Файл: Исследование работы промышленной установки каталитического риформинга.pdf

20 алкилирование и каталитический крекинг. Основными продуктами переработки являются бензин и дизельное топливо. Бензин, представляющий собой смесь многих нефтеперерабатывающих заводов, представляет собой легкое топливо с высоким октановым числом, соответствующей летучестью и диапазоном перегонки, что облегчает его сгорание в двигателе внутреннего сгорания. Дизельное топливо представляет собой среднедистиллятное топливо с соответствующими свойствами (например, высоким цетановым числом) для использования в двигателях внутреннего сгорания. Помимо автомобильного топлива, на НПЗ также производятся другие виды топлива, такие как топливо для бытовых нужд и промышленное топливо со стандартными характеристиками.
Катализ играет решающую роль на нескольких этапах производства топлива. Многие каталитические процессы необходимы для преобразования сырой нефти в конечные коммерческие продукты со строго определенными спецификациями. Около 30 % общего количества катализаторов, производимых промышленностью, расходуется в процессах нефтепереработки.
Сырая нефть сначала обрабатывается для удаления растворенных солей
(в основном хлорида натрия), а затем предварительно нагревается в печи при заданной температуре от 370 до 400°C. Горячая и частично испарившаяся нефть «испаряется» в тарельчатой дистилляционной колонне, где она разделяется на более легкие фракции и остаток.
Физическое разделение нефтеперегонки осуществляется при атмосферном давлении или, точнее, при несколько более высоком давлении, чем атмосферное (1,3 бар). Нижняя часть атмосферной колонны далее перерабатывается в вакуумной дистилляционной колонне, работающей при пониженном давлении (5-10 мм рт. ст.) для облегчения выделения более тяжелых соединений без нагревания при высоких температурах,

21 вызывающих термическое разложение углеводородов. Обычно получают одну дополнительную побочную фракцию и остаток вакуумной колонны.
Продукты, полученные из атмосферно-вакуумных башен, не обладают соответствующими свойствами и характеристиками, как моторные топлива или отопительные топлива. Продукты перегонки подвергаются ряду последовательных процессов, направленных на улучшение свойств топлива и увеличение выхода продуктов, пользующихся высоким спросом на рынке.
Основными процессами конверсии и фракциями, используемыми в качестве исходного сырья, это:
- Легкая нафта, самая легкая жидкая фракция атмосферного столба, подвергается обработке для повышения октанового числа путем изомеризации.
- Тяжелая нафта, второй побочный поток атмосферной колонны, подается на установку каталитического риформинга, где подвергается обработке для улучшения ее характеристик сгорания в двигателе.
- Атмосферный тяжелый газойль и вакуумный газойль составляют основное сырье установки каталитического крекинга.
- Еще одним важным блоком нефтеперерабатывающего завода является блок алкилирования, который производит бензин с использованием изобутена и смеси олефинов с 3-4 атомами углерода в качестве сырья.
- Практически все фракции либо перед их окончательной утилизацией, либо перед подачей на другие конверсионные установки подвергаются гидропереработке для удаления экологически вредных гетероатомов и улучшения их свойств.
1.3. Катализаторы риформинга бензинов
В процессе каталитического риформинга используются катализаторы, основой которых является платина, равномерно распределенная на носителе

