Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Каталитический крекинг

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………........3 1. Установка каталитического крекинга……………………………………….4

Выбор метода производства……………………………………………..5

1.2 Физико-химические основы процесса……………………………………..5

1.3 Описание технологической схемы………………………………………....7

1.4 Характеристика сырья, готовой продукции и

вспомогательных материалов………………………………………………....10

2.1 Расчёт основного аппарата………………………………………………....12

2.1.2 Расчет реактора …………………………………………………………...14

2.1.3 Расчет регенератора…………………………………………………..….15

2.1.4 Материальный баланс установки ………..……………………………..16

2.1.5 Расчёт теплового баланса……………………………………………..…18

2.1.6 Механический расчёт………………………………………………….....19

2.1.7 Гидравлический расчёт………………………………………………..…20

2.2. Расчёт вспомогательного аппарата «Кожухотрубный теплообменник».22

3. Экономический расчёт…………………………………………………….….31

4. Автоматизация процессов…………………………………………………... 41

5. Охрана труда………………………………………………………………… 50

5.1 Вредности и опасности на производстве………………………………....50

5.2 Охрана окружающей среды………………………………………………..52

5.3 Меры борьбы с загрязнением атмосферы………………………………..54

5.4 Меры борьбы с загрязнением естественных водоемов………………..…56

Заключение……………………………………………………………………….57

Список используемых источников……………………………………………..58

ВВЕДЕНИЕ

1 РАЗДЕЛ

1 Установка каталитического крекинга

Каталитический крекинг является наиболее распростронённым процессом углублённой переработки нефти и значительной мере определения технико-экономические показатели современных и перспективных НПЗ топливного профиля.

Основной целью назначения каталитического крекинга является производство с максимально высоким выходом(до 50% и более) высокоактивного бензина и ценных сжиженных газов-сырья для последующих производств высокоактивных компонентов бензинов изомерного строения: алкилата и метилтретбутилового эфира, а также сырья для нефтехимических производств. Получившиеся в процессе лёгкий газойль с высоким содержанием полициклической ароматики - как сырьё для производства технического углерода или высококачественного электродного кокса(игольчатого).

В нефтеперерабатывающей промышленности потребности в автомобильном бензине росла быстрей, чем потребности в тяжелом жидком топливе (например, в дизельном топливе), и соответственно росло количество сырой нефти, которую нужно было превратить в бензин. Нефтепереработчику стало ясно, что если производить прямогонный бензин в количестве, достаточном для удовлетворения потребности рынка, то рынок будет одновременно затоварен тяжелым топливом. Экономическим следствием сложившейся ситуации стал постоянный рост цен на бензин при падении цен на более тяжелые фракции.

Первоочередные меры по углублению переработки нефти предусматривают строительство таких технологических установок, как установки вакуумной перегонки мазута, гидроочистки, каталитического крекинга, висбрекинга и замедленного коксования гудронов, а также комбинированные комплексы, объединяющие эти процессы. Использование этих технологий позволяет

перерабатывать мазут сернистой западносибирской нефти с выходами моторных топлив преблизительно 40%, котельного топлива 43%, что позволяет довести глубину переработки нефти 73 – 75%.

В процессах переработки нефти с целью получения высококачественного топлива является каталитический крекинг, объем которого в каждой из развитых в техническом отношении стран составляет десятки миллионов тонн в год. Крекинг проводят на высокоэффективных цеолит содержащих катализаторах при температуре около 500⁰ С. Сырьем для крекинга служит главным образом газойль с конечной температурой кипения около 500⁰ С, в то время как многие виды тяжелого и остаточного нефтяного сырья, например, мазут, используются неэффективно – их сжигают в качестве низкосортного топлива.

Основные источники энергии в современном мире является нефти и газ. На топливах, полученных из них, работают двигатели сухопутного, воздушного и водного транспорта, тепловые электростанции. Нефть и газ перерабатывают в химическое сырье для производства пластических масс, синтетических каучуков, искусственных волокон. В настоящее время насчитывается около 100 различных процессов первичной и вторичной переработки нефти, реализованных в промышленности. Ведется внедрение новых, весьма перспективных разработок, направленных на улучшение качества продукции и совершенствование технологии.

