что такое реактор в нефтепереработке
Реактор
Назначение
Реакторы – аппараты, в которых происходит химические превращения сырья на катализаторах и представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты, работающие под давлением.
Схемы подключения
При двух и более реакторах в блоке они могут быть включены в схему последовательно или параллельно.
Следует помнить, что при параллельном подключении реакторов необходимо обеспечить хорошее перемешивание газосырьвой смеси перед ее разветвлением на два потока. Это позволит предотвратить неравномерное распределение по реакторам жидкой фазы и ускоренное закоксовывание катализатора в одном из них.
Принципиальные схемы соединения реакторов 1 – параллельное; 2 – последовательно – параллельное; 3 – последовательное
Конструкция
Реактор состоит из:
Первый слой самого крупного диаметра 20 мм, затем 13 мм, и самые мелкие диаметром 6 мм.
Затем засыпается катализатор. В качестве катализатора используют:
Материал катализатора зависит от процесса, в котором участвует реактор. Сверху катализатора засыпают еще один слой фарфоровых шариков диаметром от 16мм до 20мм.
Для выгрузки и загрузки катализатора реактор имеет люк, который также используется при ревизиях и ремонтах.
Опорное кольцо предназначено для крепления аппарата на строительных конструкциях.
Рис.5 – Опорное кольцо предназначено для крепления аппарата
Корпус реакторов изготовлен из стали и покрыт изнутри жароупорной торкрет-бетонной футеровкой, толщина которой обычно составляет 150мм.
Принцип работы
Сырье подаётся в реактор через верхний штуцер и распределитель, который обеспечивает равномерное распределение парогазового потока в верхнем пустотелом пространстве реактора.
Затем поток проходит через слой фарфоровых шариков, которые предназначаются для более равномерного распределения потока по слою катализатора. Задача катализаторов – повышать селективность протекающих химических реакций, увеличивая выход целевого продукта из единицы сырья. Пройдя слой катализатора, продукты реакции выводятся через штуцер.
Конструкция реакторов, применяемых на нефтеперерабатывающих заводах, различна и зависит от процесса, в котором они применяются.
Видео работы
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:
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:
Из недостатков реакторов с кипящим слоем можно указать следующие:
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:
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.
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. 6.3…6.5 представлены схемы реакторного блока отечественных установок каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем катализатора и установки каталитического крекинга лифт-реакторного типа фирмы «ЮОП».
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:
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.
Внутренние устройства реакторов
Типы реакторов каталитического риформинга
Несмотря на схожее внутреннее строение, по гидродинамическому режиму реакторы каталитического риформинга делятся на два типа:
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:
Устройство реакторов с аксиальным вводом
В общих случаях такие реакторы могут иметь:
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.
Реактор с радиальным вводом сырья
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.
Варианты организации движения потока через центральную трубу реактора (слева направо): а) вход потока через щелевой экран сверху и выход потока через ЦТ сверху; б) вход потока снизу в ЦТ, выход потока через щелевой экран сверху реактора; в) вход потока в щелевой экран сверху, выход потока через ЦТ снизу реактора
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:
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
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.
Реактор риформинга с непрерывной регенерацией катализатора
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.
Инструменты пользователя
Инструменты сайта
Содержание
Общие принципы устройства реакторов
Реактор является основным агрегатом технологической схемы производства любого химического (или нефтехимического) продукта.
Химический реактор — это аппарат, в котором осуществляются взаимосвязанные процессы химического превращения, массопередачи и теплообмена. Существует большое количество различных типов и конструкций химических реакторов, которые можно классифицировать по ряду признаков. 1) Рассмотрим основные классификации реакционных устройств.
Монтаж реактора гидрокрекинга
1. По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:
В таком реакторе (рисунок ниже) все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продукта) осуществляются параллельно и одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема.
Установка для непрерывного процесса: 1 – теплообменные аппараты; 2 – реактор 2)
В данном случае вспомогательные операции отсутствуют, поэтому такие реакторы характеризуются высокой производительностью. Современные крупнотоннажные производства реализуются в непрерывно‐действующих реакторах. 3)
В реакторе периодического действия все отдельные стадии процесса протекают последовательно в разное время. Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен во времени для одной и той же точки объема. 4)
В реактор периодического действия все реагенты загружают до начала реакции, а смесь продуктов отводят по окончании процесса. Параметры технологического процесса в периодически действующем реакторе изменяются во времени. Между отдельными реакционными циклами выполняют вспомогательные операции:
•загрузку реагентов
•выгрузку продуктов,
•чистку реактора. 5)
Реактор периодического действия
Реактор полунепрерывного действия работает в неустановившихся условиях. Такой реактор можно рассматривать как непрерывно действующий аппарат, в котором потоки входящего и выходящего из реактора вещества не равны (вследствие чего изменяется общая масса реагирующих веществ в объеме), и, кроме того, как периодически действующий аппарат, в котором ввод одного из реагирующих веществ или вывод продукта реакции осуществляется периодически. 6)
Аппарат промежуточного типа
2. По гидродинамическому режиму (режиму движения реакционной среды) различают следующие типы: 7)
Реакторы смешения – это емкостные аппараты с мешалкой или циркуляционным насосом.
Реакторы вытеснения – трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала.
3. По тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы:
Изотермический реактор — в реакторе поддерживают постоянную температуру в ходе всего процесса путем отвода или подвода тепла.
