Типы реакторов каталитического крекинга

С движущимся слоем шарикового катализатора

  На глубину конверсии сырья в значительной степени оказывает влияние газодинамический режим контактирования сырья с катализатором, осуществляемый в реакторах различных типов.

  В реакторах с движущимся слоем шарикового катализатора катализ, массо- и теплообмен осуществляют фильтрацией прямотоком в режиме, близком к идеальному вытеснению, т. е. в реакторе интегрального типа. К недостаткам реакторов этого типа следует отнести:

• катализ проводят на поверхности крупнозернистого катализатора, что отдаляет процесс от чисто кинетической области реагирования;
• при прямотоке, в отличие от противотока, завершающую стадию крекинга осуществляют на поверхности закоксованного катализатора после потери им первоначальной активности;
• большое время контакта в реакторах этого типа (исчисляемое десятками минут) приводит к ухудшению селективности крекинга в результате интенсивного протекания вторичных реакций.

С псевдоожиженным (кипящим) слоем микросферического катализатора

  В реакторах с псевдоожиженным (кипящим) слоем микросферического катализатора катализ, тепло- и массообмен осуществляют при идеальном перемешивании реактантов с катализатором в режиме, характерном для безградиентных реакторов (т. е. дифференциального типа). Как наиболее значимые достоинства реакторов этого типа следует отметить:

• высокую их удельную производительность;
• легкость транспортирования микросферического катализатора и регулирования технологического режима;
• осуществление каталитического процесса в области, близкой к чисто кинетической;
• отсутствие байпасных участков и градиента температуры в кипящем слое и некоторые другие.

  Из недостатков реакторов с кипящим слоем можно указать следующие:

• неравномерность времени пребывания сырья в зоне реакции, в результате некоторая часть сырья подвергается чрезмерному крекированию до газа и кокса, а другая часть — легкому крекингу;
• среднее фиктивное время контакта, хотя и меньше, чем в реакторах с движущимся слоем шарикового катализатора, но недостаточно малое (3…15 мин), чтобы обеспечить максимально высокую селективность крекинга.

Лифт-реакторы

  Реакторы каталитического крекинга перечисленных выше двух типов в последние годы постепенно вытесняются более совершенными типами — прямоточными реакторами с восходящим потоком газокатализаторной смеси (лифт-реактор). По газодинамическим характеристикам этот реактор приближается к реакторам идеального вытеснения (т. е. интегрального типа), более эффективным для каталитического крекинга по сравнению с реакторами с псевдоожиженным слоем катализатора. При этом время контакта сырья с ЦСК благодаря высокой активности снижается в лифт-реакторе примерно на два порядка (до 2…6 с). Высокая термостабильность современных катализаторов (редкоземельных обменных форм цеолитов или бесцеолитных ультрастабильных и др.) позволяет проводить реакции крекинга при повышенных температурах и исключительно малом времени контакта, т. е. осуществить высокоинтенсивный («скоростной») жесткий крекинг (подобно процессам пиролиза).

  Заметно улучшаются выходы и качество продуктов крекинга при использовании системы «лифт-реактор + форсированный псевдоожиженный слой» для цеолитсодержащих катализаторов.

  Дополнительного улучшения выходных показателей крекинга (т. е. глубины конверсии и качества продуктов) на современных зарубежных установках каталитического крекинга достигают:

• применением современных высококачественных катализаторов;
• переходом на лифт-реакторы без форсированного псевдоожиженного слоя, но заканчивающиеся разделительными циклонами;
• переходом на многоточечный ввод сырья в лифт-реактор и др.

  Регенераторы предназначены для непрерывной регенерации закоксованного катализатора путем выжига кокса кислородом воздуха при температуре 650…750 °С. На установках с движущимся слоем катализатора регенерацию шарикового катализатора проводят в многосекционном аппарате, снабженном для снятия избытка тепла водяными змеевиками, соединенными с котлом-утилизатором.

  Регенерацию закоксованного катализатора на установках с микросферическим катализатором осуществляют в аппаратах с псевдоожиженным слоем. При выжиге кокса выделяется большое количество тепла (25 000…31 500 кДж/моль, т. е. 6000…7500 ккал/кг кокса). Углерод кокса сгорает до СО и СО₂ , причем их соотношение зависит от химического состава катализатора и реакционной способности кокса. При значительной концентрации СО возможно возникновение ее неконтролируемого догорания над слоем катализатора, что приводит к прогару оборудования. Введением в состав катализатора небольших добавок промоторов окисления устраняют образование СО. При этом возрастает экзотермичность горения кокса. Тепло, выделяющееся при регенерации, частично выводят газами регенерации, а большую часть расходуют на разогрев гранул катализатора.

