Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

каталитический крекинг автоматизация

Нефтегазоперерабатывающая промышленность является одной из экономически наиболее значимых составляющих топливно-энергетического комплекса любого государства. Природный газ является дешевым энергетическим и бытовым топливом. Перегонкой нефти получают автомобильные бензины, керосин, реактивное, дизельное и котельное топливо. Из высококипящих фракций нефти производят большой ассортимент смазочных и специальных масел, консистентных смазок. При переработке нефти вырабатывают парафин, сажу для резиновой промышленности, нефтяной кокс, многочисленные марки битумов для дорожного строительства и другие товарные продукты. Нефть и углеводородные газы - универсальное сырье для производства огромного количества химических продуктов. Следовательно, без продуктов переработки нефти и газа, т.е. без энергии, света, тепла, связи, радио, телевидения, вычислительной и космической техники, разнообразных химических материалов, всех видов транспорта и т.д. трудно представить жизнь современного человека.

Каталитический крекинг -- один из важнейших процессов, обеспечивающих глубокую переработку нефти. Внедрению каталитического крекинга в промышленность в конце 30-х гг. XX в. способствовало создание эффективного с большим сроком службы катализатора на основе алюмосиликатов. Основное достоинство процесса -- большая эксплуатационная гибкость: возможность перерабатывать различные нефтяные фракции с получением высокооктанового бензина и газа, богатого бутан-бутиленовой фракцией (сырье для производства высокооктанового компонента бензина - алкилата); сравнительная легкость совмещения с другими процессами, например, с алкилированием, гидрокрекингом, гидроочисткой, адсорбционной очисткой, деасфальтизацией и т.д.

1. Технологическая часть

1.1 Теоретические основы процесса

Каталитический крекинг является химическим процессом деструктивного каталитического превращения нефтяных фракций в моторные топлива и сырье для производства технического углерода, кокса и нефтехимии. Сырьем для процесса служит в основном вакуумные дистилляты, легкие керосиногазойлевые фракции и мазуты. Целевые продукты процесса - авиационные и высокооктановые автомобильные бензины, легкий и тяжелые газойль, углеводородные газы. Нежелательным продуктом является кокс.

Каталитический крекинг -- один из важнейших процессов, обеспечивающих глубокую переработку нефти. Внедрению каталитического крекинга в промышленность в конце 30-х гг. XX в. способствовало создание эффективного с большим сроком службы катализатора на основе алюмосиликатов. Основное достоинство процесса -- большая эксплуатационная гибкость: возможность перерабатывать различные нефтяные фракции с получением высокооктанового бензина и газа, богатого бутан-бутиленовой фракцией (сырье для производства высокооктанового компонента бензина - алкилата); сравнительная легкость совмещения с другими процессами, например, с алкилированием, гидрокрекингом, гидроочисткой, адсорбционной очисткой, деасфальтизацией и т.д.

Катализатор - это вещество, в присутствии которого изменяется скорость химической реакции. Явление изменения скорости реакции, вызываемое катализатором, называют катализом, а реакцию - каталитической. Большое распространение получили катализаторы, находящиеся в твердом состоянии. Они имеют множество внутренних пор. Общая внутренняя поверхность пор одной частицы значительно больше внешней ее поверхности.

Катализаторы для процесса каталитического крекинга бывают нескольких видов, а именно: алюмосиликатные катализаторы и цеолитные катализаторы.

Условия процесса каталитического крекинга и глубина протекающих реакций определяется качеством применяемого катализатора. Для обеспечения максимального выхода целевых продуктов и минимального количества побочных продуктов, а также достижения лучших технико-экономических показателей процесса промышленные катализаторы должны иметь следующие основные свойства:

- Высокая активность. Чем выше активность, тем больше глубина превращения исходного сырья при прочих равных условиях;

- Стабильность. Катализатор должен быть стойким к истиранию, растрескиванию и давлению вышележащих слоев;

- Высокая избирательность. Избирательность катализатора оценивается по его способности ускорять реакции в требуемом направлении и снижать скорость побочных реакций;

- Высокие регенерационные свойства. Катализатор должен обладать способностью быстро и многократно восстанавливать свою активность.

1.2 Параметры крекинга

Основными параметрами процесса каталитического крекинга являются температура, давление, время контакта паров сырья с катализатором, определяемое объемной скоростью, и кратность циркуляции катализатора (при работе с движущимся катализатором).

Основными параметрами процесса, влияющими на выход и качество продуктов, являются:

Температура. За температуру процесса каталитического крекинга принимают температуру середины реакционной зоны. В промышленных реакторах температуру процесса поддерживают в пределах 450-500 ^оС. С ростом температуры в рабочей зоне увеличивается общая глубина превращения сырья, выход сухого газа, выход фракции С₃-С₄, количество пропилена и бутилена и в сравнительно небольшой степени повышается выход дебутанизированного бензина.

Давление. На установках с циркуляцией микросферического катализатора процесс ведут под давлением 0,08-0,19 МПа. С повышением давления содержание олефиновых углеводородов в бензине уменьшается, следовательно, снижается октановое число бензина.

Кратность циркуляции катализатора. Кратность циркуляции катализатора равна отношению количества тонн циркулирующего катализатора в час к количеству сырья, подаваемого в реактор. При постоянном количестве и качестве сырья, вносимого в реактор, и нормальных рабочих условиях процесса с ростом кратности циркуляции катализатора, глубина превращения сырья, процент отложения кокса на катализаторе увеличивается и, как следствие, повышает температуру в регенераторе. Понижение кратности циркуляции снижает отложения углерода на катализаторе (снижает выход кокса), снижает глубину превращения сырья.

Объемная скорость (час^-1) - это отношение количества сырья подаваемого в час к количеству катализатора через сечение прямоточного лифт-реактора. Переработка сырья с большой объемной скоростью (при сохранении неизменных прочих условий процесса) дает больший абсолютный выход бензина, чем крекинг с меньшей объемной скоростью.

