XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Химический реактор – устройство , аппарат для проведения химических превращений (химических реакций).
На практике,исходя из назначения или даже внешнего вида, используют много различных названий химических реакторов: реактор, колонна, башня, автоклав, камера, печь, контактный аппарат, полимеризатор, дожигатель, гидрогенизатор , окислитель и другие. По типу конструкции реакторы химические подразделяют на емкостные, колонные, трубчатые. 

Емкостные реакторы − это полые аппараты, часто снабженные перемешивающим устройством.Перемешивание газо-жидкостных систем может производиться барботированием газообразного реагента. Теплообмен осуществляется через поверхность химических реакторов или путем частичного испарения жидкого компонента реакционной смеси. К реакторам этого типа относят также аппараты с неподвижным или псевдоожиженным слоем (одним или несколькими) катализатора . 
В многослойных реакторах теплообменосуществляется смешением потоков реагентов или в теплообменных элементах аппарата. В емкостных реакторах проводят непрерывные, периодические и полупериодические процессы. 

Колонные химические реакторы могут быть пустотелыми либо заполненными катализатором или насадкой. Для улучшения межфазного массообмена применяют диспергирование с помощью разбрызгивателей, барботеров, механические воздействия (вибрациятарельчатой насадки, пульсация потоков фаз) или насадки, обеспечивающей высокоскоростное пленочное движение фаз. Реакторы данного типа используют в основном для проведения непрерывных процессов в двух- или трехфазных системах. 

Трубчатые химические реакторы применяют часто для каталитических реакций с теплообменом в реакционной зоне через стенки трубок и для осуществления высокотемпературных процессовгазификации. 
При одновременном скоростном движении нескольких фаз в таких реакторах достигается наиболее интенсивный межфазный массообмен. 

Классификация химических реакторов

Конструкции современных химических реакторов очень разнообразны и определяются типом реакции, фазовым состоянием реагентов, характером протекания процесса во времени (периодический, непрерывный), режимом движения реагентов (проточный, полупроточный, с рециклом), тепловым режимом.

1) По организационной структуре процесса (по способу подвода сырья и отвода продуктов):

- реакторы непрерывного действия

- реакторы периодического действия

- реакторы полупериодического или полунепрерывного действия.

Периодические реакторы характеризуются единством места завершения всех стадий процесса. Исходное сырье загружают в реактор и через определенное время выгружают продукты реакции, затем все операции повторяют. Реактор работает циклически. Время одного цикла равно

τ_цикла = τ_хим.р. + τ_{вспомог. операций}.

Так как режим работы периодических реакторов нестационарный, качество продукции изменяется от партии к партии. Реакторы периодического действия обладает низкой производительностью, высокой материало- и энергоемкостью, их трудно автоматизировать. Достоинствами этих реакторов является низкая стоимость и большая экономическая гибкость. Реакторы такого типа незаменимы при малотоннажном производстве продуктов широкого ассортимента, а также для отработки режимов процессов и исследования кинетических закономерностей.

Реакторы непрерывного действия (проточный) – это реакторы, в которых непрерывно загружается сырье и также непрерывно выгружаются продукты; все стадии процесса осуществляются параллельно и одновременно. В этих реакторах невозможно непосредственно изменить время реакции, поэтому пользуются понятием условного времени пребывания реагентов в реакторе.

 ,

где V_p – объем реактора (м³);

v_об. – объемная скорость подачи сырья (м³/ч)

Проточные реакторы характеризуются высокой производительностью, стационарностью работы, качеством продукции, позволяют рационально использовать энергию, легко автоматизировать процесс. Их недостатками является трудность запуска и установки, поэтому проточные реакторы используются в случае крупнотоннажных производств.

Реакторы полунепрерывного и полупериодического действия - это различные комбинации непрерывной и периодической организации работы реактора.

2) По гидродинамическому режиму:

- реакторы смешения

- реакторы вытеснения.

В ректорах смешения конвективный перенос реагентов происходит путем интенсивного перемешивания, например, механической мешалкой или циркуляционным насосом.

В реакторах вытеснения перемешивания нет, а конвективный перенос реагентов осуществляется путем направленного движения потока реакционной смеси вдоль оси реактора.

