Технические науки/5.Энергетика

К.т. н. Ахмадова Х.Х.

Грозненский государственный нефтяной технический университет, Россия

К.т.н. Кадиев Х.М.

ОАО «Грозненский нефтяной научно-исследовательский институт», Россия К.х.н. Сыркин А.М.

Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия

ВЫНОСНЫЕ РЕАКЦИОННЫЕ КАМЕРЫ ПРОЦЕССА ВИСБРЕКИНГА

В 1980-е годы все большее распространение получили установки висбрекинга с реакционной камерой, что позволило снизить глубину превращения сырья в реакционном змеевике и довести её до нужной глубины в камере при более низкой температуре.

Первые установки висбрекинга с выносной реакционной камерой в нефтепереработке стали применяться с 1962 года [1]. Разработчиком этого процесса являлась фирма Shell, лицензиар и разработчик процесса по технологии Shell – фирма Lummus Crest Inc.

Выносная реакционная камера позволяет снизить температуру процесса на 40-50⁰С и увеличить в 2-3 раза пробег установки висбрекинга [2-5]. Процесс висбрекинга с реакционной камерой осуществляется при более низкой температуре и большем времени пребывания сырья в зоне реакции, чем печной вариант процесса. Температура в зоне реакции составляет около 450°С, время пребывания сырья 10-15 мин.

Особенность выносного реактора заключается в том, что его размеры оптимизированы по времени пребывания сырья с учетом гидравлических характеристик двухфазного газопродуктового потока, проходящего через реактор.

Висбрекинг с реакционной камерой обладает тем преимуществом, что его производительность среди установок висбрекинга наибольшая при наименьшей стоимости. Печные установки висбрекинга также можно реконструировать в установки с реакционной камерой.

Эти решения обусловили технико-экономическую целесообразность строительства установок висбрекинга с реакционной камерой [5].

В отличие от привычных реакционных камер, применяемых на установках термического крекинга, когда продукты реакции проходят сверху вниз, в сокинг-камере висбрекинга принят восходящий поток. Это позволяет значительно увеличить время пребывания жидкой фазы в зоне реакции и приводит к углублению степени превращения исходного сырья. Камера заполнена парожидкостной смесью. Доля жидкости составляет 40-80%, размеры пузырьков пара 3-15 мм.

Диаметр камеры обычно 1,5-2,5 м, объем - 15-75м³. Камера необогреваемая. Протекающие реакции эндотермичны. Перепад температуры между входом и выходом продукта составляет примерно 20°С. Время пребывания жидкой фазы в реакционном змеевике 1,5-2,5 мин, в реакционной камере 10-15 мин. Значительно меньший объем и меньший диаметр реакционных камер с восходящим потоком, применяемых на установках висбрекинга, обусловливают большие линейные скорости и меньшие отложения кокса. Иногда для снижения скорости отложения кокса в камерах с восходящим потоком устанавливаются различные перегородки для уменьшения обратной циркуляции жидкости.

Процесс висбрекинга с реакционной камерой по сравнению с печным имеет следующие преимущества [4]: снижение капитальных затрат на 10-15%, меньший размер печи, меньшие размеры оборудования для утилизации тепла дымовых газов, более низкий перепад давления в печи, меньший расход топлива, большие выходы и лучшая селективность, большая длительность межремонтного пробега (до 1 года), время работы установки на поток 330 дней, меньшая чувствительность к авариям, меньшее количество пара от утилизации тепла.

Одним из решающих преимуществ, определяющих интенсивное внедрение процесса висбрекинга с реакционной камерой, является уменьшение энергетических затрат.

При применении сокинг-камеры колебания режима процесса меньше влияют на результаты висбрекинга.

Это различие имеет большое практическое значение, так как большая чувствительность степени превращения к изменению температуры на выходе из печи может в отдельных случаях явиться причиной недостаточной стабильности остатка висбрекинга.

Газодинамический режим работы реакционной камеры с восходящим потоком был изучен в ГрозНИИ на «холодной» модели [4]. Модель представляла собой трубчатый аппарат диаметром 50 мм, высотой 1 м, разделенный с помощью специальных фланцевых соединений на отдельные секции.

