Технологический расчет трубчатой печи для конверсии газа

     Гидрокрекинг - один из самых опасных процессов  нефтепереработки, при выходе температурного режима из-под контроля, происходит резкий рост температуры, приводящий к  взрыву реакторного блока.  
Аппаратурное оформление и технологический режим установок гидрокрекинга различаются в зависимости от задач, обусловленных технологической схемой конкретного НПЗ, и используемого сырья.  
Например, для получения малосернистого вакуумного газойля и относительно небольшого количества светлых (лёгкий гидрокрекинг), процесс ведётся при давлении до 80 атм на одном реакторе при температуре около350°С.  
          Для максимального выхода светлых (до 90%, в том числе до 20% бензиновой фракции на сырьё) процесс осуществляется на 2-х реакторах. При этом, продукты после первого реактора поступают в ректификационную колонну, где отгоняются полученные в результате химических реакций светлые, а остаток поступает во второй реактор, где повторно подвергается гидрокрекингу. В данном случае, при гидрокрекинге вакуумного газойля давление составляет около 180 атм, а при гидрокрекинге мазута и гудрона - более 300.

Температура процесса, соответственно, варьируется от 380 до 450°С и выше.[5]

  
 
 
 
 
 
 
 
 

Принципиальная  схема установки приведена на рис 1 (см. схему на листе формата  А-1).

     Сырье подаваемое насосом 1, смешивается со свежим водородосодержащим газом и циркуляционным газом, которые нагнетаются компрессором 8. Газосырьевая смесь, пройдя теплообменник 4 и змеевики печи 2, нагреваются до температуры реакции и вводится в реактор 3 сверху. Учитывая большое тепловыделение в процессе гидрокрекинга, в реактор в зоны между слоями катализатора вводят холодный водородосодержащий (циркуляционный) газ с целью выравния температур по высоте реактора.

     Выходящая из реактора смесь продуктов реакции  и циркуляционного газа охлаждается  в теплообменнике 4, холодильнике 5 и  поступает в сепаратор высокого давления 6. Здесь водородосодержащий газ отделяется от жидкости, которая  с низа сепаратора через редукционный клапан 9, поступает далее в сепаратор  низкого давления 10. В сепараторе 10 выделяется часть углеводородных газов, а житкий поток направляется в теплообменник 11, расположенные  перед промежуточной ректификационной колонной 15. В колонне при небольшом  избыточном давлении выделяются углеводородные газы и легкий бензин.

     Бензин  частично возвращается в колонну 15 в виде острого орошения, а балансовое его количество через систему  «защелачивания» откачивается с  установки. Остаток колонны 15 разделяется  в атмосферной колонне 20 на тяжелый  бензин, дизельное топливо и фракцию >360 С.

     Бензин  атмосферной колонны 20 смешивается  с бензином промежуточной колонны  и выводится с установки. Дизельное  топливо после отпарной колонны 24 охлаждается, «защелачивается» и  откачивается с установки. Фракция  >360С используется в виде горячего потока внизу колонны 20, а остальная часть ( остаток) выводится с установки. В случае производства масляных фракций блок фракционирования имеет также вакуумную колонну.

     Водородосодержащий  газ подвергается очистке водным раствором моноэтаноламина и  возвращается в систему. Необходимая  концентрация водорода в циркуляционном газе обеспечивается подачей свежего  водорода.

     Регенерация катализатора проводится смесьювоздуха  и инертного газа; срок службы катализатора 4-7 мес.[6] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     

     

     Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации (топочная камера), где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая тепло в основном за счет радиации.

     В камере конвекции расположены трубы, воспринимающие тепло главным образом  путем конвекции-при соприкосновении  дымовых газов с поверхностью нагрева.

     Сырье последовательно проходит через  через конвекционные и радиантные трубы и поглощают тепло; обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого  при сгорании топлива.

Тепло эффективно передается излучением при  охлаждении дымовых газов до 1000-1200К. Снижение температуры дымовых газов  до более низких значений часто бывает неоправданным, так как при этом радиантная поверхность работает с  пониженной       теплонапряженностью поверхности нагрева.

     Эффективность теплопередачи конвекций в меньшей  степени зависит от температуры  дымовых газов, поэтому таким  способом тепло передается, когда  передача тепла излучением оказывается  недостаточно эффективной. Таким образом, конвекционная поверхность использует тепло дымовых газов и обеспечивает их охлаждение до температуры, при которой  величина коэффициента полезного действия аппарата будет экономически оправданной.

     Если  тепло дымовых газов может  быть использовано для иных целей, например, для подогрева воздуха или  для производства водяного пара, то либо наличие конвекционной поверхности  для нагрева сырья не является обязательным, либо размеры этой поверхности  могут быть существенно уменьшены. При небольшой производительности иногда применяют печи без конвекционной поверхности, более простые в конструктивном отношении, но обладающие невысоким коэффициентом полезного действия.

     Характерной особенностью этой печи на рисунке 2 является наклонное расположение форсунок внизу печи, обеспечивающих соприкосновение факела с поверхностью стены, размещенной в середине камер.

     В топочную камеру печи при помощи форсунки вводится распыленное топливо, а  также необходимый для горения  нагретый или холодный воздух. Высокая  степень дисперсности топлива обеспечивает его интенсивное перемешивание  с воздухом и более эффективное  горение.