В первом случае интенсивность конвективного переноса определяется скоростью вращения мешалки, во втором – линейной скоростью движения потока.

3) По тепловому режиму:

- адиабатические

- изотермические

- политропические

В адиабатических реакторах отсутствует теплообмен с окружающей средой и весь тепловой эффект реакции расходуется на изменение температуры реакционной смеси. Это идеальный реактор; такой тепловой режим практически нереализуем.

В изотермических реакторах обеспечивается такой теплообмен с окружающей средой, который компенсирует полностью тепловой эффект реакции. В результате температура реакционной смеси остается строго постоянной. Это тоже идеальный реактор; на практике такое осуществить очень трудно. Близко к изотермическому режиму работают реакторы, в которых проводят процессы с очень малыми тепловыми эффектами или очень малой скоростью реакции, а также процессы, протекающие в растворе, где концентрация реагентов небольшая и тепло аккумулируется большим объемом растворителя.

Ближе к реальным условиям работы относится модель политропического реактора, в котором тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой, а частично – за счет изменения температуры реакционной смеси.

4) По фазовому составу реакционной смеси:

- реакторы для проведения гомогенных процессов (газофазных и жидкофазных)

- реакторы для проведения гетерогенных процессов

- реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов (контактные аппараты).

5) По конструктивным характеристикам:

- емкостные реакторы

- колонны

- трубчатые реакторы

- печи (реакторы для высокотемпературных процессов)

- и другие.

Существует много вариантов классификации реакторов, при рассмотрении особенностей конструкций удобно использовать классификацию по фазовому состоянию реакционной смеси.

Реакторы для проведения гомогенных процессов (газофазных и жидкофазных).

Реакторы для проведения двухфазных процессов (газожидкостные реакторы)

Реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов (газ –твердый катализатор, жидкость – твердый катализатор и трехфазные реакторы: газ – жидкость – твердый катализатор).

При рассмотрении различных типов химических реакторов в первую очередь необходимо учитывать фазовый состав веществ, находящихся в реакционной зоне, включая реагенты, катализаторы и растворители (твердые теплоносители и инертные насадки не учитываются). Рассмотрим конструкции следующих типов реакторов

Конструкции реакторов для проведения гомогенных процессов

Для проведения газофазных реакций (пиролиза, крекинга) в нефтехимической промышленности применяются трубчатые печи, рассмотренные в первой части данных методических указаний.

Жидкофазные реакции часто проводят в аппаратах с различными типами механических мешалок и теплообменных устройств. На рисунках 1 и 2 показан один из вариантов реактора такого типа. Реакционная смесь подается через штуцер в крышке аппарата 3, перемешивается мешалкой два, продукты реакции выводятся из штуцера на корпусе, в приварную рубашку 4 подается теплоноситель для поддержания температурного режима реакционного процесса. Теплообменные устройства могут быть также выполнены в виде внутренних (рисунок 2) или наружных змеевиков.

1 –корпус, 2 –мешалка, 3 – крышка, 4 – рубашка, направление подачи реагентов и выхода продуктов реакции, направление движения теплоносителя

Рисунок 1 – Схема реактора с мешалкой

1

2

3

1 – корпус, 2 – мешалка, 3 – теплообменный змеевик

Рисунок 2 – Реактор с мешалкой со снятой крышкой

Конструкции реакторов для проведения газожидкостных процессов

Основным параметром, характеризующим эффективность газожидкостных реакторов, является поверхность контакта фаз . В зависимости от способа образования межфазной поверхности данные реактора разделяют на три основные группы:

1. барботажные реакторы, в которых поверхность раздела фаз образуется при введении газа в слой жидкости через газораспределительные устройства различной конструкции;

2. реакторы с механическим диспергированием газа, где вводимый в аппарат газ распределяется в жидкости механическими устройствами, мешалками и т.п.;

3. Пленочные реакторы, в которых контакт газ контактирует с жидкостью, движущейся в аппарате в виде тонкой пленки.

На рисунке 3 изображен барботажный колонный реактор. Жидкий реагент вводится в колонну 1 снизу, газовый - через барботер (газораспределительное устройство) 4, внутри колонны размещаются дополнительные газораспределительные решетки 2, температурный режим реакции поддерживается подачей теплоносителя в рубашку 3 или установкой внутренних теплообменных змеевиков.

