Аппараты установок с циркулирующим шариковым катализатором
Реакторы. Прямоточные реакторы установок крекинга с шариковым катализатором имеют шесть характерных зон, каждая из которых выполняет определенную функцию (рис. 6.14).
Из верхнего бункера через стояк катализатор самотеком поступает в верхнее распределительное устройство, представляющее собой цилиндрическую обечайку. Оно предназначено для равномерного распределения потока катализатора в зоне реакции аппарата и с этой целью снабжено распределительными трубами, изогнутыми таким образом, чтобы нижние концы их были расположены по трем или четырем концентрическим окружностям, равномерно по сечению реакционной зоны. Такая конструкция позволяет изменять объем указанной зоны путем наращивания длины труб установкой специальных труб-удлинителей. В сборник катализатора подают инертный газ, создающий затвор и предотвращающий унос продуктов реакции.
В зоне ввода сырья обеспечивается равномерное распределение его по сечению реакционной зоны. Конструкция этой зоны зависит от качества и состояния сырья, поступающего в аппарат. Необходимо, чтобы шарики катализатора равномерно опыливались жидкой фазой сырья.
При работе на облегченном сырье подача его в пространство над устройством для распределения катализатора осуществляется через два штуцера в верхнем сферическом днище корпуса реактора.
В случае тяжелого сырья такая конструкция ввода может привести к закоксовыванию верхней части аппарата, поэтому трубы распределительного устройства защищают от контакта с сырьем завесой из катализатора. Для этого распределитель сырья помещают посредине, под средним конусным распределителем катализатора (рис. 6.15).
Реакции каталитического крекинга происходят в пустотелой части аппарата, называемой реакционной зоной, и сопровождаются поглощением тепла. Поэтому температура катализатора и реакционной смеси при их прямоточном движении снижается. Прямоток позволяет использовать избыточное тепло регенерированного катализатора для нагрева и испарения сырья, предотвращая в то же время перегрев паров продуктов реакции. Объем реакционной зоны должен быть таким, чтобы время контакта
паров сырья с катализатором было достаточным для достижения заданной глубины крекинга. Ниже реакционной зоны расположена зона отделения продуктов реакции и паров неразложившегося сырья от катализатора. Сепарационное устройство (рис. 6.16) состоит из тарелки (трубной решетки), в которую вмонтированы трубы для вывода паров продуктов реакции (газосборные трубы) и для ввода катализатора (переточные трубы).
Жесткость тарелки обеспечивается ребрами, выполненными из листовой стали. Чтобы избежать спуска катализатора через щели, тарелку по периферии снабжают уплотнением из асбестового шнура.
По переточным трубам, приваренным заподлицо с тарелкой, закоксованный катализатор поступает вниз в зону отпарки. Газосборные трубы выступают по обе стороны тарелки и подвешиваются вверху за поперечные балки. На всем участке над тарелкой эти трубы снабжены отверстиями для выхода паров продуктов реакции из слоя катализатора. Над отверстиями на трубах установлены так называемые колокольчики — конические колпачки. Пары сначала поступают под «колокольчик», затем через отверстия проваливаются в трубы и из них отводятся в пространство под решеткой. Число «колокольчиков» должно быть таким, чтобы не происходил унос катализатора.
Газосборные трубы будут работать равномерно по всей высоте при одинаковых гидравлических сопротивлениях паров, проходящих через отверстия, поэтому под нижними колпачками число отверстий больше, чем под верхними. К открытым концам газосборных труб под тарелкой приваривают отбойники, изменяющие направление паров.
Пары продуктов реакции выводят из аппарата по двум штуцерам, приваренным к его корпусу. Внутри реактора перед этими штуцерами монтируют отбойные листы, погруженные в слой катализатора и предотвращающие его унос с парами.
Зона отпарки представляет собой полую часть аппарата, где осуществляется отпарка углеводородов с поверхности катализатора. Для этого слой катализатора продувают водяным паром, движущимся противотоком. Часть его вместе с катализатором отводится вниз, попадает в выводной стояк и создает гидравлический затвор.