Для осуществления химической реакции в изотермических условиях необходимо в аппарате обеспечить интенсивное перемешивание и высокоэффективный теплообмен. В реакторах для таких процессов обычно используют псевдоожиженные слои катализатора или теплоносителя, применяют различные смесительные устройства (мешалки) и т.п. В качестве примера реактора с изотермическими условиями можно привести аппараты, применяемые для алкилирования изобутана бутиленами с целью получения высокооктанового компонента бензина-алкилата (изооктана). 8)
Адиабатический реактор — в реакторе отсутствует теплообмен с окружающей средой, и тепло химической реакции полностью расходуется на изменение температуры реакционной смеси.
В некоторых случаях небольшое изменение температуры в адиабатическом реакторе достигается подачей вместе с сырьем инертного (не участвовавшего в реакции) вещества (теплоагента), которое поглощает (при экзотермической реакции) или компенсирует (при эндотермической реакции) часть теплового эффекта реакции. Примером адиабатического реактора может служить выносная реакционная камера термического крекинга, куда непрерывно поступает сырье, нагретое в трубчатой печи до 470-500°C. 9)
Политропический реактор — температура в реакторе непостоянна, при этом часть тепла может отводиться от реакционной смеси или подводиться к ней.
К аппаратам политропического типа относятся реакторы, выполненные в виде кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, у которых обычно трубное пространство заполнено гранулированным катализатором и является, таким образом, реакционным объемом, а через межтрубное пространство пропускается агент, осуществляющий теплообмен через поверхность трубок. К реакторам политропического типа относятся также аппараты, конструктивно оформленные по аналогии с теплообменниками типа «труба в трубе»: во внутренней трубе размещается катализатор, а через кольцевое пространство пропускается теплоагент. 10)
4. По типу контакта сырья с частицами теплоносителя выделяют следующие типы реакционных устройств (см. рисунок ниже):
Примерами реакционных устройств со стационарным слоем твердого каталитически активного материала являются реакторы каталитического риформинга, изомеризации, гидроочистки и гидрокрекинга. Применения стационарного инертного материала в качестве теплоносителя весьма мало распространено. 11)
В таком реакторном блоке применяют движущийся сверху вниз под действием силы тяжести сплошной поток твердого теплоносителя. Неразрывность потока создается гидравлическим сопротивлением в нижней части аппарата, переходящей в стояк-трубопровод, который выводит теплоноситель в систему пневмотранспорта. Гранулы теплоносителя должны быть крупными и иметь округлую форму (это облегчает их перемещения и сокращает потери от истирания). Сырье подается прямотоком или противотоком к теплоносителю.
Принцип движущегося слоя крупногранулированного теплоносителя используют в процессах каталитического крекинга, пиролиза и некоторых других. 12)
В реакторных устройствах, работающих по принципу «кипящего», или псевдоожиженного, слоя, твердый теплоноситель находится в виде более или менее тонкого порошка. Под действием потока газа или паров, упорядоченного распределительным устройством (например, решеткой), мелкие частицы теплоносителя приходят в движение, образуя интенсивно перемешиваемый слой, в котором и протекает процесс. Псевдоожиженный слой твердых частиц напоминает жидкость не только по внешнему виду, но и по способности легко перемещаться из одного аппарата в другой по трубопроводам: вниз (под действием силы тяжести) и вверх (с потоком газа или паров).
Вследствие интенсивной массо- и теплопередачи в псевдоожиженном слое можно обеспечить в реакторе практически изотермический режим, что весьма существенно для большинства процессов и упрощает регулирование режима. 13)
В реакторе лифтного типа контакт сырья с теплоносителем осуществляется в вертикальной или наклонной трубе. Подобное устройство целесообразно для тех случаев, когда необходимо обеспечить короткое время контакта — до нескольких секунд. Размер частиц теплоносителя при этом обычно невелик. Пары сырья движутся прямотоком с частицами теплоносителя, однако вследствие «скольжения» твердых частиц происходит их некоторое отстаивание. Реакторы лифтного типа широко используются в системах каталитического крекинга с мелкодисперсным катализатором и в некоторых модификациях процесса пиролиза. 14)
5. По типу конструкции химические реакторы подразделяют на:
Емкостные реакторы − полые аппараты, часто снабженные перемешивающим устройством (рис. а).
Теплообмен осуществляется через поверхность химических реакторов или путем частичного испарения жидкого компонента реакционной смеси.
К реакторам этого типа относят также аппараты с неподвижным или псевдоожиженным слоем (одним или несколькими) катализатора (рис. б).
 | Основные типы емкостных реакторов: а − проточный емкостный реактор с мешалкой и теплообменной рубашкой, б − многослойный каталитический реактор с промежуточными и теплообменными элементами. И − исходные вещества, П − продукты реакции, Т − теплоноситель, К − катализатор, Н – насадка, ТЭ − теплообменные элементы. |
Реакторы колонного типа используют в основном для проведения непрерывных процессов в двух‐ или трехфазных системах.
Трубчатые химические реакторы применяют часто для каталитических реакций с теплообменом в реакционной зоне через стенки трубок и для осуществления высокотемпературных процессов газификации.
 | Колонный реактор с насадкой для двухфазного процесса (а) и трубчатый реактор (б). И − исходные вещества, П − продукты реакции, Т − теплоноситель, К − катализатор, Н – насадка, ТЭ − теплообменные элементы. |
Корпус реактора
Обечайка ‐ деталь цилиндрической формы, в сечении представляет собой кольцо, с торцов не заглушена.
Вывод
Выбор типа реактора для осуществления данного химического процесса зависит от многих факторов, из которых важнейшими являются: необходимость использования катализатора, его свойства и расход; термодинамические особенности процесса – адиабатические, изотермические или политропические условия проведения химической реакции; методы теплообмена, используемые для обеспечения заданного температурного режима в зоне реакции; свойства используемых теплоагентов; периодическое или непрерывное осуществление процесса. 15)