Ахметов А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

621

Рис. 5.14. Стадии гидроудаления кокса из реакторов

622

Эффективное гидробурение скважины достигается использованием

трех- или двухструйного долота, в котором одно сопло – центральное –

направлено вертикально вниз по оси резака или отсутствует вообще,

а два расположены под углом от

10 до 50° от вертикальной оси. Уста-

новлено, что наиболее оптимальным является угол наклона

15°. Мак-

симальная скорость гидробурения составляет

2,5 м/мин. Однако, как

показывает практика эксплуатации трехструйного долота, после бу

рения выгруженный кокс почти полностью измельчается и состоит

в основном из фракций 0…6 мм.

После выполнения первой стадии в коксе образуется воронкообраз-

ный канал диаметром в средней части 0,5

…0,8 м. В верхней и нижней час-

тях происходит расширение из-за низкой механической прочности кокса.

Способы проведения гидровыгрузки кокса подразделяются на

основные (винтовой, ступенчатый, интервальный) и комбинирован

ные (ступенчато-винтовой, интервально-винтовой). При этом важное

значение имеет скорость перемещения струи, зависящая от частоты

вращения гидрорезака и расстояния между соплом и массивом. Так,

для реакторов диаметром 4,6

…5,5 м наиболее оптимальными параметра-

ми гидроудаления являются давление воды

14…17 МПа, расход воды

250…270 м

/ч, скорость перемещения струи 0,8…1,5 м/мин, осевой шаг

обрушения в зависимости от прочности кокса может составлять от

0,04 м до 0,24 м.

В системе гидроудаления нефтяного кокса используется целый

комплекс технологически связанного между собой оборудования и со

оружений, изображенный на рис.

5.15, которые по функциональному

назначению делятся на 4 группы:

— обеспечивающие высокое давление воды в системе и ее подвод

к гидравлическим инструментам (насосы высокого давления, верт

люг, штанга, и система трубопроводов с запорной арматурой);

— формирующие высоконапорные свободные водяные струи (гидро

инструменты);

— предназначенные для вертикального и вращательного перемещения

гидрорезака в процессе удаления кокса (приводы вращения и верти

кального перемещения гидравлических инструментов, включающие

лебедку и ротор с приводами, талевые системы);

— вспомогательные сооружения и аппараты (отстойник, емкости, рам

па, металлоконструкции, поддерживающие талевую систему).

Эксплуатационные характеристики гидрорезаков в значительной

мере определяются их конструкцией. Общепринятая оценка эффек

тивности водяной струи – ее компактность. Более компактные струи

623

Рис. 5.15. Система гидравлической выгрузки кокса из реакторов УЗК:

1 — емкость; 2, 4 — трубопроводы; 3 — насос высокого давления; 5 — рукав буровой; 6 — вертлюг;

7 — штанга; 8 — гидроинструмент (гидрорезак); 9 — реактор; 10 — ротор; 11 — привод ротора;

12 — блок талевый; 13, 16 — канат; 14 — серьга; 15 — кран-блок; 17 — лебедка; 18 — редуктор;

19 — электродвигатель; 20 — фильтр-отстойник; 21 — насос; 22 — фильтр; 23 — рампа; 24 — кокс

624

имеют большую длину начального участка, меньшую неравномерность

осевых усилий, большее значение средних динамических давлений на

соответственно одинаковых расстояниях.

Конструкции гидравлических резаков включают в себя корпус

, со-

единенный со штангой фланцевым соединением, стволы успокоителей

и сопла

, а также специфические для комбинированных и дистанцион-

ных гидрорезаков механизмы переключения.

В настоящее время на большинстве отечественных установок замед

ленного коксования эксплуатируются комбинированные гидрорезаки

ГРУ-3

Р, изготавливаемые серийно на максимальное рабочее давле-

ние 17 МПа. Гидрорезаки ГРУ-3Р-250 (рис. 5.16) и его модификация

с измененным профилем сопел ГРУ-3РМ-250 на давление 25

МПа были

представлены опытными образцами на крупнотоннажных установках

типа 21-10/5 с реакторами диаметром 7000 мм и более.