  При регенерации в псевдоожиженном слое катализатора практически устраняется возможность локальных перегревов, что позволяет проводить регенерацию при более высокой температуре, тем самым ввести в реактор более высокопотенциальное тепло и при необходимости сократить кратность рециркуляции катализатора.

  На установках каталитического крекинга сырья с высокой коксуемостью регенерацию катализатора осуществляют в двухступенчатых регенераторах, снабженных холодильником для снятия избыточного тепла. Это позволяет раздельно регулировать температурный режим как в регенераторе, так и в реакторе.

  На рис. представлены схемы реакторного блока отечественных установок каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем катализатора и установки каталитического крекинга лифт-реакторного типа фирмы «ЮОП».

	Узел сепарационного устройства: 1 – трубная решетка, 2 – ребра жесткости, 3 – газоотводная труба, 4 – «колокольчик», 5 – отбойник
Реактор каталитического крекинга с шариковым движущимся катализатором: I – сырье, II – катализатор, III – продукты крекинга, IV – катализатор закоксованный, V – пар водяной

Регенератор

Аппарат представляет собой вертикальное устройство с квадратным сечением, размерами 3500 х 3500 мм и высотой 24,4 м. Квадратное сечение оптимально для размещения змеевиков и коробов, которые обеспечивают подачу воздуха и отвод дымовых газов.

Конструкция аппарата включает девять вертикальных зон. Каждая зона оснащена коллекторами для ввода воздуха 1 и вывода дымовых газов 2, а также охлаждающими змеевиками 3. К этим коллекторам подключены распределительные коробки для воздуха 4 и сбора газов 5, которые способствуют равномерному распределению воздуха и эффективному удалению дымовых газов.

На верхней части аппарата снаружи расположено распределительное устройство 10, состоящее из труб для катализатора. В нижней части установлен сборник, выравнивающий устройство 7, аналогичное системе в реакторе. Над выравнивающим устройством установлена решетка 6, предотвращающая попадание и распад комков, образующихся при спекании катализатора.

Так как температура внутри аппарата достигает 700 °С, все внутренние компоненты регенератора выполнены из стали 12Х18Н10Т. Корпус аппарата (см. рис. 49) изготовлен из листов углеродистой стали толщиной 12-14 мм и усилен ребрами жесткости, включающими горизонтальные 1 и вертикальные балки из швеллеров 2.

Внутреннее покрытие корпуса выполнено из огнеупорного кирпича 5 толщиной 250 мм, а также изолировано листовым асбестом 2. Футеровка закреплена на специальных полках 3, приваренных к корпусу. Для обеспечения независимых деформаций корпуса и кладки предусмотрен температурный зазор под полкой, заполненный асбестовым шнуром 4.

Рис. 48. Регенератор: I – катализатор, II – дымовые газы, III – воздух, IV – пароводяная смесь. 1 – коллекторы ввода воздуха, 2 – коллекторы вывода дымовых газов, 3 – охлаждающие змее- вики, 4, 5 – коробы воздухораспределительные и газосборные, 6 – решетка, 7 – сборное вырав- нивающее устройство, 8 – футеровка, 9 – листовой асбест, 10 — распределительное устройство

Система распределения воздуха и сбора дымовых газов выполнена разборной конструкцией и состоит из центрального коллектора 1, а также четырнадцати отходящих коробов 4 и 5, расположенных с каждой стороны.

Охлаждающие змеевики изготовлены из бесшовных труб диаметром 605 мм, которые соединены между собой крутоизогнутыми фитингами с шагом 150 мм. Такая конструкция обеспечивает свободный проход катализатора и придает эластичность змеевикам. Каждый змеевик состоит из трех рядов труб. Внутри змеевика циркулирует пароводяная смесь, находящаяся под давлением 3 МПа и температурой около 230 ºС. Змеевики подключаются к общему коллектору параллельно, что позволяет отключать отдельный змеевик в случае его повреждения без остановки работы всего аппарата.

Совсем недавно начали использовать более современные установки, которые включают однократный подъем катализатора и совмещение реакторов и регенераторов различных конструкций. Один из таких аппаратов показан на рисунке.