Качество сырья. Тяжелое сырье дает больший выход бензина и меньший выход газа, сырье с большим содержанием ароматики дает наибольший выход кокса и наименьший выход бензина. Лучший выход бензина и наименьший выход кокса дает нафтеновое сырье. Сырье с высоким содержанием серы дает низкооктановый бензин.

1.3 Продукты каталитического крекинга

Газ каталитического крекинга наполовину состоит из непредельных углеводородов, в основном, пропилена и бутенов. Также присутствуют значительные количества изобутана. Благодаря этому бутан-бутиленовая фракция газа используется как сырье процесса алкилирования с целью получения высокооктанового бензина. Пропан-пропиленовая фракция используется для выделения пропилена для производства полипропилена. Ввиду большой суммарной мощности установок каталитического крекинга, доля пропилена, вырабатываемый в процессе, составляет до 15% от его общего производства. Сухой газ (водород, метан, этан) используется в качестве топлива в печах заводских установок.

Бензин.

В процессе каталитического крекинга вырабатывается высокооктановый бензин с ОЧИ 88-91 пунктов. Кроме того, бензин содержит менее 1% бензола и 20-25% ароматических углеводородов, что дает возможность использовать его для приготовления бензинов согласно последним нормам Евросоюза (Евро-4, Евро-5). Основной недостаток бензина каталитического крекинга - высокое содержание непредельных углеводородов (до 30%) и серы (0,1-0,5%), что очень плохо влияет на стабильность топлива при хранении. Бензин быстро желтеет из-за полимеризации и окисления олефинов и потому не может применяться без смешения с другими бензиновыми фракциями

Легкий газойль.

Легким газойлем каталитического крекинга считается фракция 200-270 °С (реже 200-320 или 200-350). В ней содержится большое количество ароматических углеводородов, что приводит к низкому цетановому числу (как правило, не выше 20-25). Кроме того, даже при условии предварительной гидроочистки сырья, в легком газойле содержится значительное количество сернистых соединений (0,1-0,5%). Из-за этого легкий газойль не может использоваться в больших количествах для приготовления дизельного топлива. Рекомендуемое его содержание в дизельном топливе - до 20% (в случае, если в топливе имеется запас по содержанию серы и цетановому числу). Другое применение легкого газойля - снижение вязкости котельных топлив, судовое топливо и производство сажи.

Тяжелый газойль.

Тяжелый газойль каталитического крекинга - это фракция, начинающая кипеть выше 270 °С (реже 320, 350). Из-за большого содержания полициклических ароматических углеводородов эта фракция (при определенном содержании серы) является прекрасным сырьем процесса коксования с получением высококачественного игольчатого кокса. При невозможности утилизировать фракцию этим путем, её используют как компонент котельного топлива.

1.4 Стадии процесса каталитического крекинга

Поступление сырья к поверхности катализатора (внешняя диффузия)

1. Хемосорбция на активных центрах катализатора

2. Химическая реакция на поверхности катализатора

3. Десорбция продуктов крекинга и не прореагировавшей части сырья с поверхности катализатора

4. Вывод продуктов крекинга из зоны реакции на последующую их ректификацию

5. Выжег образовавшегося в ходе реакции кокса с поверхности катализатора (регенерация)

На установках прошлого поколения использовался аморфный шариковый катализатор. Представляет собой шарики 3-5 мм с площадью поверхности 200 мІ/гр.

В настоящее время используется цеолитсодержащий микросферический катализатор (размер частиц 35-150 мкм). Площадь поверхности 300-400 мІ/гр. Он представляет собой крекирующий цеолитный компонент, нанесенный на аморфную алюмосиликатную матрицу. Содержание цеолита не превышает 30%. В качестве цеолитного компонента используется ультрастабильный цеолит Y, иногда с добавками цеолита ZSM-5 для увеличения выхода и октанового числа бензина. Ряд компаний при приготовлении катализатора также вводят в цеолит редкоземельные металлы. В катализаторе крекинга также содержатся добавки, уменьшающие истирание катализатора, а также промоторы дожигаСО, образующегося в регенераторе при выжиге кокса, до СО₂.

Для обеспечения максимального выхода целевых продуктов и минимального количества побочных, а также достижения высоких технико-экономических показателей процесса, катализатор должен отвечать следующим условиям:

1. Иметь высокую активность, определяющую большую глубину превращения исходного сырья при прочих равных условиях

2. Иметь высокую избирательность, которая определяется способностью ускорять реакции в требуемом направлении и снижать скорость побочных реакций

3. Стабильность механических свойств - стойкость к истиранию, растрескиванию в процессе эксплуатации

Иметь высокие регенерационные свойства, характеризующиеся способностью быстро и многократно восстанавливать свою активность и избирательность при окислительной регенерации без нарушения паровой структуры и разрушения частиц

Внедрение цеолитсодержащих катализаторов изменило устройство реакторного блока, высокая активность цеолитов заставила отказаться от псевдоожиженного слоя и использовать реакторы лифтного типа или комбинировать их с псевдоожиженным слоем. На современных установках каталитического крекинга применяются следующие модификации процесса на цеолитных катализаторах:

- крекинг в одном лифт-реакторе

- последовательный крекинг в лифт-реакторе и в псевдоожиженном слое

- крекинг в лифт-реакторе и параллельно в лифт-реакторе и псевдоожиженном слое.

1.5 Описание технологической схемы установки каталитического крекинга Г-43-107 (в одном лифт-реакторе)

Сырье (гидроочищенный вакуумный дистилят) насосом HI через теплообменники Т1 и Т2 (где, нагреваясь за счет тепла отходящих потоков) подается в печь П1. В трубчатой печи сырье нагревается до температуры 300-400 °С. Нагретое сырье поступает в узел смешения реактора Р1, куда одновременно подается циркулирующий газойль и водяной пар (через 7 распылителей форсунок, которые расположены на высоте 6,0 м от низа лифт-реактора в переходной (конусной) его части, они обеспечивают тонкий распыл сырья и смешения сырья с катализатором по всей площади сечения лифт-реактора), смешивается в нижней части прямоточного реактора Р1 с регенерированным катализатором, поступающим из регенератора Р2 по наклонному катализаторопроводу с температурой 700 °С. Создание разряженного потока катализатора в лифт-реакторе достигается подачей в нижнюю его часть, в качестве транспортирующего агента наряду с водяным паром, бензина вторичных процессов, представляющего смесь бензина висбрекинга и бензина легкого гидрокрекинга при контактировании парожидкостной смеси с горячим катализатором жидкая фаза испаряется, снижая температуру катализатора до 550 °С.