Комбинированный гидрорезак ГРУ-3

Р-250 состоит из цилиндричес-

кого корпуса, в нижней части которого расположено гидродолото

с тремя бурильными соплами, соединенными с подводящими стволами

В средней части корпуса находятся два горизонтальных режущих сопла

с успокоителями радиально

-трубчатого типа. Над стволами размещен

узел переключения, состоящий из четырех отверстий, в два из которых

вставлены стволы бурильных сопел, а два других сообщаются с вну

тренней полостью корпуса и плоского поворотного золотника с двумя

отверстиями. Переключение сопел производится через сквозной паз

в боковой стенке корпуса длиной в ¼ длины окружности корпуса. Эту опе

рацию выполняют при остановленном водяном насосе, который выклю

чают или переводят на рециркуляцию, а гидрорезак выводят из камеры

Существует несколько модификаций комбинированных гидрореза

ков. В одной из них режущие

(боковые) стволы выполнены с наклоном

от 2 до

5° к горизонтальной оси — одно вверх, другое вниз, в другой

модификации применены дополнительные выпрямители потока, уста

новленные в стенке корпуса соосно с каждым режущим соплом

Наиболее совершенными являются универсальные гидрорезаки

и гидрокомплексы, обеспечивающие полную механизацию процесса

гидроудаления во всех ее стадиях

. Впервые автоматическое переклю-

чающее устройство, позволяющее переводить инструмент с режима бу

рения на режим резки путем отключения центрального потока за счет

энергии скоростного напора поступающей воды было использовано

в гидрорезаке ГКВ

-1 и его модернизированном варианте ГРУ-1А. Ряд

конструкций гидрорезаков имеет встроенный механизм переключения

режимов. Так, модификация гидрорезака ГРУ-3Р

(рис. 5.17) во фланце

имеет узел переключения

, состоящий из ступенчатого вала 2 с шестер-

625

Рис. 5.16. Гидрорезак универсальный ГРУ-3Р-250:

1 — сопло бурильное; 2 — направляющая потока; 3 — фиксатор; 4 — успокоитель потока; 5 — ствол;

6 — корпус; 7 — рукоятка; 8 — золотник; 9 — фланец; 10 — пробка; 11 — сопло режущее

ней 3. Крутящий момент для вращения золотника 5 передается через

зубчатый сектор

4, закрепленный на золотнике 5. После выбора требуе-

мого режима положение золотника фиксируется с помощью винта

626

Рис. 5.17. Узел механического переключения режимов гидрорезака ГРУ-3Р:

1 — фланец гидрорезака; 2 — ступенчатый вал; 3 — шестерня; 4 — зубчатый сектор; 5 — золотник;

6 — фиксатор

627

Глава 6

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ

КАТАЛИТИЧЕСКИХ ГЕТЕРОЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗОВ

6.1. Общие сведения о катализе и катализаторах

Катализ (этот термин впервые был предложен шведским химиком

Берцелиусом в 1835 г.) является исключительно эффективным методом

осуществления в промышленности химических превращений. В настоя-

щее время до 90 % всей химической продукции мира изготавливается

каталитическим путем. От развития катализа в значительной степени

зависит технический прогресс химической, нефтехимической, нефте

перерабатывающей и других отраслей промышленности.

Катализ — многостадийный физико-химический процесс изби

рательного изменения механизма и скорости термодинамически воз

можных химических реакций веществом-катализатором, образующим

с участниками реакций промежуточные химические соединения.

