Установка каталитического крекинга УКК-Машины и аппараты нефтехимических производств-Дипломная работа

Установка каталитического крекинга УКК-Машины и аппараты нефтехимических производств-Дипломная работа
Дипломный проект 132 с. машинописного текста, 23 иллюстраций, 64 таблицы, 30 использованных источников.
Ключевые слова: КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ, КАТАЛИЗА-ТОР, РЕАКТОР ЛИФТНОГО ТИПА, БЕНЗИНОВАЯ ФРАКЦИЯ, ТЕП-ЛООБМЕННИК, НАСОС.
В данной работе объектами изучения являются реактор, теплообмен-ное и насосное оборудование установки каталитического крекинга.
В соответствии с заданием на выпускную работу проводился литера-турный обзор основного оборудования процесса каталитического крекин-га, была изучена принципиальная схема установки, и приведены техноло-гические и механические расчеты реактора лифтного типа, подобраны не-обходимые теплообменник и насосный агрегат, разработаны их рабочие чертежи.
В работе рассмотрены вопросы, связанные с безопасностью и эколо-гичностью процесса каталитического крекинга. Технико-экономические расчёты показали высокую рентабельность строительства аналогичных установок.
Важнейшей задачей нефтеперерабатывающей промышленности яв-ляется углубление переработки нефти, ускоренное развитие автомобиль-ных, дизельных и других видов топлив, сырья для нефтехимии на основе использования новых эффективных катализаторов и адсорбентов, совре-менного высокопроизводительного оборудования, внедрения принципа комбинирования процесса в составе единой установки повышенной мощ-ности [1].
Каталитический крекинг – термокаталитическая переработка нефтя-ных фракций с целью получения компонента высокооктанового бензина, легкого газойля и непредельных жирных газов.
Каталитический крекинг – один из важнейших процессов, обеспечи-вающих глубокую переработку нефти. Внедрению каталитического кре-кинга в промышленность в конце 30-х гг. 20 в. (США) способствовало со-здание эффективного с большим сроком службы катализатора на основе алюмосиликатов (Э. Гудри, 1936 г.).
Основное достоинство процесса – большая эксплуатационная гиб-кость: возможность перерабатывать различные нефтяные фракции с полу-чением высокооктанового бензина и газа, богатого пропиленом, изобута-ном и бутенами; сравнительная легкость совмещения с другими процесса-ми, например, с алкилированием, гидрокрекингом, гидроочисткой, ад-сорбционной очисткой, деасфальтизацией и т.д. Такой универсальностью объясняется весьма значительная доля каталитического крекинга в общем объёме переработки нефти.
Для глубокой переработки нефти решающее значение имеет процесс каталитического крекинга, позволяющий из разнообразного малоценного тяжелого сырья получать высооктановые бензины, сырье для нефтехимии и ал-

килирования, производства технического углерода и кокса.
Повышение выработки моторных топлив на единицу перерабатыва-емой нефти требует опережающего развития вторичных каталитических процессов, позволяющих углубить переработку нефти и производить до-полнительные количества светлых нефтепродуктов из фракций мазута.
Радикальное улучшение процесса каталитического крекинга связано с внедрением цеолитсодержащих катализаторов. Технология этого про-цесса является весьма гибкой, и при необходимости позволяет в широких пределах варьировать выход продуктов с целью повышения производства наиболее желательного из них. Высокая эффективность каталитического крекинга, надежность использованного оборудования и возможность со-здания автоматизированных установок большой мощности обуславливают широкое внедрение в нефтеперерабатывающей промышленности и созда-ют благоприятные условия для дальнейшего использования [2].
Целью проекта является – модернизация узла ввода сырья, позволяющая достичь эффективной работоспособности установки.