     Соприкосновение факела с поверхностью стены обуславливает повышение ее температуры; излучение происходит не только от факела, но и от раскаленной стены. Тепло, выделенное при сгорании топлива, расходуется на повышение температуры дымовых газов и частиц горящего топлива; последние раскаляются и образуют светящийся факел.

     Температура, размер и конфигурация факела зависти  от многих факторов и,  в частности, от температуры и количества воздуха, подаваемого для горения топлива, способа подвода воздуха, от конструкции и нагрузки форсунки, теплотворной способности топлива, расхода фарсуночного пара, величины радиантной поверхности.

     При повышении температуры воздуха  увеличивается температура факела, повышается скорость горения и сокращаются  размеры факела. Размеры факела сокращаются  и  при увеличении количества воздуха, поступающего в топку, так как  избыток воздуха ускоряет процесс  горения топлива.

     При недостаточном количестве воздуха  факел получается растянутым, топливо  полностью не сгорает, что приводит к потере тепла. Чрезмерное количество воздуха недопустимо вследствие повышенных потерь тепла с отходящими дымовыми газами и более интенсивного окисления поверхности нагрева.

     Воздух, необходимый для горения, часто  подводят к устью форсунки, т.е  к началу факела. В некоторых форсунках топливо распыляется воздухом, который в этом случае водится в топку совместно с топливом.[7]

      При гидрокрекинге протекают следующие  реакции:

1. гидрогенолиз гетероорганических соединений серы, азота, кислорода
2. гидрирование ароматических углеводородов
3. крекинг и изомеризация нафтеновых углеводородов
4. деалкилирование циклических структур
5. крекинг и изомеризация парафиновых углеводородов
6. коксообразование на поверхности катализатора

     Катализаторы  гидрокрекинга проявляют бифункциональные свойства, т.е. окислительно-восстановительные  и кислотно-основные свойства. Парафиновые  углеводороды на металлических центрах  подвергаются дегидрированию в олефины, а на кислотных центрах олефины  образуют высокореакционноспособные  карбакатионы. Которые на поверхности катализатора вступают в мономолекулярные реакции изомеризации и диструкции с образованием олефинов и карбокатионов с меньшей молекулярной массой. Карбокатионы также вступают в бимолекулярные реакции с субстратом с образованием продуктов реакции и новых частиц карбкатионной природы,т.е. реализуется цепной катеонный механизм. 

     Один  из вариантов такого превращения  парафиновых углеводородов  можно  представить схемой, например:

       

      Катализаторы  гидрокрекинга практически не закоксовываются, так как олефины быстро гедрируются.

      Циклопарафиновые  углеводороды с длинными алкильными группами и числом углеродных атомов в кольце 5 и 6 на катализаторах гидрокрекинга  с высокой скоростью расщепляются по алкильной группе. Циклопентановое и циклогексаное кольца достаточно устойчивы, и гидрогенолиз колец протекает в малой степени:

     Гидрогенолиз  кольца протекает неселективно с  разрывом С-С связей, например:

     

     На  катализаторах с высокой кислотностью и низкой гидрирующей активностью  происходит в основном изомеризация шестичленных колец пятичленные  и миграция заместителей по кольцу:

     

     Бициклические циклоалканы на катализаторах с  высокой кислотной активностью  превращаются в основном в моноциклические  с высоким выходом производных  циклопентана.

     Гидрокрекинг  циклопарафиновых углеводородов на катализаторах с низкой кислотной  активностью дает значительные выходы низших алканов  . 
 
 

     На  катализаторах с высокой гидрирующей  и низкой кислотной активностью  происходит  ступенчатое гидрирование ароматического кольца:

     

     Гомологи  бензола гидрируются труднее, чем  бензол, так как объемные заместителизатрудняют  адсорбцию на активных центрах  катализатора.

     Гидрирование  конденсированных ароматических углеводородов  протекает также ступенчато:

     

     По  мере насыщения колец водородом  скорость реакции падает. На ряду с  последовательным гедрированием ароматических  колец возможно расщепление образовавшихся насыщенных колец и образование  моноциклических ароматических  углеводородов:

     

     Превращение конденсированных ароматических углеводородов  катализаторах с высокой кислотностью на ряду с гидрированием и расщеплением колец включает изомеризацию промежуточных продуктов, реакции диспропорционирования и гидродеалкилирования. Среди продуктов гидрокрекинга отмечается образование производных тетралина, индана и др.

     Алкилбензолы  на катализаторах с высокой гидрирующей  активностью подвергаются гидродеалкилированию:

     

     На  катализаторах с высокой кислотностью и низкой гидрирующей активностью  алкилароматические углеводороды вступают в реакции, аналогичные каталитическому  крекингу и протекающие по карбокатионному  механизму.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     В России до последнего времени процесс  гидрокрекинга не использовался, но в 2000-х годах введены мощности на заводах в Перми, Ярославле и Уфе, на ряде заводов установки гидроочистки реконструированы под процесс лёгкого гидрокрекинга.

          Идёт монтаж установки в ООО "Киришинефтеоргсинтез", планируется строительство на заводах ОАО "Роснефть".  
Совместное строительство установок гидрокрекинга и каталитического крекинга в рамках комплексов глубокой переработки нефти представляется наиболее эффективным для производства высокооктановых бензинов и высококачественных средних дистиллятов.