Аппараты и оборудование установок каталитического риформинга

Типы реакторов. Основой для классификации реакционных аппара­тов являются термодинамические и физико-химические характеристи­ки процессов, направление движения газосырьевых потоков и особенно­сти материального и конструктивного исполнения.

По термодинамическому признаку реакторы риформинга относятся к реакторам адиабатического типа, работающим без подвода или отвода тепла. В них катализатор загружают сплошным слоем. Для лучшего рас­пределения паров выше и ниже слоя насыпают фарфоровые шары.

По направлению потока газовой смеси реакторы риформинга быва­ют с аксиальным (осевым) вводом и движением по центральной трубе сверху вниз и с радиальным вводом от периферии к центру. По матери­альному оформлению реакторы бывают двух типов:

1. с наружной тепловой изоляцией, когда металл корпуса подверга­ется воздействию рабочих температур;

2. с внутренней защитной футеровкой торкрет-бетоном, предохра­няющий металл от непосредственного контакта с продуктами реакции.

Реакторы первого типа требуют применения высоколегированных сталей или двухслойного изготовления: наружный слой из углеродистой стали, внутренний (плакирующий) — из нержавеющей.

Реакторы второго типа выполняют однослойными из углеродистой стали, торкрет-бетон накладывается на стальную стенку реактора под давлением «торкрет-пушкой». Толщина защитного слоя обычно состав­ляет 150 мм.

На рис. 5.8а приведен разрез реактора такого типа.

Слои фарфоровых шаров 16, 17 и 18 под катализатором покоятся на сетке из нержавеющей стали, расположенной на загрузочном столе (решетке) 6. Поверх слоя катализатора укладываются слои шаров разного диаметра, удерживающие верхний слой катализатора от уноса при движении газо­сырьевой смеси, а также в целях более равномерного распределения ее по поверхности катализатора при движении ее сверху вниз. Вывод продук­тов реакции осуществляют через штуцер 8. Газосырьевая смесь поступает в реактор через штуцер 7, оканчивающийся распределителем потока 5. Для контроля температуры в слое катализатора по его высоте реактор оборудован тремя штуцерами 9 для ввода через них многозонных термо­пар. Для выгрузки катализатора предназначен люк 12. Штуцер 13 служит для эжекции газов при регенерации катализатора.

Внутри реактора стенки защищены слоем торкрет-бетона 4.

Рис. 5.8 а. Реактор установки каталитического риформинга. а — реактор без защитной облицовки (риформинг при 4,0 МПа), б — реактор с защитной облицовкой (ароматизация при 2,0 МПа; в скобках приведены размеры для реактора риформинга): 1 — корпус; 2 — днище; 3 — опорное кольцо; 4 — футеровка; 5 — распределитель; 6 — опорная решетка; 7 — вход парогазовой смеси D_v 300 мм; 8 — выход парогазовой смеси D_y 300 мм; 9 — штуцер D_v 50 мм для многозонной термо­пары (3 шт.);. 10 — наружные термопары; 11 — люк D_v 500 мм; 12 — люк для выгрузки катализатора D_v 175 мм (2 шт.); 13 — штуцер D 100 мм для эжекции газов; 14 — фарфоровые шарики Ж20 мм; 15 — катализатор; 16 — шарики Ж6 мм; 17 — шарики Ж13 мм; 18 — шарики Ж20 мм; 19 — легкий шамот; 20 — защитный стакан (сталь ЭИ496); 21 — отбойный зонт; 22 — лючок для очистки (4 шт.); 23 — вход охлаждающего газа D_v 50 мм

На рис. 5.8 б показано внутреннее устройство реактора с защитным кожухом 20, выполненным из стали ЭИ-496 и отбойным зонтом 21. Та­кая конструкция использовалась при переработке сернистых бензино­вых фракций с содержанием серы 0,04-0,06% мае., однако практика экс­плуатации показала ненадежность работы реактора с таким защитным стаканом в связи с нарушением его герметичности при повышенном пе­репаде давления, либо при резком изменении давления, например, при остановке или пуске компрессора. Торкретбетонная защита, если она вы­полнена квалифицированно, позволяет уберечь стенки реактора от пере­грева, но при длительной эксплуатации покрытия возможно образова­ние трещин в нем и перегрев стенок выше допустимых температур, с воз­никновением коррозии реактора. В связи с этим требуется остановка ре­актора на восстановление покрытия, что сопряжено с большими просто­ями установки.

