Расчет реактора установки каталитического крекинга

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

 

Кафедра «Технология нефтяного аппаратостроения»

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

«Техника переработки твердого топлива, нефти и газа»

на тему «Расчет реактора установки каталитического крекинга»

 

Вариант 13

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. МА-10-01                                              Т.И.Шарипов

           

Проверил: доцент, к.т.н.                                 Е.Ю. Туманова

 

 

 

       

Уфа 2014

СОДЕРЖАНИЕ

   С.

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение объема производства нефтепродуктов, расширение их ассортимента и улучшение качества - основные задачи, поставленные перед нефтеперерабатывающей промышленностью в настоящее время. Решение этих задач в условиях, когда непрерывно возрастает доля переработки сернистых и высокосернистых, а за последние годы и высокопарафинистых нефтей, потребовало изменения технологии переработки нефти. Большое значение приобрели вторичные и, особенно, каталитические процессы. Производство топлив, отвечающих современным требованиям, невозможно без применения каталитического крекинга.

 

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1  Технологический процесс каталитического крекинга.

Катализ (это термин впервые был предложен шведским химиком Берцелиусом в 1855г.). Процесс каталитического крекинга является одним из наиболее распространенных крупнотоннажных процессов углубленной переработки нефти и в значительной мере определяет технико-экономические показатели современных и перспективных НПЗ топливного профиля. Основное целевое назначение каталитического крекинга – производство с максимально высоким выходом (до 50% и более) высокооктанового бензина и ценных сжиженных газов – сырья для последующих производств высокооктановых компонентов бензинов изомерного строения: алкилата и метил-трет-бутилового эфира, а также сырья для нефтехимических производств.

В крекинг-установке сырье нагревают при повышенном давлении в контакте с катализатором, который способствует протеканию процесса.

Катализатор — это вещество, которое ускоряет или даже вызывает химическую реакцию, но когда реакция заканчивается, катализатор остается в неизменном виде — таким же, каким был сначала.

Сырьем для процесса каталитического крекинга обычно является прямогонный тяжелый газойль, а также легкая фракция вакуумной перегонки. Температура кипения сырья для крекинга должна находиться в пределах 340— 590°С (650—1100°F). Чтобы процесс начался, требуется нагревание; температура в реакторе во время крекинга находится в районе 480°С (900°F).

По фракционному составу к сырью процесса предъявляются следующие требования:

– практически полное отсутствие бензино-лигроиновых фракций, поскольку в условиях крекинга они претерпевают незначительные превращения, к тому же нерационально загружают реакционный аппарат и отрицательно влияют на октановое число бензина;

–    ограниченное (до 10 %) содержание фракций, выкипающих до 350° С;

– ограниченная температура конца кипения (500-620 °С), что обусловливается концентрированием в высококипящих фракциях коксогенных компонентов сырья (смол и асфальтенов) и гетероорганических соединений и металлов.

Процесс разработан так, чтобы особым образом содействовать протеканию крекинга. Задача состоит в том, чтобы превратить тяжелые фракции в бензин. В идеале температуры кипения продуктов крекинга должны лежать в интервале, соответствующем бензину, но технология не бывает идеальной. Во время работы установки происходит несколько процессов.

Когда большие молекулы разрываются на части, то водорода оказывается недостаточно, чтобы насытить все молекулы, и поэтому некоторая часть углерода переходит в кокс, который почти целиком состоит из атомов углерода, слепленных вместе.

При разрыве крупных молекул получается полный набор мелких — от метана и выше. Поскольку водорода недостаточно, многие из образующихся молекул оказываются олефинами.

Если некоторые молекулы в сырье состоят из нескольких ароматических или нафтеновых циклов, соединенных вместе, они разваливаются на меньшие ароматические или нафтеновые молекулы и олефины.

И, наконец, молекулы, состоящие из нескольких ароматических или нафтеновых циклов и длинных боковых цепей, как правило, теряют боковые цепи. Полученные в результате молекулы, хотя и содержат меньше атомов углерода, но оказываются более тяжелыми, то есть имеют более высокую относительную плотность. Кроме того, их температуры кипения обычно также выше. Самое смешное, что эти молекулы образуют продукт, который тяжелее, чем исходное сырье.

Таким образом, продуктами крекинга является полный набор углеводородов, от метана до остатка и, кроме того, кокс.