Выбор метода производства

Для анализа нефти используют разнообразные методы их предварительного разделения, как по молекулярным массам, так и по химическому составу. Для разделения нефти и выделения различных групп углеводородов и гетероатомных компонентов применяют химические и физические методы. Химические методы основаны на неодинаковой реакционной способности разделяемых компонентов, а физические (или физико-химические) – на различии компонентов в сосуществующих равновесных фазах. Простыми - условно названы методы разделения, при которых изменение концентрации разделяемых компонентов в фазах достигается лишь благодаря сообщению системы энергии, а сложными – методы с применением дополнительных разделяющих агентов (селективных растворителей, абсорбентов и т.д.), увеличивающих различие составов фаз. Сочетание эффективных приёмов разделения с современными инструментальными методами анализа позволило создать информативные экспесс-методики определения качественного и количественного состава нефтей и нефтепродуктов.

1.2 Физико-химические основы процесса.

Температура, давление, скорость подачи сырья и катализатор оказывает большое влияние на процесс каталитического крекинга. Результаты каталитического крекинга определяются глубиной превращения(т.е. суммарный выход продуктов, отличающихся от исходного сырья фракционным составом)-(конверсии) сырья, выходом целевых продуктов и их качества. При крекинге сырья вакуумного газойля фракции 350-500С = газ + бензин + дизельная фракция (лёгкий газойль) + кокс. При тяжёлом газойле при тех же температурных пределах, что и сырьё, принимают как за непревращённую часть сырья, хотя он и отличается по хим. составу.

Катализатор – это вещество, которое ускоряет или даже вызывает химическую реакцию, но когда реакция заканчивается, катализатор остаётся в неизменном виде – таким же, каким был сначала.

Обычно установка каталитического крекинга работает, пока не достигнет предела своих возможностей в отношении выжигания кокса. Это может произойти различным образом, когда начинает падать выход бензина, а количество газов С4 или тяжёлого газойля при этом начинает возрастать. Выходы продуктов с установки крекинга зависят от разных факторов, в том числе от качества сырья, температуры в реакторе, скорости подачи сырья и скорости циркуляции, и, что очевидно, от времени суток и температуры окружающего пространства.

Наличие катализатора не вызывает каких-то принципиально новых, термодинамически неоправданных реакций. Катализатор способен только ускорять и делать значимыми те процессы, которые протекают без него настолько медленно, что не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на состав конечных продуктов. Таковы, например, изомеризация олефинов и нафтенов, перераспределение водорода между продуктами крекинга.

Присутствие катализатора не нарушает также состава равновесных смесей, свойственных данным температурам. Температурный режим промышленного каталитического крекинга не мягче, чем для соответствующего термического процесса, но продолжительность реакции неизмеримо меньше. Так, средняя температура в реакторе каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем катализатора равна 490 – 500^оС (а в реакторах лифтного типа – еще выше и достигает 530 – 540^оС). Однако, если продолжительность пребывания сырья в реакционной зоне печи термического крекинга измеряется минутами, то время контакта сырья с катализатором в современных реакторах каталитического крекинга равно всего 2 – 4 с.

В качестве сырья в процессе каталитического крекинга используется вакуумный дистиллят (газойль) широко фракционного состава (350-500С). В сырье крекинга вовлекаются газойлевые фракции термодеструктивных процессов, гидрокрекинга, рафинаты процессов деасфальтизации мазутов и гудронов, полупродукты масляного производства и др.

Температура в реакторе выше, когда интенсивнее протекает реакция крекинга, но в какой-то момент количество образующихся газов резко возрастает за счёт уменьшения количества бензина или легкого газойля. Оптимальная температура в реакторе определяется экономическими соображениями.

Скорость подачи сырья и циркуляции. Для регенерации отработанного катализатора через регенератор постоянно пропускают воздух. Если

температура воздуха за пределами установки понижается, воздух становиться более плотным. Так как насосы, подающие воздух, работают при постоянной скорости, то в действительности холодного воздуха в регенератор подаётся больше, чем тёплого. Чем больше кислорода, тем больше кокса выжигается с поверхности катализатора. Чем свежее катализатор, тем эффективнее реакция, Чем эффективнее реакция, тем больше получается бензина. Автоматическая запись параметров процесса позволяет зафиксировать отклонения стрелок: например, ночью, когда температура воздуха ниже, выходы продуктов оказываются выше. Днём, когда становится жарко, выходы падают. То же самое относится к результатам, полученным зимой и летом, и это уже плохо, потому что потребности в бензине выше как раз летом, когда выходы снижаются.

Химический состав продуктов каталитического крекинга имеет характерные особенности: бензин содержит много изопарафинов и ароматических углеводородов; газ получается «тяжелый», с высокой концентрацией изобутана и олефинов С₃ – С₄; газойлевые фракции богаты полициклическими ароматическими углеводородами.

Каталитический крекинг – типичный пример гетерогенного катализа. Реакции протекают на границе двух фаз: твердой (катализатор) и паровой или жидкой (сырье), поэтому решающее значение имеют структура и поверхность катализатора.