Рис. 5.8 б. Реакторы установок каталитического риформинга. а — реактор без защитной облицовки (риформинг при 4,0 МПа), б — реактор с защитной облицовкой (ароматизация при 2,0 МПа; в скобках приведены размеры для реактора риформинга): 1 — корпус; 2 — днище; 3 — опорное кольцо; 4 — футеровка; 5 — распределитель; 6 — опорная решетка; 7 — вход парогазовой смеси D_v 300 мм; 8 — выход парогазовой смеси D_y 300 мм; 9 — штуцер D_v 50 мм для многозонной термо­пары (3 шт.);. 10 — наружные термопары; 11 — люк D_v 500 мм; 12 — люк для выгрузки катализатора D_v 175 мм (2 шт.); 13 — штуцер D 100 мм для эжекции газов; 14 — фарфоровые шарики Ж20 мм; 15 — катализатор; 16 — шарики Ж6 мм; 17 — шарики Ж13 мм; 18 — шарики Ж20 мм; 19 — легкий шамот; 20 — защитный стакан (сталь ЭИ496); 21 — отбойный зонт; 22 — лючок для очистки (4 шт.); 23 — вход охлаждающего газа D_v 50 мм

Другой разновидностью является реактор с радиальным вводом газо­сырьевой смеси, поперечный разрез которого приведен на рис. 5.9. Он имеет внутренний диаметр 3000 мм, рассчитан на пропускную способ­ность 600 тыс. т/год и вместе со штуцерами имеет высоту 9400 мм. Кор­пус изготовлен из углеродистой стали. Внутренняя футеровка корпуса толщиной 150 мм выполнена из жаропрочного торкрет-бетона. В реак­торе этой конструкции парогазовая смесь движется от стенок через слой катализатора к центру реактора.

Для этого внутри реактора монтируется перфорированный стакан 6, выполненный из легированной стали, в который загружается катализа­тор. Между защитной футеровкой и перфорированным стаканом имеет­ся зазор, сквозь который парогазовая смесь проходит через слой катали­затора, двигаясь коси реактора. По оси реактора расположена перфори­рованная труба, обтянутая двумя слоями мелкой сетки, выполненной из нержавеющей стали. Продукты реакции, пройдя слой катализатора, про­никают в перфорированную трубу 7 (D 400 мм) и удаляются из реактора через штуцер 9. Выгрузка катализатора осуществляется через люк 15. В более поздних проектах установок каталитического риформинга (J14-35- 11/1000 и ЛЧ-35-11/600) применяют реакторы без защитной футеровки, с радиальным вводом, выполненные из биметалла.

Основными факторами, определяющими число реакторов в блоках риформинга, является содержание нафтенов в сырье и требуемая глубина превращения, или ароматизации сырья. Информирование сырья, содер­жащего 30-35% мае. нафтенов, производят в 3-х реакторах, при содержа­нии нафтенов 40-50% и выше число реакторов должно быть увеличено до 4-х. В связи с высокой скоростью протекания реакции дегидрирования нафтенов тепловой и температурный эффекты особенно интенсивно про­являются в первом реакторе и уменьшаются в следующих. При рифор- минге этому способствует реакция гидрокрекинга, проходящая особен­но интенсивно в последнем реакторе. Для выравнивания тепловых нагрузок и температурных перепадов по реакторам объемы катализатора, загружаемые в них, увеличивают походу газосырьевой смеси. Это дости­гается либо изменением высоты загрузки катализатора при одинаковых размерах реакторов, либо увеличением размеров концевого реактора.

Теплообменники. Теплообменная аппаратура в реакторных блоках ус­тановок каталитического риформинга и гидроочистки служит для подо­грева газосырьевой смеси продуктами реакции перед входом ее в нагрева­тельную печь. Количество тепла, передаваемое газосырьевой смеси, за­висит отсхемы регенерации тепла, глубины охлаждения продуктов реак­ции и поверхности нагрева или охлаждения.

Тепло, уносимое парогазовой смесью из последнего реактора, ис­пользуют в теплообменных аппаратах кожухотрубчатоготипа. На прак­тике для теплообменников каталитического риформинга величина ко­эффициента теплопередачи составляет 500-630 кДж/(м- • ч • К), т.е. не ниже, чем для других установок, использующих светлые нефтепро­дукты. Для теплообменников установок риформинга характерно, что сырье проходит по межтрубному пространству, а горячая парогазовая смесь — по трубкам, которые легче предохранить от коррозии.

Теплообменники для установокриформинга и гидроочистки ставят­ся без резерва и без байпасов на трубопроводах. Это делается в целях сокращения затрат при строительстве установок.

