Изучение устройства и определение основных характеристик реактора гидрокрекинга тяжелого вакуумного газойля

При проектировании реактора необходимы сведения о кинетике химической реакции и производительности реактора. Инженер-технолог, разрабатывая схему реактора, должен также решить, будет ли реактор работать непрерывно или периодически, определить модель реактора и указать способы подвода или отвода теплоты. При огромном многообразии химических процессов и используемых в них реакционных аппаратов представляется трудным решение вопроса о выборе реактора для разрабатываемого или проектируемого процесса. Это усугубляется тем, что в реакторах наряду с химическими протекают физические процессы, важнейшими из которых являются диффузия исходных веществ и продуктов реакции и выделение, и распространение теплоты.

Методы технологического расчета и подбора параметров значительно отличаются для различных типов реакторов. При рассмотрении основных закономерностей была установлена сложность классификации химико-технологических процессов и соответствующих реакторов: по характеру операции (периодические и непрерывные), фазовому составу реагирующих масс (различные группы гомогенных и гетерогенных процессов), тепловому эффекту процесса (экзо- и эндотермические), наивысшей температуре (низко- и высокотемпературные), применяемому давлению (вакуумные, под атмосферным и высоким давлением), степени перемешивания (смешения и вытеснения), температурному режиму (адиабатические, изотермические и политермические). Поскольку гидродинамическая обстановка и температурный режим в основном определяют кинетику процесса, протекающего в реакторе, представляется возможным использовать их, как основу для классификации реакторов. А именно, рассматривать реакторы, работающие в предельных гидродинамических режимах – идеальгого вытеснения и полного (идеального) смешения в изотермических, адиабатических, или же политермических условиях. Подобная идеализация позволяет исключить из рассмотрения второстепенные черты процесса и использовать те, которые определяют поведение системы.

Степень перемешивания реагирующих масс в реакторах непосредственно влияет на режим их работы. Полное смешение обеспечивает постоянство параметров, в частности температуры во всем реакционном объеме, а при идеальном вытеснении температура, как правило, изменяется по высоте реакционного объема. В результате в реакторах вытеснения меняется константа скорости реакции и соответственно скорости процесса. При сравнении моделей идеальных реакторов вытеснения и смешения условно принято постоянство температуры и соответственно константы скорости реакции для всех типов реакторов.

В реакторе идеального вытеснения, например трубчатом, все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади и полностью вытесняя подобно поршню находящиеся впереди частицы потока (поршневое движение потока).

Поточный реактор смешения представляет собой аппарат, в котором интенсивно перемешиваются реагенты, например при помощи мешалки. В него непрерывно подаются реагенты и непрерывно выводятся продукты реакции. Поступающие в такой реактор частицы вещества мгновенно смешиваются с находящимися в нем частицами, т.е. равномерно распределяются в объеме аппарата. В результате во всех точках реакционного объема мгновенно выравниваются параметры, характеризующие процесс: концентрации, степени превращения, скорости реакции, температуры и др.

В единичном реакторе полного смешения, вследствие того, что концентрации реагентов мгновенно снижаются до конечной величины, скорость реакций при больших степенях превращения невелика и потому для достижения высоких степеней превращения требуются реакторы большого объема. Более целесообразна установка ряда последовательно соединенных реакторов полного смешения – каскада реакторов. В каскаде реакторов состав реакционной смеси изменяется при переходе из одного аппарата в другой. При этом в каждой ступени каскада, как это характерно для реакторов полного смешения, параметры процесса постоянны по всему объему. Для определения числа теоретических ступеней каскада используют большей частью алгебраический и графический методы.

В реакторах периодического действия единовременно загружают определенное количество реагентов, которые находятся в нем до тех пор, пока не будет достигнута желаемая степень превращения. После этого реактор разгружают. Распределение концентрации при любой степени смешения реагентов во времени аналогично реактору идеального вытеснения.