Катализаторы современных крупнотоннажных процессов каталитического крекинга, осуществляемых при высоких температурах(500-800С) в режиме интенсивного массо- и теплообмена в аппаратах с движущимися или с псевдоожиженным слоем катализатора. Обладают высокой активностью, селективностью и термостабильностью.

1.3 Описание технологической схемы

каталитического крекинга установки 1-А/1-М

В схеме установки (рис.1.1) имеются следующие блоки: реакторный (реактор и регенератор, соединенные транспортными линиями), погоноразделительный (основная колонна, отпарные колонны, газоводоотделитель) и нагревательный (печь, теплообменники, холодильники). Сырье насосом 22 подается через теплообменные аппараты 21, где нагревается за счет тепла отходящих потоков примерно до 200°С, в змеевик печи 9. Нагретое в печи до 260— 270°С сырье поступает в узел смешения с катализатором. Полученная суспензия под давлением водяного пара перемещается по наклонному лифт-реактору 6 в реактор-сепаратор 7. Одновременно в другой узел смешения подается рециркулят и по стояку 5 поступает в псевдоожиженный слой реактора 7. Продукты крекинга (газы и пары), пройдя систему двухступенчатых циклонов, где улавливается катализаторная пыль, вводятся в низ ректификационной колонны 13.

Из отпарной секции реактора 7 закоксованный катализатор транспортируется в регенератор / по линии 3; сюда же подается воздух для выжига кокса с поверхности катализатора. Регенерированный катализатор по стоякам 2 и 4 спускается в узлы смешения с сырьем и рециркулятом. Газы регенерации, пройдя систему двухступенчатых циклонов регенератора, выводятся из аппарата сверху.

В колонне 13 продукты крекинга разделяются на газ, бензин, легкий и тяжелый газойли. Газ, пары бензина и водяной пар выводятся сверху, охлаждаются в аппарате воздушного охлаждения 18 и поступают в газоводоотделитель 19.Бензин насосом 20 частично подается в качестве орошения в верхнюю часть колонны 13, остальная его часть направляется в блок стабилизации, а газ — в секцию фракционирования.

Боковые погоны колонны 13 — легкий и тяжелый газойли — выводятся из колонны в соответствующие секции отпарной колонны 14. С низа секции эти фракции забираются насосами 17 и 16, прокачиваются через теплообменники 21, где за счет их тепла нагревается сырье, затем через аппараты воздушного охлаждения 18 выводятся с установки в резервуары. Часть тяжелого газойля насосом 16 подается в узел смешения с регенерированным катализатором в виде рециркуляра.

В нижнюю секцию колонны 13 в качестве орошения подается тяжелый газойль, выводимый насосом 11 и прокачиваемый через аппарат 8; ввод этого орошения предотвращает унос катализаторной пыли. С низа колонны 13 отбирается смесь катализаторной пыли с тяжелыми жидкими продуктами крекинга, которая поступает в шламоотделитель 15. Отсюда шлам насосом 12 возвращается в реактор 7, а декантат — ароматизированный тяжелый газойль крекинга —отводится с установки.

В колонну 13 подается циркуляционное промежуточное орошение, которое отбирается из средней части колонны, насосом 10 прокачивается через теплообменник в и возвращается на расположенную выше тарелку.

1.4 Характеристика сырья, готовой продукции и вспомогательных материалов

Характеристика сырья

Исходным сырьем для получения дизельного топлива является фракция 350 – 490С нефти Девонского места рождения.

Таблица 1.1 Характеристика сырья.

Температура отбора, ^оС	350 – 500
Температура застывания, ^оС	26
Коксуемость, %	0,03
Содержание серы, %	1,66

Характеристика готовой продукции

Таблица 1.2 Состав углеводородных газов.

Углеводороды до С₄ включительно	Всего на нефть, %	0,14
	С₂Н₆, %	5,3
	С₃Н₈, %	15,6
	Изо - С₄Н₁₀ %	23,1
	Н – С₄Н₁₀, %	56,0
Углеводороды С₅	Всего на нефть, %	-
	Изо – С₅Н₁₂, %	-
	Н – С₅Н₁₂, %	-

Характеристика вспомогательных материалов

Таблица 1.3Основные отечественные катализаторы.