Катализатор необходимо удалять из реактора равномерно по всему поперечному сечению. Для этого аппарат снабжают нижним распределительным устройством, собирающим катализатор в один узкий поток для транспортировки в регенератор.
Сборное выравнивающее устройство, показанное на рис. 6.14, состоит из трех ярусов. Из 60 воронок верхнего яруса катализатор собирается сначала в 16 воронок второго яруса, откуда попадает в четыре воронки третьего яруса и далее по штуцерам на нижнем днище реактора выводится к сборнику стояка. Воронки верхнего яруса сверху закрыты перфорированной крышкой, что еще больше увеличивает равномерность поступления катализатора в каждую воронку. Все воронки опираются на балки и крепятся болтами. Между ярусами воронки соединяются прямыми и гнутыми трубами. Прямые трубы подвергаются меньшему износу, а гнутые обеспечивают более равномерный вывод катализатора и его лучшую сохранность. Обязательным условием движения катализатора является наклон труб под некоторым углом, который для шарикового алюмосиликатного катализатора должен быть не менее 45°.
Реакторы работают при высоких температурах, определяемых температурой катализатора, вводимого через верхний стояк (600…660 °С). Поэтому корпуса реакторов изготовляют из легированной стали марки 1Х18Н9Т или биметалла 12МХ+08Х13, а все внутренние устройства — из сталей марок 1Х18Н9Т или 08X13. Корпус реактора должен быть рассчитан на прочность с учетом рабочего давления и горизонтальной составляющей давления слоя катализатора на стенки аппарата.
После определения толщины стенки аппарата по расчетному давлению обязательна проверка на ветровую и сейсмическую нагрузки.
Регенераторы. Регенераторы служат для восстановления (регенерации) отработанного катализатора. Для этого необходимо выжечь кокс, покрывший поверхность катализатора. Температура катализатора после выжигания кокса очень высока, поэтому до подачи в реактор его охлаждают до 500…560 °С.
Кокс выжигают подачей в слой закоксованного катализатора горячего воздуха, нагреваемого в специальных топках под давлением до температуры 500 °С. Чем больше количество и выше температура воздуха, тем интенсивнее выжигание. Процесс сопровождается выделением большого количества тепла и, следовательно, повышением температуры среды. Для регулирования параметров процесса избыточное тепло отнимают пароводяной смесью (соотношение пара и воды 1:5), циркулирующей в змеевике, который помещают в слое регенерируемого катализатора.
Регенерация катализатора происходит при движении его в аппарате сверху вниз поочередно в нескольких зонах, одинаковых по конструкции и назначению. В каждой зоне имеются устройства для ввода воздуха и вывода дымовых газов, а также змеевик, по которому движется охлаждающая смесь. Число зон зависит от кратности циркуляции катализатора. В каждой зоне выжигают часть кокса и перед поступлением в следующую зону катализатор охлаждают. Скорость слоя катализатора в регенераторе не должна превышать 0,25 м/с, чтобы предотвратить значительный механический износ футеровки и внутренних устройств.
Регенератор представляет собой цилиндрический или прямоугольного сечения аппарат. Вследствие высокой температуры среды (до 700 °С) корпус регенератора, изготовляемый из стали марки Ст3, изнутри футеруют огнеупорной кладкой в один кирпич (толщиной 250 мм). Между футеровкой и стенкой корпуса прокладывают тепловую изоляцию (листовой асбест). К стенкам корпуса приваривают полки, поддерживающие кладку (рис. 6.17), которые снабжены вырезами для восприятия температурных деформаций. С той же целью зазоры между полками и нижним слоем футеровки заполняют асбестовым шнуром. Внутренние устройства регенератора выполняют из стали марки 1Х18Н9Т.
На рис. 6.18 представлена конструкция сварного вертикального регенератора квадратного сечения с пятью зонами выжигания. Верхнее распределительное устройство, выполненное из труб, вынесено за аппарат и установлено над ним. Нижнее распределительное устройство, как и в реакторе, состоит из нескольких ярусов сборных воронок. Над первым рядом воронок расположена колосниковая решетка, которая способствует измельчению комков спекшегося катализатора. Скорость движения катализатора регулируют шибером, установленным на общем выводе катализатора из регенератора.
