автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Интенсификация процесса риформинга совершенствованием конструкции реактора

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экземпляр №("1 л.". () () У 5

МУНИРОВ АРТУР ЮРИСОВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА РИФОРМИНГА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ КОНСТРУКЦИИ РЕАКТОРА

Специальность

05.17.07 - Химическая технология топлива и газа

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа -1999

Работа выполнена

на Ново-Уфимском нефтеперерабатывающем заводе

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор технических наук Абызгильднн А.Ю.

доктор технических наук, профессор Галимов Ж.Ф. доктор техшгческих наук, профессор Валитов Н.Х.

Ведущее предприятие - Институт

проблем нефгехимлереработки АН РБ

Защита состоится 1 июля 1999 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета К.063.09.01 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) по адресу: 45062, Уфа, Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ

Автореферат разослан 1999 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, /

профессор Н.А.Самойлов

¿^■

V

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Благодаря переходу от реакторов с аксиальных вводом сырья к радиальным сиижено гидравлическое сопротивление в системе, что позволило Строить установки каталитического риформинга большей производительности.

Выбор оптимальной конструкции "радиальных" реакторов влияет на работу реакторного блока риформинга и установки в целом.

Эффективность работы "радиального" реактора определяется полнотой использования объема катализатора, которая зависит от равномерности распределения потока газосырьевой смеси в слое катализатора, а также от наличия застойных зон.

Дальнейшая интенсификация процесса каталитического риформинга должна производиться за счет совершенствования внутренней конструкции реакторных устройств с радиальным вводом сырья.

Актуальность также заключается в необходимости достижения оптимального распределения реакций дегидрирования нафтенов и де-гидроциклизации парафинов в радиальных реакторах риформинга.

Работа выполнена в соответствии со следующими руководящими документами:

- научно-технической программой Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ "Глубокая переработка нефти, газа, торфа, угля" (приказ Госкомвуза РФ по высшему образованию №124 от 06.11.92 г.); планом научно-технического прогресса Ново-Уфимского НПЗ на 1985-1991 и 1991-2005 годы.

Цель работы

Достижение интенсификации процесса каталитического рифор-минга бензинов без изменения основных принципов процесса и без вовлечения значительных капитальных затрат.

Разработка конструкции внутренних устройств радиального реактора, позволяющих повысить эффективность процесса изменением направления движения потока от периферии к центру на движение потока от центра к периферии.

Разработка, изготовление и монтаж внутреннего устройства реактора и испытание новой .конструкции в промышленных масштабах.

Основные задачи исследования

Определить техническую возможность изменения_направления. потока в радиальном реакторе.

Произвести гидродинамический расчет перепада давления в элементах внутреннего устройства и'реакторе в целом.

Снять показатели работы реактора, характеризуемые температурным полем, и на основе полученных данных определить характер гидродинамической тени.

Научная новизна

Впервые разработана и внедрена конструкция внутренних устройств, позволяющая направить поток в радиальном реакторе рифор-минга от центра к периферии.

Новая конструкция, создавая равномерное распределение газосырьевого потока, позволяет уменьшить застойные зоны и обеспечить работу катализатора полным объемом.

Для оценки сравнения работы радиальных реакторов риформин-га разработан критерий эффективности, учитывающий основные факторы процесса риформинга.

Доказано, что селективность процесса риформинга при расходящемся потоке повышается.

Практическая ценность

Разработанная конструкция работает в реакторе 11-202 первой ступени риформирования на установке Л-35-11/1000 АО "НУНПЗ". Разработанная конструкция внутренних устройств радиального реактора позволяет без значительных затрат осуществить переход на любое из направлений движения потока внутри реактора.

Загрузка катализатора в реакторе снижена на 1,55 т от проектной. При этом перепад температур даже увеличился, что свидетельствует о повышении эффективности работы реактора.

Экономический эффект от снижения загрузки катализатора составил 246 тыс. руб.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на технических совещаниях АО "Башнефтехим", АО "НУНПЗ".

Достоверность научных результатов подтверждена длительным опытно-промышленным пробегом в период с декабря 1997 года по февраль 1999 года. Разработанная конструкция успешно работает по настоящее время.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 19 статей.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, списка использованной литературы и 3-х приложений. Диссертация изложена на 189 страницах, содержит 59 рисунков, 21 таблицу, библиографию из 151 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена состоянию проблемы совершенствования процесса каталитического риформинга на современном этапе.

