Конструкция циклона крекинга катализатора в псевдоожиженном слое и варианты

Говоря об уровне важности циклонов в установках крекинга катализатора в псевдоожиженном слое (FCCU), то они по важности идут сразу за реакторами и регенераторами, потому что катализатор должен быть экономично отделен от реакторных и регенераторных газов. Конструкции циклонных систем часто менялись за последние 56 или около этого лет, что инженеры НПЗ в поисках по удлинению режима эксплуатации, эксплуатировали установки крекинга катализатора в псевдоожиженном слое (FCCU) таким образом, чтобы циклоны могли, как можно дольше выдержать усиливающиеся более жесткие условия эксплуатации.

Циклоны:
Обычно циклоны – это опрокинутые конусы (с обрезанной верхушкой), сконструированные таким образом, что поток из смеси газа и катализатора входит в основание конуса, которое находится в верхней части циклона, по его внутренней стенке. Смешанный поток засасывается по внутренним стенкам, так как он двигается по конусу в более узкие его участки. Катализаторы, будучи твердыми частицами, продолжают двигаться в потоке вниз по стенкам циклона, в то время, как газ, отделяющийся от катализатора, поднимается вверх через центр циклона к выходу наверху. Катализатор выходит через днище циклона. В настоящее время циклоны, работающие на установках крекинга катализатора в псевдоожиженном слое (FCCU) содежат в своей конструкции конус, усеченная верхушка которого завершается уменьшителем диаметра, за которым следует другой маленький цилиндр, который спускается к месту, где откладывается ктализатор, Смотрите иллюстрацию такого циклона в конце этой брошюры. Это простое объяснение устройства, которое работает эффективно, только если число ступеней циклона, число параллельных конусов, диаметров, углов, длин и толщин стенок, материалов конструкции и систем поддержки выбрано надлежащим образом.

Вводы и корпуса циклона:
Направленные по касательной к кривой циклонов вводы впускают газ и твердые частицы в циклон по внутренним стенкам. Однако, впускное отверстие должно быть достаточно широко для того, чтобы твердые частицы ударялись об выпускную трубку газа, которая должна тянуться вниз от верхушки циклона, достаточно далеко, для предотвращения смешивания входного газа и частиц с очищенным выходным газом. Если приложить давление к вводной порции смеси циклона от стены к центру циклона, входящий поток газа и частиц, будет держаться вдали от входа выпускной трубки газа и внешней стенки выпускной трубки газа. Такой участок, отделяющий стенки циклона от центра циклона, называется спиральным вводным каналом и повышает первоначальную стоимость системы циклона регенератора приблизительно на 2%, а первоначальную стоимость одноступенчатой системы приблизительно на 4%. В то время, когда большие и соответственно более тяжелые частицы сразу после ввода обычно прилепляются к стенке циклона, маленькие и соответственно более легкие частицы после входа занимают полосу между стенкой и центром циклона. Если более мелкие частицы входят в циклон ниже трубки выходного газа в конечном счете попадая рикошетом в поток выходного газа, эффективность степени сепарации циклона уменьшается. Благодаря уменьшению диаметра конуса и увеличения длины конуса, на любой высоте внутри циклона движение газа будет меняться от нисходящего с частицами движения на восходящее в выходной поток газа. Поэтому любая частица, находящаяся вдали от стенки циклона, может быть отогнана в выходной поток газа.

Бункеры циклона:
Только тогда, когда нагрузка катализатора на входе очень высока и, когда общая длина конуса и цилиндра в четыре и более раз больше внутреннего диаметра цилиндра циклона, нет необходимости в циклонном бункере. В противном случае бункер циклона позволяет катализатору выпадать из гребня завихрения, образованного газовым потоком, и отделяться от газа. При фактической эксплуатации, завихрения газового течения двигаются вокруг беспорядочно, так что без бункера движущееся завихрение периодически будет касаться катализатора, осевшего на опускных трубах, таким образом вторично захватывая и унося некоторое количество катализатора, приводя к износу опускных труб и истиранию катализатора в более тонкие частицы, которые станут далее потерями катализатора. Поскольку восходящий и нисходящий потоки газа и катализатор должны проходить через выход конуса циклона в бункер, если величина струйного течения слишком велика для прохода восходящего и нисходящего потоков газа, образуется неэфективная площадь поперечного сечения, приводя к вторичному захвату в газовом потоке и выносу из циклона некоторой части уловленного катализатора. Эмпирически, явление вторичного захвата частиц катализатора было обнаружено, когда вес величины частиц катализатора, входящих в циклон, разделенный на площадь поперечного сечения выпуска конуса превзошел 80 фунтов/квадратных футосекунд. Эта величина потока составляет около половины от рекомендуемой максимальной величины потока в опускной трубе в размере 150 фунтов/квадратных футосекунд. Хотя опубликованные данные показывают повышение этоЙ величины при лабараторных испытаниях до 200 фунтов/квадратных футосекунд, действительное состояние катализатора в установках крекинга катализатора в псевдоожиженном слое (FCCU) не постоянно, поэтому рекомендуемая максимальная величина потока компенсирует колебания при эксплуатации.

