Реакторы каталитического риформинга

Внутренние устройства реакторов

Реактор каталитического риформинга имеет сложное конструктивное устройство. В зависимости от способа подачи сырья и типов гидродинамики его внутреннее строение также может изменяться. Однако, основные элементы остаются постоянными при любом проводимом в реакторе процессе.

Верхнее распределительное устройство (диффузор) используется для распределения потока и, в некоторых случаях, фильтрования ГСС.

Верхняя крышка (тарелка) используется для разделения внутреннего объема реактора на зону формирования потока и реакционную зону.

Центральная труба (ЦТ) используется для сбора продуктов реакции и удержания катализатора в реакционной зоне. Она представляет собой перфорированную трубу, на которой сварными соединениями закреплен щелевой экран (фильтр).

Скаллопы – это длинные вертикальные каналы, расположенные по всей окружности реактора. Они оснащены отверстиями или профильными проволочными экранами по всей длине. Через эти отверстия ГСС проходит радиально в кольцевой слой катализатора и внутрь к центральной трубе.  В центральной трубе собираются продукты реакции и направляются к выходу из реактора.

На практике применяют следующие типы скаллопов:

1. Скаллопы с перфорацией
2. Скаллопы с щелевым экраном в виде фильтрующей поверхности, имеющие сварной экран, образованный трехгранными профилями.

Использование щелевых экранов позволяет применять катализаторы, имеющие при одинаковом объеме большую реакционную поверхность за счет уменьшения размеров частиц. Это повышает производительность установки и улучшает качество продукции.

Типы реакторов каталитического риформинга

Несмотря на схожее внутреннее строение, по гидродинамическому режиму реакторы каталитического риформинга делятся на два типа:

• с аксиальным вводом сырья
• с радиальным вводом сырья.

Реакторы с аксиальным вводом сырья

Это наиболее распространенный тип реакторов.  Он представляет собой цилиндрический сосуд, заполненный катализатором. С катализатором реагируют газообразные или жидкие реагенты, потоком протекающие вниз через слой катализатора. Впоследствии реагенты превращаются в продукты реакции.

Реактор может иметь более одного катализатора в слоях и инертные керамические шарики. Эти шарики служат для поддержки катализатора и лучшего распределения потока технологического газа или жидкости. Обычно используются керамические шарики. Они обладают рядом преимуществ:

• прочность,
• выдерживают высокую температуру и давление,
• не поглощают жидкость или газы
• и устойчивы к химическому воздействию, включая кислоту, щелочь и органические растворители.

Устройство реакторов с аксиальным вводом

В общих случаях такие реакторы могут иметь:

1. один большой слой или несколько слоев катализатора последовательно.
2. отверстия или внутренние передаточные трубки, позволяющие катализатору самотеком перетекать из верхней части слоя в нижнюю во время загрузки и разгрузки.
3. штуцеры, позволяющие выгружать катализатор самотеком.
4. входной штуцер, который часто используется в качестве люка для установки внутренних элементов и загрузки катализатора.
5. распределительные устройства – диффузоры.
6. люк-лаз, расположенный в днище реактора
7. люки для выгрузки катализатора.
8. термопары для контроля температуры в слое катализатора.
9. опорное кольцо для размещения аппарата на строительных конструкциях.
10. опорная решетка необходима для удерживания слоев фарфоровых шариков и катализатора.
11. выпускной коллектор, расположенный на дне реактора для поддержки нижнего слоя катализатора и транспортировки продуктов реакции за пределы реактора.

Реакторы с несколькими слоями катализатора могут иметь боковые люки для обеспечения легкого доступа в каждый слой. Также они могут иметь внутренние опорные решетки для катализатора и тарелки со съемными секциями, которые могут быть удалены для обеспечения доступа к следующему слою. В идеале работы по загрузке и выгрузке катализатора учитываются при проектировании реактора, чтобы обеспечить минимизацию воздействия катализаторов на рабочий персонал во время загрузки и разгрузки.

Сырьевой диффузор или антизавихритель может изготавливаться из комбинаций отбойной тарелки, щелевого экрана и перфорированной тарелки.  Эта комбинация определяется в зависимости от динамики потока верхнего потока реактора и технологического режима работы. Отбойная тарелка диффузора обычно обращена к входящему потоку, что позволяет разделить его на несколько каналов. Размер отбойника зависит от диаметра входящей трубы и высоты штуцера. В моделях с восходящим потоком сырья диффузор расположен над входным штуцером.

Движение потока в аксиальном реакторе

Реакторы с аксиальным вводом сырья характеризуются нисходящим потоком, идущим сверху вниз реактора.  В результате между сырьем, и катализатором происходят химические реакции. В типичной конфигурации двухслойного аксиального реактора сырье распределяется на входе в реактор с помощью входного диффузора. Слой керамических шаров необходим для того, чтобы поток равномерно распределялся по слою катализатора.  После прохождения потоком слоя катализатора продукты реакции выводятся через нижний штуцер реактора.

