Распределительные устройства реакторов гидропроцессов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 665.075.32

Е. В. Садовин, Е. А. Емельянычева

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА РЕАКТОРОВ ГИДРОПРОЦЕССОВ

Ключевые слова: гидрогенезационные процессы, распределительные устройства.

В статье представлены внутрикорпусные устройства реакторов гидропроцессов. Рассмотрены типы распределительных устройств реакторов с аксиальным вводом сырья, применяемых в производстве моторных топлив. Сделаны выводы по эффективности применения того или иного типа распределительных устройств в зависимости от качества сырья и технологических параметров гидропроцесса.

Keywords: hydrogenation, reactor's auxiliary structure, fluid manifold.

The article overviews is internals of hydrotreating reactors with the axial input of raw materials. The article reviews the advantages and disadvantages of used equipment designs. Conclusions on the effectiveness of the application of a particular type of switchgear depending on the quality of the raw materials and the technological parameters of the hydroprocess are presented.

Увеличение объема производства нефтепродуктов, улучшение качества и расширение их ассортимента - основные задачи, поставленные перед нефтехимической промышленностью на сегодняшний день. Практически на всех нефтеперерабатывающих заводах доля вторичных процессов растет совместно с глубиной переработки нефтепродуктов. В настоящее время увеличивается количество сернистых и высокосернистых нефтей, поступающих на НПЗ, также увеличивается поступление дизельных фракций с установок вторичных процессов, которые в отличие от прямогонной дизельной фракции содержат большее количество серосодержащих, азотсодержащих, кислородсодержащих соединений, а также олефинов [1,2].

Гидропроцессы - процессы химического превращения веществ под воздействием водорода при высоком давлении и температуре. Эти процессы направлены на снижение содержания сернистых соединений в товарных нефтепродуктах. Содержание серы - самый важный показатель у современных дизельных топлив. Он нормируется для всех классов дизельного топлива и в соответствии с классом должен составлять 10 мг/кг [3,4]. Совместно со снижением серы происходит насыщение непредельных углеводородов, снижение содержания смол, кислородсодержащих соединений. Гидроочистка является основным вторичным процессом в нефтепереработке, ни один современный нефтеперерабатывающий завод не может обойтись без установки гидроочистки. Удаление сернистых соединений из дистиллятов способствует значительному увеличению моторесурсов двигателей, снижению или полному устранению коррозии аппаратуры при переработке и транспортировании гидроочищенных нефтяных фракций, улучшению цвета и запаха продуктов, а также увеличению их стабильности к смолообразованию при хранении. Кроме того, применение малосернистых топлив предотвращает загрязнение воздуха. В настоящее время на большинстве отечественных и зарубежных установках гидроочистки применяются алюмокобальтмолибденовый и алюмоникельмолиб-деновый катализаторы [5].

Промышленному развитию гидроочистки способствовало широкое внедрение каталитического

риформинга, обеспечивающего получение необходимого для процесса водорода. В настоящее время гидроочистке подвергается чрезвычайно широкий ассортимент нефтепродуктов — от легких бензинов до сырой нефти и остатков. Условия очистки зависят от характера исходного сырья и требований к качеству очищенных продуктов [6]

С тех пор как первые промышленные установки гидроочистки были введены в эксплуатацию (в пятидесятых годах XIX века), производители катализаторов разработали для промышленности катализаторы с повышенной активностью, отвечающие требованиям спецификации со строгим соблюдением низкого содержания серы, азота и ароматических углеводородов. Ключевые параметры для дальнейшего улучшения характеристик установки с высокоактивным катализатором - это улучшение эффективного распределения реагирующих веществ в реакторе и наружное смачивание частиц катализатора. Необходимо уделять серьезное внимание таким проектным параметрам как размеры реактора, выбор соответствующих распределителей, а также эксплуатационным факторам, представляющим предварительное смачивание слоя катализатора, модуляции потока и т. д. [2,7].

Реакторы гидропроцессов обычно имеют цилиндрическую форму, их размеры рассчитывают в зависимости от объемной скорости потока жидкости и газа, допустимой скорости жидкости для поддержания требуемого режима потока и допустимого перепада давления [9].

Конструкция аппарата должна обеспечить заданный режим эксплуатации, быть технологичной, надежной в течение срока службы, обеспечивать безопасность при изготовлении, монтаже и эксплуатации, предусматривать возможность контроля технического состояния аппарата. Важной особенностью является наличие в реакторах гидропроцессов внутрикорпусных устройств, которые служат для рационального использования реактора, а именно: предотвращают струйное попадание сырьевого потока на слой катализатора, обеспечивают движение потока в аппарате с одинаковой скоростью по всему его сечению, равномерно распределяют газосырье-

вой поток по продольному и поперечному сечению реактора [10,11].

