Reactor trong nhà máy lọc dầu là gì: Mục đích, các loại và cách hoạt động

Bộ phản ứng trong nhà máy lọc dầu là gì: Mục đích, các loại và cách hoạt động

Trả lời câu hỏi cốt lõi: Bộ phản ứng trong nhà máy lọc dầu là gì? Bộ phản ứng là bình chịu áp lực nơi diễn ra các phản ứng hóa học, là nơi duy nhất trong nhà máy lọc dầu mà các phân tử bị phân tách hoặc tái tạo một cách có chủ đích thay vì chỉ được phân loại. Mọi thứ khác trong nhà máy đều phân tách, gia nhiệt, làm mát hoặc di chuyển vật liệu; bộ phản ứng thay đổi bản chất của vật liệu. Hydrotreater hoạt động ở nhiệt độ 300-400°C và áp suất 30-100 bar, cho dòng chưng cất đi qua với hydro trên chất xúc tác coban-molypden để loại bỏ lưu huỳnh. Hydrocracker hoạt động ở nhiệt độ 350-450°C và áp suất 100-200 bar và đi xa hơn, bẻ gãy dầu khí nặng thành nhiên liệu diesel và nhiên liệu máy bay. Bộ cải tạo xúc tác hoạt động ở nhiệt độ 480-525°C trên bạch kim để chuyển đổi naphtha thành reformate có chỉ số octan cao. Bộ phản ứng cracking xúc tác tầng sôi hoạt động ở nhiệt độ 500-540°C với thời gian tiếp xúc chỉ 2-5 giây. Các bình này là những bộ phận lớn nhất và nặng nhất trong nhà máy, với độ dày thành từ 100-300 mm và trọng lượng lên tới 1.200 tấn, và chúng cũng được giám sát chặt chẽ nhất, vì lợi nhuận của nhà máy lọc dầu được quyết định bên trong chúng.

1. Điều gì thực sự xảy ra bên trong bộ phản ứng của nhà máy lọc dầu

Bốn điều xảy ra trong mọi bộ phản ứng, và việc hiểu chúng sẽ giải thích toàn bộ thiết kế:

• Nguyên liệu gặp chất xúc tác: Hầu hết các bộ phản ứng trong nhà máy lọc dầu đều chứa chất xúc tác rắn, một vật liệu xốp có diện tích bề mặt bên trong khổng lồ, thường là 150-400 m2 mỗi gram, nơi diễn ra phản ứng. Nguyên liệu được bơm và gia nhiệt đến nhiệt độ phản ứng, sau đó chảy qua lớp chất xúc tác dạng viên, thường có đường kính 1-3 mm. Tốc độ được biểu thị bằng vận tốc không gian, thường là 0,5-5 giờ⁻¹, có nghĩa là nguyên liệu đi qua thể tích chất xúc tác từ 0,5 đến 5 lần mỗi giờ, và con số này quyết định mức độ chuyển đổi đạt được. Vì chất xúc tác là nơi tạo ra giá trị, mọi thứ khác trong bộ phản ứng đều tồn tại để phục vụ nó: bộ phân phối để trải đều nguyên liệu, lưới đỡ để giữ nó, cặp nhiệt điện để đọc nhiệt độ của nó và hệ thống dập tắt để kiểm soát nó.
