụng trong tổng hợp Fischer-Tropsch và trong quá trình hydrocracking bùn cặn. Thách thức là tách chất xúc tác mịn khỏi sản phẩm, điều này thúc đẩy sự phát triển của lọc và tách từ tính. Ngược lại, bộ phản ứng ống dẫn đặt chất xúc tác bên trong hàng nghìn ống có đường kính nhỏ với môi trường truyền nhiệt ở phía vỏ. Điều này được chọn khi kiểm soát nhiệt độ là rất quan trọng, như trong quá trình reforming hơi nước, nơi phản ứng là thu nhiệt và các ống được đốt nóng trong lò ở 800-900°C, hoặc trong các quá trình oxy hóa chọn lọc tỏa nhiệt cao, nơi sự chạy trốn là không thể về mặt vật lý. Số lượng ống từ 200-1.000 và chiều dài 6-13 m là điển hình, với tấm ống và mối nối ống-tấm ống là các chi tiết chế tạo đòi hỏi khắt khe nhất.
• Vật liệu, Mã và Tính toàn vẹn: Bộ phản ứng hydrocarbon hoạt động ở ranh giới khả năng luyện kim, và ba cơ chế suy thoái chi phối việc lựa chọn vật liệu. Tấn công hydro nhiệt độ cao, được xử lý bằng đường cong Nelson của API 941, yêu cầu thép crôm-molypden: 1,25Cr-0,5Mo hoặc 2,25Cr-1Mo cho quá trình xử lý hydro, đôi khi có lớp phủ 347 thép không gỉ hoặc lớp bọc hàn 321 hoặc 347 để chống ăn mòn do hydro sunfua. Sự giòn nhiệt của 2,25Cr-1Mo trong phạm vi 350-575°C được kiểm soát bằng cách giới hạn hệ số J, theo dõi sự giòn do làm nguội theo bước của các mẻ sản xuất, và kiểm soát quá trình khởi động và dừng để tránh làm tăng áp suất cho bình lạnh dưới nhiệt độ áp suất tối thiểu của nó. Và sự nứt do ứng suất sulfua từ hydro sunfua ẩm được giải quyết thông qua các giới hạn NACE MR0175 / ISO 15156 về độ cứng và xử lý nhiệt sau hàn bắt buộc. Việc giảm áp suất được xử lý riêng thông qua API 520 và API 521, với phương pháp DIERS được áp dụng khi phản ứng chạy trốn có thể tạo ra hơi nhanh hơn thiết bị giảm áp thông thường có thể xử lý.

Bảng so sánh các loại bộ phản ứng xử lý hydrocarbon

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

H: Sự khác biệt chính giữa hydrotreating và hydrocracking là gì?

A: Cả hai đều sử dụng hydro và chất xúc tác đã được sulfua hóa ở áp suất cao, nhưng mục đích và mức độ nghiêm trọng của chúng khác nhau. Hydrotreating loại bỏ các chất gây ô nhiễm, chuyển đổi lưu huỳnh thành hydro sunfua, nitơ thành amoniac, và bão hòa nhẹ olefin và các hợp chất thơm, ở 300-400°C và 30-100 bar mà không có sự thay đổi đáng kể về phạm vi sôi. Hydrocracking cố ý phá vỡ các liên kết cacbon-cacbon để chuyển đổi 30-90% nguyên liệu nặng thành các sản phẩm chưng cất nhẹ hơn, hoạt động ở 350-450°C và 100-200 bar trên chất xúc tác lưỡng chức kết hợp chức năng hydro hóa kim loại với chức năng cracking axit. Trên thực tế, một bộ hydrocracker được chế tạo như một giai đoạn hydrotreating theo sau là một giai đoạn cracking trong cùng một vòng tuần hoàn áp suất cao, vì chất xúc tác cracking bị nhiễm độc bởi lưu huỳnh và nitơ và nguyên liệu phải được làm sạch trước.

H: Tại sao áp suất riêng phần hydro lại quan trọng trong quá trình xử lý hydro?

