Каталитический крекинг (КК) - это современный термокаталитический процесс, предназначенный для превращения высокомолекулярных углеводородных нефтяных фракций в присутствии катализатора в более легкие фракции нефти. Продуктами получения установки каталитического крекинга являются: углеводородный газ, бензиновая фракция, легкий газойль (фракция 95-280°С), фракция 280-420°С, тяжелый газойль (фракция выше 420°С). [4, с.131]

На данной установке каталитического крекинга с реактором и регенератором непрерывного действия получают следующие продукты:

жирный газ в процессе компрессии, абсорбции, стабилизации (на установке КАС);

нестабильный бензин в процессе стабилизации на установке КАС;

легкий газойль как компонент дизельного топлива, а также топлива судового маловязкого;

тяжелый газойль как компонент мазута топочного и сырья установок термического крекинга.

тяжелый газойль как компонент мазута топочного и сырья установок термического крекинга.

Каталитический крекинг может входить в состав комбинированных установок, включающих предварительную гидроочистку или легкий гидрокрекинг сырья, очистку и фракционирование газов.

Назначение каталитического крекинга - производство с максимально возможным выходом высокооктанового бензина, легкого газойля, сжиженных газов. Получающийся в процессе тяжелый газойль, может использоваться в качестве компонента топочного мазута, а также как сырье для производства технического углерода или высококачественного электродного кокса.

В качестве сырья каталитического крекинга используются вакуумный дистиллят широкого фракционного состава, могут вовлекаться газойлевые фракции термодеструктивных процессов, гидрокрекинга и другие.

Катализаторы процесса каталитического крекинга, осуществляемого при высоких температурах в режиме массо - и теплообмена в аппаратах с движущимся слоем катализатора, должны обладать высокой активностью, селективностью, термостабильностью, удовлетворять повышенным требованиям по регенерационным, механическим и другим эксплутационным свойствам.

Катализаторы каталитического крекинга представляют собой сложные многокомпонентные системы, состоящие из матрицы (носителя), активного компонента (цеолита), вспомогательных и неактивных добавок.

Матрица катализатора крекинга выполняет функции как носителя - поверхности, на которой затем диспергируют активный основной компонент - цеолит и вспомогательные добавки, так и слабого кислотного катализатора предварительного (первичного) крекирования высокомолекулярного исходного сырья. В качестве материала матрицы катализаторов крекинга применяют синтетический аморфный алюмосиликат с высокой удельной поверхностью и оптимальной поровой структурой, обеспечивающих доступ для крупных молекул крекируемого сырья. [3, с.69-70]

Активным компонентом катализаторов крекинга является цеолит, который осуществляет вторичные каталитические превращения углеводородов сырья с образованием конечных целевых продуктов. Структура цеолитов характеризуется наличием большого числа полостей, соединенных между собой окнами, или микроканалами, размеры которых сравнимы с размерами реагирующих молекул. Цеолиты вводятся в матрицу катализаторов в количестве 10-20 % масс.

Химический состав продукта каталитического крекинга имеет характерные особенности: бензин содержит много изопарафинов и ароматических углеводородов; газ получается "тяжелый", с высокой концентрацией изобутана и олефинов С3 - С4; газойлевые фракции богаты полициклическими ароматическими углеводородами.

Каталитический крекинг - типичный пример гетерогенного катализа. Реакции протекают на границе двух фаз: твердой (катализатор) и паровой или жидкой (сырье), поэтому решающее значение имеют структура и поверхность катализатора. [4, с.62]

Каталитический крекинг сочетает в себе реакции, характерные как для термических, так и для термокаталитических процессов. Однако преобладающими реакциями являются реакции распада (или деалкилирования) и изомеризации осколков молекулы. Парафиновые углеводороды, как и при термическом крекинге, распадаются на олефин и парафин меньшей, чем олефин молекулярной массы.