Проблема решается в трех основных направлениях:

Во-первых, осуществляется реконструкция существующих установок на основе новых технологий, путем ужесточения параметров процесса. Второе направление - изменение аппаратурного оформление реакторного блока. В-третьих, совершенствование процесса каталитического риформинга возможно путем изменения конструкции реактора.

Одно из направлений - перевод реакторов с аксиальным вводом сырья на реакторы с радиальным вводом. Наиболее перспективна модернизация конструкции радиального реактора.

Рассматриваются новые процессы каталитического риформинга в отечественной и мировой нефтеперерабатывающей отрасли. Общая тенденция - снижение давления в реакторном блоке и снижение объемной скорости за счет увеличения объема катализатора. Это предполагает монтаж дополнительного реактора с движущимся слоем ката-

лизатора или (еще более дорогостоящий вариант) - замену реакторного блока на систему с непрерывной регенерацией катализатора. Это предполагает как частичную, так и полную замену катализатора, что также требует дополнительных затрат.

Проведен анализ существующих реакторных блоков установок каталитического риформинга. Рассмотрены термодинамические принципы осуществления реакций в реакторах, работающих в изотермическом, политрогшческом и' адиабатическом режимах. Основное внимание уделено адиабатическим реакторам. Адиабатические реактора классифицированы по признакам: входа потока в слой катализатора, расположению штуцеров, схемы потоков внутри реактора и направлению движения газосырьевого потока внутри реактора.

Анализ показывает, что совершенствование установок каталитического риформинга предусматривает переход на реакторы с радиальным вводом сырья. Дальнейшее развитие процесса должно осуществляться в направлении интенсификации существующих радиальных реакторов за счет модернизации внутренних устройств.

Вторая глаза представляет собой изучение конструкций реакторов с радиальным вводом сырья и проблем, возникающих при их эксплуатации. Проведен сравнительный анализ работы реакторов с радиальным вводом сырья. Сравнение проводится на основе детального анализа исследований в области конструирования, моделирования и эксплуатации радиальных реакторов риформинга.

Приводятся исследования перепада давления в слое катализатора и гидродинамической тени по температурному полю внутри реактора и перепаду температур.

Проанализированы работы, посвященные исследованию влияния направления потока и сравнению гидродинамики при двух схемах движения (от периферии к центру и наоборот). Выявлено, что коэффициент неравномерности при движении от периферии к центру составляет 12,6, а от центра к периферии - 2,6. Уменьшение величины перфорации центрального коллектора ведет к более равномерному распределению потока.

Рассмотрены работы по исследованию неоднородности поля скоростей в слое катализатора по показаниям многозонных термопар. Профиль скоростей внутри радиального реактора делит слой катализатора на работающий и неработающий. Имеются также исследования зависимости высоты неработающего слоя катализатора от диаметра частиц катализатора.

Имеются данные, что при неизменной доле перфорации центрального коллектора, величина отношения высоты слоя катализатора к диаметру (при разных его значениях) сильно влияет на характер распределения потока по слою катализатора.

В литературе имеются данные по определению неоднородности поля скоростей в слое катализатора по показанию термопар. Существует зависимость между распределением скоростей в слое катализатора, временем контакта и распределением степеней превращений:

сл СЛ1 , ч 0 =-= а(т),

Я

где: 6 - приведенная температура; С - теплоемкость газа; . <3 - удельный тепловой эффект реакции; а(т) - степень превращения (конверсия), функция эффективности контакта реагента с катализатором.

Дисперсия температур по реакторам уменьшается от первого реактора к третьему, что соответствует кинетическим особенностям реакций риформирования.

В реакторах: с движением потока от периферии к центру дегидрирование нафтенов происходит в области низких скоростей, а дегид-роциклизация парафинов, определяющая селективность процесса, - в области высоких скоростей (рис. 1 ,а).

При расходящемся потоке быстрые реакции дегидрирования нафтенов идут в области высоких скоростей, а медленные - дегидро-цикшташи парафинов - успевают завершиться в приграничном слое катализатора.

На основании анализа литературных данных сделан вывод о необходимости перевода радиальных реакторов со сходящимся потоком на движение потока от центра к периферии, с раскрытием сектора в слое катализатора (см. рис. 1 ,б).

