Тема 8 Каталитический крекинг нефтяного сырья

Модуль 4 Расчет реакционных устройств каталитических процессов

Технологический расчет окислительной колонны непрерывного действия

Цель технологического расчета окислительной колонны - определение ее размеров и материальных и тепловых потоков. Рекомендуется соблюдать изложенную ниже последовательность в расчетах.

Подбирают исходные данные, необходимые для расчета: производительность по сырью, качество сырья и получаемого битума, условия процесса. Для получения некоторых марок окисленных битумов из гудрона (с температурой размягчения 36-42°С) при температуре 250°С и давлении, близком к атмосферному, экспериментально подбирают условия, указанные в табл. 3.26.

Таблица 3.26 Условия для получения битумов в окислительной колонне

Марка битума	w, ч-1	gвозд, нм3/т	uвозд, м3/с	tразм, оС
БНД-40/60 БНД-60/90 БНД-90/130	0,25 0,30 0,35		0,080 0,065 0,051

Выход готового продукта B_б зависит от степени окисления (табл. 3.27). По данным Черножукова, расход воздуха на окисление составляет 50-400 м/т.

Если окислению подвергаются тяжелые гудроны с добавками асфальта и экстрактов селективной очистки масел, то выход битума будет на 1-2% выше, чем указано в табл. 3.27.

Таблица 3.27 Выход битума из гудрона плотностью 985 кг/м³

Bб, % (масс)
tразм, оС

Содержание несвязанного кислорода в газах окисления зависит от высоты слоя гудрона в колонне, расхода воздуха, температуры и этот показатель желательно принимать по практическим данным.

При окислении гудрона западно-сибирских нефтей с целью получения дорожного битума БНД-60/90 количество выделяющегося тепла составляет 628 кДж на 1 кг, строительных битумов около 879 кДж/кг.

Влияние температуры окисления гудрона на тепловой эффект процесса показано на рис. 3.12. Снижение теплового эффекта в интервале температур 200-300^оС сопровождается повышением содержания масел и понижением содержания смол и асфальтенов в битуме.

Рисунок 3.12 Зависимость теплоаого эффекта окисления гудрона от достигаемой температуры размягчения t при различной температуре окисления гудрона (цифры у кривых)

Характеристика процесса. Основным назначением каталитического крекинга, протекающего при температурах 470-530°С и небольшом избыточном давлении 0,05-0,1 МПа, является получение высокооктанового компонента товарного бензина. Кроме того, каталитический крекинг дает газ, богатый бутан-бутиленовой фракцией, а также легкий и тяжелый газойли. Образующийся во время реакции кокс выжигается с поверхности катализатора в процессе регенерации. В качестве сырья каталитического крекинга чаще всего используют прямогонную широкую масляную фракцию, выкипающую в пределах 350-500°С. Наличие катализатора ускоряет процесс крекинга и улучшает его селективность по сравнению с воздействием на сырье только высокой температуры (термический крекинг). В промышленности применяют алюмосиликатные и цеолитсодержащие катализаторы, преимущественно микросферические. Каталитический крекинг проводят в реакторах, главным образом с псевдоожиженным слоем катализатора, и так называемых лифт-реакторах. Реакторный блок включает также регенератор, в котором осуществляется удаление кокса с поверхности катализатора. Таким образом, катализатор постоянно циркулирует между реактором и регенератором.

Материальный баланс процесса. Выход продуктов каталитического крекинга в значительной степени зависит от качества и состава сырья, активности катализатора и т.п. Ниже приведены средние данные, характеризующие выход получаемых продуктов:

Массовый выход, %

Газ 10-20

Бензиновая фракция (до 200°С) 30-50

Легкий газойль (200-350°С) 24-36

Тяжелый газойль (>350°С) 12-33

Кокс 2-7

При составлении материального баланса желательно использовать экспериментальные данные для конкретного вида сырья. Если они отсутствуют, можно приближенно подсчитать массовые доли продуктов каталитического крекинга по следующим формулам [2]:

бензина

(5.1)

легкого газойля

(5.2)

кокса

x_к= 0,115γ ³; (5.3)

где γ - глубина превращения сырья, массовые доли; х_б, х_л.г., х_к – массовые доли продуктов реакции: бензина, легкого газойля, кокса; k^/, k^// - макрокинетические коэффициенты, зависящие от температуры.

Значения макрокинетических коэффициентов следующие:

Температура, °С k^/ k^//

450 0,95 0,55

475 1,25 0,60

500 1,45 0,65

520 1,45 0,80

Разность между глубиной превращения и суммой выходов бензина, легкого газойля и кокса дает выход газа.

Тепловой баланс реактора. Составляется с целью определения температур поступающего сырья или уходящих продуктов крекинга. Тепловой баланс выражается уравнением

Q_с + Q_к.р + Q_ц + Q_в.п = Q_пр + Q_к.о + Q_p^/ + Q_пот. (5.4)

Левая часть уравнения (5.4) представляет собой количество теплоты (в килоджоулях), поступающей в реактор с сырьем – Qc, регенерированным катализатором – Qк.р, рециркулирующей фракцией – Qц, водяным паром – Qв.п. Правая часть уравнения отвечает количеству теплоты (в килоджоулях) с уходящими парами продуктов реакции и водяным паром – Qпр, отработанным катализатором – Qк.о, тепловыми потерями – Qпот, суммированной с тепловым эффектом процесса – Q_р^/.