Опускные трубы циклона:
Так как собранный катализатор возвращается к днищу сосуда через опускные трубы, каждая опускная труба, обеспечивает барометрический затвор для предотвращения или или сведения к минимумуутечки газа из сосуда в вывод бункера циклона. Вытекающий газ вторично уносит собранные частицы катализатора через выпускное отверстие бункера и затем выносит из циклона с выходным газом, в качестве потерь катализатора. Поэтому максимальный уровень катализатора в опускной трубе должен быть минимум на 61 см ниже линии стыка бункера с опускной трубой. Поскольку КПД циклонов одной ступени обычно достигает выше 99,9%, полное количество катализатора, входящего в первую ступень, используется для расчета размера опускной трубы первой ступени. В связи с тем, что масса потока в опускной трубе второй ступени обычно очень мала, площадь поперечного сечения опускной трубы второй ступени составляет от ¼ до ½ площади поперечного сечения опускной трубы первой ступени, что, в соответствии с некоторыми дополнительными критериями, в результате приводит к максимальному диаметру трубы, колеблющемуся между 29.8 см и 30.5 см.

Конструкция опускной трубы:
Средний перепад давления рассчитывается по трем основным формулам; (1) в следствие ускорения на входе циклона первой ступени, (2) от входа циклона до газового выхода циклона и (3) от входа циклона до верха опускной трубы циклона. Два перепада давления – от входа циклона до (1) газового выхода циклона и (2) до верха опускной трубы циклона, не являются одними и теми же величинами и их действие не будет одинаково затронуто какими- либо изменениями в конструкции циклона, как, например, изменение диаметра трубки выходного газа циклона. Невозможно рассчитать потери при ускорении в циклонах, принимающих газ и катализатор непосредственно из трубопровода. Уровень катализатора в опускной трубе рассчитывается на основании (1) загрузочной воронки бункера, (2) длины опускной трубы, погруженной в слой, (3) плотности псевдоожиженного катализатора в слое и (4) плотности псевдоожиженного катализатора в опускной трубе. Все расчеты смотрите в конце этой брошюры. Большинство псевдоожиженных слоев в опускной трубе имеют плотности от 384,44 до 560,65 г/куб. л. или больше. В виду высокой массы потока в опускной трубе первой ступени, обычная плотность равна 480,55 г/куб. л или максимуму плотности слоя в самом неподвижном псевдоожиженном слое. В случае, когда опускная труба не погружена в слой, рекомендуется плотность равная 384,44 г/куб. л. Для опускной трубы второй ступени, нормальная плотность составит от 320,37 до 352,41г/куб. л для новой циклонной системы, и 384,44 г/куб. л, если необходим расчет существующей системы с целью эксплуатации с более высокой производительностью. В экстремальных случаях в конструкциях заменной циклонной системы бывает необходима плотность величиной 384,44 г/куб. л . Уровень катализатора над слоем соответствует сумме (1) любой разницы в уровне от другого слоя и плотностями в опускной трубе и (2) перепада давления от сосуда до верха опускной трубы, скорректированного с учетом разницы между плотностью воды, и плотностью потока внутри опускной трубы. Уровень катализатора над выпуском клапана в опускной трубе, которая не погружена в слой, будет равен только величине перепада давления из сосуда до верха опускной трубы, скоректированном с учетом разницы между плотностью воды и плотностью потока внутри опускной трубы.