Предложено газосырьевой поток направить в центральный стакан. Из центрального стакана поток распределяется через перфорацию в слой катализатора. Пройдя сквозь слой катализатора, продукты реакции собираются в желоба, расположенные вдоль стенки реактора. Через собирающее устройство поток выводится снизу реактора.

Разработана конструкция внутренних устройств в радиальном реакторе для создания движения потока от центра к периферии. В качестве перфорированных элементов внутренней конструкции взамен сеток используются щелевые экраны.

Рассмотрены различные методики расчетов распределения по-

тока в слое катализатора радиального реактора со сходящимся потоком. 1

Для регулирования гидравлического сопротивления в элементах конструкции разработана методика расчета. Расчеты проведены для минимальной и максимальной производительности реактора. Расчет общего перепада давления складывается из расчета перепадов в стенках стакана 1! желобов, во внутренней полости стаканов и желобов, в слое катализатора и собирающем устройстве. Перепад давления в слое катализатора составляет 5-15% от общего перепада. Основной перепад давления (около 50%) приходится на собирающее устройство.

Составлена универсальная программа автолттизированного расчета полного гидравлического сопротивления в элементах и радиальном реакторе в целом. Программа расчета применима к любым типам радиальных реакторов.

Результаты расчетов подтверждают правильность подбора элементов внутренних устройств в разработанной конструкции реактора, суммарный перепад давления, не отличается от исходного и составляет 0,02-0,04 МПл.

Разработана последовательность операций по изготовлению и монтажу элементов внутри реактора К.-202 установки Л-35-11/1000.

Делается вывод, что существующие способы улучшения работы радиальных реакторов со сходящимся потоком дают незначительный эффект. Эффективность работы радиального реактора можно достичь только путем изменения направления движения потока внутри реактора со сходящегося на расходящийся.

Предложены конкретные технические решения модернизации радиальных реакторов риформинга.

В третьей главе рассматриваются результаты промышленных испытаний новой конструкции реактора.

Основным объектом исследований является реактор 11-202 установки Л-35-11/1000 АО "ПУНПЗ" с радиальным вводом сырья Ы-образного типа. Дано описание места расположения реактора в реакторном блоке установки Л-35-11/1000 в составе комплекса с установкой ЖЕКСА. Для сравнения использованы результаты работы реактора 11-201 установки ЖЕКСА. Дано описание внутренних устройств реактора 11-202 до проведения в нем работ по реконструкции.

Выполнены рабочие чертежи, по которым изготовлены и смонтированы внутри реактора К-202 элементы предложенной конструкции.

Разработана методика промышленных испытаний, в которой выделено три основных этапа. Первый этап характеризует работу реакторного блока установки Л-35-11/1000 по трехреакторной схеме. Сравнение работы реактора 11-202 установки Л-35-11/1000 на этом этапе исследований наиболее характерно. На втором этапе в схеме реакторного блока Л-35-11/1000 дополнительно включен четвертый реактор Я-205. Для первых двух этапов основным критерием оценки и сравнения работы реакторов служит перепад температуры в слое катализатора. На третьем этапе введен дополнительный контролируемый параметр - показатели зонных термопар, расположенных в слое катализатора реакторов 11-202,203, 204 установки Л-35-11/1000.

В течение 15 месяцев, в период с декабря 1997 года по февраль 1999 года, проведены промышленные испытания. Проведение испытаний реактора совмещено с пуском и освоением установки Л-35-11/1000 после реконструкции. Сравнительный анализ работы реактора

11-201 установки ЖЕКСА взят за период в 24 месяца с июня 1996 года по май 1998 года.

При снятии показателей работы реакторов учитывались как внешние факторы, влияющие как на работу установки, так и внутренние - объекта исследований. При анализе в расчет принимались такие факторы, как количество сырья, пропущенного через катализатор за любой период времени, изменение объемной скорости, состава сырья, вынужденные остановки, а также продолжительность каждого этапа и качество получаемого продукта.

В ходе промышленных испытаний на всех трех этапах фиксировался перепад температур в реакторах Н.-202 установки Л-35-11/1000. Для сравнения эффективности работы реакторов применен показатель Кэф:

К'эф. = (Гвх.-ТВЫХ.У(Г,Х. * Мкат.) - без учета загрузи!,

К" эф. = (Тю:-Твьк.У(Твх. *М(аг.О) - с учетом загрузки по сырью,

включающий в себя перепад температуры в слое катализатора, температуру на входе в реактор, количество загружаемого катализатора и количество подаваемого сырья.