В некоторых конструкциях регенераторов выравнивающие устройства потока катализатора делают выносными, т. е. устанавливают под корпусом аппарата.
Корпус регенератора рассчитывают на избыточное рабочее давление (0,01 МПа) и на давление от катализатора. Для большей прочности корпус регенератора опоясывают горизонтальными и вертикальными ребрами из двутавровых балок или швеллеров.
Все зоны выжигания (или регенерации) снабжены системами для равномерного распределения воздуха по сечению аппарата, а также сбора и вывода дымовых газов. Кроме того, они оборудованы охлаждающим змеевиком. Поверхность охлаждающих змеевиков зависит от расположения зоны выжигания. Например, в верхней части регенератора, где температура катализатора в начальной стадии процесса низкая, змеевик отсутствует; внизу же, где регулируется температура выводимого из аппарата сильно нагретого катализатора, поверхность змеевика наибольшая.
Конструкция системы распределения воздуха и сбора газов должна быть разборной и легко воспринимать температурные деформации. Воздух подается в регенератор и газы отводятся из него через центрально расположенные коробчатые коллекторы. В обе стороны от аппарата отходят подвижно соединенные с ним открытые снизу короба, которые по периферии опираются на корпус. Короба газосборного устройства должны быть такими, чтобы вместе с газом через них не уносился катализатор.
Подаваемый в аппарат воздух движется прямотоком или противотоком с катализатором, в зависимости от расположения коллектора по отношению к газосборному устройству. Весьма ответственным узлом является соединение воздушного или газосборного коллектора со штуцерами корпуса регенератора, осуществляемое свободным ниппелем, введенным внутрь центрального коллектора.
Воздухораспределительные и газосборные устройства, состоящие из коробов с открытым дном и центрального коробчатого коллектора, имеют следующие недостатки:
- только 40 % площади сечения аппарата используется для сепарации газа, поэтому скорость его искусственно снижают, чтобы предотвратить унос катализатора;
- не обеспечивается достаточно равномерное распределение воздуха по сечению регенератора;
- трудно достигается необходимая герметичность крепления элементов.
На рис. 6.19 приведены более совершенные конструкции газосборных устройств. Так, на рис. 6.19а газосборные короба пронизывают все сечение аппарата и своими открытыми концами собирают газ в кольцевой камере, откуда он отводится через штуцера. Конструкция, показанная на рис. 6.19б, отличается ложным днищем с переточными трубами.
Для распределения воздуха применяют также трубный коллектор с перфорированными лучами, равномерно распределенными по сечению регенератора.
Змеевики для охлаждающей смеси изготовляют в виде бесшовных труб размерами 60 × 5 мм из сталей марок 1Х18Н9Т или 15Х5М. Трубы соединяют в змеевики сваркой с помощью гнутых двойников, расстояние между которыми составляет 150 мм. Зазоры между смежными элементами в регенераторе должны обеспечивать по всему сечению равномерное движение катализатора, не нарушаемое местными сужениями. Для этого, в частности, необходимо, чтобы желобы коллекторов находились на расстоянии не менее 60 мм один от другого.
Змеевики работают при температуре 230 °С и давлении 3 МПа. Чтобы не происходило расслаивания охлаждающей пароводяной смеси, скорость ее в трубном змеевике должна быть не ниже 0,7 м/с. Ряды змеевиков самостоятельно соединены с приемным и распределительным коллекторами смеси. Благодаря этому в случае необходимости можно выключить из системы тот ряд, в котором обнаружена неплотность. В корпусе аппарата приварены специальные несущие балки, на которые опираются ряды змеевиков.
Конструкция и способ изготовления реакционных аппаратов должны обеспечивать прочность катализатора, стенок корпусов и катализатопроводов. Поверхности, по которым скользит катализатор, должны быть гладкими, сварные швы — высококачественными и зачищенными. Футеровку иногда защищают обшивкой из листовой стали. Особенно опасны участки с крутыми изгибами (переточные трубы и др.).
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА, С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов, 2006