1. Кратность циркуляции катализатора.

В процессе крекинга катализатор является одновременно теплоносителем, внося в зону реакции основную часть тепла, необходимого на нагрев сырья до температуры крекинга и компенсацию эндотермического эффекта процесса.

Чем выше температура регенерации катализатора (при которой он поступает в реактор), тем меньше может быть кратность его циркуляции. С другой стороны, чем выше кратность циркуляции, тем быстрее перемещается катализатор в системе реакторного блока, т.е. тем меньше время его пребывания в реакционной зоне и, следовательно, выше средняя активность, так как меньше степень закоксованности. Длительность пребывания катализатора в зоне реакции на установках старого типа составляла от 10 до 30 мин. При переходе к установкам с псевдоожиженным слоем катализатора это время сократилось до 1,5-6 мин, а внедрение цеолитсодержащих катализаторов позволяло еще больше сократить контакт сырья и катализатора-всего до 2-6 с.

C повышением кратности циркуляции катализатора ,например, с 1,25 до 10,0 глубина превращения сырья из-за повышенной средней активности катализатора возрастает; при этом растет выход бензина, газа и кокса.

Помимо повышенной активности катализатора увеличение выхода кокса объясняется также ухудшением условий отпаривания отработанного катализатора в реакторе при значительной массе катализатора, проходящей через систему за единицу времени. В тоже время отложение кокса на катализаторе, естественно, снижается, что облегчает регенерацию и снижает количество «остаточного» кокса на катализаторе, возвращаемом в реактор.

Использование цеолит содержащих катализаторов повысило температурный режим в реакторе и регенераторе, что снизило кратность циркуляции.

6. Типы реакторов

На глубину конверсии сырья в значительной степени оказывает влияние газодинамический режим контактирования сырья с катали­затором, осуществляемый в реакторах различных типов.

В реакторах с движущимся слоем шарикового катализатора катализ, массо- и теплообмен осуществляют фильтрацией прямотоком в режиме, близком к идеальному вытеснению, т. е. в реакторе интеграль­ного типа. К недостаткам реакторов этого типа следует отнести:

• катализ проводят на поверхности крупнозернистого катализатора, что отдаляет процесс от чисто кинетической области реагирования;

• при прямотоке, в отличие от противотока, завершающую стадию кре­кинга осуществляют на поверхности закоксованного катализатора после потери им первоначальной активности;

• большое время контакта в реакторах этого типа (исчисляемое де­сятками минут) приводит к ухудшению селективности крекинга в результате интенсивного протекания вторичных реакций.

В реакторах с псевдоожиженным (кипящим) слоем микросфе­рического катализатора катализ, тепло- и массообмен осуществляют при идеальном перемешивании реактантов с катализатором в режиме, характерном для безградиентных реакторов (т. е. дифференциального типа). Как наиболее значимые достоинства реакторов этого типа сле­дует отметить:

• высокую их удельную производительность;

• легкость транспортирования микросферического катализатора и регулирования технологического режима;

• осуществление каталитического процесса в области, близкой к чисто кинетической;

• отсутствие байпасных участков и градиента температуры в кипящем слое и некоторые другие.

Из недостатков реакторов с кипящим слоем можно указать следую­щие:

• неравномерность времени пребывания сырья в зоне реакции, в ре­зультате некоторая часть сырья подвергается чрезмерному креки­рованию до газа и кокса, а другая часть — легкому крекингу;

• среднее фиктивное время контакта, хотя и меньше, чем в реакторах с движущимся слоем шарикового катализатора, но недостаточно малое (3...15 мин), чтобы обеспечить максимально высокую селек­тивность крекинга.