Рисунок 3 – Схема барботажного колонного реактора

Барботажные колонны имеют простую конструкцию, имеют большой объём, часто используются как реактора периодического действия. Использовать такие аппараты не целесообразно использовать для проведения реакций с большим тепловым эффектом, так как удельная поверхность теплопередачи в них мала (особенно в реакторах с рубашками).

На рисунке 4 представлен газлифтный реактор, в котором скорость движения газожидкостной смеси значительно больше, чем в барботажных колоннах, что позволяет увеличить нагрузку таких аппаратов по газу, улучшить теплообмен между реагентами и встроенными теплообменными элементами или наружными рубашками, позволяет проводить реакции между газовой фазой и эмульсиями жидкостей с существенно - разными плотностями. Внутри корпуса 1 установлена барботажная труба 2, в которую вводится газовый реагент через барботер 3, жидкие реагенты подаются в нижнюю часть колонны, жидкие продукты реакции выводятся сверху. При подаче газа в барботажной трубе образуется газожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности однородной жидкости в циркуляционной зоне аппарата, поэтому барботажная труба работает как газлифт, и реагенты интенсивно циркулируют в аппарате.

Рисунок 4 – Схема газлифтного реактора

Реакторы с механическим диспергированием газа конструктивно похожи на реактор с мешалкой изображенный на рисунке 1 . Газ подается в аппаратчерез барботер под мешалку. Аппараты с пленочным течением жидкости предпочтительны в случаях быстрых реакций, когда доля реагента в газовой фазе мала. В большинстве случаев такой реактор представляет собой кожухотрубчатый аппарат, в трубках которого происходит химическая реакция, в межтрубное пространство подается теплоноситель. Жидкость стекает пленкой по стенкам трубок, газ поднимается по центру. Существуют так же аппараты с восходящей пленкой жидкости.

Конструкции реакторов для проведения гетерогенно-каталитических процессов

Реакторы для проведения каталитических реакций на твердом катализаторе подразделяются на: аппараты с неподвижным (стационарным) слоем катализатора, аппараты с взвешенным (псевдоожиженным) слоем катализатора и на аппараты с движущимся слоем.

Реакторы с неподвижным зернистым слоем в конструктивном отношении довольно просты и представляют собой колонные аппараты, в которых на специальных перфорированных решетках, пропускающих поток сплошной среды, размещается гранулированный катализатор (рисунок 5).

Рисунок 5 – Гранулированные катализаторы гидроочистки

На рисунке 6 представлена схема многослойного каталитического реактора с промежуточными теплообменными элементами. Газовая реакционная смесь подается в реактор снизу, проходит через слои катализатора 1 и теплообменник 2, продукты реакции выходят через верхний штуцер.

Если реакция сопровождается значительным тепловым эффектом и для отвода тепла требуется большая поверхность теплообмена, то катализатор размещают в трубках кожухотрубчатого реактора (рисунок 7). Реакционная смесь проходит по трубкам 1, в межтрубное пространство подается теплоноситель для снятия тепла, выделяющегося в ходе реакции.

Рисунок 7 – Схема кожухотрубчатого каталитического реактора

При нефтепереработке реакторы с неподвижным слоем катализатора применяются в процессе реформинга. Используется два типа аппаратов различающихся направлением ввода сырья в слой катализатора: реактора с аксиальным и радиальным вводом .

На рисунке 8 приведен реактор с аксиальным вводом. Сырьё вводится в реактор через штуцер 1, пройдя через слой катализатора 3, продукты удаляются через трубу 6. Для контроля температуры в реакторе размещается многозонная термопара 5.

Рисунок 8 – Схема реактора с аксиальным вводом сырья

Реактор с радиальным вводом сырья и внутренней футеровкой изображен на рисунках 9 и 10. Сырьевая смесь проходит через катализатор в радиальном направлении, при этом снижается гидравлическое сопротивление реактора, и катализатор не засоряется продуктами коррозии.

Рисунок 9 – Схема реактора с радиальным вводом сырья

Сырьё вводится в реактор через верхнее распределительное устройство 1, через скаллопы 5 (устройства для распределения газожидкостной смеси по объёму реактора, (2 – на рисунке 10) проходит в слой катализатора 6, продукты реакции выводятся через центральную перфорированную трубу 7 (1 – на рисунке 10).