A: Áp suất riêng phần hydro ngăn chặn các phản ứng ngưng tụ và khử hydro tạo ra cốc trên bề mặt chất xúc tác. Cốc là cơ chế mất hoạt tính có thể đảo ngược chính, và việc tăng áp suất riêng phần hydro có thể làm tăng gấp đôi hoặc gấp ba tuổi thọ chất xúc tác, cho phép chu kỳ dài hơn ở cùng mức độ nghiêm trọng hoặc mức độ nghiêm trọng cao hơn ở cùng độ dài chu kỳ. Nó cũng thúc đẩy cân bằng khử lưu huỳnh và khử nitơ về phía sản phẩm và cải thiện sự bão hòa các hợp chất thơm. Đây là lý do tại sao các đơn vị xử lý hydro được thiết kế với tốc độ khí tuần hoàn cao, điển hình là 300-1.500 Nm3/m3 nguyên liệu, với quá trình lọc amine khí tuần hoàn để loại bỏ hydro sunfua và amoniac nếu không sẽ làm loãng hydro, và với độ tinh khiết của hydro bổ sung được duy trì trên khoảng 90-95% bằng cách xả một dòng phụ để tránh sự tích tụ chất trơ.

H: Nguyên nhân nào khiến bộ phản ứng xử lý hydro đạt đến cuối chu kỳ hoạt động?

A: Ba giới hạn được đạt đến, và giới hạn nào đến trước sẽ xác định chu kỳ. Sụt áp: cốc, vảy sắt và, trong dịch vụ cặn, các chất rắn lơ lửng làm tắc nghẽn không gian trống ở đỉnh giường, và bộ phản ứng bị ngừng hoạt động khi chênh lệch áp suất đạt đến giới hạn cơ học của các bộ phận bên trong hoặc máy nén tuần hoàn. Nhiệt độ: khi chất xúc tác bị mất hoạt tính, người vận hành tăng nhiệt độ trung bình có trọng số của giường để duy trì chuyển đổi, và chu kỳ kết thúc khi nhiệt độ giường cho phép tối đa, điển hình là 415-440°C đối với luyện kim và tính chọn lọc, đạt được. Và chất lượng sản phẩm hoặc giới hạn luyện kim: khi hàm lượng lưu huỳnh trong sản phẩm không còn đáp ứng được, hoặc khi nhiệt độ đầu ra của bộ phản ứng gần đạt đến giới hạn do xem xét tấn công hydro. Mỗi yếu tố này được quản lý khác nhau, đó là lý do tại sao việc phân cấp giường, bộ lọc cặn và hệ thống làm lạnh được thiết kế tốt có ảnh hưởng lớn đến độ dài chu kỳ.

H: Bộ phản ứng xử lý hydrocarbon được bảo vệ chống lại sự chạy trốn và quá áp như thế nào?

A: Bảo vệ được phân lớp. Về bản chất, thiết kế làm lạnh đa giường và tỷ lệ hydro trên dầu cao giới hạn sự tăng nhiệt độ mà bất kỳ phản ứng tỏa nhiệt nào có thể tạo ra, và luyện kim của bộ phản ứng được lựa chọn với biên độ trên nhiệt độ hoạt động có thể xảy ra tối đa. Bảo vệ bằng thiết bị đo lường sử dụng cặp nhiệt điện nhiệt độ giường độc lập với cảnh báo cao-cao và khóa liên động làm dừng bộ gia nhiệt nguyên liệu và, trong các trường hợp nghiêm trọng, làm giảm áp suất của đơn vị thông qua hệ thống giảm áp khẩn cấp được định cỡ theo API 521, điển hình là giảm áp suất từ ​​hoạt động xuống 7 bar trong vòng 15 phút để dừng phản ứng tỏa nhiệt đang lan truyền. Bảo vệ cơ học là van giảm áp được đặt theo API 520 và được định cỡ cho tải giảm áp có thể xảy ra, mà đối với bộ hydrocracker có thể là trường hợp hóa hơi toàn bộ. Khi phản ứng chạy trốn có thể tạo ra hơi không ngưng tụ và nhanh hơn khả năng giảm áp, phương pháp DIERS được sử dụng để xác định xem hệ thống có được làm dịu hay có khí hay không và liệu thiết bị giảm áp có đủ hay cần một bể chứa áp suất hoặc giảm áp khẩn cấp toàn bộ.