Одним из факторов, используемых для сравнения и выбора реакторов, является влияние концентрации реагентов, точнее движущей силы процесса на производительность реактора. При прохождении реакционной смеси через реактор идеального вытеснения уменьшается концентрация исходных реагентов по высоте (длине) реактора и в соответствии с этим снижается движущая сила процесса, а при постоянстве других параметров – и скорость процесса.

Аналогичная картина наблюдается и в реакторах периодического действия.

Сравнение реакторов только по скорости процесса недостаточно. Следует еще учитывать, что постоянство температуры и концентрации реагентов по всему объёму реактора смешения облегчает управление процессом, автоматизацию работы реактора.

В реакторах смешения, как правило, эффективнее, чем при режиме вытеснения, протекают реакции с высокими концентрациями реагентов и при больших тепловых эффектах реакции. Интенсивное перемешивание улучшает условия теплопередачи; уменьшаются теплообменные поверхности для отвода (или подвода) теплоты от реагирующей системы.

С другой стороны, перемешивание может вызвать нежелательное истирание твердых реагентов, эрозию аппаратуры, усиление уноса из реактора измельчённых твёрдых частиц или капель жидкости. Энергетические затраты в реакторах смешения могут быть в несколько раз выше, чем при режиме вытеснения.

Таким образом, для выбора реактора необходимо сопоставить все положительные и отрицательные стороны предполагаемых типов реакторов и остановиться на такой модели, которая обеспечит в конечном счёте наиболее экономическое осуществление процесса.

Опытно-промышленный цех Светлогорского ПО «Химволокно» выпускает синтетическую техническую термостойкую нить оксалон линейной плотности 100 текс, 200 текс, 29,4 текс. Производство однопоточное. Метод производства полунепрерывный Синтез идет в реакторе идеального смешения. Реактор - эмалированная емкость, снабженная рубашкой для теплоносителя и хладагента и мешалкой. Реактор имеет штуцер для подачи раствора мономеров, олеума, серной кислоты, воздушник и патрубок выхода полимера и отбора проб.

В настоящее время ведутся активные поиски для усовершенствования различного вида оборудования.

Рассмотрена конструкция и принцип действия нового вида химического реактора, обеспечивающего проведения комплексных процессов по перемешиванию исходной смеси высоковязких полимерных материалов и их гранулирование при низких температурах. Реактор такого типа разработан фирмой Celanese Corporation, позволяет осуществить процесс непрерывной полимеризации смеси исходных мономеров в двухшнековом экструдере при температуре ниже температуры стеклования компонентов исходной смеси, благодаря применению процессов охлаждения за счёт испарения жидкой фазы перерабатываемой смеси материалов. Сообщены технические характеристики нескольких модификаций этого экструдера и приведены примеры его использования для приготовления гранульных продуктов. Рассмотрены полимерные процессы, протекающие на различных стадиях переработки исходной массы материалов [1].

Предлагается высокотемпературный реактор для приготовления высокотемпературных смесей с эндотермическим реагированием отдельных компонентов при осуществлении гомогенных или гетерогенных реакций в сфере биотехнологии, химической и фармацевтической промышленности. Реактор обладает очень высокой стойкостью к агрессивному воздействию химикалиев и характеризуется минимализацией текущий простоев и издержек на очистку [2].

В качестве конструкционных материалов применяются углеродная сталь Ст.3, эмалированная сталь, кислотостойкие стали Х18Н9Т, Х20Н12М3Т и другие, двухслойная сталь Ст.3 – Х18Н9Т, алюминий и сравнительно редко никель и мель[3].

Реакционные котлы с мешалками широко применяются в ряде производства конденсационных (фенольно – формальдегидных, мочевино – формальдегидных, полиэфирных и других) и полимеризационных смол (поливинилацатата, поливинилацеталей, эмульсионного полистирола и других. В зависимости от масштабов производств реакционные котлы имеют ёмкость от 0,5 до 10 м3[4].