Рисунок 10 –Реактор с радиальным вводом сырья – вид сверху, без катализатора

Реактора с радиальным вводом сырья изготавливаются также без футеровки с монометалическим корпусом (рисунок 12). Корпус аппарата и штуцеры для ввода и вывода сырья изготовлены из стали 1Х2М1.

При проведении высокотемпературных каталитических процессов очень важно обеспечить равномерный тепло- и массообмен по во всём реакционном пространстве. Однако в неподвижном слое катализатора сложно избежать местных перегревов и застойных зон, в которых время пребывания реагентов много больше требуемого. Этих недостатков в значительной мере лишены процессы, проводимые во взвешенном или псевдоожиженном слое катализатора. Частицы катализатора переходят во взвешенное состояние, когда силовое воздействие среды превосходит вес частицы, слой взвешенных частиц ведет себя подобно жидкости, его легко перемещать из одного аппарата в другой, что особенно необходимо, если требуется непрерывная циркуляция катализатора между реактором и аппаратом для его регенерации (допустим для выжигания кокса из катализатора крекинга). На рисунке 11 показан реактор взвешенного слоя. По патрубку 4 в аппарат через распределительную решетку 3 поступает регенерированный катализатор и сырье. Продукты реакции выходят из верхней части аппарата, из патрубка 6 на дне аппарата катализатор подается в регенератор.

Рисунок 11 – Схема реактора с взвешенным слоем катализатора

В случае, если время пребывания катализатора и реагентов в зоне реакции должно быть небольшим, порядка 5 –7 секунд, используются лифтреакторы. Например: в каталитическом крекинге углеводородов на цеолитсодержащем катализаторе. Лифтреактор представляет собой вертикальную трубу, в которой транспорт катализатора потоком паров сырья сочетается с протеканием химических реакций. На рисунке 12 изображен реакторно-регенераторный блок крекинга включающий в себя лифтреактор 7. Сырье подается в реактор снизу, увлекает с собой регенерированный катализатор, в сепараторе 5 происходит отделение продуктов от отработанного катализатора, катализатор ссыпается в регенератор 2, а газообразные продукты реакции выходят сверху. В регенераторе 2 происходит выжигание кокса в потоке подаваемого воздуха. Для лучшего отделения катализатора в регенераторе и сепараторе установлены циклоны 1,4.

Типы каталитических реакторов с неподвижным слоем

Реакторы с неподвижным слоем катализатора широко распространены при проведении гетерогенных каталитических процессов в различных областях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. В связи с разнообразием процессов, реализуемых в реакторах с неподвижным зернистым слоем, разнообразны и конструкции таких аппаратов. Одной из основных проблем, с которой сталкиваются специалисты при разработке каталитических реакторов, является формирование оптимального диапазона температур в слое катализатора. Для этого в реакционном узле предусматривается отвод или подвод тепла (для экзо- и эндотермических процессов соответственно). По способу теплообмена можно выделить три основных типа реакторов с неподвижным слоем, схемы которых представлены на рис. 1:

 адиабатические реакторы (нет теплообмена);

 реакторы с промежуточным отводом (подводом) тепла – многослойные (полочные) аппараты;

 реакторы с непрерывным отводом (подводом) тепла – трубчатые аппараты.

Адиабатические Многослойные (полочные) Трубчатые

Рис. 14. Основные типы каталитических реакторов с неподвижным слоем

Кроме того, применяются различные конструкции с более сложными способами отвода (подвода) тепла, например, комбинированные схемы.

В дальнейшем в пособии будут рассматриваться гетерогенные каталитические системы «газ  твердая фаза», наиболее распространенные на практике, особенно для многотоннажных процессов. Учитывая, что конструкции каталитических аппаратов для экзотермических и эндотермических процессов во многом схожи, ниже будут более подробно изложены отличительные особенности основных типов реакторов c неподвижным слоем, в которых реализуются гетерогенные экзотермические процессы и осуществляется съем тепла. Такие системы более перспективны с точки зрения энергоемкости.