Количество катализатора, поступающего в реактор, регулируется с помощью клапана задвижки.

Пары нефтепродуктов двигаясь с низа вверх в прямоточном реакторе вместе с катализатором подвергается каталитическомукрекированию. С целью предотвращения длительного контакта продуктов крекинга с катализатором, в верхней части лифт-реактора прилагается сепарационное устройство (балистический сепаратор) для быстрого разделения выходящих потоков катализатора и водяных паров. Отделение основной массы катализатора от продуктов крекинга происходит в отстойной зоне реактора Р1. парогазовая смесь крекинга поступает в четыре группы двухступенчатых циклонов со спиральным вводом, в которых отделяются нефтяные пары от увлеченный мелких частиц катализатора, и с температурой 510-515 °С направляется в нижнюю часть ректификационной колонны К1 на разделение.

Рисунок 1.1 - Технологическая схема установки каталитического крекинга

Катализатор с адсорбированными на его поверхности продуктами крекинга поступают в зону десорбции реактора Р1, где по средствам водяного пара осуществляется отпарка катализатора от продуктов крекинга. Закоксованный катализатор, за счет разности статических напоров катализатора в реакторе и регенераторе, самотеком по наклонной транспортирующей линии поступает в регенератор Р1,где при температуре 670 °С и давлении 0,24 МПа выжигается кокс.

Воздух на выжиг кокса, подается воздушными нагнетателями через трубчатый коллектор. Для разогрева воздуха в момент пуска и внесение дополнительного тепла в регенератор по линии подачи воздуха устанавливается топка под давлением, в кипящий слой регенератора предусмотрено подача дистилятного топлива. Выжиг кокса в регенераторе осуществляется при воздействии воздуха на поверхность катализатора, поступающего через П2.

Наличие промотора в катализаторе позволяет проводить дожиг СО в СО₂ в кипящем слое катализатора.

Образовавшиеся при выжиге кокса дымовые газы с температурой до 700 °С, пройдя отстойную зону регенератора, 6 групп двухступенчатых циклонов и, отделившись от отстойной массы катализатора, направляется в аппарат для снижения давления Д1. В газоходе Д1, оборудованном четырьмя диафрагмами, происходит снижение давление дымовых газов до атмосферного, которые затем поступают в котёл-утилизатор А1, отдают своё тепло и направляют в электрофильтр Е1 для удаления катализаторной пыли, после чего выбрасывают в атмосферу.

Нагрузка бункеров Б1 и Б2 катализатором производится из автоцементовоза потоком транспортирующего воздуха.

Из бункеров Б1 и Б2 предусмотрена загрузка регенератора Р2.

Подпитка реакторного блока свежим катализатором осуществляется в регенератор Р2 из бункера свежего катализатора Б2.

Выгрузка катализатора из прямоточного реактора из зоны десорбции, регенератора предусмотрена самостоятельными выводами в аварийный бункер Б1.

Регенерированный катализатор из регенератора по транспортной линии поступает в узел смешения сырья и катализатора прямоточного реактора.

Температура крекинга в лифт-реакторе регулируется количеством катализатора, подаваемого из Р2 в узел смешения. Количество катализатора из Р2 автоматически регулируется шиберной задвижкой на перетоке регенерированного катализатора.

Для повышения октанового числа бензина, к катализатору добавляется октаноповышающая добавка. Первоначально, в систему реакторного блока загружают примерно 6-7 т октановой добавки, а затем ежедневно осуществляется ввод добавки в систему в количестве 40-60 кг/сутки.

В ректификационной колонне продукты крекинга разделяются: в нижней части колонны от паров отделяются увлеченная катализаторная пыль, которая со смесью тяжелых углеводородов возвращается в реактор. Лёгкий и тяжелый газойль выводятся из соответствующих точек колонны К1 в отпарные колонны К2 и КЗ. Затем насосами НЗ и Н4 прокачиваются через теплообменники Т1 и Т2 и холодильниками XI и Х2 и выводятся с установки. Часть тяжелого газойля подаётся в узел смешения сырья реактора. Сверху К1 отбираются газы, пары воды и бензина. Они поступают в конденсатор - холодильник ХК1, где конденсируются и охлаждаются. Затем газожидкостная смесь направляется в сепаратор С2, где отстаивается от сконденсировавшихся паров воды, вода сбрасывается в канализацию, а газ компрессором ПК1 подается на установку газофракцилонирования. Бензин идёт на склад готовой продукции, а частично, в колонну К1 на орошение.

Фракция 195-350 °Сс температурой не более 300° С забирается насосом НЗ с низа отпарной колонны К2 и охлаждается в сырьевом теплообменнике Т1, затем поступает в холодильник воздушного охлаждения XI и выводится с установки.

Фракция выше 350°С забирается насосом Н4, охлаждается в сырьевом теплообменнике Т2 и холодильнике Х2 и также выводится с установки С низа ректификационной колонны К1 насосом Н5 в реактор Р1 открывается шлам - тяжелый газойль со взвешенной в нём катализаторной пылью.

2. Обзор методов каталитического крекинга

2.1 Основные факторы процесса каталитического крекинга

Факторами процесса каталитического крекинга называются параметры технологического режима, которые определяют выход и качество получаемых продуктов, экономические показатели производства и его экологическую характеристику. Пределы их значений зафиксированы в технологическом регламенте установки. В процессе ее эксплуатации эти параметры поддерживаются на постоянном уровне при условии неизменного состава сырья и катализатора.

Основными факторами процесса являются: физикохимические свойства сырья, температура в реакторе, кратность циркуляции катализатора, давление в рабочей зоне реактора, время контакта сырья с катализатором, расход водяного пара в реактор, рециркуляция газойля.

