Основные факторы процесса

Практическое занятие

Каталитический крекинг

Цель занятия: ознакомление с технологической установкой каталитического крекинга, параметрами процесса.

Пояснения

Каталитический крекингпредставляет собой процесс превраще­ния высококипящих нефтяных фракций в базовые высокооктано­вые компоненты авиационных и автомобильных бензинов и в сред­ние дистилляты.

Промышленные процессы каталитического крекинга основаны на контактировании сырья с активным катализатором в условиях, при которых значительная часть сырья превращается в бензин и другие легкие продукты. При реакции крекинга на катализаторе образуются углеродистые отложения, которые резко снижают его активность, в данном случае крекирующую способность. Для вос­становления активности катализаторы регенерируют — выжигают углеродистые отложения (обычно называемые коксом) в среде воз­духа.

Одно из ведущих мест среди вторичных процес­сов нефтепереработки принадлежит процессу ката­литического крекинга тяжелых дистиллятных фрак­ций на мелкодисперсных катализаторах. Целевым назначением процесса является получение высоко­октанового бензина. Газы, богатые бутан-бутиленовой и пропан-пропиленовой фракциями, находят широкое применение в качестве сырья для производ­ства высокооктанового компонента бензина — алкилата, а также в производстве синтетического кау­чука и в нефтехимии.

Легкий газойль каталитического крекинга ис­пользуют как компонент дизельного топлива. Тя­желый газойль с высоким содержанием полицикли­ческих ароматических соединений имеет широкое применение как сырье для получения дисперсного технического углерода, игольчатого кокса, а также в качестве компонента мазутов.

Основным сырьем крекинга являются вакуумные газойли широкого фракционного состава, например с температурами выкипания от 300 до 500°С. В по­следние годы стали применять утяжеленные вакуум­ные газойли с температурой конца кипения до 550 и даже 590^оС. Для расширения ресурсов сырья ис­пользуют и сырье вторичного происхождения, в ча­стности газойли коксования.

Сырье каталитического крекинга должно обла­дать низкой коксуемостью (не более 0,5 % масс.), т. е. содержать немного полициклических аромати­ческих углеводородов и смолистых веществ, вызы­вающих быстрое закоксовывание катализатора. Кроме того, в сырье должно быть обеспечено низкое (не более 20 - 25 г т) содержание металлов, способ­ных дезактивировать (отравлять) катализатор. В на­стоящее время разрабатывают способы предваритель­ной деметаллизации сырья. Зольность сырья кре­кинга обычно находится в пределах 0,006—0,007% (масс.).

Использование сернистого сырья вызывает не­обходимость его гидроочистки. Последние проекты предусматривают оснащение установок каталити­ческого крекинга блоком гидроочистки, в котором соединения серы удаляются в виде сероводорода, а также происходит общее облагораживание сырья - очистка от соединений азота и кислорода. Содержа­ние серы в сырье после гидроочистки снижается до 0,1 - 0,3% (масс.).

На установках крекинга широко применяют высокоактивные цеолитсодержащие катализаторы, в которых от 10 до 25% (масс.) кристаллических алюмосиликатов в массе аморфной матрицы. Это поз­воляет значительно увеличить выход бензина и по­высить его октановое число до 82 - 84 (моторный ме­тод) или 92 - 94 (исследовательский метод), а также уменьшить время контакта. Катализатор должен иметь определенный гранулометрический состав, раз­витую поверхность, высокие пористость и механиче­скую прочность.

Под глубиной каталитического крекинга пони­мается общий выход продуктов (в % масс.), за исклю­чением либо тяжелого газойля, либо суммы легкого и тяжелого газойлей.

Выходы продуктов каталитического крекинга и их качество весьма существенно зависят от природы сырья — содержания в нем ароматических, нафте­новых и парафиновых углеводородов.

Основные факторы процесса

В зависимости от вида перерабатываемого сырья и системы или типа установки, а также состава и свойств катализатора процесс можно вести при различном технологическом режиме. Основными факторами процесса каталитического крекинга являются температура, давление, объемная скорость подачи сырья и кратность циркуляции катализатора.

Каталитический крекинг практически на установках всех типов протекает при 470 - 535°С и давлении 0,13 - 0,28 МПа (1,3 - 2,8 кгс/см²), а регенерация катализатора — в атмосфере воздуха (в некоторых случаях с добавлением кислорода) или в смеси его с продуктами сгорания при 540 - 680°С и 0,13 - 0,31 МПа (1,3 - 3,1 кгс/см²).