1.1 Технико-экономическое обоснование проектируемой установки
Правильное решение задачи выбора пункта строительства оказывает существенное влияние на экономику строительства, определяя его про-должительность и стоимость, а также издержки по эксплуатации после ввода в строй объекта. При обосновании выбора пунктов строительства, влияние различных факторов необходимо учитывать таким образом, что-бы выбранный пункт наиболее полно отвечал их требованиям, т.е. обеспе-чивал максимальное приближение к сырьевым, энергетическим, водным ресурсам, к местам потребления готовой продукции, использование наиболее эффективных транспортных средств и энергетических источни-ков, требующих небольших капитальных затрат и другие.
Для выбора площадки строительства завода основными исходными показателями служат: площадь застройки, суточный грузооборот пред-приятия, максимальный расход воды (в м3/ч), годовой и максимальный часовой расход электрической и тепловой энергии, суточный сброс сточ-ных вод и их характеристика.
Павлодарский нефтехимический завод является единственным, кото-рый перерабатывает импортируемую из Российской Федерации нефть с месторождений Западной Сибири. Казалось бы, ПНХЗ не выдержит кон-куренции с аналогичными заводами в городах Чимкенте и Атырау, пере-рабатывающих казахстанскую нефть, которая дешевле и доступней. Но Западно-Сибирская нефть обладает такими свойствами, как: малое содер-жание сернистых соединений и парафиновых углеводородов, которые поз-воляют получать качественные нефтепродукты. Кроме того, такие продук-ты, как самолётное топливо марки ТС-1, ракетное топливо марки РТ и прочее топливо

для реактивных и турбо-реактивных двигателей должного качества могут быть получены именно из смеси Западно-Сибирских нефтей [3].
Всё вышеизложенное делает Павлодарский нефтехимический завод не только конкурентоспособным, но и лидирующим предприятием по ка-честву изготавливаемых нефтепродуктов, а его выгодное географическое положение – расположение рядом с Екибастузским угольным бассейном и Екибастузским ГРЭС, вырабатывающими дешёвую электрическую энер-гию, лишь упрочняет его лидерство среди нефтеперерабатывающих заво-дов республики. Сравнивая основные свойства продукции, выпускаемой базовым предприятием и с другими в ближнем и дальнем зарубежье, мож-но утверждать, что данное производство может конкурировать на рынке сбыта. Данные сведены в таблицу 4.
Проектируемая установка каталитического крекинга – составная часть комбинированной установки глубокой переработки мазута КТ – 1, которая является в настоящее время наиболее современной и технически совершенной установкой глубокой переработки нефти по топливному ва-рианту. В её состав входят следующие блоки:
– вакуумной перегонки мазута;
– гидроочистки сырья каталитического крекинга;
– каталитического крекинга и ректификации;
– абсорбции и газофракционирования;
– очистки дымовых газов.

Таблица 1.1 – Сравнительная характеристика качества продукции, выпускаемой базовым предприятием и конкурентами в ближнем зарубе-жье
Наименование
показателей ГК-3 1А/1М Г-43107М/1 Г-43–107
 ОАО «Ангарский НХК» ОАО «Уфа-нефтехим» Уфимский НПЗ Павлодар-ский НПЗ
Выход бензина (С5-205°С), % масс. 52,0 50,8 55,0 48,6
Октановое число бензина:    
м.м. 82,5 81,5 82,5 82,9
и.м. 93,5 92,5 93,5 92,7
Комбинирование отдельных установок в единый технологический комплекс усложняет его эксплуатацию, требует от обслуживающего пер-сонала высокой профессиональной подготовки. Значительно возрастает также «цена» простоя оборудования в случае производственных непола-док в любом из звеньев технологической цепи. Однако это в полной мере окупается явными преимуществами комбинирования, в сравнении с ком-плексом отдельно стоящих установок:
– сокращение площади строительства в 3 раза;
– снижение общих капиталовложений на 36,2%;
– сокращение численности обслуживающего персонала и, следова-тельно, увеличение производительности труда.
Входящая в состав комплекса установка каталитического крекинга Г43–107 является наиболее совершенной из всех установок каталитическо-го крекинга, так как выявляет все преимущества цеолитсодержащих ката-лизаторов.
Введение этого типа установки позволяет:
– увеличить выход целевых продуктов процесса;
– улучшить экономические характеристики процесса [4].