Адиабатические реакторы

Адиабатический реактор (single-bedreactor) представляет собой металлический цилиндр, в нижней части которого находится решетка, на которую насыпается катализатор в виде различного типа гранул: таблеток, шариков, зёрен неправильной формы и т. д. Газовую реакционную смесь можно направлять в аппарат как сверху вниз, так и снизу вверх. Стенки цилиндра теплоизолированы.

В связи с отсутствием устройств для съема тепла в адиабатических реакторах осуществляются процессы с небольшими тепловыделениями и низкой чувствительностью к изменению температуры, а также процессы с небольшими степенями превращения. При невысоких линейных скоростях газового потока и, соответственно, невысокой мощности такой реактор имеет небольшую высоту, что обеспечивает малые загрузки катализатора, низкое гидравлическое сопротивление слоя катализатора и уменьшает энергетические расходы по подаче газа в систему.

Эта конструкция используется в настоящее время, в основном, при создании экологически чистых технологий для каталитической очистки выходных газов от окислов азота и серы, сероводорода, органических веществ и т. д., а также при разработке малотоннажных процессов. Дешевизна изготовления таких аппаратов обусловлена простотой конструкции.

Многослойные (полочные)реакторы

Многослойный реактор (multibedreactor)представляет собой реактор с несколькими адиабатическими слоями катализатора и промежуточным отводом тепламежду ними. Отвод тепла осуществляется либо с помощью встроенных или выносных теплообменников, либо добавлением холодной исходной газовой смеси между слоями.

Адиабатические аппараты с горизонтально расположенными слоями катализатора обеспечивают его загрузку до 100 м³ и используются при создании контактных аппаратов большой производительности для слабоэкзотермических обратимых процессов, например, для производства серной кислоты и синтеза аммиака. Многослойная конструкция позволяет формировать оптимальный рабочий профиль температур.

 

Трубчатые реакторы

В трубчатом реакторе(tubularreactor) отвод тепла осуществляется путем теплообмена реагирующей смеси с теплоносителем через стенку реактора. Катализатор загружается в трубки небольшого диаметра (28 см), в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель – водяной пар под давлением или расплав солей. Сложность конструкции повышает стоимость таких аппаратов. Однако большим преимуществом трубчатых реакторов являются хорошие условия отвода тепла от катализатора, так как отношение поверхности теплоотдачи к объёму катализатора значительно выше по сравнению с многослойными аппаратами.

Несмотря на сложность конструкции, трубчатые аппараты эффективно используются для реализации ряда среднеэкзотермических процессов, например, процессов каталитического селективного окисления углеводородов. Количество трубок в одном аппарате достигает 1020 тыс. штук, при этом общая загрузка катализатора не превышает 3040 м³.

Комбинированные реакторы

Комбинированные реакторы  это трубчатые реакторы, дополненные адиабатическими слоями катализатора. Наличие адиабатической части позволяет осуществить допревращение оставшегося исходного вещества при более высокой температуре по сравнению с трубчатым реактором. Это становится возможным в силу того, что на выходе из трубчатой части реактора концентрации исходного реагента, а следовательно, и тепловыделение уже невысоки. В результате более высокая (или равная) производительность может достигаться при меньшей загрузке катализатора. Примером комбинированного реактора может служить реактор для получения формальдегида из метанола на окисных катализаторах.

Многослойные каталитические реакторы

В многослойных реакторах теплообмен осуществляется смешением потоков реагентов или в теплообменных элементах аппарата.

Рис 15 Многослойный каталитический реактор без теплообменного элемента

Процессы, протекающие с большими адиабатическими изменениями температуры смеси, проводятся в реакторах секционированного типа(полочных) (рис.15; рис.16). Охлаждение(нагревание) реакционной смеси между полками проводится, как правило, непосредственным смешением реакционного газа с теплоносителями(хладагентом) или впрыскиванием испаряющейся жидкости.
В качестве теплоносителей используют инертные вещества или компоненты реакционной смеси.
Реакторы с неподвижным твердым катализатором плохо приспособлены для проведения циклических процессов, в которых имеются стадии контактирования и регенерации катализатора. Более пригодны в этом случает аппараты с неподвижным катализатором; с медленно движущимся слоем; с промежуточными теплообменными элементами. Многослойный каталитический реактор с промежуточными теплообменными элементами (рис.16). Отвод тепла может осуществляться либо поддувом холодного водорода между слоями катализатора, либо охлаждением реакционной смеси в выносных холодильниках в сочетании с катализатором.