Ступени циклона реактора:
Циклоны с одной ступенью, которые используются, когда колонна в сосуде реактора имеет устройство разгрузки, отличное от циклона, являются более производительными, нежели циклоны первой и второй ступени, ранее использованные в двухступенчатых системах циклонов реактора и в настоящее время используемые в двухступенчатых системах циклонов регенератора. Циклоны с большей производительностью, при сравнении с первым из двухступенчатых циклонов, не имеют (1) изменений в размере области ввода, (2) изменений в диаметре трубки выходного газа или используют ее уменьшенный диаметр, (3) имеют на 20% больше диаметр цилиндра над конусом и (4) 20%-ное увеличение всех остальных габаритов. Поскольку используется только единственная ступень более производительного циклона, эти увеличенные циклоны подойдут в сосуде, занятым циклонами второй ступени, приводя к сокращению (1) унос катализатора на фракцинирующую колонну и (2) снижению расходов капитала на оборудование. В последнее время проектировщики циклонов второй ступени вернулись к использованию компоновки, когда циклоны первой ступени подсоединены непосредственно к выходу газа циклона первой ступени, таким образом, достигая более быстрой сепарации газов от катализатора, укорачивая время нахождения газов внутри сосудов реактора, и, соответственно, сокращая выход продуктов чрезмерно глубокого крекинга.

Длина циклона по отношению к диаметру:
Обычно у циклонов в возрасте 5-ти и более лет соотношение внутренней длины циклона к внутреннему диаметру циклона составляет от 2,5 до 2,7. Износ в циклонах с этим соотношением около 5 значительно ниже в удлиненных конусах, бункерах и опускных трубах. В виду того, что длина опускной трубы для надлежещей эксплуатации циклона может не подходить к циклонам с более длинной второй ступенью, лица, принимающие решения на НПЗ, должны обсудить вопрос замены циклона с лицензиарами процесса и поставщиками циклонов,. Одноступенчатые циклоны с более высоким КПД снижают объем катализатора, попадающего на циклоны второй ступени. Уменьшанная нагрузка катализатора на циклон второй ступени снижает (1) потери катализатора, (2) его истирание, и (3) износ циклона.

Износ циклонов второй ступени:
Описания раковин или участков чрезмерного износа в конической передаточной части бункеров второй ступени в месте над опускными трубами и в опускных трубах второй ступени, как раз под конусами бункеров, похожи. Износ в этих местах происходит из –за одной или более следующих причин: (1) высокой впускной скорости циклонов второй ступени, (2) высокой скорости газов циклонов второй ступени на выпуске, (3) чрезмерной утечки газа в опускные трубы и вверх по ним, и (4) большого количества уносимого в циклоны второй ступени катализатора.

Высокие впускные скорости в циклонах второй ступени:
Эксплуатация установки при условиях более жестких, нежели указанные в конструкции системы циклона, часто приводит к высоким впускным скоростям в циклонах второй ступени. Поскольку твердость футеровки нефтеперерабатывающего оборудования равна или выше твердости катализатора, частицы катализатора разрушают футеровку нефтеперерабатывающего оборудования, так же, как и футеровка в свою очередь истирает частицы катализатора. Каждая разрушенная частица катализатора, крошится на много мельчайших частиц, которые возвращаются в циркулирующий поток катализатора внутри установки крекинга в псевдоожиженном слое. Когда эти крошечные частицы вновь захватываются в газы установки крекинга FCCU, они уносятся обратно в циклоны, где, будучи слишком малы для сбора любым циклоном, проходят через циклон вместе газом и становятся частью потерь катализатора.

Высокие скорости газов циклонов второй ступени на выпуске:
Высокие скорости газов на выпуске обычно встречаются в циклонах второй ступени регенераторов, где, приводя к высокому перепаду давления в циклоне, имеют небольшое, или никакого влияния на эксплуатацию последующего потока. Эксплуатация установки при условиях более жестких, нежели указанные в конструкции системы циклона, часто приводит к высокой скорости газов циклонов второй ступени в выпускной трубе. Однако, высокая скорость газов в выпускной трубе, также обычно возникает, когда циклоны второй ступени в стремлении сократить первоначальную стоимостьпоставляются без спиральных вводов, без учета показателей надежности эксплуатации, будущие требования по текущему ремонту и долговременные преимущества.