Различают положительный катализ — увеличение скорости реакции

под влиянием катализатора — и отрицательный катализ, приводящий

к уменьшению скорости химического превращения. При положитель

ном катализе промежуточное взаимодействие реагирующих веществ

с катализатором открывает новый, энергетически более выгодный

(т. е. с меньшей высотой энергетического барьера), по сравнению с тер

молизом, реакционный путь (маршрут). При отрицательном катализе,

наоборот, подавляется (ингибируется) быстрая и энергетически более

легкая стадия химического взаимодействия. Следует отметить, что под

термином «катализ» подразумевают преимущественно только положи

тельный катализ.

Важной особенностью катализа является сохранение катализато

ром своего состава в результате промежуточных химических взаимо

действий с реагирующими веществами. Катализатор не расходуется

в процессе катализа и не значится в стехиометрическом уравнении сум

марной каталитической реакции. Это означает, что катализ не связан

с изменением свободной энергии катализатора и, следовательно, ката

лизатор не может влиять на термодинамическое равновесие хими

ческих реакций. Вблизи состояния равновесия катализатор в равной

степени ускоряет как прямую, так и обратную реакции. При удалении

от состояния равновесия это условие может и не выполняться.

628

То, что катализатор не участвует в стехиометрическом уравнении

реакций, не означает абсолютной неизменности его состава и свойств.

Под влиянием реагентов, примесей, основных и побочных продуктов

реакций, циркуляции и температуры катализатор всегда претерпевает

физико-химические изменения. В этой связи в промышленных ката

литических процессах предусматриваются операции замены, периоди

ческой или непрерывной регенерации катализатора.

Следующей важной особенностью катализа является специфич

ность действия катализатора. Нельзя рассматривать каталитичес-

кую активность как универсальное свойство катализатора. Многие

катализаторы проявляют каталитическую активность в отношении

одной или узкой группы реакций. Для каждой реакции целесообразно

использовать свой наиболее активный и селективный катализатор.

Классификация катализа и каталитических реакций. По агрегат

ному состоянию реагирующих веществ и катализатора различают гомо

генный катализ, когда реагенты и катализатор находятся в одной фазе,

и гетерогенный катализ, когда каталитическая система включает не-

сколько фаз. В нефтепереработке гетерогенный катализ, особенно с твер

дым катализатором, распространен значительно больше, чем гомогенный.

По природе промежуточного химического взаимодействия реагирую-

щих веществ и катализатора катализ принято подразделять на следу

ющие три класса:

1) гемолитический катализ, когда химическое взаимодействие проте-

кает по гомолитическому механизму;

2) гетеролитический катализ — в случае гетеролитической природы

промежуточного взаимодействия;

3) бифункциональный (сложный) катализ, включающий оба типа хи-

мического взаимодействия.

Ценность этой классификации заключается в том, что именно при

рода промежуточного химического взаимодействия, а не агрегатное со

стояние реакционной системы определяет свойства, которыми должен

обладать активный катализатор. Так, при гомолитическом катализе раз

рыв электронных пар в реагирующем веществе обычно требует большой

затраты энергии. Для того чтобы тепловой эффект, а следовательно,

и энергия активации этой стадии не были бы слишком большими, одно

временно с разрывом электронных пар должно протекать и образование

новых электронных пар с участием неспаренных электронов катализатора.

По гомолитическому, преимущественно так называемому электрон

ному катализу протекают реакции окислительно-восстановительного

типа (такой катализ поэтому часто называют окислительно-восстанови

629

тельным): гидрирования, дегидрирования, гидрогенолиза гетерооргани-

ческих соединений нефти, окисления и восстановления в производстве

элементной серы, паровой конверсии углеводородов в производстве

водорода, гидрирования окиси углерода до метана и др.

Каталитической активностью в отношении таких реакций обладают

переходные металлы (с незаполненными

d- или f-оболочками) первой

подгруппы (Сu, Ag) и восьмой группы (Fe, Ni, Co, Pt, Pd) периодичес-

кой системы Д. И. Менделеева, их окислы и сульфиды, их смеси (мо

либдаты никеля, кобальта, ванадаты, вольфраматы, хроматы), а также

карбонилы металлов и др.