В работе представлен табличный и графический материал, показывающий интенсификацию процесса каталитического риформинга в реакторе Л-202 установки Л-35-11/1000 на всех этапах испытаний.

Рис. 1. Схема движения потоков в реакторе 11-202 до (Л ) и после (Б) реконструкции:

1- поток газосырьевой смеси ; 2 - входной штуцер; 3 - желоба; 4 - центральный стакан, 5 - катализатор; 6 - корпус реактора; 7 - выходной штуцер; 8 -продукты реакции; 9 - дистрибьютор; 10 - глухая тарелка; 11 - поток, распределяемый по желобам; 12 - сетка центрального стакана; 13 - шток, "сходящийся" б центральный стакан; 14 - поток, "расходящийся" из центрального стакана; 15 -желоба с щелевыми экранами; 16 - центральный стакан с щелевым экраном.

На третьем этапе сняты показатели зонных термопар в слое реакторов Я-202 (см. рис.2), 203, 204 установки Л-35-11/1000 и по ним построены температурные поля.

На основании данных температурных полей смоделировано расположение "гидродинамической тени" в слое катализатора, а также подсчитано количество катализатора, не охватываемого равномерным распределением штоком сырья. Для реактора 11-202 с расходящимся потоком зона "гидродинамической тени" составляет - 8,9%, а в роеак-торах со сходящимся потоком 11-203 - 17,5%, 11-204 - 22%. Из полученных данных видно, что зона "гидродинамической тени" в реакторе с расходящимся потоком в два раза меньше, чем при сходящемся.

По данным температурных полей построен профиль линейных скоростей внутри слоя катализатора (рис. 3, 4).

Из рис. 3 видно, что в реакторе К-202 профиль скоростей соответствует наиболее равномерному распределению потоков в слое катализатора. Внутри слоя перепады давлений также равны. На рис. 4 приведены данные по реактору 11-203 с направлением движения потока от периферии к центру. Профиль линейных скоростей в реакторе Л-203 по высоте сдоя катализатора неравномерный, что является недостатком работы реакторов такого типа.

Отбор стабильного платформата на протяжении промышленного пробега составлял 90% от сырья секции 200 установки Л-35-11/1000.

Показатели работы реконструированного реактора К.-202 открывают широкую перспективу для интенсификации работы существующих установок каталитического риформинга с неподвижным слоем катализатора.

Рис. 2. Температурные поля реактора 11-202

В четвертой главе рассматриваются пути дальнейшего совершенствования установок каталитического риформинга на основе реакторов с распределением потока от центра к периферии. Промышленными испытаниями доказано, что интенсификации процесса может быть достигнута путем использования внутренних резервов существующих установок.

Рассмотрены принципы аппаратурного оформления. Возможна модернизация существующих реакторов, замена катализатора и снижение давления процесса.

Рис. 3. Профиль линейных скоростей в реакторе И-202

Рис. 4. Профиль линейных скоростей в реакторе 11-203

Изменение технологического режима и параметров процесса должно быть подобрано с учетом термодинамических и кинетических факторов, влияющих на протекание целевых реакций каталитического риформинга. При традиционной схеме ужесточение режима ведет к необходимости увеличения количества катализатора. Внедрение же радиального реактора с раскрывающимся сектором не ведет к. значительным изменениям технологического режима. В связи с этим нет ограничений, которые бы могли, в масштабе технологической установки, осложнить переход на новую конструкцию реактора. Тенденция к переходу на новый качественный уровень технологии каталитического риформинга на предприятиях нефтеперерабатывающего комплекса может в полной мере реализоваться не столько за счет внедрением новых типов катализаторов, насосного и компрессорного оборудования (позволяющих снизить давление в системе), сколько за счет интенсивного использования внутреннего объема реактора.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Разработана и внедрена система в реакторе риформинга с радиальным вводом сырья от центра к периферии, отличающаяся от существующих реакторов, в которых движение потока осуществляется от периферии к центру. Это обеспечивает равномерное распределение газосырьевого потока, позволяющее уменьшить застойные зоны и обеспечить работу катализатора полным объемом.

Проведено обследование работы предложенной конструкции реактора в промышленных условиях.

Для оценки сравнения работы радиальных реакторов риформинга разработан критерий.эффективности, учитывающий все факторы процесса риформинга.