При соответствующих значениях факторов процесса каталитического крекинга достигается определенная глубина превращения сырья. В технической литературе понятие глубина превращения или глубина крекинга часто заменяется термином конверсия. Под глубиной превращения или конверсией обычно понимают суммарный выход газа, бензина и кокса, выраженный в процентах. Следует сказать, что эта величина является, в известной мере, условной, т.к. не учитывает химические реакции, ведущие к образованию легкого каталитического газойля. Кроме того, тяжелый каталитический газойль, пределы выкипания которого совпадают с таковыми для сырья, считается "условно непревращенной" его частью. В действительности, пройдя через реакционную зону, тяжелый газойль становится качественно иным, однако количественно определить эти изменения невозможно. Поэтому глубиной превращения или конверсией можно пользоваться как сравнительным показателем, характеризующим протекание процесса при различных условиях.

Конверсия выше 80% мас. считается высокой, в пределах 67-77 - средней и менее 67 - низкой. Максимальный выход бензина обычно достигается при конверсии 75-79% мас.

С конверсией связано такое понятие, как жесткость технологического режима процесса. Жесткий режим - это повышенные температура в реакторе, кратность циркуляции катализатора, обеспечивающие высокое значение конверсии и, как следствие, увеличение выхода кокса и максимальное октановое число бензина. Показатели качества сырья и их влияние на результаты каталитического крекинга были рассмотрены в предыдущей главе. Здесь мы остановимся на других факторах процесса, в основном, с точки зрения получения главного продукта - бензина. Температура в реакторе. В процессе каталитического крекинга основные химические реакции протекают с поглощением теплоты и по этой причине температура продуктов крекинга снижается по мере их продвижения от зоны контакта сырья с катализатором до выхода из реактора. Перепад температуры по высоте реактора может достигать 30-40°С. Ее значения контролируются в нескольких точках, расположенных по высоте и сечению реактора. В рабочем режиме установки она изменяется в пределах 490-530°С. За температуру в реакторе обычно принимают температуру продуктов реакции на выходе из него при входе в циклоны. Она зависит от расходов вводимых в реактор сырья и катализатора, их температуры, активности катализатора, глубины превращения, количества подаваемого водяного пара, степени распыления сырья и его физико-химических свойств. Температура в реакторе, наряду с кратностью циркуляции и температурой регенерированного катализатора, относится к основным параметрам, которые можно изменять в процессе работы установки. При эксплуатации установки активность и селективность катализатора снижаются. Поэтому, а также из-за его потерь через циклоны реактора и регенератора, в систему циркуляции вводят свежий или равновесный катализатор. Для сохранения выхода бензина и его октанового числа требуется постоянная, желательно равномерная, подпитка катализатора и повышение температуры в реакторе. Эти операции приводят к возрастанию скорости первичных (расщепление тяжелых углеводородов сырья при их контакте с катализатором) и вторичных (превращение углеводородов, образовавшихся в результате первичных реакций) химических реакций, что способствует росту конверсии сырья, изменению выхода и состава получаемых продуктов. В среднем, повышение температуры в реакторе на 10°С приводит к увеличению конверсии на 12-13%. С ее ростом до 530°С (рис.3.11) увеличивается выход бензина (н.к.-195°С) и его октановое число по исследовательскому методу.

2.2 Физико-химические методы исследования сорбентов и катализаторов

Анализ состава алюмосиликатов проводили методом атомноабсорбционной спектрометрии на приборе Analystфирмы PerkinElmer. Образцы предварительно сплавляли с флюсом - смесь тетрабората лития и фторида лития, а затем растворяли в винной кислоте.

Текстуру пористой структуры образцов определяли на анализаторе GeminiVII2390 (V1.02 t) фирмы Micromeriticsпо стандартной методике. Перед анализом образцы вакуумировали при 300^оС в течение 12 часов до давления 3x10³атм. Изотерму адсорбции-десорбции азота снимали при температуре 77 К. Текстуру пористого катализатора рассчитывали с использованием стандартного программного обеспечения. Удельная поверхность была рассчитана по уравнению ВЭТ (Брунауэр-Эммет-Тэллер) при относительном парциальном давлении Р/Р₀= 0,2. Общий объём пор и распределение пор по радиусам рассчитан по модели BJH(Баррет-Джойнер-Халенда) при относительном парциальном давлении Р/Р₀ = 0,95.

Определение упорядоченности пор в катализаторах проводили методом дифракции рентгеновских лучей на малых углах. Рентгенограммы измеряли на дифрактометреSAXSessфирмыAntonPaar, Австрия, излучение СиК , Л=1,5418 А. Расчёт значений межплоскостных расстояний dпроведен по формуле d= Х/2віп?, где ? - угол максимума рефлекса.

Просвечивающие электронные микрофотографии (ПЭМ) образцов алюмосиликатов, формованных носителей и бифункциональных катализаторов были выполнены на приборе LEO912 ABOMEGA, увеличение от 80х до 500 000х, разрешение изображения: 0.2 - 0.34 нм.

Кислотность алюмосиликатов определяли на приборе УСГА-101. Для этого исследуемый образец в виде фракции 0,5-0,25 мм массой ~0,1г помещали в кварцевый реактор между слоями кварца фракции с размером частиц 1-0,5 мм. Вначале образец обрабатывали в токе гелия при 500^оС в течение 1 ч с последующей продувкой азотом. Насыщение образца проводили в потоке осушенного аммиака, разбавленного азотом, при температуре 60^оС в течение 15 мин. Удаление физически адсорбированного аммиака проводили при 100^оС в токе сухого гелия в течение 1 ч со скоростью продувки гелием 30 мл/мин. Для получения кривой ТПД образец охлаждали до 50-60^оС и постепенно повышали температуру до 500^оС со скоростью 8^о/ми.

2.3 Метод волновой обработки сырья

Для применения волнового метода обработки сырья оно должно обладать следующими физико-химическими свойствами (таблица 2.1).

Таблица 2.1- Физико-химические требования на исходное сырье.