Температура в реакторе. Выход бензина при повышении температуры сначала увеличивается, достигает максимума и при дальнейшем росте температуры уменьшается вследствие глубокого разложения ранее образовавшихся углеводородов. С повышением температуры усиливаются реакции распада и увеличивается скорость вторичных реакций дегидрирования нафтеновых углеводородов в| ароматические. Это приводит к увеличению содержания ароматических и непредельных углеводородов в газе и бензине. При этом и газе возрастает содержание углеводородов С1—С₃ и снижается содержание С₄. Октановое число бензина с повышением темпера­туры увеличивается. Повышение температуры приводит также к увеличению соотношения выходов бензина и кокса и дезактивации катализатора с утратой его кристаллической структуры.

Давление в реакторе. Повышение давления оказывает действие, обратное повышению температуры, — снижает выход бензина, газов С₁ - С₃, олефиновых и ароматических углеводородов. В последнее время наметилась тенденция к увеличению давления до 0,21 - 0.28 МПа (2,1 - 2,8 кгс/см²) и соответственно повышению тем­пературы. Одновременно повышаются давление и температура (до 700 - 760° С) в регенераторе, что способствует более полному выжи­гу кокса.

Объемная скорость подачи сырья. Напомним, что объемной ско­ростью называют отношение объёма сырья, подаваемого в реактор за 1 ч, к объему катализатора в зоне крекинга. Выражают ее в ^м3/(м^3.ч) или ч^-1. На установках с циркулирующим микросферическим катализатором используют понятие «массовая скорость», так как плотность слоя катализатора в реакционном объеме изменя­ется в широких пределах в зависимости от скорости паров, прохо­дящих через слой катализатора, и его гранулометрического со­става.

Объемная скорость может быть подсчитана для свежей загруз­ки реактора либо для общей загрузки, т. е. с учетом рециркулирующего сырья (рисайкла). Обычно в качестве рециркулирующего сырья используют газойли каталитического крекинга. С уменьше­нием объемной скорости глубина превращения (крекинга) возрастает вследствие увеличения времени пребывания углеводородным фракций в реакторе, т. е. более продолжительного контакта их е катализатором. При применении катализатора повышенной актив­ности легко крекируемое сырье можно перерабатывать при более высоких значениях объемной скорости - до 3 - 5 ч^-1 и выше.

Кратность циркуляции катализатора. В системах для катали­тического крекинга с циркулирующим микросферическим катализатором на каждую тонну поступающего в реактор сырья вводят 6 - 10 т регенерированного катализатора, а на установках с круп­нозернистым катализатором (частицы диаметром 3 - 5 мм) - от 3 до 4 т (в зависимости от конструкции установки). Это отношение называют массовой кратностью циркуляции катализатора. Иногда его выражают в объемных единицах и называют объемной крат­ностью циркуляции катализатора. Значение объемной кратности циркуляции больше, чем массовой.

При прочих равных условиях с увеличением кратности катализатора глубина крекинга увеличивается, а закоксованность катализатора уменьшает­ся, хотя общий выход кокса от сырья возрастает. Это объясняется тем, что образующееся количество кокса приходится на большее количество циркулирующего катализатора.

Кратность циркуляции катализатора является важным показа­телем технологического режима, влияющим не только на режим процесса каталитического крекинга, но и на мощность и размеры (при проектировании) воздуходувок-компрессоров, катализаторопроводов, охлаждающих змеевиков в регенераторе и некоторых других устройств.

Глубина превращения. Выше отмечалось, что глубина превра­щения (в %) равна 100 минус выход (от сырья) газойлей. Если хо­тят достигнуть более глубокого превращения и получить из сырья больше бензина, то крекингу подвергают не только исходное сырье, но и часть образующихся газойлевых фракций. В последнее время свежее сырье и газойли стали подавать в реактор раздельно.

Однако увеличение глубины превращения требует больших энергетических затрат и, что особенно важно, приводит к сниже­нию производительности установок по исходному сырью. Это име­ет большое значение при использовании малоактивных катализато­ров. С применением же активных цеолитсодержащих катализато­ров, когда количество рисайкла резко снижается (а в отдельных случаях он даже исключается), производительность установки изменяется мало.