Рис.16. Многослойный каталитический реактор с промежуточными теплообменными элементами

И − исходные вещества, П − продукты реакции, Т − теплоноситель, К − катализатор, Н – насадка, ТЭ − теплообменные элементы.

Установки с движущимся плотным слоем катализатора в виде шариков или зерен 3 – 5 мм, непрерывно перемещающихся в аппаратах сверху вниз под действием силы тяжести, нашли применение в нефтепереработке главным образом для проведения процессов каталитического крекинга. Транспортирование катализатора между реактором и регенератором проводится с помощью механических или пневматических подъемников.
В реакторе с промежуточными теплообменными элементами, применяется мелкий, иногда пылевидный (0,01-0,1 мм) катализатор. При определенном гидродинамическом режиме частица переходит во взвешенное состояние, образуя с газом псевдоожиженную систему, которая способна перемешиваться подобно жидкости, т.е. проходить через запорные приспособления, решетки и колена без разрушения. В этом случае реактор - регенератор не требуется специальных устройств для транспортировки катализатора.

многослойные каталитические реакторы обеспечивают загрузку до 100 м3 и используются при создании контактных аппаратов большой производительности для слабоэкзотермических обратимых процессов, а также позволяет формировать оптимальный рабочий профиль температур.

Каталитические реакторы используются на многих производствах , рассмотрим процессы каталитического крекинга , синтез аммиака.

Синтезу аммиака соответствует следующая химическая реакция:

N₂ + 3H₂= 2NH₃ + Q

Данная реакция обратимая, экзотермическая. Объем газообразных веществ в ходе реакции уменьшается.

Согласно принципам химического равновесия, при повышении температуры равновесие данной реакции сместится в сторону продуктов. Следовательно, для повышения количествоа аммиака в реакционной смеси температуру следует понижать. Но понижение температуры замедляет химическую реакцию (снижает скорость реакции). Следовательно, нужно найти компромисс между кинетической и термодинамической составляющей химического процесса. Поэтому синтез аммиака проводят все-таки при повышенной температуре 500-550°С и обязательно в присутствии катализатора. Катализатор ускоряет одинаково и прямую, и обратную реакцию. Повышение температуры явно смещает равновесие в сторону реагентов. но увы - поменять эти параметры мы не в силах. Следовательно, остается воздействовать давление. Благо, эта реакция газофазная и повышение давления для данной реакции смещает равновесие в сторону образования аммиака. Поэтому для синтеза аммиака применяют давление 15-100 МПа (150-1000 атмосфераных давлений). Существуют три способа производства в зависимости от используемого давления:

1. Синтез при низком давлении (10-15 МПа);
2. Синтез при среднем давлении (25-30 МПа);
3. Синтез высокого давления (50-100 МПа).

Установки, работающие при давлении — 100 aтмосфер, вследствие их сложности и малой экономичности редко применяются в промышленности. При давлении 200 атмосфер во всем мире работает всего около десятка заводов. В этих системах сжатие азотоводородной смеси обычно производится турбокомпрессорами.

Чаще всего применяют второй способ.
Катализатором синтеза аммиака служит губчатое железо с с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Вообще, каталитических систем существует очень много, и с каждым годом применяют все более совершенные катализаторы.

Снижают скорость реакции образования аммиака вредные примеси: вода, сероводород, оксид углерода (II). Все эти примеси отравляют каталитические системы, понижая их активность. Очень важной является очистка азотоводородной смеси перед поступлением в реактор. Однако даже тщательная очистка не помогает преодолеть законы химического равновесия - только часть реакционной смеси превращается в аммиак. Важным технологическим решением в такой ситуации является использование рециркуляции непрореагировавших веществ - возвращение непрогреагировавшей азотоводородной смеси в реактор.

Рассмотрим схему синтеза аммиака и технологические процессы.