Наустановках гидроочистки и каталитического риформинга нашли применение два типа теплообменников:

4. Унифицированные одноходовые противоточные теплообменники кожухотрубчатоготипа с плавающей головкой, поверхностью нагрева 350м'. Корпус теплообменника и меет диаметр 800 мм, длина трубного пучка 12 м. Наружный диаметр трубок 25 мм, толщина стенки трубок 3 мм. Количество трубок 376 штук с коридорным расположением по углам квадрата с шагом 32 мм. Эти теплообменники применяются для установок малой мощности.

5. Для установок большой мощности разработаны и применяются двухходовые по трубному пучку и одноходовые по межтрубному простран­ству теплообменники с поверхностью нагрева 900 м' с U-образными труб­ками в пучке. Они имеют диаметр 1200 мм и длину 10,8 м. В трубном пучке устанавливаются трубки наружным диаметром 20 мм и толщиной 2 мм, выполненные из стали Х8 или Х5М.

Рис. 5.9. Реактор с радиальным вводом:

I — корпус; 2 — днища; 3 — опорное кольцо; 4 — футеровка; 5 — распределитель; 6 — перфорированный сборный стакан с сеткой; 7 — перфорированная труба D_y 400 мм с сеткой; 8 — вход продукта D_v 400 мм; 9 — выход продукта D_v 400 мм; 10 — штуцер D_v 50 мм для термопары; 11 — наружные термопары; 12 — шарики фарфоровые Ж20 мм; 13 — катализатор; 14 — шарики фарфоровые Ж6, 13 и 20 мм; 15 — люк D 150 мм для выгрузки катализатора; 16 — штуцер D_v 100 мм для эжекции газов; 17 — заполнитель; 18 — легкий шамот

Укрупнение аппаратов и применение U-образного трубного пучка дает экономию 30-40%. Кроме того, это позволяет исключить приме­нение плавающей головки, что повышает герметичность оборудования.

Конструкции и габариты теплообменных аппаратов первого типа унифицированы и не требуют специального рассмотрения, а разрез теп­лообменника второго типа приведен на рис. 5.10.

Для охлаждения газопродуктовой смеси после теплообменников до температуры 45-50°С применяются аппараты воздушного охлаждения АВО, рассчитанные на работу с высокими давлениями для коррозион­ных сред и конденсаторы-холодильники водяного охлаждения.

Теплообменная аппаратура установок риформинга для удобства ее обслуживания устанавливается горизонтально на уровне земли.

В зарубежной практике нефтепереработки на установках каталити­ческого риформинга и гидроочистки в последнее время начинают широ­ко использоваться комбинированные сырьевые теплообменники типа «Пакинокс» фирмы «Фраматом» (рис. 5.11).

Расположение теплообменника вертикальное, что требует минималь­ных площадей для его расположения.

Конструкция теплообменника «Пакинокс» позволяет минимизиро­вать загрязнение и имеет очень высокий коэффициент теплоопередачи, что повышает эффективность по сравнению с кожухотрубчатыми тепло­обменниками на 30-35%, следовательно, их применение дает возмож­ность сократить расход топлива в печи либо увеличить производитель­ность установки при ее модернизации.

Рис. 5.10. Теплообменник F = 900 м² реакторного блока (укрупненная установка каталитического риформинга):

1 — корпус; 2 — фланцы; 3 — полушаровые днища; 4 — трубка Ж20х2 мм (758 шт.); 5 — трубная решетка; 6 — поперечные сегментные перегородки (срезаны по боковым хордам); 7 — вход газопродуктовой смеси D_v 300 мм; 8 — выход газопродуктовой смеси D_y 300 мм; 9 — вход газопродуктовой смеси D_y 300 мм; 10 — вход газопродуктовой смеси D_v 300 мм; 11 — воздушники; 12 — спускники; 13 — неподвижная опора; 14 — подвижная опора; 15 —катковая опора трубного пучка

Packinox – это пластинчатый вертикальный теплообменник, состоящий из сварного пластинчатого теплообменного элемента и сосуда под давлением. В рабочем режиме пластинчатая часть защищена от разрушения наружным давлением за счет большего потока водородсодержащего газа, подаваемого прямо в сосуд. Другими составными частями теплообменника являются: коллекторы для распределения потоков внутри сварного пластинчатого элемента, компенсаторы, предназначенные для предотвращения разгерметизации аппарата в результате теплового расширение его частей, инжекционные трубки для впрыска жидкого сырья. комбинированном сырьевом теплообменнике.