Показатели	АКМ		АНМ	АНМС
Насыпная плотность, кг / м³	640 – 740		640 – 740	640 – 740
Удельная поверхность, м² / кг	100		100	100
Содержание, % (масс.)
Активные компоненты
CoO		4.0	-	-
MoO₃		12.0	12.0	12.0
NiO		-	4.0	4.0
SiO₂		-	-	5.0 – 7.0
Вредные примеси
Fe₂O₃		0.16	0.16	0.16
Na₂O		0.08	0.08	0.08
Влага, удаляемая при 650^оС		2,5	2,5	2,5
Пыль и крошка		2,5	2,5	2,5
Индекс прочности на раскалывание гранул, кгс / мм		1,1	1,0	1,2
Относительная активность по обессериванию, усл. ед.		95	95	95

Различают моноэтаноламин (2-аминоэтанол, этаноламин, коламин), диэтаноламин (иминодиэтанол) и триэтаноламин (нитрилотриэтанол). Бесцветные вязкие гигроскопичные жидкости со специфичным аминным запахом, неограниченно смешиваются с водой, хорошо растворяются. в этаноле, бензоле, хлороформе, плохо - в гептане. Обладают свойствами аминов и спиртов.

Свойства этаноламинов

Показатель	Моноэтаноламин HOCH₂СH₂NH₂	Диэтаноламин (HOCH₂CH₂)₂NH	Триэтаноламин (HOCH₂CH₂)₃N
Мол. масса	61,08	105,14	149,19
Т. пл., °С	10,6	27,8	21,2
Т. кип., °С	170-171	270	360
	1,0159	1,0966	1,1242
	1,4541	1,4776	1,4852
мПа с (25°С)	19	580	601
Растворимость, г в 100 г гептана (25 ° С)	0,6	0,1	0,2
Т. вспышки., °С	93	148,9	179
Т. самовоспламенения., °С	450	—	—
ПДК, мг/м³	1	5	5

2 РАЗДЕЛ

2.1 Расчёт основного аппарата

Схемы реакторных блоков установки каталитического крекинга

Реакторы каталитического крекинга бывают:

1.С движущимися слоем шарикового катализатора катализ, массо – и теплообмен осуществляются фильтрацией прямотоком в режиме, близком к идиальному вытеснению, т. е в реакторе интегрального

типа.

2.С псевдоожиженным (кипящим) слоем микросферического катализатора катализ, тепло- и массообмен осуществляются

при идиальном перемешивании реактантов с катализатором

в режиме, характерном для безградиентных ректоров (т.е. дифференциального типа).

3. Более совершенным типом является прямоточный реактор с входящим потоком газокатализаторной смеси (лифт-реактор). По газодинамическим хар-кам этот реактор приближается к реакторам идиального вытеснения (т.е. интегрального типа), являющимся более эффективным для каталитического крекинга.

Сырьё с температурой 500-520°С в смеси с пылевидным катализатором движется по лифт-реактору вверх в течение 2-4 секунд и подвергается крекингу. Продукты крекинга поступают в сепаратор, расположенный сверху лифт-реактора, где завершаются химические реакции и происходит отделение катализатора,

который отводится из нижней части сепаратора и самотёком поступает в регенератор, в котором при температуре 700°С осуществляется выжиг кокса. После этого восстановленный катализатор возвращается на узел ввода сырья. Давление в реакторно-регенераторном блоке близко к атмосферному. Общая высота реакторно-регенераторного блока составляет от 30 до 55 м, диаметры сепаратора и регенератора - 8 и 11 м соответственно для установки мощностью 2,0 млн тонн.

Продукты крекинга уходят с верха сепаратора, охлаждаются и поступают на ректификацию.

Задачей каталитического крекинга является превращение тяжёлого газойля в бензин и более лёгкие фракции. Типичные выходы продуктов, которые показывают, в какой мере эта цель достигается.

Сырьё	Объёмные %
Тяжёлый газойль	40,0
Лёгкая фракция вакуумной перегонки	60,0
Рециркулирующий газойль	10,0
Всего:	100,0
Продукты:	Объёмные %
кокс	8,0
газы	35,0
Крекинг-бензин	55,0
Лёгкий крекинг-газойль	12,0
Тяжёлый крекинг-газойль	8,0
Рециркулирующий газойль	10,0
Всего:	118,0

Циркулирующий продукт не учитывался при подсчёте суммарного объёма.

Увеличение объёма, отчётливо виден. Сумма объёмов продуктов, выходящих с установки, составляет 118% от объёма сырья, поступающего на установку. Это определяется только соотношением плотностей продуктов и сырья. Большинство нефтепродуктов продают по объёму, а не по весу, их количество обычно выражают в объёмных единицах. Во время крекинга происходит приключения с плотностью, выходы показывают значительную прибавку. Иногда эта прибавка становится навязчивой идеей нефтепереработчиков.