Чрезмерная утечка газа в опускные трубы второй ступени и вверх по ним:
Перед тем, как газы входят в циклоны первой ступени, значительная часть катализатора отделяется от газа на выходе из отпарной зоны. Большая часть оставшегося катализатора собирается в циклонах первой ступени. Поскольку совсем немного катализатора входит в циклоны второй ступени, редко бывает, чтобы было достаточно собранного катализатора в каждой опускной трубе для покрытия по контуру седла в клапане с противовесом, закрывающемся горизонтально. Перепад давления на каждом клапане и в опускной трубе обычно около 2,0 фунтов на кв. дюйм приводит к засасыванию значительного объема газа в опускную трубу. Не только этот входящий газ несет катализатор в опускную трубу, но он также вторично захватывает катализатор в опускную трубу. Когда поднимающийся газ встречается с вращающимся вихрем циклонных газов от верха опускной трубы, скорость частиц катализатора в поднимающемся потоке газа усиливается благодаря вращающемуся вихрю. Эти разогнавшиеся частицы разрушают верхний участок опускной трубы и нижний участок бункера циклона. В виду этого, в настоящее время лицензиары процесса, в технических условиях конкретно указывают на циклоны первой ступени в реакторах, где разгрузка отпарной зоны обеспечивает первичное отделение катализатора. Такие циклоны первой ступени разработаны для более высокого КПД и перепада давления, чем циклоны первой ступени в двухступенчатых циклонных системах реактора. В большинстве случаев циклонов с единственной ступенью требуется больше, чем циклонов первой ступени.

Значительный унос катализатора в циклоны второй ступени:
Наиболее частой причиной большого выноса катализатора в циклоны второй ступени является значительная масса потоков катализатора в конусах и опускных трубах циклонов первой ступени. Однако, для снижения объема массы потока через конусы циклонов первой ступени, вызванные эксплуатацией при более жестких условиях, чем указано в технических условиях конструкции, возможно сделать некоторые корректировки. Обычно диаметр прохода конуса циклона составляет 2/5 от диаметра циклона, а диаметр цилиндрической части циклонного бункера 3/5 от диаметра циклона. Смотрите чертежи в конце этой брошюры. На большинстве циклонов, поставленных в последние 15 лет, цилиндрическая часть бункера циклона доходит до конуса циклона, вводя часть конуса циклона с диаметром от 2/5 до 3/5 частей диаметра циклона во внутрь бункера циклона. Часть или весь участок внутри бункера может быть отрезан для снижения массы потока через проход конуса до менее, чем 80 фунтов/куб.футо-секунд, В то время как КПД циклона с проходом больше, чем 2/5 от диаметра циклона станет ниже, чем в первоначальной конструкции, снижение таких показателей, как истирание катализатора, так и вторичный захват катализатора, приводит к значительному сокращению потерь катализатора.

Высокие потери катализатора:
Высокие потери катализатора обычно происходят из-за: (1) механических неполадок, (2) истирания катализатора, (3) чрезмерных масс потоков в циклонах и опускных трубах и (4) длины опускных труб.

Механические неполадки:
Когда происходит постепенное или внезапное увеличение потерь катализатора, первая мысль – это механические неполадки. Часто встречающиеся механические неполадки – это (1) утечки из поврежденных сварочных швов или износы из-за тяжелых нагрузок, (2) раковины, образуемые из-за износа в стенках циклонов и опускных труб, (3) забивки в опускных трубах, (4) плохо работающих или поврежденных клапанов опускных труб, и (5) клапанов опускных труб, которые не закрываются из-за согнутых или потерянных запорных тарелок.

Истирание катализатора:
Кроме истирания катализаторов в циклонах, истирание катализаторов происходит также в результате: (1) неправильно спроектированных, изношенных или потерянных дросселей в паропроводах, (2) чрезмерных скоростей в вентиляционных решетках, (3) высоких скоростей катализатора через задвижки и (4) высокой турбулентности, вызванной сломанными вентиляционными решетками.

Чрезмерный поток массы в циклонах и опускных трубах:
Когда количество катализатора, входящего в циклоны первой ступени больше максимального количества, которое должно проходить через опускные трубы, что обычно является результатом увеличенного расхода газа в циклоны, уровень катализатора в бункеры циклона поддерживается, пока он не достигнет уровня, при котором он будет вторично захватываться газами циклона и уноситься к циклонам второй ступени. Значительное истирание катализатора происходит во время его вторичного захватывания.