1.2 Назначение процесса каталитического крекинга
Каталитический крекинг – процесс каталитического деструктивного превращения разнообразных нефтяных фракций в моторные топлива, сы-рье для нефтехимии и алкилирования, производства технического углеро-да и кокса. Целевым назначением процесса является получение высокока-чественного бензина с октановым числом (в чистом виде) 90–92 по иссле-довательскому методу. При каталитическом крекинге образуется значи-тельное количество газа, богатого бутан-бутиленовой фракцией (сырье для производства высокооктанового компонента бензина-алкилата). Установки каталитического крекинга являются также поставщиком сырья для хими-ческой промышленности: из газойлей каталитического крекинга получают сажевое сырье и нафталин; тяжелый газойль может служить сырьем для производства высококачественного «игольчатого» кокса.
Для обеспечения максимального выхода целевых продуктов и мини-мального количества побочных, а также для достижения высоких технико-экономических показателей процесса, катализатор крекинга должен иметь следующие основные свойства [5]:
– высокую активность, способствующую большей глубине превра-щения исходного сырья при прочих равных условиях;
– высокую селективность, которая оценивается способностью катали-затора ускорять реакции получения бензина и снижать скорость побочных реакций: образования газа и кокса;
– стабильность.
Стабильность активности, селективности и механических свойств ка-тализатора в процессе эксплуатации особенно важна в системах с кипящим слоем катализатора. Катализатор должен быть стойким к истиранию, рас-трескиванию и давлению вышележащих слоев, а также не должен истирать аппаратуру;
– высокие регенерационные свойства, характеризующиеся способно-стью быстро и многократно восстанавливать свою активность и селектив-ность при окислительной регенерации без нарушения поровой структуры и разрушения частиц.
Заложенный в проекте микросферический цеолитсодержащий ката-лизатор в значительной степени отвечает всем перечисленным требовани-ям, предъявляемым к современным катализаторам крекинга.
Химический и фракционный состав сырья крекинга оказывает значи-тельное влияние на процесс каталитического крекинга.
С целью улучшения качества сырья каталитического крекинга в со-став комплекса введена предварительная гидроочистка сырья, что позво-ляет полностью исключить влияние колебаний в изменении качественного состава сырья на результаты процесса крекинга и стабилизировать работу реакторно-регенераторного блока [2].
Процесс с применением гидроочищенного сырья протекает более глубоко и селективно, в результате чего возрастает абсолютный выход бензина и снижается выход кокса [6].
Отличительной особенностью продуктов крекинга, полученных при переработке гидроочищенного сырья, является низкое содержание в них серы, это исключает дополнительные затраты по их гидрооблагоражива-нию.
Промышленные установки каталитического крекинга, различают по организации процесса:
1) Периодические (реакторы Гудри). Через нагретый стационарный слой катализатора пропускают сырье и после того как он закоксуется ре-актор ставят на регенерацию;
2) Непрерывной регенерации. Из реактора выводится закоксованный катализатор, с поверхности которого выжигается кокс в отдельном аппа-рате и возвращается в реактор. После регенерации катализатор сильно нагрет, чего хватает для процесса крекинга, поэтому процесс каталитиче-ского крекинга не нуждается в подводе внешнего тепла.
Установки непрерывной регенерации подразделяются:
1) Реакторы с движущимся слоем катализатора. Слой шарикового катализатора движется сверху вниз по реактору навстречу поднимающим-ся парам сырья. При контакте происходит крекинг, катализатор через низ отправляется на регенерацию, продукты на разделение. Регенерация про-текает в отдельном аппарате с помощью воздуха; при этом выделяющееся при сгорании кокса тепло используют для генерации пара. Типовая уста-новка – 43–102.
2) Реакторы с кипящим слоем катализатора. Микросферический ка-тализатор витает в потоке паров сырья. По мере закоксовывания частицы катализатора тяжелеют и падают вниз. Далее катализатор выводится на регенерацию, которая проходит также в кипящем слое, а продукты идут на разделение. Типовые установки – 1-А/1М, 43–103.
3) Реакторы с лифт-реактором. Нагретое сырье в специальном узле ввода диспергируется и смешивается с восходящим потоком катализатора в специальном узле. Далее смесь катализатора и продуктов крекинга раз-деляется кипящем слое в сепараторе специальной конструкции. Остатки продуктов десорбируются паром в десорбере. Время контакта сырья и ка-тализатора составляет несколько секунд. Типовая установка – Г-43-107.
4) Миллисеконд. Характерная особенность процесса – отсутствие лифт-реактора. Катализатор поступает в реактор нисходящим потоком, в катализатор перпендикулярно направлению его движения впрыскиваются пары сырья. Общее время реакции составляет несколько миллисекунд, что позволяет (повысив соотношение катализатор: сырье) добиться повышения выхода бензиновой фракции вплоть до 60–65%
На данный момент наиболее совершенными являются лифт-реакторы. Выход бензина на них составляет 50–55% с октановым числом 91–92,5, тогда как у реакторов с кипящим слоем выход бензина 49–52% с октановым числом 90-92,5.
Промышленные установки каталитического крекинга 43–102, тер-мофор, Гидрифлоу с циркуляцией крупногранулированного катализатора включает блоки реакторно-регенераторный и нагревательно-фракционирующий. Достоинство системы каталитического крекинга с крупногранулированным катализатором является равномерное контакти-рование всех катализаторных частиц с углеводородными парами в зоне реакции и с воздухом в зоне регенерации, что приводит к одинаковой за-коксованности всей массы катализатора после реактора и к одинаковому содержанию остаточного кокса на катализаторе после регенерации. В ре-зультате продолжительного пребывания катализатора в реакторе и реге-нераторе температурный режим реакторного блока довольно стабилен, и его регулирование облегчается.
Недостатком установок описанного типа являются ограниченные возможности системы пневмотранспорта крупногранулированного ката-лизатора. Высокий удельный расход транспортирующего газа (не менее 1 кг на 20 кг катализатора) не позволяет иметь установок большой мощно-сти: максимальная пропускная способность установок такого типа не пре-вышает 4000–5000 т в сутки. Из-за длительного времени пребывания ката-лизатора в реакционной зоне цеолитный катализатор используется в этой системе недостаточно эффективно [4–5].
Для крекинга в псевдоожиженном слое используют катализатор в виде частиц неправильной формы (пылевидный) или в виде мельчайших шариков (микросферический). В обоих случаях размеры частиц составля-ют 10–120 мкм. Каталитический крекинг в псевдоожиженном слое значи-тельно более распространен, чем крекинг в движущемся слое крупногра-нулированного катализатора. Распространенность этого процесса объяс-няется его большой гибкостью, позволяющей перерабатывать разнообраз-ное сырье и проектировать установки мощностью от нескольких сотен до 10–15 тыс. т в сутки. Для регенерации катализатора требуется более про-стое конструктивное оформление. В некоторых случаях обходятся без трубчатых печей: тепло, выделяющееся при регенерации, полностью ис-пользуют для подогрева и крекинга сырья.
Внедрение цеолитсодержащих катализаторов внесло значительные изменения в устройство реакторного блока. Высокая активность цеолитов заставила отказаться от традиционного псевдоожиженного слоя и исполь-зовать реакторы лифтного типа или комбинировать их с псевдоожижен-ным слоем. Можно назвать следующие модификации процесса на цеолит-ных катализаторах:
1) крекинг в одном лифт-реакторе;
2) крекинг в двух лифт-реакторах;
3) последовательный крекинг в лифт-реакторе и в псевдоожиженном слое;
4) крекинг в лифт-реакторе и параллельно в лифт-реакторе и в псев-доожиженном слое.
Некоторые из этих вариантов представлены на рисунке 1. Практиче-ски все эксплуатируемые ранее установки с псевдоожиженным слоем под-верглись реконструкции. На рисунке 1а бывший реактор состоит только из отстойной и отпарной зон, а вся реакция протекает в пневмоподъемнике. На рисунке 1б свежее сырье крекируется в лифтном реакторе, но реакция завершается в псевдоожиженном слое, уровень которого зачительно ниже, чем на старых установках. На рисунке 1б и в свежее сырье и рециркулят подают по разным линиям: продукты крекинга свежего сырья быстро от-деляются от катализатора и через циклоны уходят из отстойной зоны, а крекинг рециркулята завершается в псевдоожиженном слое.