Одной из отличительных черт процессов, протекающих в присутствии бифункциональных катализаторов, является возможность легко присоединять и передавать водород. Происходит это на металлических (гидрирование - дегидриование) и кислотных (миграция водородного атома) центрах катализатора:

Индукционный эффект метальных групп повышает электронную плотность двойной связи, создавая своего рода отрицательный заряд на одном из атомов углерода. Очевидно, что и протон (положительно заряженный атом водорода) будет легче реагировать с такой "отрицательно заряженной" молекулой.

Следствием миграции водорода на поверхности катализатора является развитие при каталитическом крекинге реакций изомеризации углеводородов. В результате жидкие продукты каталитического крекинга обогащены изомерными углеводородами, за счет чего октановое число бензинов каталитического крекинга повышено по сравнению с бензинами термического крекинга.

Реакции каталитического крекинга - это равновесные реакции, идущие с поглощением тепла и увеличением объема системы. Поэтому для смещения равновесия в сторону образования продуктов температуру процесса необходимо повышать. Давление при этом следует понижать. Добиваются этого разбавлением реакционной смеси водяным паром.

Существенное влияние на процесс оказывает состав сырья. Широкие вакуумные фракции - это в основном парафинистое, относительно смолистое и сернистое сырье. Сырье вторичного происхождения отличается от прямогонных газойлей наличием непредельных углеводородов и повышенным содержанием ароматических углеводородов, серы и азота. Очевидно, что при повышенном содержании в исходном сырье непредельных углеводородов на поверхности катализатора будет отлагаться большее количество кокса, поскольку преобладающими станут реакции полимеризации и циклизации олефинов. Введение водяного пара позволяет решить и эту проблему.

В ходе каталитического крекинга образуется газ, содержащий значительное количество углеводородов С3--С4 предельного и непредельного характера. Он является сырьем для производства высокооктанового автомобильного и авиационного бензина.

Каталитический крекинг - это важнейший процесс нефтепереработки, существенно влияющий на эффективность НПЗ в целом. Сущность процесса заключается в разложении углеводородов, входящих в состав сырья (вакуумного газойля) под воздействием температуры в присутствии цеолитсодержащего алюмосиликатного катализатора.

Целевой продукт установки КК - высокооктановый компонент бензина с октановым числом 90 пунктов и более, его выход составляет от 50 до 65% в зависимости от используемого сырья, применяемой технологии и режима. Высокое октановое число обусловлено тем, что при каталитическом крекинге происходит также изомеризация. В ходе процесса образуются газы, содержащие пропилен и бутилены, используемые в качестве сырья для нефтехимии и производства высокооктановых компонентов бензина, легкий газойль - компонент дизельных и печных топлив, и тяжелый газойль - сырьё для производства сажи, или компонент мазутов [1, с.43].

Мощность современных установок в среднем - от 1,5 до 2,5 млн. тонн, однако на заводах ведущих мировых компаний существуют установки мощностью и 4,0 млн. тонн.

Ключевым участком установки является реакторно-регенераторный блок. В состав блока входит печь нагрева сырья, реактор, в котором непосредственно происходят реакции крекинга, и регенератор катализатора. Назначение регенератора - выжиг кокса, образующегося в ходе крекинга и осаждающегося на поверхности катализатора. Реактор, регенератор и узел ввода сырья связаны трубопроводами (линиями пневмотранспорта), по которым циркулирует катализатор. [3, с.66]

Сырьё с температурой 500-520°С в смеси с пылевидным катализатором движется по лифт-реактору вверх в течение 2-4 секунд и подвергается крекингу. Продукты крекинга поступают в сепаратор, расположенный сверху лифт-реактора, где завершаются химические реакции и происходит отделение катализатора, который отводится из нижней части сепаратора и самотёком поступает в регенератор, в котором при температуре 700°С осуществляется выжиг кокса. После этого восстановленный катализатор возвращается на узел ввода сырья. Давление в реакторно-регенераторном блоке близко к атмосферному. Общая высота реакторно-регенераторного блока составляет от 30 до 55 м, диаметры сепаратора и регенератора - 8 и 11 м соответственно для установки мощностью 2,0 млн. тонн.