22
– оксиде алюминия, промотированном хлором (в редких случаях фтором).
Природа активной поверхности катализаторов риформинга базируется на модели бифункционального их действия, предложенной в 1953г. Маилсом.
Диспергированная на поверхности носителя платина является катализатором реакций гидрирования-дегидрирования, а носитель – галоидированный оксид алюминия – катализатором реакций кислотно-основного типа – изомеризации, циклизации, крекинга.
Технология радиального подвижного слоя обычно используется для каталитического риформинга. В этом типе реактора частицы катализатора движутся вниз под действием силы тяжести в канале между двумя коаксиальными цилиндрами, в то время как газообразное сырье впрыскивается радиально через слой, обычно внутрь. На работу таких реакторов могут влиять возмущения, влияющие на течение твердого тела: кавитация на входе газа и заклинивание (перестает двигаться зернистый слой) на выходе газа. Основным последствием является ограничение общего перепада давления в зернистом слое. Эти явления широко обсуждались в открытой литературе [1-4]. Недавно было предложено изменить технологию реактора, чтобы упростить эксплуатацию блока и, прежде всего, увеличить мощность реактора [5]. Как следствие, для этой новой технологии необходимо пересмотреть правила проектирования реакторов. В частности, необходимо изучить движение твердого тела в этом новом типе реактора, что означает как экспериментальную характеристику, так и моделирование с помощью вычислительной гидродинамики (CFD).
Реакторы с радиальным каталитическим слоем имеют форму вертикального цилиндрического кольца, ограниченного с внутренней стороны (выход газа) внутренним экраном, удерживающим катализатор, а с внешней стороны (вход газа) либо экраном того же типа, либо устройством, состоящим из сборки экранных элементов (гребешков). Инжекция газового

23 сырья в новой реакторной технологии переосмыслена: множество распределительных трубок расположены внутри каталитического слоя вблизи стенки реактора. При новом типе вдувания газа можно также представить возмущения В/ между инжекционными трубами и корпусом реактора и С/ между двумя инжекционными трубами. Специальное экспериментальное устройство (девятиметровой высоты) использовалось с целью изучения трех возможных режимов возмущения, влияющих на течение твердого тела. Частицы катализатора сначала поднимаются в отстойник в верхней части макета для отделения мелкодисперсного материала. Затем твердое тело с малой скоростью (< 10 см.с 1) движется вниз сначала в «псевдореактор», затем в подъемную операцию для следующего циркуляционного движения. Такой макет, очевидно, идеален для оценки механической прочности твердых катализаторов (испытания на истирание).
Каталитический риформинг является ключевой технологией в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. В последние годы в противоточном непрерывном риформинге была выдвинута и реализована новая концепция согласования активности катализатора со сложностью реакции.
Для идентификации и определения улучшенных спецификаций топлива для снижения выбросов выхлопных газов были реализованы крупные проекты в США (CAAA Phase I και II) и ЕС (AUTO-OIL I и II) в сотрудничестве между автомобильной промышленностью и нефтеперерабатывающими заводами. Основным результатом этих проектов стала разработка математических моделей для прогнозирования выбросов загрязняющих веществ в зависимости от характеристик топлива (например, содержание ароматических соединений и серы, Τ90, давление паров и т. д.).
Среди прочего, проекты США показали, что выбросы бензола связаны с общим содержанием ароматических соединений и исходным содержанием

24 бензола, в то время как два проекта AUTO-OIL в ЕС продемонстрировали линейную корреляцию выбросов HC и NOx с содержанием серы в топливе.
На основании всех предыдущих замечаний в последние годы были установлены новые, более жесткие требования к автомобильным топливам.
Изменения начались с уменьшения содержания серы и ароматических соединений. Несомненно, уровни спецификаций топлива постоянно определяются доступной технологией на нефтеперерабатывающих заводах, которая может соответствовать этим спецификациям.
Необходимость снижения выбросов СО2 в атмосферу становится все более актуальной. Биомасса (лигноцеллюлозное сырье, например, древесина) рассматривается в качестве альтернативного сырья для производства энергии, поскольку она является возобновляемой и нейтральной по отношению к CO2. Топливо, полученное из биомассы (биотопливо), является альтернативным топливом для транспортного сектора. Директивы ЕС предлагают вывести на рынок топлива до 5,75% биотоплива до 2010 года.
Следует отметить, что считается, что использование биодизеля способствует снижению выбросов парниковых газов не менее чем на 3,2 кг эквивалента
СО2 на каждый кг биодизеля. Другими преимуществами биотоплива (кроме того, что оно не способствует выбросу CO2 и не содержит серы) является то, что оно ограничивает энергетическую зависимость от ископаемого топлива, одновременно помогая сельской экономике. В настоящее время продвигаются новые культивации, направленные исключительно на производство биотоплива.
Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность важны, потому что они обеспечивают энергию и химикаты, особенно транспортное топливо и сырые органические химические материалы. 1Разработка моделирования процессов для этих процессов, связанных с нефтью, обеспечит лучшее руководство для работы завода и приведет к большей

