Расчет лифт-реактора установки каталитического крекинга

Внедрение в 1960-х годах в промышленность каталитического крекинга высокоактивных цеолитсодержащих катализаторов зна­чительно улучшило избирательность и экономические показатели процесса. Использование цеолитсодержащих катализаторов позво­лило повысить мощность установок каталитического крекинга, вов­лечь в переработку трудно крекируемое сырье, повысить выход вы­сокооктанового компонента бензина при одновременном снижении новообразования и выхода легких газов. Цеолитсодержащие ка­тализаторы обладают значительно большей активностью и селек­тивностью, чем аморфные алюмосиликаты, они меньше подверже­ны отрицательному воздействию тяжелых металлов (никеля, ва­надия). Высокая активность катализатора сокращает время реаги­рования до 1-8 с.

Анализ работы установок с цеолитсодержащим катализатором показал, что процесс каталитического крекинга в значительной степени происходит уже в транспортной линии - от начала кон­такта сырья с катализатором до выхода смеси в кипящий его слой в реакторе. В связи с этим в промышленную практику все шире внедряется каталитический крекинг в транспортной трубе - в лифт-реакторе. Аппаратурное оформление реакторного блока с лифт-реактором может быть различно. Лифт-реактор располага­ют внутри или вне реакторного блока. В большинстве случаев за­данная глубина превращения сырья достигается уже в лифт-ре­акторе, а реактор выполняет только роль сепаратора, где продук­ты реакции отделяются от катализатора. В ряде случаев при крекировании сырья (свежего и рециркулята) применяют установки с двумя лифт-реакторами. Это позволяет вести крекинг свежего сырья и рециркулята раздельно, создавая для каждого продукта оптимальные условия крекинга. При необходимости для трудно­крекируемого сырья в нижней зоне реактора создают кипящий слой катализатора небольшой высоты. На цеолитсодержащих ка­тализаторах крекинг можно проводить и без рециркуляции, поскольку за однократный пропуск достигают большой глубины пре­вращения сырья.

Каталитический крекинг с лифт-реактором осуществляется в следующих условиях:

Температура сырья, °С................................................................360-380

Температура суспензии на выходе из лифт-реактора, °С ……..480-495

Давление, МПа...........................................................................0,15-0,2.

Кратность циркуляции катализатора...........................................2-6

Среднее реакционное время, с........................................................3-8

Линейная скорость движения паров

на выходе из лифт-реактора......................................................15-25

на входе в лифт-реактор.............................................................6-10

Плотность суспензии, кг/м³

на входе в реактор.........................................................................40-50

на выходе - из реактора................................................................70-80

Массовая скорость подачи сырья, ч^-1..........................................55-70

Температура регенерированного катализатора, °С..................600-620

Содержание кокса на регенерированном катализаторе, % масс…0,01-0,05

Содержание кокса на катализаторе, выходящем из лифт-реактора,

% масс............................................................................................0,75-0,8

Теплоемкость, кДж/(кг∙К)

катализатора..............................................................................1,05-1,13

кокса.................................................................................................1,65-2,51

При расчете лифт-реактора определяют температуру входа сырья, выхода суспензии из лифт-реактора, диаметр и высоту лифт-реактора.

Диаметр лифт-реактора рассчитывают по следующей схеме.

1. Составляют тепловой баланс реактора лифтного типа, из которого определяют температуру поступления сырья в лифт-реак­тор, задаваясь кратностью циркуляции сырья, либо определяют кратность циркуляции катализатора, задаваясь температурой по­ступающего сырья.

2. Определяют объем паров в лифт-реакторе по формуле (60 )

где Т - температура системы, К; Р - давление в системе, МПа;G_i - расход компонента, кг/ч; М - молекулярная масса компоне нта.

3.Находят объем катализатора (V_к.р, м³/ч) в лифт-реакторе, зная массу катализатора (G_к.р) и его насыпную плотность ρ

4. Подсчитывают общий объем потока в лифт-реакторе (V_об, м³/с)

5. Подсчитывают площадь поперечного сечения (F, м²) реак­тора

где υ - линейная скорость движения на выходе из лифт-реактора (м/с).

Диаметр лифт-реактора (м)

Иногда лифт-реактор делают переменного сечения. В этом слу­чае надо определить объем паров при температуре на входе в лифт-реактор и аналогично, как указано выше, подсчитать диа­метр. Следует учесть, что линейная скорость на входе в лифт-реактор ниже и равна u =6-10 м/с.

Высоту лифт-реактора подсчитывают следующим путем.

1. Определяют массу катализатора в лифт-реакторе (т)

где G_c – загрузка лифт-реактора, т/ч; ω - массовая подачи сырья, ч^-1

2.Вычисляют объем реакционного пространства ( м³)

где γ_к.с - плотность суспензии в лифт-реакторе (кг/м³).

3. Определяют высоту h лифт-реактора (м)

Пример 1. При крекинге в лифт-реакторе образуется (в кг/ч): газа 10935,3 (М =29,4), бензина 28249,55 (М=113), легкого га­зойля 13604 (М=398), тяжелого газойля 7941 (М=466). Рабо­чие условия: температура 538 °С, давление 0,2 МПа, линейная ско­рость 20 м/с. Масса циркулирующего катализатора 387564 кг/ч.

Определить диаметр лифт-реактора.