Совмещенный реактор-регенератор этого типа имеет внутренний диаметр 4500 мм в верхней реакционной части и 5500 мм в нижней. Общая высота аппарата составляет 37 м. На верхней части аппарата размещена шлюзовая камера, в которую подается катализатор и вводится водяной пар для создания гидрозатвора. Катализатор распределяется по сечению аппарата по трубам на периферии и по кольцевому каналу в центре, изолируя внутренние поверхности корпуса от сырья. Это предотвращает коксоотложение в верхней части аппарата при переработке тяжелых видов сырья. Для обеспечения равномерного распределения парожидкостной смеси она вводится через центробежный завихритель.

Рис. 51. Реактор-регенератор совмещенного типа: 1 – реактор; 2 – зона реакции; 3 – сепарационная зона; 4 – зона отпарки; 5 – регенератор;                 6, 7 и 8 – соответственно, верхняя, средняя и нижняя зоны выжигания кокса; 9 – охлаждающие змеевики; 10 – сборное выравнивающее устройство. I – сырье; II, VI – катализатор; III – продукты реакций; IV – дымовые газы; V – воздух

Сепарационное устройство по высоте состоит из трех рядов горизон- тальных коробов 1.

Коробы верхних рядов аппарата соединены вертикальными трубами 2 с коробами нижнего ряда. В этих трубах, расположенных под коробами, имеются отверстия для выхода паров.

Пары собираются в нижних коробах и поступают в кольцевое пространство, откуда выводятся через четыре штуцера.

Катализатор перемещается между коробами, и из сепарационной зоны через систему переточных труб 2 он поступает в зону отпарки — пространство между днищами. В этом пространстве подается водяной пар, который поднимается по переточным трубам и опускается по затворным трубам, осуществляя процесс отпарки и создавая гидрозатвор между реактором и регенератором.

Регенератор состоит из трех зон выжига: верхней и нижней противоточной зон, а также средней прямоточной зоны. Для ввода воздуха используется распределительная система, которая включает днище с патрубками, выполненными в виде коаксиально расположенных труб.

Часть воздуха, подаваемого под днище, поднимается по кольцевому пространству патрубков противотоком с катализатором, а другая часть опускается прямотоком с катализатором. В нижнюю противоточную зону регенерации воздух поступает через нижнее днище аппарата в систему патрубков с коническими колпачками, которые укреплены в днище сборно-выравнивающего устройства для катализатора.

Рис. 53. Воздухораспределительное устройство: 1 – патрубок для воздуха, 2 – переточная труба для катализатора, 3 – защитная сетка

Система сборно-выравнивающего устройства состоит из вертикальных и наклонных труб, которые равномерно собирают и выводят катализатор в систему коаксиальных конических воронок, расположенных выше общего выводного штуцера.

Катализаторные трубы выравнивающего устройства, а также переточные трубы газосборных и воздухораспределительных устройств оснащены защитными сетками, которые предохраняют их от засорения спекшимися частицами катализатора.

Для отвода избыточного тепла в средней части нижней противоточной зоны установлены два трехрядных змеевика. Эти змеевики поддерживаются системой балок, которые воспринимают давление катализатора. В змеевики подается пароводяная смесь под давлением 1,5 МПа и температурой около 200 ºС.

Корпус реактора-регенератора выполнен из стали 16ГС и внутри теплоизолирован слоем торкрет-бетона. Толщина покрытия определяется таким образом, чтобы температура стенки аппарата не превышала 150 ºС, и обычно варьируется от 100 до 200 мм.

Конструкция покрытия показана на рисунке. Для закрепления торкрет-бетонного покрытия с внутренней стороны корпуса приварены шпильки 1 с шагом 250 мм, на которых монтируются поперечные планки 2. На расстоянии 35 мм от стенки корпуса на этих планках крепится армирующая сетка 3. Основной теплоизолирующий слой бетона наносится после установки шпилек. Затем к шпилькам привариваются шайбы 4, устанавливается панцирная сетка 5, защищающая бетон от эрозии. Далее наносится панцирный слой бетона, обладающий повышенной стойкостью к эрозии. Панцирная сетка, изготовленная из стальных полос, имеет форму пчелиных сот.

К стенке корпуса также приварены кольцевые перегородки 6, расположенные с определенным шагом по высоте. Эти перегородки предотвращают фильтрацию паров и газов вдоль стенки аппарата, если в бетоне образуются трещины. Люки и лазы также надежно теплоизолированы изнутри.

Видео установки каталитического крекинга