Технологическая схема установки каталитиче­ского крекинга с прямоточным реактором приведена на рисунке 1. Установка включает следующие блоки: гидроочистки сырья — вакуумного дистиллята, ка­талитического крекинга, ректификации, газофрак­ционирования и стабилизации бензина. Сырье - гидрогенизат, поступающий из секции гидроочи­стки, — насосом 1 подается в змеевик печи 2 и за­тем перед входом в реактор 11 смешивается с рециркулятом и водяным паром, подаваемым на распиыливание. В нижней зоне прямоточного реактора 11 сырье, контактируя с горячим регенерированным катализатором, испаряется и подвергается кре­кингу. Основная масса катализатора отделяется от продуктов реакции в реакторе-сепараторе 10.

Предложены различные способы отделения про­дуктов реакции от катализатора. Так, на одной из отечественных установок верхняя часть прямоточ­ного реактора расширена (так называемый реактор с форсированным псевдоожиженным слоем). Ско­рость потока газов и паров в нем составляет при­мерно 2 м/с. За счет меньшей скорости по сравнению со скоростью в лифт-реакторе происходит отделе­ние основной массы катализатора от газов и паров, которое завершается в реакторе-сепараторе, а затем в циклонах и электрофильтрах.

Катализатор, пройдя зону отпаривания водяным паром, по транспортной линии 5 поступает в ре­генератор 6 с псевдоожиженным слоем катали­затора, куда одновременно воздуходувкой 3 через горизонтальный распределитель подается воздух, необходимый для регенерации катализатора. Ре­генерированный катализатор по трубопроводу 7 опускается в узел смешения с сырьем. Пары про­дуктов крекинга и газы регенерации отделяются от катализатор ной пыли в соответствующих двухсту­пенчатых циклонах и объединяются в сборных ка­мерах, расположенных в верхней части аппаратов 6 и 10. Газы регенерации проходят паровой котел-утилизатор 9, где их тепло используется для выра­ботки водяного пара. Затем они очищаются от остатков пыли в электрофильтре 8 и выводятся в ат­мосферу через дымовую трубу (на схеме не показана).

Парообразные продукты крекинга направляются в нижнюю отмывочно-сепарационную секцию рек­тификационной колонны 13. Здесь продукты кре­кинга разделяются. В нижней части колонны от па­ров отделяется увлеченная катализаторная пыль, кроме того, происходит конденсация тяжелой части паров (за счет подачи нижнего орошения насосом 15). Легкий и тяжелый газойли выводятся из соответст­вующих точек колонны 13 в отпарные колонны 19 и 19' затем насосами 18 и 22 прокачиваются через теплообменники 12 и аппараты воздушного охлаж­дения 20 и выводятся с установки.

Рис. 1. Технологическая схема установки каталитического крекинга с прямоточным реактором:

1, 15-18, 22, 23 – насосы, 2 – трубчатая печь, 3 – воздуходувка, 4 – топка, 5 – линия транспорта закоксованного катализатора, 6 – регенератор, 7 – линия транспорта регенерированного катализатора, 8 – электрофильтр, 9 – котёл-утилизатор, 10 – реактор-сепаратор, 11 – прямоточный реактор, 12 – теплообменники, 13 – ректификационная колонна, 14 – шламоотделитель, 19,19^I – отпарные колонны, 20 – аппараты воздушного охлаждения, 21 – газоводоотделитель.

Часть тяжелого газойля подается в узел смешения с катализатором (на рециркуляцию). С низа колонны 13 насосом 17 смесь тяжелых углеводородов с катализаторной пы­лью откачивается в шламоотделитель 14. Шлам за­бирается с низа аппарата 14 насосом 16 и возвра­щается в реактор, а с верха шламоотделителя вы­водится ароматизированный тяжелый газойль (де­кантат). Из колонны 13 сверху отводятся пары бензина, углеводородные газы и водяной пар; они поступают в аппарат воздушного охлаждения 20, газоводоот­делитель 21, где газ отделяется от конденсата бен­зина и воды. Бензин насосом 23 частично возвра­щается в колонну 13 в качестве острого орошения, а балансовое его количество направляется на стаби­лизацию (для отделения растворенных газов). В период пуска установки воздух в регенератор подается через топку 4, в которой для его нагрева под давлением сжигается топливо. В теплообменниках 12 тепло отходящих потоков используется для нагрева исходного сырья, поступающего в сек­цию гидроочистки.

Режим работы реакторного блока:

Задание

1. Нарисовать реакторный блок установки каталитического крекинга.

2. Заполнить таблицу 1.

Таблица 1. Характеристики процесса каталитического крекинга

3. Какие факторы процесса влияют на выход и качество получаемого компонента автомобильного бензина?

4. В чём заключается регенерация катализатора процесса?

5. Какие устройства расположены в верхней части реактора и регенератора для улавливания частиц катализатора?

6. Применение продуктов процесса.