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

и частичного смешения; по термодинамическим признакам – реакторы изотермические, адиабатические и политропические; по назначению – реакторы риформинга, каталитического крекинга, гидрокрекинга, регенераторы, коксовые камеры, реакционные змеевики печи пиролиза и т. д.

Стоит прояснить особенности термических процессов, протекающих в реакторах. Как известно, приставка «изо-» указывает на постоянство: изотермический – без изменения температуры, изобарический – с постоянным давлением, изохорный – без расширения или сжатия. Адиабатический процесс – процесс без теплообмена с окружающей средой. А процесс политропический – с постоянной теплоемкостью, иными словами, количество подведенного тепла будет равно совершенной работе.

Рисунок 1. Схема движения в реакторах

Самым простым типом реактора является пустотелый сосуд, в котором реакция протекает в адиабатических условиях. Применение катализатора в таком реакторе возможно только в малых количествах. В таких аппаратах допустимо изменение температуры за счет эффекта реакции, но без теплообмена с окружающей средой. В ряде случаев на производстве вместе с сырьем в реактор поступает инертный агент, который забирает излишнее тепло. Такие реакторы используются в процессе термического крекинга и коксования.

Реакторы с неподвижным слоем катализатора получили широкое применение. Катализатор засыпается слоями в виде гранулированных частиц, которые удерживаются в аппарате на перфорированных сетках, размер ячеек, соответственно, не должен превышать размера гранул катализатора. Такие реакторы можно разделить на две группы: с радиальным (спиральным) и аксиальным (вдоль оси) потоком сырья. В них можно регулировать температурные зоны, чтобы стабилизировать процесс. Подобные реакционные аппараты со ступенчатым регулированием температуры широко используют на установках каталитического риформинга. Обычно сооружают три последовательно соединенных реактора. Поток после первого и второго поступает в трубчатую печь, где ему дополнительно сообщается тепло, компенсирующее потери эндотермической реакции.

В промышленной практике также применяются пустотелые цилиндрические или змеевиковые реакционные аппараты с поверхностным теплообменом, характеризующиеся политропическими условиями ведения процесса. Примером аппарата такого типа служит реактор для полимеризации этилена под высоким давлением. Тепло реакции из аппарата отводится испаряющейся водой в пароводяной рубашке, расположенной на боковой поверхности реактора. Для выравнивания температуры в реакторе и лучшего теплообмена с его внутренней поверхностью в аппарате размещают перемешивающее устройство.

Для реакторов изотермического характера интенсивное перемешивание и более эффективный теплообмен обеспечивают псевдоожиженный слой катализатора. Такое движение слоя катализатора обеспечивают потоком сырья.

В нефтехимической промышленности широкое применение получили сменно-циклические реакционные процессы с твердым катализатором, который одновременно используется и в качестве теплоносителя. Реакторные блоки каталитических процессов с движущимся катализатором, включающие реактор, регенератор и систему транспорта катализатора, по взаимному расположению аппаратов и схемам циркуляции катализатора подразделяются на установки с однократным или двукратным подъемом катализатора, что показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы подъема катализатора

Аппарат с псевдоожиженным слоем катализатора (реактор, регенератор) имеет следующие основные части и зоны:

1. Распределительное устройство для ввода в слой смеси катализатора и паров сырья для реактора или воздуха для регенератора. Это устройство должно обеспечить равномерное псевдоожижение слоя без значительного образования пузырей. Над таким устройством находится псевдоожиженный слой катализатора. Для этих же целей служат газораспределительные решетки провального и непровального типов.

2. Реакционная или рабочая зона – псевдоожиженный слой катализатора, в котором осуществляется крекинг сырья (в реакторе) или выжиг кокса (в регенераторе).

3. Отстойная или сепарационная зона, расположенная над слоем катализатора. В этой зоне от потока паров отделяются наиболее крупные частицы катализатора, вынесенные из слоя и возвращаемые обратно в слой. Вынесенные из слоя более мелкие частицы, скорость витания которых равна или меньше скорости паров над слоем, уносятся потоком паров в циклоны.

4. Одно- или двухступенчатые циклоны, расположенные в верхней части отстойной зоны. Уловленный циклонами катализатор через соответствующие спускные стояки возвращается в слой.

5. Отпарная секция, в которой катализатор обрабатывается водяным паром с целью десорбции с его поверхности углеводородов (в реакторе) или продуктов сгорания (в регенераторе).

Существуют и иные типы реакторов, которые используют в промышленности в побочных процессах. Так, например, существуют реакторы с механическими мешалками, где требуется непрерывное движение реакционной смеси, и реакторы с рубашками обогрева или охлаждения различного исполнения. Реактор может быть выполнен как «сосуд в сосуде», внутрь которого подается вода или пар для регулирования температуры. Или это может быть аппарат со змеевиком обогрева, в который подается пар. При большом объеме реактора трубки с хладагентом или теплоносителем могут быть встроены в сам аппарат.

Вариантов исполнения может быть огромное количество, так же, как и с другими аппаратами. Порой на производстве внешне сложно отличить один аппарат от другого, даже по чертежу не всегда удается это сделать. К примеру, адсорбер и реактор порой трудно отличить друг от друга даже на чертеже – их обвязка может быть идентична. Но решающее значение имеет предназначение аппарата: теплообменник служит для нагрева/охлаждения или изменения агрегатного состояния, в реакторе обязательно протекает химическая реакция, а сепаратор выдает однородный продукт на выходе.

Теперь, завершая раздел, стоит обратиться к аппаратам, которые уступают в распространенности только теплообменному оборудованию и являются основой нефтепереработки, – массообменным аппаратам.

Глава 11. Массообменные процессы

Ректификация

Массообменные процессы, как следует из названия, – это процессы, в которых происходит массовый обмен: адсорбция, абсорбция, ректификация и другие. Главные признаки, которыми обладают все массообменные процессы:

– разделение смесей;

– протекание в двух и более фазах;

– присутствие процесса диффузии;

– перенос веществ на границе раздела фаз;

– обратимость процессов;

– движущая сила процесса – разность концентраций;

– завершение процесса при достижении динамического равновесия.

Схематично диффузионные процессы представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Перенос вещества между фазами, x, y – концентрации веществ

Различают два вида массообмена: односторонний (например, при абсорбции компоненты из газовой фазы переходят в жидкую) и двухсторонний (при ректификации). Массообмен осуществляется путем молекулярной, турбулентной или конвективной диффузии, из которых наиболее медленной является первая. Дадим определение этим видам диффузии.

– Молекулярная диффузия – это процесс переноса распределяемого вещества за счет хаотичного движения самих молекул в неподвижной среде.

– Турбулентная диффузия – практически то же самое, что и молекулярная диффузия, только протекающая без расчета постоянных, а с учетом гидродинамического движения, когда поток двигается в турбулентном режиме.

– Конвективная диффузия – перенос небольших объемов раствора, происходящий в результате изменения температуры, перемешивания и в движущейся среде. В таких же объемах протекает молекулярная диффузия.

Первый и очевидный процесс, который можно отнести к массообменным, – это конденсация или испарение. Для начала дадим определения этим, казалось бы, простым и понятным явлениям.

Испарение – процесс перехода вещества из жидкого или твердого состояния в