Показатель	Значение
Плотность при 20°С, г/см3, не менее	0,93
Кинематическая вязкость 20°С, мм2/с (сСт)
Массовая доля воды, не более %,	1
Содержание загрязнений , %	Отс.
Содержание фракций, выкипающих до 60°С, %	Отс.
Массовая доля серы, не более % масс.	2,5

Методика включает следующие операции:

1. Подготовка к работе установки волновой обработки сырья.

2. Подготовка тяжелого углеводородного сырья.

3. Загрузка тяжёлого углеводородного сырья, подвергаемого воздействии.волнового излучателя.

4. Активация сырья в течении 3-5 часов в зависимости от вида сырья.

5. Сбор активированного сырья.

6. Подготовка сырья к каталитической переработке.

Для проведения методики предусмотрено использование экспериментального стенда низкотемпературной активации с применением волнового воздействия, обладающего следующими характеристиками:

· рабочее давление - до 0,6 МПа;

· рабочая температура - до 70 °С;

· энергозатраты - до 10 кВт ч/тонну исходного сырья.

Экспериментальный стенд волновой активатор - источник волновогополя, который должен обладать следующими эксплуатационными параметрами:

· мощность электромагнитного излучения 0,2 - 0,5 кВт.

· частота электромагнитного излучения 30Гц.-55 мГ ц.

В основу конструкции активатора была заложена идея согласования высокочастотного генератора и излучающей антенны (ИА) путем её настройки с помощью индукционных катушек или обкладок конденсатора. Общий вид активатора представлен на рисунке 2.1.



Рисунок 2.1- Общий вид высокочастотного активатора: 1,8 - фланцы стальные, 2 - труба стальная, 3 - патрубки для ввода и вывода охлаждающей жидкости, 4,5- стенки рубашки охлаждения, 6 - съемная крышка рубашки охлаждения, 7 -стеклопластик(диэлектрик) для обеспечения проникновения эдектромагнитных полей от излучающей антенны в обрабатываемое сырье,8, 9 - обкладки конденсатора излучающей антенны, 10 - катушки конденсатора, 11 - клеммная коробка для подвода токов высокой частоты, 12 - соединительные провода к высокочастотному конденсатору.

Работа установка осуществляется в такой последовательности. Сырьё в количестве 10 кг загружается в емкость, снабжённую мешалкой (в случае использования нефтешламов в ёмкость загружают 5 кг нефтешлама и 5 кг растворителя). После загрузки сырья включают мешалку и перемешивают смесь до гомогенного состояния (в случае нефтешламов производят интенсивное перемешивание смеси до равномерного распределения дисперсной фазы в среде). Затем открывают кран и сырьё (смесь нефтешлама и растворителя) заполняет внутреннюю полость насоса, линию сырья вплоть до промежуточной емкости 2.1 и включают насос. При этом устанавливается номинальная частота вращения насоса с помощью частотного регулятора. При этой скорости вращения насоса осуществляют циркуляцию сырья по контуру "насос- нагреватель сырья-- гидродинамический активатор-высокочастотный электромагнитный активатор- расходомер- промежуточная емкость- насос" в течение 1 часа. По истечении этого периода подают напряжение на нагреватель сырья и доводят температуру сырья до 50-70^оС. Контроль за температурой осуществляют с помощью термометров, установленных на емкостях. После установления необходимой температуры включают генератор токов акустического излучения и на гидродинамический активатор подается акустическое излучение с частотой 20-24 кГц. Затем включают генератор токов высокой частоты электромагнитного излучения и на электромагнитный активатор подается высокочастотное излучение с частотой 40-55 МГц мощностью 0,2-0,5кВт. Для этого проводят согласование высокочастотного генератора и излучающей антенны (ИА) путем настройки последней с помощью индукционных катушек (см.поз. 10 на рисунке

2) или обкладок конденсатора (см.поз. 9 на рисунке 2). После этого выдерживают реакционную смесь в течении1-8 часов при 50-70^оС, давлении 0,2 - 0,3МПа, частоте электромагнитного излучения 40-55МГц при мощности излучения 0,20,5кВт. При исследовании частот в диапазоне 30-55МГц проводят новые согласования высокочастотного генератора и ИА, путём настройки последней с помощью индукционных катушек или обкладок конденсатора. При этом записывают в оперативный журнал значения давления с манометра со шкалой 0-1 МПа и термометра со шкалой 0-100^оС. установленных в промежуточных ёмкостях. При этом следят за скоростью подачи сырья с помощью расходомера. Предусматривается возможность установления различных значений скорости подачи сырья с помощью частотного регулятора. На этом заканчивается первый цикл обработки. Затем приступают ко второму циклу волновой обработки сырья. Для этого открывают краны и закрывают краны и переходят на другую промежуточную ёмкость. Далее осуществляют циркуляцию сырья по контуру "насос- нагреватель сырья- гидродинамический активатор- высокочастотный электромагнитный активатор- расходомер- промежуточная емкость- насос" в течение 1-8 часов. После окончания заданной продолжительности циркуляции сырья приступают к третьему циклу волновой обработки сырья и.т.д.

После окончания заданной продолжительности волновой обработки каждого цикла открывают кран или и отбирают пробу для анализа (элементный состав, групповой состав).

После истечения 1 -8 часового периода выдержки сырья активированное сырье через кран или сливается в емкость для хранения. Затем производят разделение фаз. Механические примеси нефтешлама отфильтровывают на фильтре Шотта и сырье подвергается каталитической переработке на установка проточного типа.

2.4 Методика проведения каталитического крекинга при переработке тяжелого сырья

Экспериментальные исследования проводили на установке проточного типа с неподвижным слоем катализатора. Внутренний диаметр стального реактора 10 мм. Подача сырья в реактор (Р) осуществляется дозировочным шприцем. Сырье через тройник-смеситель поступают в реактор. Продукты реакции поступают в приёмник-сепаратор, охлаждаемый проточной водой, где происходит разделение газов и жидких продуктов. Газы из приёмника-сепаратора поступают на газовые часы и далее в вентиляционный выход, ведущий в атмосферу.