Эксперименты по изучению газодинамики восходящего потока проводились с применением в качестве контактирующих сред воды и воздуха, в известной мере моделирующих по плотности агенты в промышленном аппарате. Соотношение воздух : вода моделировало случаи, имеющие место на практике и составляло от 20 : 80 до 80 : 20 по объему. Замер объемных количеств воды и воздуха выполнялся ротаметрами. Одновременно, контроль расхода жидкости проводился с помощью мерного бачка, а воздуха – газовыми часами ГСБ-400. Подача воздуха через движущийся слой жидкости по высоте осуществлялась пропорционально величине столба жидкости за счет калиброванных отверстий. Ротаметром типа РМ замерялся расход газа в каждую из точек по высоте аппарата по разности показаний прибора при прекращении подачи воздуха в одну из них. Наблюдение за гидродинамическим режимом работы модели осуществлялось визуально, а также путем фотографирования потока. Анализ фотограмм показал, что даже при достаточно тонком распыле газовой фазы в движущемся жидкостном потоке образуются пузыри, которые винтообразно движутся в модели вверх с колебанием от центральной оси на 15-20 мм. При всплывании мелкие пузырьки сливаются в более крупные размером до 2 см в диаметре. При отдельных режимах пузыри могут сливаться в линзообразные полости, которые занимают большую часть по сечению аппарата.

Было установлено, что с уменьшением скорости движения жидкости увеличивается неравномерность потока, повышается вероятность слияния пузырей в линзы, уменьшается влияние точности распределения потока на входе, повышается вероятность образования центрального газового ядра.

По мере движения газожидкостного потока вверх растет количество пузырей, которые увеличиваются в размерах, сливаясь при больших соотношениях газ : жидкость = (4:1 - 7:1) в глобулы и линзы. Основная масса пузырей движется по центру.

Полученные значения плотности потока и объема, занимаемого воздухом, находящегося в пузырях хорошо согласовались с величиной плотности газожидкостной смеси, полученной из уравнения плотности потока. Скорость движения пузырей, замеренная на «холодной» модели экспериментально, хорошо согласовалась с данными [6] и в дальнейшем принималась 25 см/с. Расчетная скорость газа в свободном сечении при этом совпадала со скоростью движения жидкой фазы и составляла 0,03 – 0,027 м/с.

При такой скорости обеспечивалось требуемое время пребывания жидкой фазы в рассматриваемом реакционном аппарате.

С точки зрения надежности работы полого жидкофазного реактора, целесообразен вариант, когда по центру аппарата проходит основная часть паровой фазы, а отсепарированная жидкость движется по винтовой линии восходящим потоком. В этом случае режим работы аппарата будет близок к режиму гидроциклона.

Учитывая выявленную в стендовых условиях неравномерность движения газожидкостного потока и имеющиеся данные о положительном влиянии секционирования прямоточного аппарата, в ГрозНИИ были испытаны на стенде пилотной установки решетки с различной степенью перфорации [4]. Было отмечено, что решетки стабилизируют поток в пределах одной секции. Увеличение числа решеток в соответствии с общими принципами способствует улучшению гидродинамического режима работы прямоточного аппарата с восходящим газожидкостным потоком.

Проведенные в ГрозНИИ на «холодной» модели опыты показали, что при изменении перфорации от 10 до 3 % она не оказывает существенного влияния на структуру потока, обеспечивая однако значительно большую равномерность слоя по секциям и исключая практически полностью межсекционное перемешивание.

Для создания больших скоростей в отверстиях решетки, «смывающих» возможные коксосмолистые отложения, специалисты ГрозНИИ рекомендуют использовать решетки с перфорацией 10 % (в нижней части) и отверстия диаметром 30-50 мм, равномерно расположенные по сечению. Всего в аппарате целесообразно по высоте установить 9-10 решеток с учетом имеющего место разложения и увеличения количества паровой фазы по высоте аппарата. Целесообразно перфорацию решеток принять увеличивающейся по высоте.

В настоящее время на установках висбрекинга применяются различные конструкции реакционных камер, которые постоянно совершенствуются.

В конструкции выносной реакционной камеры, разработанной специалистами ГрозНИИ, эллиптические днища были заменены на конусные с углом при вершине 30 и 45⁰ со стабилизацией потока за счет использования решеток.