Для расчета энтальпии катализатора и кокса, отложенного на катализаторе, их теплоемкости принимают равными соответственно 1,13 кДж/(кг·К) и 2,09 кДж/(кг·К). Умножая теплоемкость на температуру, получают их энтальпию. Энтальпию продуктов реакции определяют по правилу аддитивности. Теплоемкости газообразных продуктов можно взять из прил.15.

Удельный тепловой эффект процесса (q_p^/, кДж/кг) зависит от глубины превращения сырья и для циолитсодержащего катализатора может быть определен по формуле

q_p^/ = 229,56γ² +106,39γ. (5.5)

Для алюмосиликатного катализатора удельный тепловой эффект выше на 85-105 кДж/кг. Если крекингу подвергается малосернистое или гидроочищенное сырье, тепловой эффект, полученный по формуле (5.5), рекомендуется уменьшить на 65-75 кДж/кг.

Водяной пар подается в реактор для отпарки адсорбированных на катализаторе углеводородов (3-8 кг на 1000 кг циркулирующего катализатора), а также в случае необходимости для распыливания сырья (1 кг на 100 кг сырья). Температура подаваемого водяного пара находится в пределах от 300 до 520°С, давление от 0,4 до 1,0 МПа.

Тепловой баланс регенератора. В регенераторе происходит выжигание кокса с поверхности катализатора в потоке подаваемого в аппарат воздуха. Тепловой баланс регенератора может быть записан в виде

Qк.о+Qв+Qс.г=Qк.р+Qп.с+Qпот.

Здесь левая часть уравнения представляет собой количество теплоты (в килоджоулях), поступающей в регенератор с отработанным катализатором – Qк.о, воздухом – Qв, а также выделившейся в результате горения кокса – Qс.г. Правая часть уравнения отвечает количеству теплоты (в килоджоулях) с уходящими продуктами сгорания (дымовыми газами) – Qп.с, регенерированным катализатором – Qк.р и тепловыми потерями – Qпот.

Для составления теплового баланса регенератора необходимо знать энтальпию каждого технологического потока при соответствующей температуре. Температура отработанного катализатора определяется из теплового баланса реактора или принимается в пределах 480-520°С. Температура регенерированного катализатора равна температуре в зоне кипящего регенератора (600-750°С). Температура уходящих дымовых газов на 15-20°С выше температуры кипящего слоя.

Количество теплоты (Qс.г, кДж), выделяющейся при сгорании 1 кг кокса, определяют по формуле

где, - массовая доля углерода в коксе, сгорающего до СО₂ и СО соответственно; х_Н, х_S, - массовая доля водорода и серы в коксе;, - удельные тепловые эффекты реакций окисления соответственно до СО₂, СО, Н₂О (пар), SO₂, Дж/кг.

Тепловые эффекты можно принять равными:

кДж/кг;

кДж/кг; кДж/кг

Расход воздуха для сгорания кокса, масса образующихся дымовых газов, их энтальпия рассчитываются как для обычного процесса горения

исходя из элементарного состава кокса.

Тепловые потери (Q_пот, кДж) в окружающую среду можно определить по основному уравнению теплопередачи

Q_пот=3,6kS Δ t,

где k – коэффициент теплопередачи, равный 2,3-4,6 Вт/(м2·К); S – площадь внешней поверхности аппарата, м²; Δ t – разность между температурами внутри аппарата и окружающей среды.

Из теплового баланса регенератора можно определить массовый

расход циркулирующего катализатора, зная кратность его циркуляции Кц,

и наоборот:

Кц=Gк/Gс,

где Gк – расход циркулирующего катализатора, кг/с; Gс – расход свежего

сырья, кг/с.

Расчет реактора и генератора. Геометрические размеры реактора

определяют следующим образом.

1. Находят объем катализатора (V_к.р, м³) в реакторе в насыпном виде:

V_к.р= G_c/ ρ_сw

где G_c – расход сырья, кг/ч; ρ _с – плотность сырья в жидком состоянии, кг/м³; w – объемная скорость подачи сырья, измеряется в пределах 0,8-3,0 ч^-1.

2. Определяют объем кипящего слоя (V_к.с, м³) по формуле

где ρ _нас – насыпная плотность катализатора, обычно 610-690 кг/м³; ρ _к.с –плотность кипящего слоя, 400-500 кг/м³.

3. Рассчитывают площадь поперечного сечения реактора (S, м²) по формуле (5.7)

где - объемный расход паров продуктов крекинга и водяных паров, м³/с;

v – линейная скорость движения паров над кипящим слоем катализатора, м/с.

Объемный расход паров определяется по формуле (3.11), линейная скорость движения паров обычно равна 0,4-0,7 м/с. Зная площадь поперечного сечения, легко найти его диаметр.

4. Находят высоту кипящего слоя катализатора (hк.с, м) по формуле

(5.8)

и общую высоту реактора

H=h_к.с.+h_о.з.,

где h_о.з – высота отстойной зоны, h_о.з =4,5-5 м.

5. Определяют продолжительность пребывания частиц катализатора

в реакторе (τ _к, с) по формуле τ _к =3600/ К_цw.

Площадь поперечного сечения отпарной секции реактора и ее высоту рассчитывают исходя из объема водяного пара, скорости его движения, а также объема катализатора, находящегося в отпарной секции.

Геометрические размеры регенератора определяются таким же образом как и реактора.