Перед началом проведения опыта реактор тщательно очищается от воздуха, в него загружается отмеренная порция катализатора . Для поддержания устойчивого температурного режима и равномерности распределения подаваемого сырья по объёму реактора его нижняя и верхняя части заполняются кварцем. После загрузки реактора система герметизируется, заполняется аргоном, опрессовывается. Схема лабораторной установки представлена на рисунке 2.4.



Рисунок 2.2 - Схема лабораторной установки каталитического крекинга:

1 - реактор; 2 - трубчатая печь; 3 - узел подачи сырья; 4 - приёмник для сбора жидких продуктов; 5 - система сбора крекинг-газа; 6 - система регулировки температуры.

Крекинг сырья проводили температуре при 500^оС, массовой скорости подачи сырья 15 ч^-1, загрузка катализатора в реактор 4,0 г. Для уменьшения вязкости вакуумного газойля его подогревали перед подачей в реактор до70^оС горячей водой, подаваемой в рубашку шприца из термостата. Перед началом работы реактор и приемник для сбора жидких продуктов крекинга продувают аргоном со скоростью 15 мл/мин в течение 20 мин., после чего осуществляют подачу сырья. Шприц, подающий сырьё, предварительно калибровали таким образом, чтобы за 75 сек. В реактор подавалось заданное количество сырья. После завершения пропускания сырья в реактор его продували аргоном до тех пор, пока общий объём крекинг-газа и поданного аргона не составит 400 см³. После проведения опыта катализатор регенерировали в потоке воздуха. После чего проводят новый опыт. Жидкие продукты анализировали методом ГЖХ и хромато-масс-спектрометрии. На основе данных ГЖХ рассчитывали содержание целевых и побочных продуктов; выход газов определяли по разнице в массе поданного сырья и собранных жидких продуктов. Для каждой пробы рассчитывали конверсию сырья, выходы продуктов и селективность, затем рассчитывали среднее значение этих величин из результатов анализа 3-4 проб. При проведении одного эксперимента отклонение значений конверсий от средней величины в области конверсий более 20 %масс. не превышало ±1% масс., при проведении повторных экспериментах с перезагрузкой катализатора - 1,5 %масс

3. Автоматизация управления процессом каталитического крекинга

3.1 Краткая характеристика процесса каталитического крекинга, как объекта управления

Процесс каталитического крекинга является головной частью всего процесса переработки нефтяных шламов. Сущность процесса заключается в следующем.

Разлитая нефть на грунт загружается вместе с грунтом в установку. Установка представляет собой вращающуюся горизонтальную печь, выложенную в плотном железном кожухе и футерованную огнеупорным кирпичом с барабаном внутри. Барабан служит для всасывания газов горения и передачи их для дальнейшей переработки. Получающиеся газы в процессе горения, характеризующиеся содержанием пыли, проходя циклон попадают в камеру конденсации. Камера конденсации предназначена для частичной конденсации паров нефти (в основном средних и тяжелых фракций) с помощью жидкой нефти, распыленной через форсунки с регулируемой производительностью. Сконденсированные пары нефти попадают в бак выветривания, откуда в последствии также через форсунки идут на конденсацию паров в камеру конденсации или откачиваются потребителю. Более легкие фракции углеводородов (бензин, газы) и вода откачиваются в модуль выветривания. Модуль выветривания предназначен для сбора нефти, очистки газа от влаги для подачи его на сжигание.

Внизу емкости имеются патрубки для откачки нефти потребителю и на орошение. А также имеются сливные патрубки для чистки.

Полученные газы идут на сжигание в камеру горения. Вода далее служит для охлаждения обожженного грунта.

Надо следить за тем, чтобы не образовалось большого количества СО, так как это может привести к его догоранию и резкому повышению температуры (до 1000 ⁰С) и, как следствие этого, к аварии. Для этого в камере горения должно быть достаточно О₂ .,чтобы вместо

СО образовывался СО₂. Если началось догорание СО, то необходимо срочно отключить горелку, прекратить доступ воздуха в печь.

Нормальное течение процесса обеспечивается постоянной (оптимальной) температурой.

Ход технологического процесса установки каталитического крекинга характеризуется большим числом параметров, непрерывно изменяющихся относительно своих средних значений.

В установке входные координаты, на которые наложены технологические ограничения или к которым предъявляются определенные технологические требования:

- количество грунта V г;

- содержание нефти в грунте V^

- объем катализатора Vк;

- расход газа V г;

- гранулометрический состав.

К выходным параметрам относятся:

- содержание нефти в грунте V^

- концентрация СО в отходящих газах.

Многие из перечисленных параметров не поддаются надежному и своевременному контролю. Это относится к таким показателям процесса, как химический состав и влажность загружаемого в печь шлама.

Каталитический крекинг различных видов дистиллятного и остаточного сырья предназначен для получения компонентов высокооктановых бензинов и газа с высокой концентрацией пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракций. Процесс протекает при температуре 420-5500С и давлении 0,1-0,2 Мпа в присутствии алюмосиликатных, цеолитсодержащих и других катализаторов. Основным узлом установки каталитического крекинга является реакторно-регенераторный блок. Функциональная схема системы автоматического регулирования реакторно-регенераторного блока установки каталитического крекинга изображена на рис 5.5. Система предусматривает автоматическую стабилизацию переменных параметров, характеризующих работу трех самых важных агрегатов блока - нагревательной печи 1, реактора 2 и регенератора 3.

Рисунок 3.1 - Схема автоматического регулирования реакторно-регенераторного блока установки каталитического крекинга: 1-нагревательная печь; 2-реактор; 3- регенератор; 4-7 - регуляторы температур; 8, 9- регуляторы расходов; 10-регулятор уровня; 11 - регулятор закоксованности катализатора; 12-18 - регулирующие клапаны.

