Некоторые неполадки в работе установки

Каталитический крекинг является комплексным многофакторным процессом, неполадки которого не всегда четко выявляются, а причины их вызвавшие быстро устраняются. В условиях промышленной эксплуатации установки важно уметь выделять из массы показателей основные, свидетельствующие об отклонениях и сбоях:

– связанные с видом, состоянием и характеристиками катализатора;

– имеющие отношение к оборудованию или технологическому режиму.

Неполадки, относящиеся к первой группе, наиболее сложно выявить и идентифицировать. Поэтому в основном им будет уделено внимание.

Повышенные потери катализатора. При работе установки в результате протекания целого ряда процессов катализатор постепенно теряет свою активность. Кроме того, за счет постоянного выноса из соответствующего оборудования, часть его теряется. Эти явления обычны для существующих в настоящее время технологий. Поэтому в реакторно-регенераторную систему постоянно вводят дополнительные порции свежего или равновесного катализатора. Однако в определенных случаях вышеназванные явления начинают значительно ускоряться, что приводит к необходимости резкого увеличения подпитки системы катализатором.

Регулярное введение свежего катализатора в систему циркуляции установки вызвано в основном тремя причинами:

- поддержанием его оптимальной активности и селективности;

- сохранением на определенном допустимом уровне содержания в нем тяжелых металлов (никель, ванадий);

- восполнением предусмотренных технологией потерь циркулирующего катализатора.

Для сырья различного качества может быть определен свой уровень оптимальной активности катализатора. Чем легче и более насыщено водородом сырье, тем выше может быть активность равновесного катализатора. Это позволяет повысить величину конверсии и увеличить выход целевых продуктов. При использовании более тяжелого (особенно содержащего асфальто-смолистые вещества) сырья активность катализатора следует снижать. Это в основном связано с тем, что применение такого сырья приводит к росту содержания кокса на отработанном катализаторе (дельта кокс). Поэтому в регенераторе увеличивается количество теплоты, выделяющейся при его горении, что нарушает тепловой баланс реакторно-регенераторного блока.

Еще одним моментом, который необходимо учитывать обслуживающему персоналу установки, является выдерживание оптимального распределения размеров частиц катализатора. В системе циркуляции присутствуют частицы с размерами от 1 до 150 мкм. Наиболее мелкая фракция (с размерами частиц до 20 мкм), образующаяся либо за счет истирания в системе циркуляции, либо в процессе синтеза катализатора, в основном уходит с продуктовым потоком и газами регенерации через циклоны реактора и регенератора. Эта фракция, как правило, безвозвратно теряется, так как используемые в настоящее время циклоны не позволяют достаточно эффективно улавливать ее. В некоторых случаях, при неполадках в работе циклонов в потери могут уходить и частицы катализатора с размерами до 40 мкм и выше. Последствия этого можно видеть из данных, представленных на рисунке 6.1. В результате эрозии стенок циклонов, низкого уровня катализатора в верхней части регенератора или отпарной зоне реактора катализатор из них может выноситься через циклоны. При этом теряются не только мелкие частицы, но и более крупные. В результате в системе постепенно увеличивается средний размер частиц равновесного катализатора и возрастают его потери. Поэтому учитывая, что рост среднего размера частиц циркулирующего катализатора является проявлением неудовлетворительной работы циклонов, для контроля за их работой необходимо периодически анализировать распределение по размерам частиц циркулирующего равновесного катализатора и образцов мелких фракций из циклонов (рис. 6.2, 6.3).

Рисунок 6.1 – Увеличение среднего размера частиц равновесного катализатора вследствие его потерь из-за неудовлетворительной работы циклонов.

Рисунок 6.2 – Распределение частиц равновесного катализатора по размерам в системе циркуляции.

Рисунок 6.3 – Распределение по размерам частиц мелкой фракции равновесного катализатора, выносимого из циклонов.

Рост потерь через циклоны установки обычно обусловлен истиранием катализатора или неполадками в работе самих циклонов (рис.6.3). Причиной ускоренного истирания катализатора могут быть его недостаточная механическая прочность, большое количество введенного в систему свежего катализатора, повышенные скорости паров и газов в реакторе и регенераторе.

Эксплуатационные показатели работы циклонов нарушаются по ряду причин:

- рост нагрузки на циклон за счет увеличения либо паровой и газовой фаз, либо содержания в потоке мелких частиц;

- наличие отверстий в корпусе циклона, выходной или погружной трубах или сборном ресивере (пленуме) регенератора;

- эрозия внутренней облицовки;

- потеря герметичности погружной трубы или закупорка струйного клапана.