Рис. 1 - Реактор с аксиальным вводом сырья

Внутрикорпусные устройства реакторов размещаются в зонах входа в слой катализатора, внутри его и на выходе. Примером таких приспособлений могут служить входные диффузоры, тарелки различных типов распределителей, охлаждающие системы, решетки для поддержания катализатора, выходные коллекторы, слои инертных шариков и т. д. (рис. 1) [9]. Наиболее важными из их числа являются тарелки распределителей, устанавливаемые над слоем катализатора, и охлаждающая система, расположенная между слоями катализатора и предназначенная для охлаждения и перераспределения потоков.

Известные конструкции жидкостных распределительных устройств делятся на пять категорий. Первая представляет собой серии желобов и водосливов для последовательного разделения жидкости на множественные потоки перед ее контактом со слоем катализатора. Данный тип распределителя представлен на рис. 2а.

Второй тип жидкостных распределительных устройств (рис. 2б) представляет собой перфорированную горизонтальную тарелку. Этот тип распределительного устройства может быть использован для предварительного жидкостного распределения в сочетании с более тонкой конечной жидкостной распределительной тарелкой. Эти тарелки просты в конструкции и способны обеспечивать наибольшее число потоков по поперечному сечению слоя катализатора. Но распределители с перфорированными тарелками обладают высокой чувствительностью к ровному положению тарелки, а перфорационные отверстия могут легко засоряться продуктами коррозии или другими частицами, занесенными в реактор вместе с сырьем. Кроме того, в приспособлениях этого типа гибкость к нагрузке жидкости весьма низкая. Другим недостатком этой конструкции является то, что она не может быть рассчитана на работу при разных рабочих условиях. Таким образом,

этот тип приспособления не обеспечивает достаточного распределения.

Третий тип жидкостных распределительных устройств представляет собой тарелку с патрубком для прохода газа (рис. 2в). В этом устройстве используется ряд вертикальных трубок, установленных обычно по схеме квадрата или правильного треугольника с равномерным шагом на горизонтальной тарелке. Вертикальные трубки обычно имеют отверстия по сторонам для прохода жидкости. Сверху вертикальные трубки открыты, чтобы позволить пару спускаться через центр патрубков. Некоторые конструкции используют специальные паровые сливные патрубки, чтобы контролировать объем парового потока. Такие конструкции исключают застой при засорении системы. Конструкция таких распределителей имеет сливные отверстия, расположенные вертикально относительно оси трубы; эта система обеспечивает большую гибкость при изменении отношения пар/жидкость. Подобные конструкции решают проблему равновесия тарелок - увеличены допустимые отклонения. Распределители проектируют таким образом, чтобы поддержать уровень жидкости в рабочих условиях выше уровня отверстий вытекания жидкости.

Рис. 2 - Типичные распределительные устройства

Четвертый тип жидкостного распределительного устройства представляет собой колпачковую барбо-тажную тарелку. В этом устройстве используются несколько колпачков, равно распределенных на горизонтальной тарелке. Барботажный колпачок устанавливается концентрически по центру вертикальной трубки. Края колпачка снабжены просечками для парового потока. Жидкость поступает под колпачок и вместе с паром поднимается вверх в кольцеобразное пространство и затем вниз через центр вертикальной трубки. Конструкция барботажного колпачка менее чувствительна к неровностям тарелки, чем другие системы, поскольку жидкость на тарелке переносится паром. Кроме того, эта конструкция менее склонна к загрязнениям в сравнении с распределителями, имеющими вытяжную трубу. Основным недостатком распределителя с барботаж-ным колпачком является то, что колпачок имеет значительный диаметр; следовательно, на слой катализатора приходится меньшее число точек налива сырьевой смеси.

Распределители пятого типа (рис. 2г) являются модернизированными распределителями предыдущего типа с барботажными колпачками. Отличием является наличие дополнительных отверстий в вертикальном патрубке. Также тарелки имеют намного меньший диаметр вытяжной трубы, что позволяет установить больше точек распределения через поверхность тарелки. Эти распределители обладают низкой уязвимостью от засорений, обычно свойственную колпачковым тарелкам с паровыми распределителями [14].

Зачастую все оборудование изготавливается из нержавеющих сталей: 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, АК1 321. Тарелки, решетка, кольцо и корзина выполняются по возможности составными. Сборка их осуществляется при монтаже в реакторе. Тарелки и решетка выполнены таким образом, что в центральной части организован люк-лаз. Люк-лаз позволяет без разборки всей тарелки путем снятия центральных панелей обеспечить доступ, при необходимости, до нижней точки реактора.

Крепление панелей к балкам, опорным кольцам и между собой осуществляется специальными крепежными деталями без применения резьбовых соединений. Такая конструкция крепежных элементов облегчает монтаж и демонтаж внутренних устройств. Стыки между опорными поверхностями панелей, балок и опорных колец уплотняются плоскими прокладками, в зазоры между цилиндрическими поверхностями укладывают шнур круглого сечения [16].