Аппаратурное оформление каталитического крекинга состоит из трех частей: реактора, регенератора и ректификационной колонны.

Реактор.

Центральной частью установки каталитического крекинга является реактор (рисунок 1). Сырье проходит через нагреватель, смешивается с катализатором и поступает в вертикальную трубу (райзер), ведущую в нижнюю часть большого сосуда, похожего на резервуар для воды, который называется реактором.

Рисунок 1 – Реакторный блок каталитического крекинга.

В момент, когда сырье поступает в реактор, процесс уже идет, поэтому время пребывания сырья в реакторе — всего несколько секунд. В более современных конструкциях крекинг, в основном, происходит уже в райзере. Таким образом, реактор нужен только для отделения углеводородов от катализатора.

Это производится с помощью циклона, механического приспособления, использующего центрифугирование.

Катализатор бывает обычно одного из двух типов: шарики или микросферы. Диаметр шариков обычно 0,3 или 0,6 см. Микросферы гораздо меньше, и такой катализатор выглядит как детская присыпка. В настоящее время шарики уже вышли из моды. Микросферы обладают двумя необычными свойствами. Если сосуд с порошком катализатора встряхивать или наклонять, порошок ведет себя как жидкость. Поэтому такой процесс иногда называют крекинг с псевдосжиженным катализатором. 
Второе свойство присуще не только порошку, но и шарикам, но оно не заметно невооруженным глазом. Под микроскопом можно видеть, что каждая микросфера (или шарик) имеет множество пор и, следовательно, огромную площадь поверхности. Поскольку действие катализатора определяется его контактом с сырьем, большая площадь поверхности — очень важное свойство катализатора.

Параметры процесса.

Обычно установка каталитического крекинга работает, пока не достигает предела своих возможностей в отношении выжигания кокса. Это может произойти различным образом, но становится очевидным, когда начинает падать выход бензина, а количество газов С4– или тяжелого газойля при этом начинает возрастать.

Выходы продуктов с установки крекинга зависят от разных факторов, в том числе от качества сырья, температуры в реакторе, скорости подачи сырья и скорости циркуляции, и, что удивительно, от времени суток и температуры окружающего пространства.

Качество сырья. Реакция крекинга весьма сложна, и существует достаточно много данных, которые могут быть использованы для предсказания выходов на основании различных характеристик сырья. Важными характеристиками являются плотность сырья и содержание в нем парафинов, нафтенов и ароматики.

Температура в реакторе. Чем выше температура, тем интенсивнее протекает реакция крекинга, но в какой-то момент количество образующихся газов резко возрастает за счет уменьшения количества бензина или легкого газойля. Оптимальная температура в реакторе определяется экономическими соображениями.

Скорости подачи сырья и циркуляции. Слишком высокая скорость подачи плохо сказывается на выходах, поэтому следует соблюдать баланс с объемом остатка от фракционирования, который либо направляют на циркуляцию, либо оставляют во фракции тяжелого крекинг-газойля.

Время суток и температура. Для регенерации отработанного катализатора через регенератор постоянно пропускают воздух. Если температура воздуха за пределами установки понижается, воздух становится более плотным. Так как насосы, подающие воздух, работают при постоянной скорости, то в действительности холодного воздуха в регенератор подается больше, чем теплого. Чем больше кислорода, тем больше кокса выжигается с поверхности катализатора. Чем свежее катализатор, тем эффективнее реакция. Чем эффективнее реакция, тем больше получается бензина. Автоматическая запись параметров процесса действительно позволяет зафиксировать отклонения стрелок: например, ночью, когда температура воздуха ниже, выходы продуктов оказываются выше. Днем, когда становится жарко, выходы падают. То же самое относится к результатам, полученным зимой и летом, и это уже плохо, потому что потребности в бензине выше как раз летом, когда выходы снижаются.

Рисунок 2 – Технологическая схема нефтепереработки:

1- прямогонный бензин;

2- прямогонная нафта;

3 – прямогонный керосин;

4 – прямогонный легкий газойль;

5 – прямогонный тяжелый газойль;

6 – легкая фракция вакуумной  перегонки;

7 – бензин каталитического крекинг;

8 – легкий газойль каталитического крекинга;

9 – тяжелый газойль каталитического  крекинга.

