Prokofeva_T.V._i_dr._Tehnolog._raschet_reaktornogo_bloka_ustanovki_katalit._riforminga

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

имени И.М. ГУБКИНА

Кафедра оборудования нефтегазопереработки

Т.В. Прокофьева С.С. Круглов (ст.) С.С. Круглов (мл.)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕАКТОРНОГО БЛОКА УСТАНОВКИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА С ПЛАТИНОВЫМ КАТАЛИЗАТОРОМ

Учебно-методическое пособие

Москва 2019

1. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РИФОРМИНГ

Установки каталитического риформинга предназначены для получения высокооктановых компонентов бензинов, выделения товарных ароматических углеводородов и производства технического водорода. В настоящее время каталитический риформинг является одним из наиболее распространенных методов вторичной переработки нефти. Это обусловлено постоянно возрастающим спросом на высокооктановые моторные топлива и на ароматические углеводороды в качестве сырья, например, в нефтехимической промышленности.

При каталитическом риформинге состав углеводородного сырья серьезно изменяется. При риформировании бензиновых фракций, содержащих нафтеновые и парафиновые углеводороды, вследствие дегидрирования, дегидроциклизации, изомеризации образуются продукты, богатые ароматическими углеводородами и высокооктановыми парафинами изомерного строения.

Особенностью каталитического риформинга является то, что реакции дегидрирования нафтенов являются эндотермическими, т.е. сопровождаются интенсивным поглощением тепла. Поэтому катализатор размещают в нескольких последовательно соединенных отдельных реакторах, между которыми газосырьевую смесь подогревают в трубчатой печи. Затраты тепла при риформировании, в основном, определяются содержанием в сырье нафтеновых углеводородов. Так, для парафинистого сырья отрицательный тепловой эффект составляет 50-70 ккал/кг, для нафтенового – 100140 ккал/кг сырья.

Сырьем установок каталитического риформинга служат прямогонные бензиновые фракции и вторичные бензины с температурой кипения 62-180оС. Эти фракции обычно подвергают гидроочистке для удаления смол, непредельных углеводородов, азоти-

3

стых и металлоорганических соединений, присутствие которых в сырье «отравляет» катализатор, то есть снижает его активность.

На современных отечественных установках применяют три типа катализаторов – монометаллические, биметаллические и полиметаллические. Важнейшими их эксплуатационными свойствами являются активность, селективность и стабильность. Глубина превращения сырья зависит от активности катализатора и характеризуется октановым числом катализата или содержанием в нем ароматических углеводородов. Способность катализатора ускорять целевые реакции и обеспечивать наибольший выход жидких продуктов и водорода связана с селективностью.

Стабильность катализатора характеризует его способность сохранять первоначальную активность и селективность во времени, что определяет общий срок его службы и продолжительность межрегенерационного цикла.

Основные технологические параметры каталитического риформинга, в значительной степени определяющие отличительные свойства получаемых продуктов – это температура, давление, объемная скорость подачи сырья и кратность циркуляции водородсодержащего газа.

С повышением температуры процесса увеличивается выход ароматических углеводородов и октановое число получаемых продуктов риформинга, снижается выход компонентов бензина и содержание водорода в циркулирующем газе, повышается отложения кокса на катализаторе. Температура промышленного риформинга – от 450 до 530оС и зависит от состава углеводородного сырья.

Рабочее давление определяет технологию и результаты риформирования. На промышленных установках при риформировании бензинов на алюмоплатиновых катализаторах с целью по-

4

лучения высокооктановых компонентов принимается оптимальное давление – 4,0 МПа.

Удельная нагрузка реакционного объема по сырью и длительность контакта реагирующих промежуточных продуктов риформинга с катализатором определяется объемной скоростью подачи сырья. Эта скорость рассчитывается как отношение объема сырья, подаваемого в реактор в единицу времени, к количеству катализатора в реакторе. Величина объемной скорости, в зависимости от активности катализатора и состава сырья, находиться в диапазоне от 1,5 до 2,5 м3/(м3·ч).

Кратность циркуляции водородсодержащего газа рассчитывается как отношение объема циркулирующего газа, приведенного к нормальным условиям, к объему сырья, проходящего через реактор в единицу времени. При производстве высокооктановых компонентов моторных топлив кратность циркуляции принимается равной 1500-1800 нм3/м3 сырья. При уменьшении кратности циркуляции газа увеличивается коксообразование на катализаторе, а при чрезмерном увеличении - снижается глубина риформирования, возрастает нагрузка на компрессор циркулирующего газа и расход топлива в печи для его подогрева.

Схема реактора с неподвижным слоем катализатора и аксиальным вводом сырья установки каталитического риформинга приведена на рис. 1.

