Нефть. От первых скважин до новой эпохи - Глеб Олегович Трухин

будут следующими: температура реакции – 475–485 °C, давление 0,06 МПа, массовая скорость подачи сырья – 10–12 ч-1. Здесь следует пояснить, почему скорость иногда имеет размерность, обратную единице времени. Ответ дает определение: «Массовая (объемная) скорость – это величина, равная массе (объему) сырья, которое прошло через массу (объем) катализатора (реактора) за единицу времени». Массовые и объемные величины тут сокращаются, получается 1/ч(с).

Для каталитических процессов (крекинга, дегидрирования, сжигания топлива) характерен и кипящий слой катализатора. Это псевдоожиженный слой, в котором частицы находятся во взвешенном состоянии из-за интенсивного перемешивания газа. Со стороны это выглядит как кипящий песок, что весьма завораживает.

Эта технология, как и установка с движущимся слоем катализатора, была спроектирована и введена в эксплуатацию еще в XX веке. Принцип формирования псевдоожиженного («кипящего») слоя, показанный на рисунке 5, реализуется с помощью воздуха, который также используется для регенерации катализатора.

В отличие от конвейерной ленты, сжатый воздух или азот транспортируют большие объемы сыпучих веществ, экономя пространство и время. Но, возвращаясь к процессу FCC, что можно сказать о выходе продуктов из этого реактора? Главным продуктом является бензиновая фракция с температурой кипения до 250 °C, около 40 %. Сумма газойлей составляет около 50 %, газ и кокс вместе дают 5 %, также 5 % и пропан-пропиленовая фракция.

В чем же заключаются преимущества данной технологии и в чем раскрывается ее потенциал? На первый взгляд, усложнение процесса кажется неоправданным: простая технология, рассмотренная ранее, обеспечивает сопоставимый выход бензиновой фракции без увеличения потерь. Тем не менее у данного подхода есть неоспоримые достоинства.

Повышение интенсивности работы катализатора происходит благодаря тому, что порошки в кипящем слое обладают наибольшей удельной поверхностью, увеличивающей количество активных центров, на которых протекает синтез.

Равномерное распределение тепловых потоков позволяет снять местные перегревы и переохлаждение контактной массы катализатора, характерные для реакторов с неподвижным слоем.

Компактность и простота в реализации. Реакторы с кипящим слоем легко автоматизируются в промышленности и конструктивно более компактны в отличие от реакторов с неподвижными слоями.

Уменьшение отравляемости катализатора обеспечивается постоянным движением частиц в потоке реагентов: во взвешенном слое частицы интенсивно трутся друг о друга и стирают с поверхности непрочные пленки загрязнений, которые уносятся из аппарата с потоком газа.

По сравнению со стационарным слоем в кипящем слое можно использовать более мелкие частицы.

Помимо технологии с «кипящим» слоем микросферического катализатора, есть и другие установки, упомянутые ранее. В чем же заключается их суть?

Кратко рассмотрим установки с лифт-реактором, которые обеспечивают максимальный выход пропилена благодаря ультракороткому времени контакта. Конструктивно они во многом схожи, однако в их технологическом исполнении присутствуют отдельные кардинальные различия.

Начнем с технологии, где применяется лифт-реактор. Изучение и развитие микросферических цеолитов, а также их внедрение позволили отказаться от «кипящего» слоя в пользу лифт-реактора. Ключевым фактором, обусловившим этот переход, стала высокая активность цеолитов. Суть технологии заключается в движении цеолитов с парами через реакционное пространство реактора. Проходя через слой сырья, цеолиты провоцировали целевые реакции каталитического крекинга. Данную технологию внедрила в промышленное предприятие компания UOP в 70-х годах прошлого века. В России благодаря академику РАН С. Н. Хаджиеву появилась установка Г-43–107.

Принципиальная схема с реактором-лифтом представлена на рисунке 6. На ней видно, как проходит движение катализатора между реактором и регенератором. Аналогично другим подобным технологиям, не обошлось и без пневмотранспорта, который и создает движение катализатора, а также обеспечивает выжигание кокса в регенераторе.

Рисунок 6. Принципиальная схема установки каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем катализатора

Каков режим работы установки? Давление в реакторе – 0,15 МПа. В регенераторе оно сохраняется на том же уровне, а вот с температурами дело обстоит иначе: в реакторе – до 520 °C, а регенерация происходит в районе 660 °C. Выход продуктов выглядит следующим образом: бензиновая фракция – 50 %, пропан-пропиленовая – 13 %, газы – 3,4 %, газойль – 30 %, все остальное уходит в потери, как правило, кокс.

Рисунок 7. Схема каталитического крекинга с лифт-реактором

Реактор современной конструкции представляет собой аппарат с лифт-реактором, который может иметь постоянное или переменное сечение, заканчивающееся отбойными пластинами. Он снабжен также циклонами и зоной форсированно «кипящего» слоя катализатора. Конструкция регенератора также предусматривает создание «кипящего» слоя, но дополняется использованием провальных или беспровальных решеток.

Обозначим преимущества такой технологии: позволяет компактно упаковать катализатор, что обеспечивает эффективный контакт между катализатором и проходящими через него углеводородами и увеличивает скорость реакции; время пребывания катализатора и сырья в таком реакторе – 5–7 секунд, что ускоряет процесс крекинга.

Завершим обзор установок каталитического крекинга технологией ультракороткого контакта реакции. С течением времени добыча нефти неуклонно росла, и в общем объеме сырья становилось все больше тяжелых фракций, следовательно, увеличилось и коксообразование. Для решения этой проблемы необходимо было модернизировать установку крекинга, сократив время пребывания сырья в реакторе.

Первая установка MSCC была введена в США в 1994 году. В России такие установки не эксплуатируют, но в некоторых странах СНГ, например в Туркменистане и Беларуси, используют. Схема данной установки представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Принципиальная схема реактора с регенератором на установке каталитического крекинга с ультрамалым временем контакта

Основное отличие данной установки от предыдущей – нисходящий поток катализатора: сырье вводят перпендикулярно движущемуся вниз потоку катализатора. В систему сепарации продукты реакции транспортируют горизонтально. При этом выход жидких продуктов остается достаточно высоким. Сочетание двух факторов – быстрого разделения катализатора и паров и небольшого объема реакционного пространства – позволяет снизить процент вторичных реакций, а время пребывания сокращается до 0,1 секунды в отличие от стандартных 2–4 секунд.

Чтобы избежать дублирования информации в рамках краткого обзора, показатели работы данной установки представлены в сравнительной таблице, где сведены данные по всем рассмотренным технологиям каталитического крекинга.

Технология каталитического крекинга является типичным примером гетерогенного катализа. Катализаторами крекинга выступают твердые вещества, а сырье и продукты реакции оказываются жидкостями или газообразными веществами. Данный процесс происходит в присутствии алюмосиликатных катализаторов при температуре не выше 450–530 °C и давлении не выше 0,4 МПа.

Расщепление молекул углеводородов, а также их изомеризация, циклизация, ароматизация и конденсация протекают в присутствии катализаторов при температурах (495–545 °C) и атмосферном давлении. Сегодня наибольшее распространение получил крекинг с использованием микросферических цеолитных катализаторов. После крекинга газ отделяется от продуктов реакции, которые поступают на ректификацию, а катализатор – в регенератор, где его свойства восстанавливаются.

С ростом потребности в легких олефинах как нефтехимическом сырье для производства алкилатов, эфирных полимеризатов были созданы