Схема синтеза аммиака

 

 

№	Аппарат	Назначение аппарата, и технологические процессы.
1	трубопровод	Подаётся предварительно подготовленная смесь, состоящая из 3 объёмов водорода и 1 объёма азота.
2	турбокомпрессор	Азотводородная смесь сжимается до определённого давления, неоходимого для данного процесса.
3	колонна синтеза	Колонна синтеза преназначена для проведения процесса синтеза аммиака.В контактном аппарате расположены полки с катализатором.Процесс синтеза является сильно экзотермическим, протекает с большим выделением тепла, часть которого расходуется на нагревание поступающей азотводородной смеси. Смесь, выходящая из колонны синтеза, состоит из аммиака (20-30%) и непрорегировавших азота и водорода. Колонна представляет собой цилиндр высотой около 30 м и диаметром примерно 2,5 м, выполненный из специальной стали, способной выдерживать высокие давления, температуры и агрессивное воздействие азота, водорода и аммиака.
4	холодильник	Предназначен для охлаждения смеси.Аммиак легко сжимаем и при высоком давлении превращается в жидкость. При выходе из холодильника образуется смесь, состоящая из жидкого аммиака и непрореагировавшей азотводородной смеси.
5	сепаратор	Предназначен для отделения жидкого аммиака от газообразной фазы. Аммиак собирается в сборник, расположенный в нижней части сепаратора.
6	циркуляци- онный насос	Предназначен для возвращения непрореагировавшей смеси в контактный аппарат. Благодаря циркуляции удаётся довести использование азотводородной смеси до 95%.
7	трубопровод с аммиаком	Предназначен для транспортировки жидкого аммиака на склад.

 

Большинство современных установок каталитического крекинга относится к типу флюид (ККФ) с псевдоожиженным (кипящим) слоем пылевидного или чаще микросферического катализатора. В последние годы прогресс в области ККФ был связан с совершенствованием высокоактивных и селективных цеолитсодержащих катализаторов и радикальной модернизацией реакторного и регенераторного оборудования в целях его адаптации к новым катализаторам, т. е. в целях максимального использования преимуществ и достоинств новых катализаторов. Новые поколения катализаторов кардинально изменили дизайн установок, т. е. не только диаметр, высоту и другие размеры основного оборудования (реактора и регенератора), но даже и предназначение отдельных аппаратов, например, основной процесс - реакция протекает теперь не столько в реакторе как таковом, а преимущественно на 90-98 % в лифт-реакторе, являющемся также и подъемником катализатора с сырьем в реактор. Если раньше в регенераторе не допускался, например, до-жиг оксида углерода СО из-за опасности перегрева и разрушения катализатора, то теперь, наоборот, дожиг СО проводят именно в регенераторе, и дымовые газы из регенератора теперь практически не содержат экологически вредного оксида углерода. Высокоактивные катализаторы позволили уменьшить время реакции и циркулирующее количество катализатора, что повлекло существенное уменьшение размеров оборудования и всей установки.
Сырьем каталитического крекинга обычно является широкая фракция вакуумного газойля 350-500 °С, предварительно гидроочищенная от вредных для катализатора примесей серы, азота и металлов (особенно никеля и ванадия). Новейшие катализаторы последних лет позволяют перерабатывать также смесь вакуумного газойля в смеси с мазутом (до 20 мае. %) и даже только мазут после его гидрообессеривания. Крекинг протекает при температуре 450-550 °С и давлении 0,07-0,3 МПа, а регенерацию выжигом нежелательно образовавшегося кокса с поверхности катализатора проводят при температуре 600-760 °С и давлении 0,22-0,34 МПа.
Принцип технологического процесса ККФ (рис. 17). Лифт-реактор представляет собой вертикальный цилиндрический подъемник иногда переменного расширяющегося к верху сечения диаметром 1,0-1,4 м, высотой 25-30 м и более. В низ лифт-реактора вводится поток катализатора температурой 600-650 °С из регенератора. В поток катализатора впрыскивается и распыляется (например, водяным паром температурой 280-320 °С и давлением 0,4-1,0 МПа) сырье, предварительно нагретое в теплообменных аппаратах и трубчатой печи до 250-300 °С. В восходящем движущемся псевдоожижен-ном потоке катализатора и паров сырья при температуре 500-520 °С в течение 2,0-3,5 с протекают все реакции (крекинг высокомолекулярных углеводородов, изомеризация алканов, ароматизация дегидрированием цикланов в арены и др.) превращения сырья. Над лифт-реактором располагается (но не всегда) собственно классический реактор гораздо большего диаметра. В реакторе в плотном псевдоожиженном слое заканчивается процесс реакции, в сепарационной зоне реактора отделяются от катализатора продукты реакции и направляются в блок ректификации. В отпарной секции реактора от катализатора водяным паром отделяются углеводороды, и он перетекает по наклонному стояку в регенератор диаметром 8-9 м и высотой 15-20 м при высоте установки до 80 м.