Решение. Определяют объем продуктов реакции в лифт-реак­торе по формуле (113)

Количество продуктов (кмоль/ч), проходящих через сечение аппарата, равно

Определяют объем катализатора по формуле (114)

G_к/ρ_к=387564/2700 = 144 м³/ч

Принять истинную плотность катализатора 2700 кг/м³.

Находят общий объем потока в лифт-реакторе по формуле (115)

V_об=V_с+V_к.р.=21989+144=22033 м³/ч=6,1 м³/с

Определяют сечение реактора по формуле (116)

Определяют диаметр лифт-реактора

Пример 2. Определить высоту лифт-реактора, если известна: масса катализатора в лифт-реакторе 2209,8 кг, диаметр лифт-реак­тора 1,162 м, средняя плотность суспензии на входе в лифт-реак­тор 63,5 кг/м³.

Решение. Объем реакционного пространства

Высота лифт-реактора

Задачи

№1. Определить выход бензина при каталитическом крекинге в кипящем слое алюмосиликатного катализатора, если известно: температура в реакторе 456 °С; сырьем служит керосино-газойлевая фракция плотностью d²⁰₄=0,88глубина превращения X=0,54.

№2. Определить глубину превращения сырья X, при которой выход бен­зина будет максимальным, если константа скорости реакции: 1) k= 0,29; 2) k=0,31.

№3. Определить содержание кокса на отработанном катализаторе уста­новки каталитического крекинга керосино-газойлевой фракции при 450°С и продолжительности пребывания катализатора в зоне реакции τ=18 мин.

№4. На установке каталитического крекинга с четырехсекционным реактором ступенчато-противоточного типа перерабатывается вакуумный газойль при 500 °С. Определить выходы продуктов, если глубина превращения Х=72% масс.

№5. Составить материальный баланс установки каталитического крекинга с кипящим слоем катализатора, если известно: фактор жесткости (μ=2,67; сырье установки - смесь газойлей прямой перегонки и легкого термического крекинга плотностью d²⁰₄=0,8762 с характеризующим фактором K=11,7; тем­пература процесса 496 °С; активность катализатора 25; остаточное содержа­ние кокса на регенерированном катализаторе 0,7 %.

№6. Определить выходы продуктов каталитического крекинга в кипящем слое катализатора, если известно: сырье - смесь прямогонного газойля и ди­стиллята коксования (343-510°С) плотностью d²⁰₄=0,928; объемная скорость подачи сырья ω=1,5 ч^-1, массовая кратность циркуляции катализатора 10,0; остаточное содержание кокса на регенерированном катализаторе 0,6%; актив­ность катализатора 28; температура в реакторе 495 °С; коэффициент рецирку­ляции 0,5.

№7. На установке каталитического крекинга с подвижным слоем катали­затора перерабатывают тяжелый газойль - 50000 кг/ч. Определить диаметр реактора и высоту слоя катализатора в нем, если известно: плотность сырья d²⁰₄=0,918; объемная скорость подачи сырья в реакторе ω=2,5 ч^-1; насыпная плотность катализатора ρ_нас=0,7 т/м³; линейная скорость движения частиц катализатора в реакторе u =0,003 м/с; выход кокса на сырье X_к=3,4% масс.; допустимое отложение кокса на отработанном катализаторе X^/_k=1,6%; оста­точное содержание кокса на регенерированном катализаторе 0,3%.

№8. На установке каталитического крекинга с подвижным слоем катали­затора перерабатывают 60000 кг/ч нефтяной фракции 249-489 °С плотностью d²⁰₄ =0,873. Определить температуру выхода продуктов крекинга из реактора, если известно: катализатор входит в реактор с температурой 550 °С; допусти­мое отложение кокса на отработанном катализаторе X^/_k=1,8%; сырье посту­пает в реактор в паровой фазе с температурой 480 °С; удельные теплоемко­сти катализатора и паров продуктов крекинга соответственно С_кат-1,04 и С_пр=3,05 кДж/(кг∙К); в процессе крекинга образуется (в % масс.) 4,4 сухого газа, 7,2 бутан-бутиленовой фракции, 34,6 дебутанизированного бензина, 48,6 каталитического газойля, 5,2 кокса; удельная теплоемкость кокса С_к=0,25 кДж/(кг∙К); теплота реакции крекинга q_р=209 кДж/кг сырья.

№9.. На установке каталитического крекинга с подвижным слоем ката­лизатора перерабатывают 33400 кг/ч солярового дистиллята. Определить раз­меры регенератора и продолжительность пребывания в нем частиц катали­затора, если известно: выход кокса на сырье Х_к=4,7% масс; насыпная плот­ность катализатора ρ_нас -0,7 т/м^а; линейная скорость движения частиц ката­лизатора в регенераторе u =0,0035 м/с; допустимое отложение кокса на отра­ботанном катализаторе X^/_k=2,0% масс., интенсивность выжигания кокса 15 кг/м³ слоя в 1 ч; сечение регенератора круглое.

№10. На установке каталитического крекинга с подвижным слоем ката­лизатора перерабатывается 1200 т/сут газойлевой фракции с выходом кокса Х_к=5,9% масс, на сырье. Определить размеры регенератора квадратного се­чения, если известно: продолжительность пребывания частиц катализатора в регенераторе τ =80 мин; линейная скорость движения частиц катализатора и= 0,003 м/с; допустимое отложение кокса на отработанном катализаторе X^/_k=1,8% масс.; насыпная плотность катализатора ρ_нас -0,7 т/м⁵.