Неудовлетворительная длина опускной трубы:
В то время, как большинство циклонных систем при разработке имели достаточно длинные, чтобы уровень катализатора был 61 см или выше линии стыка бункера циклона опускной трубы, опускные трубы, увеличение пропускной способности может поднять требуемый уровень опускной трубы до точки, когда он достигнет вихревого потока циклона. Когда это происходит, результатом будет как истирание катализатора, так и износ конуса циклона и бункера. Кроме того, некоторое количество катализатора будет вторично захвачено существующим газовым потоком и вынесено в циклоны. Поскольку самый высокий уровень катализатора обычно бывает в опускных трубах последних ступеней циклонов, вторично захваченный катализатор становится дополнительными потерями. Высокие потери катализатора по любой причине за исключением истирания катализатора, приводят к снижению размера частиц 0 до 40 микрон в равновесном катализаторе. В некоторых установках крекинга катализатора в псевдоожиженном слое влияние таких потерь мелких частиц в циркуляции катализатора является более важным, чем завышенные потери катализатора.

Нахождение более производительной ступени циклона:
В большинстве двухступенчатых циклонных систем диаметры обоих ступеней циклона одинаковы, но площадь впуска циклона в первой ступени больше, чем во второй. В виду того, что соотношение цилиндра (барелля) площади поперечного сечения к площади впускного участка выше такого же соотношения для первой ступени, циклоны второй ступени являются более производительными нежели циклоны первой ступени. С того времени, когда были разработаны первые циклоны второй ступени, в основном, более производительными циклонами оказывались циклоны второй ступени. Однако, когда были замечены отрицательные последствия чрезмерной массы потоков через циклоны первой ступени, встал вопрос, установка какого циклона будет наиболее целесообразной. Если конструкция с наибольшей производительностью циклонов второй ступени была использована для циклонов первой ступени, диаметр первой ступени увеличивали для сохранения той же площади ввода. Соответственно, диаметр выпуска конуса циклона первой ступени увеличивался, таким образом снижая объем массы потока, проходящей через конусы циклона. Более производительные циклоны длиннее, но это не является проблемой, потому, что уровень катализатора в опускных трубах первой ступени обычно посредине между линией стыка бункера опускной трубы и слоя катализатора. Не только опускные трубы первой ступени могут быть укорочены для приведения в соответствие дополнительной длины циклона, но опускные трубы могут быть укорочены и в будущем, чтобы привести в соответствие соотношение длины циклона к диаметру.

Проверенное местонахождение действительных потерь катализатора:
При рассматривании более производительных циклонов для первой ступени, были обсуждены и различные алтернативные конструкции циклонов для второй ступени. При использовании увеличенных циклонов для первой ступени, остается мало места для циклонов второй ступени. Сравнение расчетов эксплуатационных характеристик для циклонов, заменяющих циклоны традиционного типа второй ступени, и уменьшенных циклонов второй ступени, показало незначительную разницу в потерях катализатора. Кроме того, в связи с тем, что уменьшенные циклоны были короче, представлялась возможность увеличить длину опускных труб, увеличивая соотношение длины циклона к диаметру. Когда циклон такой реверсивной конструкции был введен в эксплуатацию, действительные потери катализатора представляли 75% от расчитанных потерь. Поскольку расчитанные потери были основаны на действительных потерях мелких фракций катализатора, произошедших в результате истирания катализатора в более чем 100 эксплуатационных установок, было предположено, что, снижение действительных потерь по сравнению с расчетными, произошло из-за истирания катализатора преимущественно во второй стадии. Следовательно, при использовании производительных циклонов первой ступени, подача катализатора на циклоны второй ступени уменьшается, что в свою очередь значительно снижает истирание катализатора. Тремя годами позже в результате проверки был обнаружен совсем небольшой износ в циклонах второй стадии и практически отсутствие износа в циклонах первой стадии. Поэтому планы по замене циклонных систем в регенераторе или верхних циклонных системах отпарной зоны реактора должны включать установку более производительных циклонов в первой стадии или стадии отпарной зоны, и менеее производительных во второй или верхней стадии. Установки, находящиеся в настоящее время в эксплуатации, в частности, регенераторы с незначительными скоростями в 3,0 футов в секунду, показали значительно пониженные показатели, как потерь в циклонах, так и затрат на техническое обслуживание циклонов.

Загрузите для распечатки файл
Циклон с крекингом катализатора в псевдоожиженном слое < PDF 336 KБ >