Автоклавы находят применение для ряда периодических производств, проводимых при повышенных давления: полимеризация хлорвинила по суспензионному методу, фторопластов, капролактама и других, а также эфиризацией (этилцеллюлоза, метилцеллюлоза) и некоторых процессов поликонденсации. В этих случаях используются преимущественно автоклавы вертикального типа с мешалками и рубашками[5].

Горизонтальные реакционные барабаны с вращающимися внутри барабана мешалкой применяются в производстве ацетилцеллюлозы (триацетата, диацетата) и иногда в некоторых полимеризационных процессах (полимеризация хлорвинила в периодических процессах на некоторых зарубежных заводах)[6].

 

3.Характеристика сырья, готовой продукции. Стандарты

 

 

Сырьё и продукция. Характеристика масел до и после гидроочистки приведена в таблице 1. Побочные продукты установки:

   1. Отгон – применяется  в качестве компонента котельного  топлив;

   2. Сероводород –  направляется на установки производства  серы или серной кислоты;

   3. Углеводородный  газ – используется как топливо  для трубчатых печей.

 

Таблица 1. Результаты гидроочистки масел

Показатели	Масло ДС - 11		Остаточное масло
	исходное	очищенное	исходное	очищенное
Вязкость, при 1000С, мм2/с	10,5	9,7	21	20,8
Коксуемость,%	-	-	0,45	0,27
Содержание серы, %	1,1	0,7	1,0	0,8
Индекс вязкости	82	84	-	-
Цвет (мм)	22	80	6,5	3,1

 

Из таблицы 1 видно, что в результате гидроочистки индекс вязкости несколько повышается, а коксуемость, содержание серы – снижаются.

   Установка гидроочистки  масел имеет 3 параллельных потока. Потоки могут перерабатывать как одинаковое, так и разное сырьё одновременно. Каждый из потоков состоит из двух частей: 1) блок гидроочистки масел и регенерации катализатора; 2) блок очистки циркуляционного газа от сероводорода.

 

Катализаторы

 

  Состав катализаторов оказывает существенное влияние на избирательность реакций, поэтому соответствующим подбором катализаторов удается осуществлять управление процессом гидроочистки в довольно широких пределах.

   В промышленности  для данного процесса широко  применяются алюмокобальтмолибденовые (АКМ) или алюмоникельмолибденовые (АНМ) катализаторы.

   Промышленный алюмокобальтмолибденовый катализатор обладает весьма высокой избирательностью. Реакций разрыва связей С-С или насыщения ароматических колец в его присутствии практически не протекают. Он обладает высокой активностью в реакциях разрыва связей С-S и высокой термической стойкостью, вследствие чего имеет длительный срок службы. Важным преимуществом данного катализатора является стойкость к потенциальным каталитическим ядам. Кроме того, этот катализатор обладает приемлемой активностью в реакциях насыщения непредельных соединений, разрыва связей углерод - азот, углерод - кислород, и практически используется для гидроочистки всех нефтяных фракций.

   Алюмоникельмолибденовый катализатор менее активен в реакциях насыщения непредельных соединений, зато более активен в отношении насыщения ароматических углеводородов (10-50% по сравнению с АКМ) гидрирования азотистых соединений (на 10- 18% выше, чем с АКМ).

 

3.Характеристика сырья  и готовой продукции

 

1) Бензин нестабильный  ЮК, направляемый на установку "Фракционирования" со свойствами:

• плотность при 15,6°С, кг/м3  642¸648
• молярная масса    69,9¸70,5
• коэффициент "К" UOP   12,69¸12,75
• содержание Н2S, % масс.               3,45¸4,2
• органическая сера, ppm                <5
• азот, ppm      <5

2) Стабильный продукт  ЮК, направляемый на установку "Фракционирование" со свойствами:

• плотность при 107°С, кг/м3              818,6
• Н20      4,22 %мол.
• легкая бензиновая фракция              23,48 %мол.
• тяжелая бензиновая фракция             12,12 %мол.
• керосиновая фракция   17,16 %мол.
• дизельная фракция                26,98 %мол.
• фракция 3660С - к.к.                14,70 %мол.