Гетеролитический, или так называемый ионный, катализ, имеет мес-

то в каталитических реакциях крекинга, изомеризации, циклизации,

алкилирования, деалкилирования, полимеризации углеводородов, де

гидратации спиртов, гидратации олефинов, гидролиза и многих других

химических и нефтехимических процессах.

К катализаторам ионных реакций относят жидкие и твердые кислоты

и основания (по этому признаку гетеролитический катализ часто назы

вают кислотно-основным): H

, HF, HCl

, Н

РО

, HNO

, СН

СООН,

AlCl

, BF

, SbF

, окислы аюминия, циркония, алюмосиликаты, цеолиты,

ионообменные смолы, щелочи и др.

В техническом катализе (например, в процессах каталитического

риформинга и гидрокрекинга) нашли широкое применение бифункцио-

нальные катализаторы, состоящие из носителя кислотного типа (окись

алюминия, алюмосиликаты, промотированные галоидами, цеолитом

и др.) с нанесенным на него металлом — катализатором гемолитических

реакций (Pt, Pd, Co, Ni, Mo и др.).

Гетерогенные катализаторы. Под термином «гетерогенный ката

лизатор» подразумевают обычно твердый катализатор, нашедший пре

имущественное применение в каталитических процессах химической

технологии.

Гетерогенные катализаторы должны удовлетворять определенным

требованиям технологии каталитического процесса, основные из

которых следующие:

1) высокая каталитическая активность;

2) достаточно большая селективность (избирательность) в отношении

целевой реакции;

3) высокая механическая прочность к сжатию, удару и истиранию;

4) достаточная стабильность всех свойств катализатора на протяжении

его службы и способность к их восстановлению при том или ином

методе регенерации;

630

5) простота получения, обеспечивающая воспроизводимость всех

свойств катализатора;

6) оптимальные форма и геометрические размеры, обусловливающие

гидродинамические характеристики реактора;

7) небольшие экономические затраты на производство катализатора.

Обеспечение этих требований достигается главным образом при раз

работке состава и способа получения катализатора.

Активность катализатора определяется удельной скоростью дан

ной каталитической реакции, т. е. количеством продукта, образующегося

в единицу времени на единицу объема катализатора или реактора.

В подавляющем большинстве случаев в присутствии данного ка

тализатора, помимо основной реакции, протекает еще ряд побочных

параллельных или последовательных реакций. Доля прореагировавших

исходных веществ с образованием целевых продуктов характеризует

селективность катализатора. Она зависит не только от природы

катализатора, но и от параметров каталитического процесса, поэтому

ее следует относить к определенным условиям проведения реакции.

Селективность зависит также от термодинамического равновесия.

В нефтепереработке иногда селективность условно выражают как от

ношение выходов целевого и побочного продуктов, например таких,

как бензин/газ, бензин/кокс или бензин/газ + кокс.

Стабильность является одним из важнейших показателей ка

чества катализатора, характеризует его способность сохранять свою

активность во времени. От нее зависят стабильность работы устано

вок, продолжительность их межремонтного пробега, технологическое

оформление, расход катализатора, материальные и экономические за

траты, вопросы охраны окружающей среды и технико-экономические

показатели процесса и др.

В процессе длительной эксплуатации катализаторы с определенной

интенсивностью претерпевают физико-химические изменения, приво

дящие к снижению или потере их каталитической активности (иногда

селективности), т. е. катализаторы подвергаются физической и хими

ческой дезактивации.

Физическая дезактивация (спекание) катализатора происходит

под воздействием высокой температуры (в некоторых каталитических

процессах) и водяного пара и при его транспортировке и циркуляции.

Этот процесс сопровождается снижением удельной поверхности как

носителя (матрицы) катализатора, так и активного компонента (в ре

зультате рекристаллизации — коалесценции нанесенного металла с по

терей дисперсности).