Система регулирования состоит из ряда взаимосвязанных контуров, обеспечивающих стабилизацию следующих переменных процесса: температуры подогрева сырья в нагревательной печи, уровня кипящего слоя в ректоре, расхода закоксованного катализатора, выходящего из реактора, расхода регенерированного катализатора, выходящего из регенератора, температуры кипящего слоя в реакторе и в регенераторе, закоксованности катализатора, выходящего из регенератора. Реактор и регенератор, рассматриваемые с позиции автоматического регулирования, представляют собой многосвязанный объект с положительной обратной связью. Это вызвано тем, что увеличение содержания кокса на катализаторе на выходе из реактора при избытке воздуха в регенераторе вызывает увеличение температуры кипящего слоя регенератора и, следовательно, возрастание температуры кипящего слоя в реакторе. При этом увеличивается глубина разложения сырья и происходит дальнейшее коксование катализатора. Таким образом, система реактор - регенератор имеет тенденцию к неустойчивости. Указанная особенность объекта регулирования характерна не только для его теплового режима, но и для гидродинамического.

Ниже приведено описание систем автоматического регулирования ре-акторно - регенераторного блока. Автоматическое регулирование температуры подогрева сырья осуществляется по каскадной схеме, причем промежуточной координатой служит температура перевальной зоны печи. В качестве управляющего воздействия используют расход топливного газа в печь. Этот контур регулирования реализован с помощью регулятора 6, воз¬действующего на регулирующий клапан 13.

Температура подогрева сырья на выходе печи стабилизируется регулятором 5, выходной сигнал которого формирует задание регулятору 6. Применение для стабилизации температуры подогрева сырья каскадной САР целесообразно, поскольку основные возмущения (например, изменение давления в линии топливного газа) воздействуют на систему со стороны регулирующего органа. Другим обстоятельством служит то, что инерционность канала «расход топливного газа - температура перевальной зоны печи» значительно меньше инерционности канала «расход топливного газа - температура подогрева сырья».

Связанная система автоматического регулирования режима реактора предусматривает стабилизацию температуры и уровня кипящего слоя в реакторе, а также расхода катализатора из реактора в регенератор. Регулирование температуры в реакторе 2 осуществляется регулятором 4, воздействующим на регулирующий клапан 12, изменяющий расход холодного сырья через байпас помимо печи. Регулирование уровня осуществляется регулятором 10, изменяющим расход дымовых газов из регенератора 3 с помощью регулирующего клапана 16. Регулирование расхода катализатора из реактора в регенератор осуществляется регулятором 8 изменением подачи транспортирующего агента в подъемный стояк реактора путем воздействия на регулирующий клапан 14.

САР технологического режима регенератора обеспечивает: стабилизацию температуры в регенераторе с помощью регулятора температуры 7,воздействующего на регулирующий клапан 17 подачей конденсата в охлаждающие змеевики регенератора; стабилизацию закоксованности катализатора, выходящего из регенератора с помощью регулятора 11, воздействующего на регулирующий клапан 18 подачей воздуха в регенератор; стабилизацию расхода катализатора из регенератора в реактор с помощью регулятора 9, воздействующего на регулирующий клапан 15 подачи транспортирующего агента.

3.2 Описание функциональной схемы автоматизации установки

Рисунок 3.2 - Функциональная схема автоматического регулирования реакторно-регенераторного блока установки каталитического крекинга:

Функциональная схема предусматривает контроль следующих переменных процесса:

1) температура выходящих из модуля реакторного паров нефти определяется с помощью термоэлектрический преобразователь типа ТХК Метран- 252-02 (позиция 4а) сигнал от которого поступает на вход в контроллер АЕ 6ES7 331-7KF01-OABO;

2) температура в камере горения измеряется термоэлектрическим преобразователем типа ТХК Метран-251-02 (позиция 5а) сигнал от которого поступает на вход в контроллер АI-6ES7 331-7KF01-OABO;

3) температура на выходе из камеры конденсации определяется термопреобразователем сопротивления серии Метран-254 ТСМ 100М-02 (позиция

1а). Сигнал от него поступает на вход в контроллер А!-6Б87 331-7KF01- OABO;

4) температура на выходе из модуля выветривания определяется с помощью термопреобразователем сопротивления серии Метран-254 ТСМ 100М- 02 (позиция 2а). Сигнал от него поступает на вход в контроллере АБ8;

5) температура в баке выветривания определяется термопреобразователем сопротивления серии Метран-254 ТСМ 100М-02 (позиция 3а). Сигнал от него поступает на вход в контроллер А!-6Б87 331-7KF01-OABO;

6) давление на входе в модуль реакторный измеряется преобразователем избыточного давления серии Метран-43-ЕХ-Ди (3143) (позиция 8) сигнал от которого поступает на вход в контроллер АБ6Е87 331-7KF01-OABO;

7) давление на выходе из модуля реакторного измеряется преобразователем избыточного давления серии Метран-43-ЕХ-Ди (3143) (позиция 6) сигнал от которого поступает на вход в контроллер АБ6Е87 331-7KF01-OABO;

8) давление в камере горения определяется с помощью преобразователя избыточного давления серии Метран-43-ЕХ-Ди (3143) (позиция 7) сигнал от которого поступает на вход в контроллер АБ6Е87 331-7KF01-OABO;

9) нижний уровень в баке выветривания определяется с помощью датчика уровня АООТ «Теплоприбор» РОС-301 (позиция 1с). Сигнал от него поступает на вход в контроллер АБ6Е87 331-7KF01-OABO;

Системой автоматизации предусмотрены следующие контуры управления:

1) контур управления температурой в камере горения включающий:

- сигнал о температуре в камере горения (позиция 5а) поступает на вход в контроллер DI-6ES7 312-1ELOO-OAAO, где реализован PIалгоритм цифрового управления;

- выходной сигнал управления от контроллера DI-6ES7 312-1ELOO- OAAOпоступает через цепи местного управления на исполнительный механизм (позиция 23);

2) контур управления температурой на выходе из камеры конденсации включающий:

- сигнал о температуре на выходе из камеры конденсации (позиция 1а) поступает на вход в контроллер DI-6ES7 312-1ELOO-OAAO, где реализован PIалгоритм цифрового управления;

- выходной сигнал управления от контроллера DI-6ES7 312-1ELOO- OAAOпоступает через цепи местного управления на исполнительный механизм (позиция 20);

3) контур управления давлением на выходе из модуля реакторного включающий:

- сигнал о давлении на выходе из модуля (позиция 6) поступает на вход в контроллер DI-6ES7 312-1ELOO-OAAO, где реализован PIалгоритм цифрового управления;

- выходной сигнал управления от контроллера DI-6ES7 312-1ELOO- OAAOпоступает через цепи местного управления на исполнительный механизм (позиция 15);

4) контур управления давлением на входе в модуль реакторный включающий:

- сигнал о давлении на входе в модуль (позиция 8) поступает на вход в контроллер DI-6ES7 312-1ELOO-OAAO, где реализован PIалгоритм цифрового управления;

- выходной сигнал управления от контроллера DI-6ES7 312-1ELOO- OAAOпоступает через цепи местного управления на исполнительный механизм.