 

В регенераторе происходит выжиг кокса (его около 1 %) с поверхности катализатора. Большие молекулы кокса не могут проникнуть во внутренние поры цеолитсодержащих катализаторов. Выжиг кокса проводится также в псевдоожиженном слое горячим воздухом температурой 160-200 °С, подаваемым нагнетательной воздуходувкой под распределитель ную решетку в низу регенератора. Содержание кокса в регенерированном катализаторе - от 0,02-0,05 до 0,1 мае. %. Регенерированный катализатор температурой 600-650 °С по наклонному стояку стекает в низ лифт-реактора. Таким образом, катализатор непрерывно циркулирует с кратностью 5-12 кг/кг сырья, совершая полный цикл за 15-18 мин, из которых только несколько секунд он пребывает в лифт-реакторе. Дымовые газы темепературой 750-780 °С, образовавшиеся при выжиге кокса, покидают регенератор через циклоны, улавливающие частицы катализатора, проходят котел-утилизатор для получения водяного пара, электрофильтры для тонкой очистки от катализаторной пыли и другое теплоиспользующее оборудование.
Парогазовые продукты реакции поступают в низ сложной ректификационной колонны, в нижней секции которой на каскадных тарелках жидкое циркуляционное орошение удаляет («отмывает») из продуктов реакции катализатор и охлаждает их от температуры около 500 °С до 350-380 °С. Другие верхние секции ректификационной колонны разделяют продукты реакции на газ и жидкие фракции: бензиновую и боковые отборы - легкого и тяжелого газойлей. Газ каталитического крекинга (16-20 мае. % от сырья) состоит из углеводородов С,-С2 (примерно половина газа) и непредельных олефинов -этилена, пропилена, бутилена, а также из этана, пропана и бутанов. Обычно углеводороды С,-С2 деэтанизируют, а выделяемые пропан-пропиленовая (ППФ) и бутан-бутиленовая (ББФ) фракции используют как сырье алкилиро-вания (алкилаты имеют ОЧи > 95). В газе каталитического крекинга содержится водород (3-4 мае. %) и сероводород (0,1 мае. %). Бензиновая фракция С5—195 °С (40-50 мае. % от сырья) может иметь ОЧи=93-96 и является ценным компонентом товарных бензинов. Легкий газойль 195-350 °С (15-20 %) с цетановым числом 38-40 служит компонентом товарных дизельных топлив. Тяжелый газойль 350-420 °С (5-9 %) - концентрат ароматических соединений (на 60-80 %) представляет собой хорошее сырье для производства технического углерода. Остаток выше 420 °С (1-3 мае. % от сырья) после отделения шлама (катализаторной пыли) используется в качестве компонента котельных топлив.
В зависимости от наличия ресурсов сырья, от исходных целей получения из сырья максимального количества бензиновой фракции даже при некотором возможном снижении ее октанового числа, от свойств имеющегося катализатора используется или не используется при крекинге рецикл - рециркуляция части продуктов крекинга в смеси со свежим сырьем вновь в процессе крекинга. В качестве рецикла, например, 10-25 % к свежему сырью (хотя на катализаторах первых поколений кратность рецикла могла быть 50-150 %) могут использоваться тяжелый и реже легкий газойли и остаток - шлам с примесями катализатора. На современных катализаторах глубина (степень) превращения сырья за один проход в реакторе может быть высокой (70-80 об. %) при выходе бензиновой фракции до 78 об. % («теоретический» предел 85 %), поэтому часто проводят крекинг свежего сырья без рецикла. Производительность установок ККФ по сырью изменяется в широких пределах (от 0,3-0,9 до 2,5 и даже до 4-5 млн т/год). Диаметр реакторов 4-14 м при высоте 10-18 м, а диаметр регенераторов 6-18 м при высоте 12-30 м.

Код для цитирования: Скопировать