Газообразное сырье подается в аппарат через штуцер 7 и распределитель 6, который обеспечивает равномерное распределение парогазового потока в верхнем пустотелом пространстве реактора.

5

Затем поток проходит через слой 14 фарфоровых шаров диаметром 20 мм и более равномерно распределяется по сечению реактора. Пройдя слой катализатора, продукты реакции собираются в зоне вывода из аппарата и покидают реактор по вертикальному трубопроводу через верхний боковой штуцер 8. Над зоной вывода расположена опорная решетка 5 для удержания фарфоровых шаров и катализатора. Обычно на ней размещают три слоя фарфоровых шаров 16-18 диаметром 6, 13 и 20 мм, поверх которых укладывается слой катализатора 15.

На верхнем днище аппарата расположены штуцеры: 7 – входа сырья, 8 – вывода продуктов реакции и многозонной термопары 9, предназначенной для контроля температуры в слое катализатора.

На нижнем днище аппарата расположены люк-лаз 11, используемый при ревизии и ремонтных работах, лючок 12 для выгрузки катализатора, штуцер 13 для вывода (эжекции) газов в режиме регенерации катализатора, а также пробоотборные штуцеры.

Опорное кольцо 3 служит для установки аппарата на фундаментной конструкции. Температура корпуса аппарата и состояние футеровки контролируются термопарами 10.

В режиме регенерации катализатора кислородсодержащий газ подается через штуцер 7, а продукты сгорания выводятся из аппарата эжекторным устройством через штуцер 13.

Корпус реакторов подобного типа изготавливают из углеродистых или низколегированных марок сталей, например, 22К или 09Г2C. Внутренняя поверхность корпуса покрыта жароупорной футеровкой из торкрет-бетона, толщина которой обычно 150 мм. Футеровка снижает температуру корпуса, защищает металл от водородной коррозии и уменьшает теплопотери реактора. Технологические штуцеры изготавливают из низколегированных хромомолибденовых марок сталей, например, 12ХМ, 12МХ, 15ХМ, устойчивых к коррозии при повышенной температуре в среде водородсодержащих газов. Внутренние детали реакторов изготав-

7

ливают из нержавеющих или жаропрочных марок сталей, например, 08X13 или 15Х5М. Опорное кольцо и другие элементы опорной конструкции выполняются из углеродистых сталей.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕАКТОРА

Ниже приведен расчет первого реактора реакторного блока установки каталитического риформинга с платиновым катализатором (платформинга) для повышения октанового числа бензиновой фракции 105-180оС, полученной из туймазинской нефти.

2.1. Исходные данные для расчета

Производительность установки по сырью Gс = 41600 кг/ч. Температура на входе в реактор tвх = 520оС.

Давление на входе в реактор рвх = 4,0 МПа.

Объемная скорость подачи сырья (объем сырья при 20оС, проходящий через единицу реакционного объема в единицу време-

ни) Wо = 1,5 м3/(м3·ч).

Кратность циркуляции водородсодержащего газа к сырью k = 1500 нм3/м3 при нормальных условиях (0оС; 0,1 МПа). Относительная плотность сырья при 20оС ρ204= 0,750.

Состав сырья, % масс.:

парафины – 61,2;

нафтены – 22,2;

ароматические углеводороды – 16,6;

сера – 0,05.

8

Фракционный состав сырья представлен в табл. 1 и на рис. 2.

Таблица 1 Фракционный состав сырья установки каталитического

риформинга по ГОСТ 2177 (ИСО 3405)

Рис. 2. Фракционный состав сырья установки каталитического риформинга

9

Характеристики катализатора:

носитель Al2O3;

содержание платины – 0,5-0,6 %;

форма частиц – цилиндры (dч = 2 3 мм, hч = 4 5 мм);

насыпная плотность слоя ρнас = 600 кг/м3;

плотность материала частиц ρч = 1100 кг/м3.

Выход продуктов реакции, % масс.:

риформат (дебутанизированный бензин) - 84,4;

бутан-бутиленовая фракция - 6,3;

водородсодержащий газ - 9,3.

Характеристика риформата:

плотность ρ204 = 0,772;

фракционный состав (разгонка по ГОСТ 2177 (ИСО

3405)): НК-54оС; 10% об. - 91оС; 50% об. - 139оС; 90% об. - 176оС; КК - 200оС;

содержание ароматических углеводородов 59,6 %.

Средняя молекулярная масса циркулирующего водородсодержащего газа (численно равна молярной массе газа в г/моль)

n

Mсрцг Mi yi 5,15 ,

i 1

где Mi – молекулярная масса i-го компонента;

y i – мольная (объемная) доля i-го компонента в газе; n – число компонентов в газе (n = 6).

Состав циркулирующего водородсодержащего газа приведен в табл. 2.

10