Реакторы каталитического крекинга перечисленных выше двух типов в последние годы постепенно вытесняются более совершенны­ми типами — прямоточными реакторами с восходящим потоком газокатализаторной смеси (лифт-реактор). По газодинамическим характеристикам этот реактор приближается к реакторам идеального вытеснения (т. е. интегрального типа), более эффективным для ката­литического крекинга по сравнению с реакторами с псевдоожиженным слоем катализатора. При этом время контакта сырья с ЦСК благодаря высокой активности снижается в лифт-реакторе примерно на два по­рядка (до 2...6 с). Высокая термостабильность современных катализа­торов (редкоземельных обменных форм цеолитов или бесцеолитных ультрастабильных и др.) позволяет проводить реакции крекинга при повышенных температурах и исключительно малом времени контакта, т. е. осуществить высокоинтенсивный («скоростной») жесткий крекинг (подобно процессам пиролиза).

Заметно улучшаются выходы и качество продуктов крекинга при использовании системы «лифт-реактор + форсированный псевдоожиженный слой» для цеолитсодержащих катализаторов.

Дополнительного улучшения выходных показателей крекинга (т. е. глубины конверсии и качества продуктов) на современных зарубежных установках каталитического крекинга достигают:

• применением современных высококачественных катализаторов;

• переходом на лифт-реакторы без форсированного псевдоожиженного слоя, но заканчивающиеся разделительными циклонами;

• переходом на многоточечный ввод сырья в лифт-реактор и др. Регенераторы предназначены для непрерывной регенерации закоксованного катализатора путем выжига кокса кислородом воздуха при температуре 650…750 °С. На установках с движущимся слоем ка­тализатора регенерацию шарикового катализатора проводят в много­секционном аппарате, снабженном для снятия избытка тепла водяными змеевиками, соединенными с котлом-утилизатором.

Регенерацию закоксованного катализатора на установках с микро­сферическим катализатором осуществляют в аппаратах с псевдоожи-женным слоем. При выжиге кокса выделяется большое количество тепла (25 000...31 500 кДж/моль, т. е. 6000...7500 ккал/кг кокса). Угле­род кокса сгорает до СО и СО₂, причем их соотношение зависит от химического состава катализатора и реакционной способности кокса. При значительной концентрации СО возможно возникновение ее не­контролируемого догорания над слоем катализатора, что приводит к прогару оборудования. Введением в состав катализатора небольших добавок промоторов окисления устраняют образование СО. При этом возрастает экзотермичность горения кокса. Тепло, выделяющееся при регенерации, частично выводят газами регенерации, а большую часть расходуют на разогрев гранул катализатора.

При регенерации в псевдоожиженном слое катализатора практи­чески устраняется возможность локальных перегревов, что позволяет проводить регенерацию при более высокой температуре, тем самым ввести в реактор более высокопотенциальное тепло и при необходи­мости сократить кратность рециркуляции катализатора.

На установках каталитического крекинга сырья с высокой коксуе­мостью регенерацию катализатора осуществляют в двухступенчатых регенераторах, снабженных холодильником для снятия избыточного тепла. Это позволяет раздельно регулировать температурный режим как в регенераторе, так и в реакторе.

На рис. 1...3 представлены схемы реакторного блока отечествен­ных установок каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем катализатора и установки каталитического крекинга лифт-реакторного типа фирмы «ЮОП».

В случае сложного многостадийного процесса каталитического кре­кинга нефтяного сырья по причине того, что энергия активации от­дельных первичных и вторичных реакций крекинга различается весьма существенно, идентичной компенсации антибатного влияния т и Т на выход и качество продуктов не может быть достигнуто, за исключением глубины конверсии сырья. Кратность циркуляции катализатора (К) оказывает на конверсию сырья и выход продуктов влияние, примерно аналогичное влиянию т: с ростом К_цк повышается глубина конверсии примерно так же, как при увеличении т. Исключение составляет выход кокса на сырье, который возрастает пропорционально К_цк, но при этом удельное содержание кокса на катализаторе несколько снижается и со­ответственно возрастает средняя активность катализатора.

Из вышеизложенного следует, что при варьировании оперативными параметрами процесса каталитического крекинга выходные показатели крекинга будут изменяться по сложным и часто экстремальным зависи­мостям. Это обусловливает необходимость оптимизации технологичес­ких параметров с целью достижения максимального выхода целевых продуктов высокого качества[1].