Продукты крекинга уходят с верха сепаратора, охлаждаются и поступают на ректификацию.

Реактор (Рис.1) представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат высотой от 15 до 20 м и диаметром от 3 до 5м в зависимости от мощности установки. Назначение реактора - проведение процесса крекинга нефтяного сырья. В реакторе имеется семь зон, в каждой из которых проводится определенная операция. В первой, или верхней, зоне имеется устройство для распределения поступающего сюда регенерированного катализатора по поперечному сечению аппарата. Горячие пары сырья поступают из змеевиков печи во вторую зону реактора, в пространство между указанными переточными трубами. Это пространство ограничено сверху днищем, а снизу - слоем катализатора. Пары и катализатор проходят рабочую зону сверху вниз прямотоком. В этой зоне протекает процесс каталитического крекинга. Внутренних устройств третья зона не имеет, за исключением выступающих карманов термопар для замера температуры реакции. Ниже расположена четвертая зона, служащая для отделения паров продуктов реакции от катализатора. Разделительное устройство состоит из нескольких рядов колпачков, равномерно расположенных по высоте большого числа вертикальных труб. Последние имеют под каждым колпачком отверстия для отвода крекинг - продуктов в пятую зону. Катализатор проходит по переточным трубам в шестую зону, где он продувается перегретым водяным паром с целью удаления содержащихся в нем углеводородных паров. В седьмой зоне расположено выравнивающее устройство, которое служит для равномерного опускания слоя катализатора по всему поперечному сечению реактора. Этой части аппарата придается важное значение, так как в случае различной скорости движения отдельных порций катализатора будет происходить неравномерное отложение кокса на катализаторе. [2, с.156]

Рис. 1 Реакторно-регенераторный блок каталитического крекинга.

Cистема пневмотранспорта.

Подъем отработанного и регенерированного катализатора производится смесью воздуха и дымовых газов. Способ передвижения сыпучих материалов в виде взвеси в газовоздушном потоке носит название пневмотранспорта. Размеры и конструкция системы пневмотранспорта имеют решающее значение на величину кратности циркуляции катализатора.

Система пневмотранспорта включает:

1) воздуховоды;

2) загрузочные устройства - дозеры;

3) стволы пневмоподъемников;

4) сепараторы с циклонами;

5) бункер - подогреватель;

6) катализаторопроводы;

7) устройство для удаления катализаторной мелочи;

8) топки под давлением для нагрева воздуха;

9) воздуходувки.

Смесь дымовых газов и воздуха поступает по воздуховодам большого диаметра (0, 5-1 м), изготовленным из углеродистой стали, к месту потребления. Равномерное регулирование подачи катализатора в реактор и регенератор достигается загрузочными устройствами - дозерами, расположенными внизу стволов пневмоподъемников. Каждый дозер состоит из верхней, средней и нижней частей, переходного конуса 1 и чугунной отливки - трубки 2 переменного сечения. Для регулирования количества подаваемого катализатора в верхней части дозера установлена регулирующая обечайка 3, управление которой осуществляется посредством наружной системы рычагов. Для равномерной подачи воздуха в ствол в средней части дозера имеется выравниватель 4 потока воздуха, состоящий из двух концентрически расположенных цилиндров и конусной наставки 5 на внутренний цилиндр. Катализатор поступает в дозер через штуцеры, расположенные в верхней части аппарата. Вводимый под днище верхней части воздух, пройдя выравниватель 4 потока, подхватывает ссыпающийся через кольцевой зазор катализатор и подает его по стволу пневмоподъемника в верхний бункер. [4, с.77]

Циклонный сепаратор.

Сепаратор с циклоном размещен над стволом соответствующего пневмоподъемника и предназначен для отделения газа от катализатора, изменения направления движения катализатора и создания устойчивого уровня катализатора над реактором и регенератором.