3.3 Выбор и обоснование приборов и средств автоматизации для АСУ ТП установки каталитического крекинга

Для реализации предлагаемой АСУ ТП разделения воздуха необходим выбор технических средств автоматизации: датчиков, исполнительных механизмов, регулирующих органов.

Выбор датчиков для систем автоматического контроля и регулирования определяется:

- пределами и необходимой точностью измерений контролируемого параметра;

- условиями работы (запыленностью, наличие агрессивных сред и т.д.);

- номенклатурой выпускаемых приборов.

Выбор исполнительного механизма (ИМ) зависит:

- от типа регулятора;

- величины усилия, необходимого для перемещения регулирующего органа (РО);

- требуемого быстродействия;

- условий эксплуатации, температуры, влажности, запылённости, химической агрессивности окружающей среды, взрывоопасности.

При выборе регулирующих органов необходимо учесть:

- параметры регулируемой среды (давление, температуру и т.д.);

- величину регулируемого расхода и диапазон его изменения;

- условия монтажа и эксплуатации.

Датчики давления

На технологической установке «Устюрт» одним из важных параметров влияющих на ход процесса является давление. Для измерения давления выбраны датчики избыточного давления Метран-43-EX-Ди (3143).

Датчики давления серии Метран-43 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра в аналоговый унифицированный сигнал.

Датчики Метран-43 с микропроцессорным преобразователем имеют преимущества перед аналогичными датчиками с аналоговым преобразователем по всем показателям:

- метрологическим;

- функциональным;

- эксплуатационным.

Рисунок 3.3 - Датчик давление

Датчики температуры

Другим важным параметром при работе установки является температура. Почти 90% всех технологических процессов не обходятся без измерения температуры. Чем совершеннее производство, тем более высокие требования предъявляют к качеству изготовления датчиков, их надежности, метрологической точности.

Для измерения температур выбраны термоэлектрические преобразователи ТХК Метран - 251, ТХК Метран-252 и термопреобразователь сопротивления ТСМ Метран-254.

В термоперобразователях серии “Метран-200” форма головки нетрадиционна. Новая форма головки выполнена в стиле, согласующемся с конструктивным стилем датчиков давления серии Метран. Размеры головки позволяют встраивать различные функциональные устройства, которые обеспечивают предварительную обработку измеряемого параметра и преобразовывают обратный сигнал в форму. Удобную для дальнейшей передачи информации, в том числе и на устройства верхнего уровня.

Термоэлектрические преобразователи серии “ ТХА/ТХК Метран-200” имеют ряд преимуществ по сравнению с термоэлектрическими преобразователями традиционного исполнения:

- чувствительный элемент (ЧЭ) изготовлен из термопарного кабеля КТМС-ХА (ХК);

- термоэлектроды ЧЭ сварены лазерной сваркой;

- термоэлектрическая стабильность и рабочий ресурс повышены в 2-3т

раза;

- малый показатель тепловой инерции;

- дополнительная защита термоэлектродов от воздействия рабочей среды;

- возможность оперативной замены ЧЭ без демонтажа защитного чехла с объекта;

- удешевление последующих поставок, т. к. при необходимости можно заменять только защитный чехол или ЧЭ.



Рисунок 3.4 - Датчики температуры

Датчик уровня

Для измерения уровня в баке выветривания установлены датчики уровня АООТ «Теплоприбор».

Датчики-реле уровня РОС-301 государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации предназначены для контроля трех уровней электропроводных жидкостей по трем независимым каналам в одном Оли различных резервуарах в стационарных и корабельных условиях вне взрывоопасных зон.

Рисунок 3.5 - Датчики уровня

Ленточные транспортерные весы

Оптимальная работа комплекса требует режима равномерной загрузки 5 тонн нефтешлама в час в модуль реакторный.

Достижение этого условия возможно при условии измерения количества грунта подаваемого ленточным конвейером. Поэтому определение количества загружаемого нефтешлама обеспечивается ленточными транспортерными весами ЛТМ1-М1.

Данные весы представляют собой продукцию АО «Тенросиб», работающего на рынке весового оборудования на протяжении 9 лет.

Продукцию АО «Тенросниб» от других производителей отличают следующие показатели:

- сочетание надежности и точности;

- широкий температурный диапазон эксплуатации;

- современная технология изготовления и оригинальность конструктивных решений;

- простота в установки и обслуживании;

- высокая эффективность, гарантирующая быстрый возврат инвестиций;

- оперативная работа технической службы, обеспечивающей установку, монтаж оборудования и техническую поддержку в процессе эксплуатации.

Кроме того, весовые системы данной компании комплектуются оборудованием, с классом защиты IP67 для работы в тяжелых производственных условиях.

3.4 Выбор микропроцессорного контроллера для АСУ ТП установкикаталитического крекинга

Программное обеспечение представляет совокупность программ, реализующих функции АСУТП и обеспечивающих заданное функционирование комплекса технических средств. Оно включает в себя общее и специальное программное обеспечение.

Поскольку в большинстве РС-контроллеров используются коммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows, Unix, Linux, QNX и др.), программная надежность PC выше, чем у PLC. Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального времени, быть компактными и иметь возможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти.

В качестве микропроцессорного контроллера (МК) для управления технологическим процессом разделения воздуха выбираем Simatic S7-300 компании SIEMENS (рисунок 2.7) [11].

...