1 – реактор-сепаратор катализатора; 2 – отпарная секция; 3 – регенера-тор; 4 – лифт-реактор свежего сырья; 5 – лифт-реактор реуциркулята;
I – сырье; II – воздух; III – водяной пар; IV – продукты реакции; V – рециркулят из колонны; VI – дымовые газы

Рисунок 1 – Варианты реакторов лифтного типа

На нефтеперерабатывающих заводах в основном эксплуатируются установки каталитического крекинга 1-А/1-М и комбинированные уста-новки переработки типа ГК. На одном из заводов работает установка 43–103, а для перспективного внедрения создана установка Г-43–107 [7], в со-став которой входят следующие блоки: гидроочистка вакуумного дистил-лята, каталитический крекинг, ректификация и газофракционирование продуктов крекинга.
Учитывая все плюсы и минусы вышерассмотренных промышленных установок каталитического крекинга. Нами было принято решение за ос-нову реакторного блока выбрать схему каталитического крекинга по типу установок Г43-107 с прямоточным лифт-реактором с псевдоожиженным слоем микросферического катализатора, так как он является перспектив-ной в крупнотоннажном производстве. В качестве технологической базы для расчётов дипломного проекта была принята установка каталитическо-го крекинга КТ-1 Павлодарского нефтехимического завода (ПНХЗ)[3].
По технологическому и конструктивному решению эта установка яв-ляется более эффективной модификацией по сравнению с существующими на сегодняшний день моделями [4]. Отличительные особенности: примене-ние прямоточного лифт-реактора, что позволяет отделять продукты реак-ции от катализатора; использование более совершенного вертикально-секционированного регенератора, упрощенной системой транспортных линий и возможности регулирования потоков. Такие усовершенствования увеличили эффективность и надежность работы реакторно-регенераторного блока.