В большинстве случаев тарелки можно снабжать распределителями для создания равномерно распределенного потока по слою, расположенному ниже. Однако указанные распределители могут иметь недостатки, например, в случае, когда идеальные условия отсутствуют, и имеет место неравномерное распределение жидкости. Как пример, неидеальные условия распределения могут существовать в ходе запуска установки, например, после проведения текущего ремонта. Данные неидеальные условия могут приводить к нежелательному смачиванию слоя катализатора ниже распределителя. Указанное неравномерное смачивание может обусловливать возникновение горячих точек в слое катализатора, приводя к образованию одного или нескольких очагов сокращенного срока службы катализатора. В дополнение к этому, неравномерный поток жидкости может обеспечивать образование местных сквозных протоков через слой. Как следствие, желательно предусматривать распределитель, который обеспечивает лучшее и однородное смачивание расположенного ниже слоя катализатора для исключения указанных недостатков и продления срока службы катализатора [17-19].

Кроме того, часто желательно предусматривать распределители, которые являются относительно несложными для изготовления. Как следствие, желательно разработать распределитель, который мо-

жет рационально и эффективно обеспечивать равномерный поток текучей среды [20].

Литература

1. Ronald (Ron) F., ColwellP.E. © 2015 Журнал «Нефтегазовые технологии» 5-2014.

2. Фаттахаев Р.М., Назаров А.А., Поникаров С.И. Методы моделирования гидродинамики. Вестник КНИТУ-2014, №11. 2014 - с.106-108.

3. А.В.Сугак, В.К.Леонтьев, Ю.А.Веткин. Оборудование

нефтеперерабатывающего производства : учеб. пособие

для студ. учреждений сред. проф. образования /. — М.:Издательский центр «Академия», 2012. — 336 с.

4. Петров В.В., Моисеев А.В., Бурдакова Е.С., Красий Б.В. Гидроочистка прямогонных дизельных топлив на шариковых алюмоникельмолибденовых катализаторах / Нефте-переработка и нефтехимия. - 2013. №2. - С. 16-18.

5. Дунюшкина Р.Е. Стимулирование производства экологичных моторных топлив евростандарта на НПЗ России. /Мир нефтепродуктов, - 2006. - №1. - С. 6-11.

6. В. Г. Власов. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию «Гидроочистка, гидро-обессеривание и гидрокрекинг нефтяного сырья». - Самара: СамГТУ, 2010.

7. Капустин В.М., Гуреев А.А. Технология переработки нефти. Часть вторая. Деструктивные процессы. - М.: Колос, 2007. - 334 с.

8. PrasadG., Dr. MaitiR. N., YalagaV. © 2015 Журнал «Неф-тегазовые технологии» 8-2014.

9. Леонтьев B.C., Сидоров С.И. Современные насадоч-ных колонны: особенности конструктивного оформления / Химическая промышленность. 2005г. — № 7

10. ГОСТ Р 53684-2009 «Аппараты колонные. Технические требования».

11. Аннотация статей журнала «Химическое и нефтегазовое машиностроение за 2010г». [Электронный ресурс]: -Режим доступа: http:// himnef.ru/arhiv/list.html

12. Научно-технологический журнал «Технологии нефти и газа». Доступ: http://www.nitu.ru/tng.htm

13. Кондрашёва Н.К., Кондрашёв Д.О. Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию установок гидроочистки - Уфа: УГНТУ, 2005. - 45с.

14. Алексеев К.А., Мухаметзянова А.Г. Экспериментальное исследование гидродинамических характеристик статического смесителя, заполненного кольцами Раши-га. Вестник КНИТУ. 2013, №24. 2013 - с.152-156.

15. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа. - Уфа: Гилем, 2002. - 669 с

16. Зиберт Г.К., Феоктистова Т.М. Объемные насадки. — М.: ИРЦ «Газпром», 2002г. — С. 52.

17. Каталог «Оборудование для нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств». М., «РИ-ФИНГ», 2016 г

18. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: ООО ТИД Альянс, 2005. - 753 с.

19. Иванова Л.С., Илалдинов И.З. Проектирование установки гидроочистки дизельного топлива Вестник КНИ-ТУ. 2013, №7. 2013 - с.229-231.

20. С.М. Ткачев. Технология переработки нефти и газа. Процессы глубокой переработки нефти и нефтяных фракций: учеб.- метод. комплекс.Ч.1.Курс лекций.- Но-вополоцк : ПГУ,2006. -392 с.

© Е. В. Садовин - студент группы 415-М43 КНИТУ; Е. А. Емельянычева - к.т.н., доцент кафедры ХТПНГ КНИТУ, bashkircevan@bk.ru.

© E. V. Sadovin - the student of 415-М43 from KNRTU; E. A. Emelyanycheva - c.t.s., Associate Professor of CTPOG from KNRTU, bashkircevan@bk.ru.