Доказано, что селективность процесса риформинга в радиальном реакторе при расходящемся штоке выше, чем при сходящемся.

Установлено, что в радиальном реакторе с расходящемся потоком зона гидродинамической тени в два раза меньше, чем при сходящемся.

Разработана методика расчета гидравлического сопротивления в узлах реактора с движением потока от центра к периферии.

Разработана программа автоматизированного расчета гидравлического сопротивления в радиальных реакторах риформинга любого типа

По показаниям зонных термопар построены температурные поля в слое катализатора, на основании которых:

- определены профили линейных скоростей в предложенной конструкции реактора;

- определено количество катализатора, не охваченного равномерным распределением потока.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Муниров А.Ю., Абызгильднн А.Ю., Навалихин П.Г. Линейное изображение схемы установки риформинга // Химия и технология то-плив и масел. -М„ 1995,- № б,- С. 19-20.

2. Сайфуллин Н.Р., Калимуллин М.М., Муниров А.Ю., Сафин Р.Ю., Сахаров В.Д., Абызгильднн А.Ю., Пинаев A.C. Новое поколение реакторов риформинга // Комплекс Л-35-11/1000 - стабильность и надежность, путь в новое тысячелетие: Сб. науч. тр. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. -88 с.

3. Муниров А.Ю., Сафин Р.Ю., Сахаров В.Д., Шарафугдинов И.М. Методика расчета гидродинамической тени (ГДТ) радиальных реакторов каталитического риформинга // Там же.

4. Муниров А.Ю., Шарафугдинов И.М., Руднев H.A., Абызгильднн А.Ю. Расчет критерия эффективности работы реактора риформинга // Там же.

5. Муниров А.Ю., Шарафугдинов И.М., Абызгильднн А.Ю., Руднев H.A. Расчет гидравлического сопротивления радиальных реакторов риформинга // Там же.

6. Руднев H.A., Муниров А.Ю., Шарафутданов И.М., Абызгильднн А.Ю. Автоматизация гидравлического расчета реакторов риформинга // Там же.

7. Абызгильднн А.Ю., Муниров А.Ю., Руднев H.A., Альмухаметов A.A. Графические модели технологических схем комплекса Л-35-11/1000 //Там же.

8. Сайфуллин Н.Р., Ганцев В.А., Калимуллин М.М., Сухоруков A.M., Махов А.Ф., Теляшев Г.Г., Навалихин П.Г., Муниров А.Ю. Схема обеспечения сырьем установки Л-35-11/1000 И Там же.

9. Муниров А.Ю., Сахаров В.Д. Анализ соответствия нормативам проектной документации на реконструкцию установки каталитического риформинга // Там же.

10. Муниров А.Ю., Сафмн Р.Ю., Шарафутдинов И.М., Руднев H.A. Построение профиля радиальных скоростей для оценки эффективности работы радиального реактора рифоршшга // Гам же.

11. Муниров А.Ю., Беликов Д.О., Акулов C.B., Гаранин Д.И. Методика подачи и распределения хлорорганики для поддержания активности алкшоплатинового катализатора риформинга // Там же.

12. Халманских П.В., Муниров А.Ю., Валиахметов Ф.М., Атаджа-нов А.Н. Схема параллельной регенерации катализатора риформинга RG-482 установки Л-35-11/1000 // Там же.

13. Калимуллин М.М., Ганцев В.А., Муниров А.Ю., Халманских П.В. Модифицированный метод восстановления активности катализатора риформинга // Там же.

14. Калимуллин М.М., Сахаров В.Д, Сафин Р.Ю., Муниров А.Ю., Пинаев A.C. Замена внутренних элементов в реакторах риформинга установи! Л-35-11/1000 // Там же.

15. Муниров А.Ю., Сафин Р.Ю., Сахаров В.Д., Валиахметов Ф.М., Нигматуллина Ф.Б., Руднев H.A. Пути снижения затрат на производство продукции установки Л-35-11/1000 // Там же.

16. Муниров А.Ю., Валиахметов Ф.М., Гарипов М.М., Руднев H.A.

Автоматизация коррекции температуры в реакторах риформинга //

Там же.

17. Халманских П.В., Муниров А.Ю., Валиахметов Ф.М., Гарипов М.М., Руднев H.A. Контроль материального баланса установки риформинга //Там же.