Реактор с радиальным вводом сырья

В реакторах с радиальным вводом сырья для размещения катализатора предусмотрен внутренний перфорированный стакан. Между футеровочным слоем и перфорированным стаканом существует кольцевой зазор. В реакторе с радиальным вводом движение ГСС происходит радиально (по спирали вниз). А в аксиальных реакторах по вертикальной оси реактора (сверху вниз). В этом состоит основное отличие радиальных реакторов от аксиальных.

Движение потока в радиальном реакторе

ГСС направляется из верхнего распределителя реактора в скаллопы. Скаллопы имеют отверстия или, чаще всего в наши дни, профильные проволочные экраны по всей длине. Газ проходит через скаллопы радиально в кольцевой слой катализатора и затем внутрь к центральной трубе. В центральной трубе собираются продукты реактора и направляются к выходу из реактора. Следует избегать низкого расхода сырьевого поток, так как это может приводить к ускоренному образованию кокса.

 

Устройство реакторов с радиальным вводом

Обычно системы реакторов с радиальным вводом сырья состоят из двух концентрических экранов с кольцевым пространством, заполненным катализатором или ситом. Эффективность системы реактора в целом определяется эффективностью внутренних частей экрана. Экраны изготовливают из сварных проволок и стержней. Они обладают исключительной прочностью и устойчивостью к разрушению, изгибу или разрыву. Не менее важно, что их конструкция обеспечивает:

• надежное удержание среды,
• большой объемный поток
• длительный срок службы.

Этого удается достичь благодаря устойчивым к закупориванию отверстиями и высокому проценту открытой площади.

Щелевые отверстия как на центральной трубе, так и на внешнем экране ориентированы вертикально. Это позволяет носителю скользить по поверхности экрана во время реакции, не подвергаясь истиранию краями паза.

Преимущества радиальных реакторов с щелевым экраном

• Создается устойчивая поверхность между экраном и катализатором. Жесткая, гладкая поверхность экранов специального исполнения позволяет минимизировать истирание катализатора, вызванное изгибом проволочной сетки.
• Экраны имеют вертикальные пазы, чтобы обеспечить более легкое вертикальное перемещение катализатора, уменьшая повреждение катализатора во время работы и при опрокидывании.
• Поскольку шарики катализатора не истираются и не ломаются, проницаемость слоя остается высокой. Поддерживается равномерное распределение потока.
• Прочный цельносварной экран обеспечивает отличную устойчивость к высоким температурам и давлениям в течение длительного срока службы, меньшее время простоя.
• Взаимодействие между катализатором и экраном не приводит к закупориванию поверхности экрана, вызывающей высокие перепады давления. Двухточечный контакт с катализатором позволяет не уносить гранулы катализатора, способствуя полному движению и полной регенерации в блоках непрерывной регенерации. Если гранула катализатора раскалывается во время работы, то расширяющаяся наружу щель позволяет фрагментам (или мелким частицам) удаляться от поверхности взаимодействия, практически устраняя закупоривание щели.

Преимущество радиальных реакторов над аксиальными

По мере улучшения с годами каталитических систем риформинга, давление в реакторе можно было снизить. Это позволяло воспользоваться преимуществами увеличения выхода С5+ и водорода при более низком рабочем давлении. Однако, при более низком давлении перепад давления через реактор становится важным фактором. В связи с этим, современные конструкции установок риформинга используют реакторы с радиальным потоком в конструкции и сочетают хорошее распределение потока с перепадом давления продувки.

Системы радиального потока повышают эффективность контакта между технологическим потоком и слоем катализатора. Из-за этого размер сосуда может быть значительно уменьшен.

Реакторы для установок риформинга с непрерывной регенерацией катализатора

Для риформинга с НРК используют только реакторы с радиальным вводом сырья для минимизации перепада давления. Реактор НРК обычно представляют собой цепь из 4-х реакторов с радиальным вводом сырья, расположенных последовательно. Реакторы установлены на одной оси, друг над другом. Такая компоновка позволяет образовывать единую конструкцию. Реакторы связаны между собой системой переточных труб.

ГСС после предварительного нагрева в теплообменниках и в печи нагрева сырья, поступает в реактор первой ступени. Далее смесь поступает на блоки реакторов второй, третьей и четвертой ступеней. Поскольку реакция риформинга происходит с поглощением тепла, требуется промежуточный подогрев ГСС между ступенями реакторов. Для этого ГСС проходит через соответствующие секции печи.  Продукты риформинга после последнего реактора поступают в сепаратор, где происходит отдув водородсодержащего газа, поступающего далее на прием компрессора с последующей циркуляцией на блоке риформинга. Нестабильный риформат из сепаратора направляется на блок стабилизации. Катализатор риформинга, представляющий из себя шарики, под действием силы тяжести через переточные трубы перетекает из бункера реактора в реактор первой ступени, и далее в остальные реакторы. Из последнего реактора катализатор путем пневмотранспорта азотом подается в накопительный бункер регенератора. Этот процесс проходит через систему затворов с шаровыми клапанами.