• Nhiệt được giải phóng hoặc hấp thụ: Đây là yếu tố định hình thiết kế cơ khí nhiều nhất. Hydrotreating và hydrocracking giải phóng nhiệt, vì vậy bộ phản ứng được chế tạo với nhiều lớp chất xúc tác riêng biệt và hydro lạnh được bơm vào giữa chúng để đưa nhiệt độ trở lại, giới hạn mức tăng qua mỗi lớp là 20-40°C. Cải tạo xúc tác thì ngược lại: các phản ứng tạo ra các hợp chất thơm hấp thụ nhiệt, vì vậy các bộ phản ứng được sắp xếp thành ba hoặc bốn giai đoạn đoạn nhiệt với một lò nung giữa mỗi giai đoạn để đưa nhiệt trở lại. Cracking xúc tác tầng sôi giải quyết vấn đề khác nhau, tuần hoàn chất xúc tác liên tục giữa bộ phản ứng và bộ tái sinh, nơi than cốc lắng đọng trong quá trình cracking bị đốt cháy ở nhiệt độ 650-730°C, và chất xúc tác tái sinh nóng mang nhiệt đó trở lại bộ phản ứng để cung cấp cho phản ứng cracking.
• Chất xúc tác dần dần bị hỏng: Mọi chất xúc tác đều mất hoạt tính theo thời gian, và cơ chế phụ thuộc vào quy trình. Trong cracking, than cốc lắng đọng trong vài giây. Trong hydrotreating, than cốc cộng với các kim loại như niken và vanadi dần dần làm tắc nghẽn các lỗ xốp, và quá trình chạy kết thúc sau một đến năm năm. Trong cải tạo xúc tác, than cốc tích tụ trong sáu đến hai mươi bốn tháng. Người vận hành bù đắp bằng cách tăng nhiệt độ từ từ trong suốt chiến dịch, điều này phục hồi tốc độ nhưng cũng đẩy nhanh quá trình mất hoạt tính, vì vậy quá trình chạy kết thúc khi đạt đến nhiệt độ cho phép tối đa, sự sụt áp qua lớp, hoặc thông số sản phẩm. Sau đó, bộ phản ứng được ngừng hoạt động để tái sinh hoặc thay thế chất xúc tác, đây là lý do lớn nhất cho việc bảo trì định kỳ của nhà máy lọc dầu.
• Áp suất, luyện kim và sự chứa đựng: Bộ phản ứng của nhà máy lọc dầu là một bình chịu áp lực có nhiệm vụ đặc biệt. Độ dày thành từ 100-300 mm bằng thép hợp kim thấp crôm-molypden là bình thường, và lý do không chỉ là áp suất mà là sự kết hợp của hydro, hydro sunfua và nhiệt độ. Hydro nguyên tử ở áp suất riêng phần cao tấn công cacbon trong thép thông thường và tạo thành metan trong kim loại, một chế độ lỗi gọi là tấn công hydro nhiệt độ cao, đó là lý do tại sao vật liệu được lựa chọn theo đường cong Nelson API 941. Bình được chế tạo theo ASME VIII Phần 2 với lớp phủ hàn bằng thép không gỉ trên tất cả các bề mặt bị ăn mòn, và nó được trang bị nhiệt độ áp suất tối thiểu, thường là 90-150°C, dưới đó nó không bao giờ được phép chịu áp lực vì thép trở nên giòn sau thời gian sử dụng dài.