Расчёт реактора

Весовую (массовую) скорость подачи сырья примем равной 0,7 ч^-1. Тогда масса катализатора составит:

кг /ч

Далее определяем секундный объем паров в реакторе по формуле:

Линейную скорость паров в свободном сечении реактора принимаем равной 0,3 м / сек.

Тогда требуемый диаметр реактора составит:

Плотность кипящего слоя катализатора примем 420 кг / м³. тогда объем катализатора в реакторе составит:

м³

Высота кипящего слоя катализатора составит:

2.1.3 Расчёт регенератора

Количество образующегося кокса составляет: 3461,53 кг /ч.

Количество воздуха, необходимое для выжига этого количества кокса, при g_возд = 13 кг / кг составит:

кг /ч

Объем кипящего слоя катализатора в регенераторе при коксосъеме σ = 14 кг / м³ * ч составит:

м³

Количество катализатора, находящегося в регенераторе:

кг

Количество дымовых газов составит:

кг / ч

Объем дымовых газов при нормальных условиях:

м³ / ч

Секундный объем дымовых газов в регенераторе:

м³ / сек

Диаметр регенератора при линейной дымовых газов в свободном сечении 0,4 м / сек составит:

м.

Высота кипящего слоя катализатора в регенераторе:

2.1.4 Материальный баланс установки каталитического крекинга

Мощность установки гидроочистки дизельного топлива составляет

750 000 тонн в год. Часовая производительность 7800 часов.

Время работы установки рассчитаем по следующей формуле:

Тэф. = 365 – Ткап. – Ттек.

Время работы установки в днях составит:

Тэф. = 365 – 30 – 10 = 325дней

Время работы установки в часах:

Тэф. == 325 ∙ 24 часа = 7800 часов

Часовая производительность установки гидроочистки дизельного топлива составит (мощности) - П = 750 000 тон сырья в год

П = N П = 750 000 ∙ 1000 = 96153,85 кг/ч

Тэф. 7800

Часовая производительность программы равна:

96153,85 составляет 100% сырья из практически данных известно Gкат. = 0,48;

Gг = 0,032; G_Стаб = 0,123; G_ЛГ = 0,129; G_ТГ = 0,195; Gкокс = 0,036; G_потери =0,5 и получаем кг/ч

Материальный баланс первого реактора.

Из практических данных известно, что

G_Кат Выход стабильного катализата = 48 ∙ 1% = 0,48%

G_Газ Выход углеводородных газов = 3,2 ∙ 1% = 0,032%

G_Стаб Головка стабилизации = 12,3 ∙ 1% = 0,123%

G_ЛГЛёгкий газойль = 12,9 ∙ 1% = 0,129%

G_ТГ Тяжёлый газойль = 19,5 ∙ 1% = 0,195%

G_Кокс Кокс = 3,6 ∙ 1% = 0,036%

G_потери Потери =0,5 ∙ 1% =0,005%

Выход стабильного катализата составит:

G_Кат = 0,48 * 96153,85 = 22153,85 кг / ч = 360000 т / год

G_Газ = 0,032 * 96153,85 = 3076,92 / ч = 24000 т / год

G_Стаб = 0,123 * 96153,85 = 11826,92 / ч = 92250 т / год

G_ЛГ = 0,129 * 96153,85 = 12403,84кг / ч = 96750 т / год

G_ТГ = 0,195 * 96153,85 = 18750 кг / ч = 146250 т / год

G_Кокс = 0,036 * 96153,85 = 3461,53 кг /ч = 27000 т / год

G_потери = 0,005 * 96153,85 = 480,77 кг/ч = 3750 т/год

Данный расчёт стабильного катализатора сводится в таблицу.

Таким образом, материальный баланс установки каталитического крекинга примет вид:

Таблица 2.1 Материальный баланс

Приход	%	кг/ч	т/год	расход	%	кг/ч	т/год
Вакуумный газойль Фракция (350–490С°)	100%	96153,85	750000	выход уг/в газов УВГ	3,2	3076,92	24000
Вакуумный газойль Фракция (350–490С°)	100%	96153,85	750000	бензин	48	22153,85	360000
				Головка стабилизации С₃-С₄	12,3	11826,92	92250
				Лёгкий газойль Т=200-290С	12,9	12403,84	96750
				Тяжёлый газойль	19,5	18750	146250
				Кокс	3,6	3461,53	27000
				потери	0,5	480,77	3750
	100%	96153,85	750000	Итого:	100%	72153,83	750000

Каталитический крекинг 📙 Дипломная → 🆔 7609