 

С точки зрения технологии, установку каталитического крекинга можно условно изобразить на общей технологической схеме нефтеперерабатывающего завода как некий ящик с входящим сырьем и выходящими продуктами. До данного момента мы успели рассмотреть ректификацию сырой нефти, вакуумную перегонку и каталитический крекинг. На рисунке 2 показано, как все это выглядит в комплексе. Кроме того, на этом рисунке приведены сокращения, которые мы будем использовать в дальнейшем.

 

1.2 Реактор  каталитического крекинга с псевдоожиженным пылевидным катализатором

 

Существует много различных конструкций реакторов и регенераторов с псевдоожиженным слоем пылевидного катализатора. В зависимости от схемы установки реактор и регенератор конструктивно могут быть отдельными аппаратами или выполнены в едином.

Схемы выполнения конструкции реактора приведены на рисунке 3. Реактор представляет собой цилиндрический аппарат обычно с полушаровыми или коническими днищами. В зависимости от производительности диаметр реакторов равен 2,5;—12 м. Высота цилиндрической части аппарата 10—16 м. Отношение высоты аппарата к диаметру 1,4—4,0, причем меньшее значение принимают для реакторов большого диаметра. Корпус аппаратов изготовляют из углеродистых сталей, если температура стенки не превышает 475°С,. при коррозионно-активном сырье применяют биметалл. В ряде случаев изнутри аппараты снабжают теплоизоляционной футеровкой.

В реакторе можно выделить следующие зоны: зона г ввода и распределения сырья и катализатора, реакционная зона в, сепарационная зона б, зона а размещения циклонных устройств и отпарная зона д.

Транспортируемый потоком сырья катализатор подается в реактор под распределительное устройство. Последнее в большинстве случаев представляет собой решетку с равномерно распределенными отверстиями диаметром 35—50 мм. Площадь перфорации (отверстий) обычно составляет 2—5% всей площади решетки. Толщину решетки принимают 20—40 мм с учетом сильной эрозии под действием катализатора. Решетки из легированных (хромомолибденовых) сталей обладают более высокой эрозионной стойкостью, чем решетки из углеродистых сталей. В последнем случае в местах расположения отверстий решетку можно защитить гильзами из легированной   стали.

В ряде конструкций распределительным устройством служит решетка, выполненная из параллельно уложенных труб.

 

I— сырье;   II — продукты   реакции;   III — катализатор;  IV — водяной пар

Рисунок 3 – Схемы реакторов с пылевидным катализатором.

 

Обычно в реакционной зоне нет каких-либо устройств, но в этой части аппарата иногда размещают решетки из труб, ограничивающие внутреннюю циркуляцию сырья и катализатора. Это уменьшает возможность попадания прореагировавших паров из верхней части псевдоожиженного слоя в нижнюю и проскока сырья, вследствие чего более строго выдерживается время пребывания сырья.

В сепарационной зоне оседает мелочь, вынесенная из слоя. Высоту сепарационной зоны обычно принимают не менее 4,5 м.

В верхней части аппарата подвешивают одноступенчатые или двухступенчатые циклоны. Отсепарированная мелочь обычно отводится из циклонов в слой по отдельным стоякам. При большом числе циклонов группа циклонов одной ступени может иметь общий бункер с одним стояком. На нижних концах стояков имеются клапаны-захлопки, которые открываются под давлением катализатора в стояке и предотвращают проход паров по стояку в циклон. Для защиты от эрозии циклоны обычно футеруют изнутри износостойким бетоном.

 

1.3 Нефтехимический синтез

 

Нефтехимический синтез, получение химических продуктов на основе нефти и углеводородных газов синтетическим путём. Углеводороды нефти и газов природных горючих, газов нефтяных попутных, газов нефтепереработки служат основным сырьём в производстве важнейших массовых синтетических продуктов: пластмасс, каучуков и волокон, азотных удобрений, поверхностно-активных и моющих веществ, пластификаторов; топлив, смазочных масел и присадок к ним, растворителей, экстрагентов и др. Все эти продукты широко применяются в различных отраслях народного хозяйства и в быту, с ними связано развитие многих новых областей техники (космонавтики, атомной энергетики и др.). В промышленно развитых странах Н. с. позволил создать крупную и быстро развивающуюся нефтехимическую промышленность. Углеводороды нефти и газов, являясь доступным, более технологичным и дешёвым сырьём, вытесняют остальные виды сырья (угли, сланцы, растительное, животное сырьё и пр.) почти во всех процессах органического синтеза.