1.3 Пути усовершенствования процесса
Несмотря на более чем многолетнюю историю процесса каталитиче-ского крекинга задача совершенствования его технологического и аппара-турного оформления остается весьма актуальной. Применительно к отече-ственным установкам каталитического крекинга актуальность этой задачи обуславливается необходимостью увеличения продолжительности межре-монтного пробега с уже достигнутых двух до 4–5 лет. Наиболее важный аспект этой задачи – повышение надежности применяемых технологий и оборудования, а также эффективности самого процесса.
В последние несколько лет на основе научно-исследовательских ра-бот ученых осуществляется реконструкция реакторного блока установок каталитического крекинга ГК-3 Ангарской нефтехимической компании, 1-А/1-М ОАО «Уфанефтехим», Г-43–107М1 Уфимского и Лисачанского НПЗ.
Объектом пристального внимания исследователей является, прежде всего, узел смешения сырья с катализатором и системы выделения катали-затора из реакционного потока. И это понятно, учитывая необходимость жесткого ограничения контакта катализатора с сырьем, в значительной мере определяющего результат процесса.
Разработана конструкция циклона грубой очистки, где осуществля-ется отделение отработанного катализатора от продуктов крекинга с эф-фективностью 99%. В выводной патрубок циклона грубой очистки подает-ся легкий газойль в количестве, обеспечивающем снижение температуры в сепарационной зоне реактора до величины, при которой исключается раз-витие термических реакций крекинга. Благодаря этим техническим реше-ниям протекание неселективных вторичных реакций в сепарационной зоне сводится к минимуму [4].
Подобное конструктивное решение использовано в реакторном бло-ке установки каталитического крекинга Ангарской нефтехимической ком-пании [8].
Новшества в области реконструкции десорбера привели к примене-нию двухступенчатой отпарки катализатора, что позволяет повысить се-лективность образования целевых продуктов при снижении содержания водорода в коксе до 6–7% масс. На первой стадии отпарки осуществляется быстрое удаление увлеченных углеводородов, находящихся в простран-стве между частицами катализатора, что позволяет предупредить их пере-крекирование с образованием газа и кокса. Это достигается локальной по-дачей водяного пара непосредственно под выходным отверстием пылевоз-вратного стояка циклона. На второй стадии отпарки осуществляется уда-ление адсорбированных углеводородов в отпарной камере, оборудован-ной конусными каскадными элементами, конструкция которых обеспечи-вает эффективное перекрестное контактирование водяного пара и катали-затора [9].
Микроскопические размеры частиц катализатора обусловили высо-кие требования к степени диспергирования сырья практически до газооб-разного состояния. С этой целью в нижней части лифт-реактора установ-лены форсунки типа сопло Вентури [10]. Практика показала, что даже они не обеспечивают образование тонкодисперсного и однородного сырья, что сказывается на результатах процесса.

В данном дипломном проекте рассмотрена установка каталитическо-го крекинга производительностью по сырью 1500 тыс.т/год. Приведены технологические и механические расчёты реактора, теплообменника и насоса, а также представлено технико-экономическое обоснование.
Прочностные параметры элементов реактора, теплообменника и насоса отвечают выполнению требуемых условий эксплуатации. Разрабо-таны сборочные единицы реактора, теплообменника и насоса, а также ра-бочие чертежи их деталей.
В процессе расчета и конструирования аппаратуры были изучены ГОСТы, ОСТы, ТУ, РТМ и другие нормативно-технические материалы. При этом результаты расчета во многом определяются конструктивными решениями и материальным оформлением аппарата.
В экономическом расчете определены основные технико-экономические показатели установки каталитического крекинга гидро-очищенного вакуумного газойля:
- ЧДД за 5 лет составил 2 113 512,733 тыс. руб.;
- внутренняя норма доходности составляет 44%.