2. Các bộ phản ứng chính bạn sẽ tìm thấy trong nhà máy lọc dầu

Một nhà máy lọc dầu hiện đại chứa từ năm đến mười lăm bộ phản ứng, và mỗi bộ có một nhiệm vụ cụ thể trong sơ đồ dòng chảy:

• Hydrotreater: Bộ phản ứng phổ biến nhất trong bất kỳ nhà máy lọc dầu nào và là bộ phận giúp các thông số nhiên liệu hiện đại trở nên khả thi. Nó loại bỏ lưu huỳnh, nitơ, oxy, kim loại và olefin bằng cách phản ứng chúng với hydro trên chất xúc tác coban-molypden hoặc niken-molypden ở nhiệt độ 300-400°C và áp suất 30-100 bar. Đầu ra của nó là hydro sunfua và amoniac, được tách ra và gửi đến nhà máy lưu huỳnh, và một sản phẩm sạch đáp ứng giới hạn lưu huỳnh 10 ppm cho nhiên liệu diesel siêu thấp lưu huỳnh. Hầu như mọi dòng chảy trong nhà máy lọc dầu đều đi qua một bộ phận: naphtha trước bộ cải tạo, vì lưu huỳnh làm hỏng bạch kim; kerosene trước khi pha trộn nhiên liệu máy bay; diesel trước khi bán; dầu khí trước khi đưa vào FCC hoặc hydrocracker; và dầu khí chân không trước khi chuyển đổi.
• Hydrocracker: Bộ phản ứng chuyển đổi khắc nghiệt và có giá trị nhất. Nó hoạt động ở nhiệt độ 350-450°C và áp suất 100-200 bar và thực hiện hai việc cùng lúc: nó bẻ gãy các phân tử nặng thành các phân tử trong phạm vi nhiên liệu diesel và nhiên liệu máy bay bằng cách sử dụng thành phần zeolit axit, và nó hydro hóa chúng bằng cách sử dụng thành phần kim loại. Vì quá trình cracking xảy ra trong môi trường giàu hydro, sản phẩm được bão hòa và có hàm lượng lưu huỳnh và olefin thấp, do đó diesel và nhiên liệu máy bay từ hydrocracker là một trong những thành phần pha trộn chất lượng cao nhất có sẵn. Bộ phản ứng là một bình thành dày khổng lồ với bốn đến sáu lớp chất xúc tác, hệ thống dập tắt hydro lạnh giữa chúng, và một giai đoạn hydrotreating riêng biệt phía trước giai đoạn cracking để bảo vệ chất xúc tác cracking khỏi nitơ và lưu huỳnh.
• Bộ phản ứng và bộ tái sinh cracking xúc tác tầng sôi: Nhà sản xuất xăng chính trong hầu hết các nhà máy lọc dầu, và là đơn vị lớn duy nhất mà chất xúc tác lưu thông liên tục. Dầu được bơm vào đáy của một ống nâng thẳng đứng nơi nó gặp chất xúc tác đã tái sinh ở nhiệt độ 500-540°C và bị cracking trong 2-5 giây. Chất xúc tác và hơi được tách ra trong các bộ cyclone, chất xúc tác được tách hydrocarbon bằng hơi nước, sau đó chảy đến bộ tái sinh nơi không khí đốt cháy than cốc ở nhiệt độ 650-730°C, phục hồi hoạt tính và tạo ra nhiệt thúc đẩy quá trình cracking. Chất xúc tác tái sinh, giờ đây nóng và sạch, quay trở lại ống nâng. Toàn bộ quá trình lưu thông có thể vượt quá 20-50 tấn mỗi phút trong một đơn vị lớn, và thiết bị được lót bằng vật liệu chịu mài mòn thay vì lót bằng thép, vì chất xúc tác có tính mài mòn cao.
• Bộ cải tạo xúc tác và các bộ phản ứng nhỏ hơn: Bộ cải tạo xúc tác lấy naphtha nặng có chỉ số octan 40-60 và nâng lên 95-105 bằng cách chuyển đổi các naphthen thành hợp chất thơm và các parafin thành các đồng phân phân nhánh, trên chất xúc tác bạch kim-rhenium ở nhiệt độ 480-525°C và áp suất 5-35 bar, trong ba hoặc bốn bộ phản ứng nối tiếp với các lò nung giữa chúng. Nó cũng là nguồn hydro chính của nhà máy lọc dầu. Bên cạnh đó là một số bộ phản ứng nhỏ hơn: một bộ phản ứng đồng phân hóa chuyển đổi các parafin naphtha nhẹ thành các đồng phân có chỉ số octan cao hơn ở nhiệt độ 120-250°C; một bộ phản ứng alkyl hóa kết hợp olefin với isobutane ở nhiệt độ 5-20°C sử dụng axit sulfuric hoặc axit hydrofluoric; một bộ phản ứng hydrodesulfurization hoặc hydro hóa chọn lọc loại bỏ các diolefin khỏi naphtha bị cracking; và, trong nhà máy lưu huỳnh, một bộ phản ứng nhiệt Claus ở nhiệt độ 1.000-1.300°C theo sau là hai hoặc ba bộ phản ứng xúc tác ở nhiệt độ 200-320°C chuyển đổi hydro sunfua thành lưu huỳnh nguyên tố.

Bảng so sánh các bộ phản ứng chính của nhà máy lọc dầu

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

H: Sự khác biệt giữa bộ phản ứng và cột chưng cất là gì?

A: Cột chưng cất phân tách những gì đã có sẵn; bộ phản ứng tạo ra những gì chưa có. Trong cột, các phân tử di chuyển giữa pha hơi và pha lỏng cho đến khi chúng tự phân loại theo điểm sôi, và không có liên kết hóa học nào bị phá vỡ hoặc hình thành. Trong bộ phản ứng, các liên kết bị phá vỡ và tái hình thành, vì vậy vật liệu rời đi có thành phần hóa học khác với vật liệu đi vào. Sự khác biệt này thể hiện trong thiết kế: cột chứa đầy các khay hoặc vật liệu đệm và hoạt động theo gradient nhiệt độ từ dưới lên trên, trong khi bộ phản ứng chứa đầy chất xúc tác và hoạt động ở nhiệt độ được kiểm soát cẩn thận, gần như đồng nhất hoặc được chia thành các bước có chủ đích. Nó cũng thể hiện ở những gì chúng tiêu thụ: cột tiêu thụ nhiệt và làm mát, bộ phản ứng tiêu thụ chất xúc tác, hydro và, trong quá trình cracking, than cốc hình thành trên chất xúc tác.