Катализатор, поступающий из пневмоподъемника 3 в нижнюю часть аппарата, за счет резкого снижения скорости отделяется от дымовых газов и пыли и по наклонной трубке 4 ссыпается из сепаратора в бункер. Пыль собирается в приемнике 5, а дымовые газы отводятся в атмосферу по патрубку 2. Мультициклоны 1, расположенные вверху каждого сепаратора, служат для отделения катализаторной мелочи и пыли от дымовых газов. [3, с.91]

Регенератор.

Регенератор (Рис.2) представляет собой вертикальный аппарат квадратного или круглого сечения. Основное назначение аппарата - непрерывный выжиг кокса, отложившегося в реакторе на катализаторе. Во избежание перегрева стального корпуса аппарат имеет внутреннюю футеровку, выполняемую из огнеупорного кирпича. Общая высота регенератора 20 - 30 м. В верхней его части имеется распределительное устройство, состоящее из бункера с патрубками (“паук”). В нижней части регенератора имеется выравнивающее устройство для создания равномерного движения катализатора по всему поперечному сечению аппарата. Кроме того, в регенераторе имеется девять секций, служащих для выжига кокса и охлаждения катализатора. В шести нижних секциях после выжига части кокса и нагрева катализатора производится охлаждение последнего путем передачи через змеевики определенного количества избыточного тепла воде, проходящей внутри трубок змеевиков.

В каждую секцию регенератора из двух вертикальных воздуховодов поступает горячий воздух, который вводится в центральные коллекторы, имеющие по 28 зубчатых коробов каждый. Из каждой секции регенератора по гладким коробам отводятся дымовые газы. Количество охлаждающих змеевиков в аппарате (выполненных из цельносварных труб диаметром 60 мм из стали 1Х18Н9), число рядов, количество труб уточняется на месте в зависимости от качества сырья предполагаемой коксовой нагрузки.

Длительность регенерации от 60 до 80 мин. Рабочие условия в регенераторе температура от 480 до 7000С, давление 800 мм вод. ст. [3, с.102-103]

Рис.2 Регенератор установки крекинга с пылевидным катализатором.

I - ввод катализатора; II - вывод катализатора; III - вывод дымовых газов; IV - ввод воздуха; 1 - корпус; 2 - футеровка; 3 - защитная облицовка; 4 - распределительная решетка; 5 - короб для распределения воздуха; 6 - топливная форсунка; 7 - охлаждающие змеевики; 8 - стояки; 9 - водяная форсунка; 10 - циклоны;

Назначение аппарата - восстановление катализатора путем выжига кокса с его поверхности (Рис. 2). Диаметр регенератора больше диаметра реактора, так как на сжигание 1 кг кокса расходуется 11 - 12 кг воздуха, занимающего при температуре 600⁰С и давлении 2,5 - 3 атм. регенерации значительный объем. Отработанный катализатор из реактора через распределительное устройство 8, оканчивающееся решеткой 11, отдельным потоком воздуха вводится в регенератор.70 - 90% воздуха, необходимого для горения кокса, поступает через маточники 13, 14, 15. При этом снижается диаметр катализаторопроводов, уменьшается их эррозия, обеспечивается равномерное распределение воздуха по сечению регенератора, уменьшается возможность проскока кислорода через кипящий слой, вызывающего догорание СО в отстойной зоне. Восстановленный катализатор выводится через патрубок 16. Для регулирования теплового режима часть катализатора с нижнего днища регенератора поступает в котел - регенератор и возвращается в аппарат через штуцер 17. [2, с.130-131]

Продукты сгорания через решетку 5 поступают в батарейный циклон 1 и отводятся в электрофильтр через штуцер 7. Катализаторная пыль ссыпается в кипящий слой по стояку 4.

Корпус регенератора изготавливают из углеродистой стали и покрывают изнутри монолитной изоляционной и огнеупорной футеровкой, защищенной от эррозии катализатором стальными облицовочными листами.

3. Центробежные компрессоры: устройство и принцип действия