Выносная реакционная камера с восходящим потоком сырья конструкции фирмы «Shell» имеет форму адиабатического аппарата, оснащенного перфорированными тарелками. Реакционные камеры фирмы «Shell» принципиально отличаются от их первых конструкций, применявшихся на установках висбрекинга и термокрекинга в 1970-1980-е годы тем, что [7]:

- рассчитаны на переработку более тяжелого сырья;

- сырье подается в нижнюю, а не верхнюю часть камеры;

- крекинг проходит в жидкой фазе.

Основной недостаток реакционной камеры фирмы «Shell» с восходящим потоком сырья заключается в том, что в ней присутствуют большие застойные зоны, где происходит коксообразование. Это приводит к необходимости частых очисток выносных реакционных камер от коксовых отложений и, как следствие, к снижению производительности установки висбрекинга.

Специалистами ГУП «ИНХП РБ» в плане развития технологии висбрекинга с выносной реакционной камерой, имеющей восходящий поток сырья, разработаны новые конструкции реакционных камер, в частности, змеевиковый реактор, представляющий собой три последовательно связанных полых цилиндра диаметром 900 мм и высотой 14м [7].

Испытания змеевикового реактора, в котором выполнялись условия режима, близкие к «идеальному вытеснению», подтвердили высокую эффективность реакционных аппаратов такой конструкции. Вместе с тем, основным недостатком змеевикового реактора является громоздкая конструкция, что требует ее усовершенствования [7].

Более совершенной является конструкция реакционных камер, разработанная в ГУП «ИНХП РБ», в которой для повышения эффективности процесса термического крекинга заложен принцип разделения объема камеры на однородные по сечению зоны. Это обеспечивает равновеликие скорости движения реакционной массы по всему аппарату и способствует снижению до минимума степени коксообразования на их стенках за счет полного отсутствия застойных зон.

Предлагаемые ГУП «ИНХП РБ» конструкции выносных реакционных камер более компактны и обеспечивают режим «идеального вытеснения», исключающий образование застойных зон. Эта конструкция реакционной камеры обеспечивает постоянство времени пребывания реакционной массы в системе «печь + выносная реакционная камера» и создает условия для непрерывного термического превращения сырья при благоприятных режимах переработки и в печи, и в реакционной камере [7].

Это обстоятельство имеет большое значение для достижения оптимального осуществления процесса висбрекинга, когда максимальная величина коэффициента снижения вязкости гудрона относительно остатка висбрекинга достигается только при определенной степени превращения сырья, определяемой по выходу газа и бензина висбрекинга/

Данная конструкция реакционной камеры рекомендуется к внедрению на вновь строящихся и реконструируемых установках висбрекинга и реконструируемых установках термокрекинга.

Литература:

1.Ахмадова Х.Х., Сыркин А.М., Садулаева А.С. Роль висбрекинга в углублении переработки нефти // Инновации в науке: материалы международной заочной научно-практической конференции. Часть 1 (11 апреля 2012г.). Новосибирск: Изд. «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. – С.76-83.

2. Хаджиев С.Н. Создание современных технологий глубокой комплексной и безотходной переработки нефти./ С.Н. Хаджиев // Перспективные процессы и катализаторы нефтепереработки и нефтехимии: сб. научных статей / ГрозНИИ.- 1990.- Вып.43. – С.5-15.

3. Техническая записка. Реконструкция блока висбрекинга на Павлодарском НПЗ под процесс «низкотемпературного висбрекинга. Грозный.-1986.- С.25.

4. Техническая записка ГрозНИИ «Исходные данные для проектирования реактора висбрекинга». - Грозный. -1986.- С. 27

5.Ахмадова Х.Х., Сыркин А.М., Махмудова Л.Ш. Становление и развитие процесса висбрекинга тяжелого углеводородного сырья. М.: Химия, 2008.- 208 с.

6. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. М.:Химия, 1982. - 695 с.

7.Хайрудинов И. Р., Тихонов А.А. Аппаратурное оформление выносных реакционных камер установки висбрекинга гудрона // Башкирский химический журнал.- 2011. - Том 18. - № 1. – С.75-77.