H: Tại sao các bộ phản ứng trong nhà máy lọc dầu lại lớn và nặng như vậy?

A: Ba lý do kết hợp. Áp suất và nhiệt độ: hydrocracker ở áp suất 200 bar và nhiệt độ 450°C cần thành vỏ dày 150-300 mm bằng thép hợp kim thấp, bản thân nó đã khiến bình rỗng nặng vài trăm tấn. Thể tích: lượng chất xúc tác phải đủ lớn để nguyên liệu có đủ thời gian tiếp xúc với nó, và ở vận tốc không gian 1 giờ⁻¹, nguyên liệu 300 m3 mỗi giờ cần 300 m3 chất xúc tác, do đó bình có kích thước lớn theo định nghĩa. Và các bộ phận bên trong: bộ phân phối, lưới đỡ, hệ thống dập tắt, ống đo nhiệt và bộ thu đầu ra làm tăng thêm sự phức tạp và chiều cao bên trong. Các bộ phản ứng hydrocracker lớn nhất vượt quá 1.200 tấn, vượt quá khả năng vận chuyển của hầu hết các tuyến đường và thường vượt quá khả năng của cần cẩu xưởng chế tạo, vì vậy chúng được chế tạo gần đường thủy hoặc vận chuyển theo từng phần và hoàn thiện tại chỗ.

H: Bộ phản ứng của nhà máy lọc dầu hoạt động trong bao lâu trước khi ngừng hoạt động?

A: Điều này hoàn toàn phụ thuộc vào tốc độ mất hoạt tính của chất xúc tác. Chất xúc tác cracking tầng sôi bị mất hoạt tính trong vài giây và được tái sinh liên tục, vì vậy đơn vị hoạt động từ ba đến năm năm giữa các lần bảo trì định kỳ, bị giới hạn bởi tình trạng cơ khí và vật liệu chịu lửa hơn là do chất xúc tác. Hydrotreater hoạt động từ một đến năm năm; hydrotreater naphtha trên nguyên liệu sạch có thể đạt sáu năm, trong khi hydrotreater diesel trên nguyên liệu bị cracking có thể bị giới hạn trong mười tám tháng. Hydrocracker hoạt động từ hai đến năm năm. Bộ cải tạo xúc tác bán tái sinh hoạt động từ sáu đến hai mươi bốn tháng trước khi tái sinh tại chỗ, trong khi các đơn vị có tái sinh chất xúc tác liên tục về nguyên tắc hoạt động vô thời hạn và bị giới hạn bởi các khoảng thời gian kiểm tra cơ khí. Trong mọi trường hợp, yếu tố giới hạn là một trong ba: sự sụt áp tăng dần qua lớp, đạt đến nhiệt độ lớp cho phép tối đa, hoặc không đáp ứng thông số sản phẩm.

H: Điều gì làm cho các bộ phản ứng trong nhà máy lọc dầu nguy hiểm?

A: Bốn mối nguy hiểm, tất cả đều được quản lý bằng thiết kế chứ không chỉ bằng quy trình. Áp suất và nhiệt độ cao trong kho chứa hydrocarbon và hydro, có nghĩa là một vụ rò rỉ có thể giải phóng một lượng lớn vật liệu dễ cháy và, trong môi trường hydro, có thể bốc cháy với ngọn lửa gần như vô hình; tấn công hydro nhiệt độ cao, nơi hydro ở áp suất riêng phần cao phản ứng với cacbon trong thép để tạo thành metan, gây ra sự nứt bên trong không thể nhìn thấy từ bên ngoài; đây là lý do tại sao việc lựa chọn vật liệu tuân theo đường cong Nelson API 941 và tại sao việc kiểm tra sử dụng các phương pháp siêu âm tiên tiến; chạy trốn nhiệt tỏa, đặc biệt là trong hydrocracking và hydrotreating, nơi mất dòng chảy hoặc phân phối không đều tạo ra điểm nóng làm tăng tốc phản ứng hơn nữa, được quản lý bằng hệ thống dập tắt, nhiều cặp nhiệt điện và hệ thống giảm áp khẩn cấp được định cỡ theo API 521; và sắt sunfua tự bốc cháy, hình thành bên trong các bình trong dịch vụ lưu huỳnh và tự bốc cháy khi bình được mở ra không khí trong quá trình bảo trì định kỳ, được quản lý bằng quá trình oxy hóa có kiểm soát hoặc bằng cách giữ cho bình ẩm trong quá trình dỡ chất xúc tác.