25 экономической выгоде. Технология моделирования процессов возникла на основе первой системы моделирования процессов Flexible Flowsheet, успешно разработанной Kellogg. На сегодняшний день система моделирования процесса прошла четыре поколения развития, от исходного объекта моделирования в основном для переработки легких углеводородов до постепенного развития объекта моделирования для двухфазного процесса газ-жидкость и трехфазного процесса газ-жидкость-твердое вещество.
В 1990-х годах моделирование объединило стационарные и динамические технологии и широко использовалось в конструкторских, исследовательских и производственных отделах. Типичное коммерческое программное обеспечение для моделирования технологических процессов включает Aspen plus, PRO/II, ChemCAD, Petro-Sim и VMG-Sim.
В процессе непрерывного противоточного риформинга рециркулируемый водород из системы разделения риформинга поступает в компрессор рециркуляционного водорода, который является ключевым энергетическим оборудованием процесса риформинга. Под действием компрессора переработанный водород нагнетается до заданного давления и поступает в теплообменник для повышения температуры. Чтобы точно рассчитать потребление пара компрессором и температуру рециркулируемого водорода на выходе, необходимо установить стационарную модель компрессора.
Процесс, происходящий в компрессоре рециркуляционного водорода, можно рассматривать как политропный процесс, в котором показатель адиабаты каждого вещества можно найти по справочнику термодинамических данных.
В соответствии с фактическим расходом на входе можно получить соответствующий политропический КПД и степень сжатия, если известны входное и выходное давления. Показатель политропы m h рассчитывается

26 исходя из соответствующей эффективности политропы и показателя адиабаты.
Температура рециркулируемого водорода на выходе из компрессора рассчитывается с учетом индекса политропы и степени сжатия. После расчета температуры на выходе индекс политропы можно откалибровать в соответствии с фактической температурой на выходе. С калиброванным индексом политропы теоретическую мощность компрессора можно рассчитать по уравнению.
Мощность на валу равна теоретической мощности, деленной на механический КПД и КПД трансмиссии. При расчете величины расхода пара необходимо рассчитать разницу его энтальпий до и после сжатия.
Температура водорода из компрессора составляет около 80 °С, а температура нефтяного сырья из раздачи предварительной обработки — около 110 °С, при этом температура газомазутной смеси на входе в нагревательную печь составляет более 400°С. Для точного расчета теплоты реакции риформинга и тепловой нагрузки нагревательной печи необходимо оценить температуру потока сырья для риформинга на входе в первую нагревательную печь. Это основная причина создания стационарной модели теплообменника.
В процессе риформинга используется пластинчатый теплообменник.
Поскольку основной целью оценки является температура на выходе, предполагается, что этот процесс представляет собой противоточный процесс теплопередачи без фазового перехода. Модель построена с помощью макроскопического уравнения баланса энергии и уравнения полного теплообмена теплообменника.
Среди них значение K брутто получается путем подгонки фактической температуры на выходе из теплообменника. Октановое число является важнейшим показателем качества автомобильного бензина, а октановое

27 число бензинов тесно связано с его составом. Октановое число смешанных компонентов рассчитывается по уравнению.
Результаты сравнения показывают, что абсолютная ошибка предсказания модели меньше 1, а это означает, что точное октановое число может быть получено без корректировки эффективного октанового числа каждого компонента или изменения математической модели из-за большой разницы в составе масел.
Поскольку давление не слишком велико, газовую и жидкую фазы можно рассматривать как идеальный газ и идеальную жидкость соответственно. Можно сделать вывод, что погрешности между расчетным давлением пара и фактическим значением в большинстве случаев не превышают 1 кПа, что означает возможность использования оценочной модели для расчета давления пара.
Температура, при которой исчезает последняя капля пробы масла в колбе, называется точкой высыхания или точкой конца кипения фракции.
Конечная точка кипения, как правило, связана только с содержанием наиболее тяжелых компонентов во фракции. Относительные погрешности между расчетной температурой конца кипения и фактическим значением составляют менее 1%.

28