Теплообменник Packinox установлен в вертикально и горячий ГПС из последнего реактора входит в него через верхнюю часть и спускается вниз охлаждаясь (маршрут потока: вход ГПС, компенсаторы горячей стороны, коллектор ГПС, пластинчатый элемент, компенсатор холодной стороны, выход ГПС). Холодное комбинированное сырье входит в теплообменник через нижнюю часть и движется нагреваясь в верх (маршрут потока: вход водородсодержащего газа + трубка Вентури (пар), жидкое сырье + инжекционные трубки (жидкость), пластинчатый элемент, сырьевой коллектор, компенсаторы горячей стороны, выход сырья). Пластинчатый элемент изготовлен из штампованны гофрированных металлических листов, выполненных из нержавеющей стали, установленных в пакет друг на друга и разделенных по краям распорными втулками, приваренных к листам. Основными компонентами являются длинные тонкие гофрированные листы. Компенсаторы служат для предотвращения разгерметизации отдельных частей аппарата в результате температурного расширения пластинчатого элемента, выполненного из нержавеющей стали, и низколегированным сосудом под давлением. Компенсаторы находятся внутри сосуда под давлением. Комбинированное сырье состоит из двух потоков, холодный водородсодержащий газ и жидкое сырье. Водородсодержащий газ подается прямо в нижнюю часть сосуда, где он проходит в нижнюю часть пластинчатого элемента через вход трубку Вентури. Жидкое сырье вводится прямо в пучок через инжекционные трубки обеспечивая равномерное смешивание с водородсодержащим газом и ровное распределение внутри пучка. Инжекционные трубки особенно рекомендуется использовать, когда требуется низкий перепад давления в

Абсорберы. Абсорберы служат для удаления из циркулирующего во­дородсодержащего газа сероводорода и водяных паров абсорбцией 15%- ным раствором моноэтаноламина (МЭА). Абсорбция проходит при по­ниженных температурах, десорбция при температуре несколько выше 100°С. Абсорберы для очистки от сероводорода оборудованы тарелками с желобчатыми или S-образными элементами. На рис. 5.12 приводится конструктивное оформление абсорбера, обо­рудованного S-образными тарелками.

Рис. 5.12. Абсорбер очистки циркуляционного ВСГ секции гидроочистки комбинированной, установки риформинга:

1 — корпус; 2 — дниша; 3 — тарелка с S-образными элементами; 4 — каплеотбойник; 5 — отбойник; 6 - сепарирую­щее устройство; 7 — гидрозатвор; 8 — люк; 9 — лаз; 10 — вход газа; 11 — выход газа; 12 — вход раствора МЭА; 13 — выход раствора МЭА; 14 — вывод конденсата; 15 — выход инертного газа для продувки; 16 — штуцер для регулятора уровня; 17 — воздушник; 18 — муфта для манометра

Газосепараторы. Основное назначение газосепараторов — разделе­ние газопродуктовых потоков на газовую и жидкую фазы. Например, в блоке риформинга в газосепараторе высокого давления водородсодержа- ший газ отделяется от нестабильного катализата. На рис. 5.13 приведено принципиальное устройство газосепаратора высокого давления.

Рис. 5.13. Продуктовый сепаратор высокого давления блока риформинга комбинированной установ­ки каталитического риформинга:

1 — корпус; 2 — днища; 3 — люк; 4 — вход продукта; 5 — выход циркуляционного газа; 6 — выход катализата; 7 — штуцер для предохранительного клапана; 8 — штуцеры для регулятора уровня; 9 — муфта для манометра; 10 — лестница; 11 — оси опор сепаратора

Трубчатые печи установок каталитического риформинга. Особенностью теплового режима работы трубчатых печей установок каталитического рифор­минга являются высокие начальные температуры потоков, поступающих в печь, в связи с тем, что от 60 до 80% тепла для нагрева сырья или продуктов реакции используется за счет утилизации тепла в теплообменниках. Вторая характерная особенность — высокая температура дымовых газов, покидаю­щих камеру радиации. В этой связи для печей установок риформинга и гидро­очистки используют различные методы утилизации тепла (воздухонагревате­ли, котлы-утилизаторы для выработки пара и др.). Еще одной особенностью трубчатых печей установок риформинга и гидроочистки является низкая теп- лонапряженность радиантных труб: 105-125 кДж/м' • ч.

Жесткие условия эксплуатации трубчатых печей вынуждают к при­менению дорогих легированных сталей для изготовления змеевиков, в связи с чем стоимость изготовления составляет значительную долю от стоимости всей установки.

На отечественных установках риформинга применяются типовые многокамерные печи с вертикальными трубами, разработанные инсти­тутом «Ленгипрогаз».

Конструкция печей позволяет размещать их в непосредственной бли­зости от реакторов, что дает возможность сократить расход высоколеги­рованных труб для связей реакторов с печью и снизить теплопотери.