Нагрузка на циклоны, установленные в регенераторе, может возрасти в результате неудовлетворительного распределения воздуха внутри аппарата. Это может послужить также причиной повышения температуры на выходе из циклонов. Сгладить этот негативный момент (кроме проведения ремонтных работ) можно путем увеличения слоя в регенераторе. Если погружная труба разгерметизируется в нижней части, то можно поднять уровень слоя, чтобы закрыть ее. Безусловно, если оборудование реактора или регенератора сильно изношено, то трудно какими бы то ни было технологическими действиями добиться допустимого уровня потерь катализатора.

Эффективность работы циклонов можно увеличить путем повышения плотности используемого равновесного катализатора (рис. 6.4). В результате этого средний размер частиц в контуре циркуляции катализатора снижается, что говорит о сокращении его потерь через циклоны.

Рисунок 6.4 – Влияние плотности катализатора на средний размер его частиц в контуре циркуляции.

Алгоритм поиска и устранения потерь катализатора на установках каталитического крекинга может быть представлен следующим образом.

Высокие потери катализатора Ї
Нормальный рабочий режим?	® Нет ®	Проверить и исправить
Ї Да Ї
Нормальные физические характеристики свежего катализатора?	® Нет ®	Проверить и исправить
Ї Да
Ї Бимодальное распределение мелкой фракции катализатора? Ї Нет	® Да ®	Возможно захлебывание погружного стояка или снижение эффективности его работы
Ї
Повышенный вынос фракций больше 40 мкм? Ї	® Да ®	Возможны отверстия в трубах циклонов или ресивере (пленуме)
Ї Нет Ї
Большое количество фракций менее 5 мкм указывает на наличие сильного истирания
Ї
Источник истирания в регенераторе?	® Да ®	Проверить и исправить
Ї Нет Ї
Источник истирания в реакторе?	® Да ®	Проверить и исправить
Ї Нет Ї
Источник истирания в стояках?	® Да ®	Проверить и исправить
Ї Нет Ї
Источник истирания в системе загрузки?	® Да ®	Проверить и исправить
Ї Нет Ї
Конец проверки

Отравление катализатора тяжелыми металлами. Все металлы, поступающие с сырьем в реактор каталитического крекинга, осаждаются на катализаторе. Некоторое их количество выводится из системы с мелкой фракцией катализатора или испаряется в регенераторе вследствие высокой летучести. Накопление на катализаторе таких металлов, как ванадий, натрий и, особенно, никель приводит к значительному росту выхода водорода и, как следствие, к увеличению объемного расхода газа на компрессоре при снижении его средней молярной массы. В результате этого возникает, так называемое, «ограничение по компрессору», приводящее к необходимости снижения производительности установки по сырью.

Одним из способов снижения негативного влияния тяжелых металлов, содержащихся в сырье, на работу установки каталитического крекинга является введение в катализатор соответствующих пассиваторов
(см. главу 2).

Кроме этого, их влияние на показатели процесса можно уменьшить путем интенсивного вывода части циркулирующего катализатора и соответствующей подпитки системы свежим или равновесным катализатором (рис.6.5).

Рисунок 6.5 – Влияние подпитки свежим катализатором на равновесную концентрацию металлов в циркулирующем катализаторе.

Следует отметить, что степень заменяемого катализатора сильно зависит от качества подготовки сырья и наличия в нем тяжелых гетероатомных соединений. Так, при переработке смеси ГВГО (60%) и прямогонного мазута белорусских нефтей (40%) количество выводимого из системы циркуляции катализатора возрастает практически в три раза по сравнению с эксплуатацией установки только на гидроочищенном газойле.

Для уменьшения потерь (вместе с отравленным) еще достаточно активного катализатора может быть использована технология MagnaCat, позволяющая подвергать магнитной сортировке частицы выводимого из системы катализатора. При этом частицы с малым содержанием тяжелых металлов отделяются от дезактивированных и возвращаются в контур циркуляции.

Кроме отравления тяжелыми металлами катализатор дезактивируется в результате отравления кислотных центров цеолита азотом, а также из-за местных перегревов, приводящих к спеканию и разрушению его кристаллической структуры. Поэтому необходимо аккуратно, осторожно и только в случае действительной необходимости разогревать катализатор в регенераторе за счет сжигания факельного масла.

Если катализатор необратимо дезактивирован, то его необходимо заменить.

Замена катализатора. Переход на новый катализатор, как правило, осуществляют путем постепенного добавления свежего катализатора нового типа вместо старого, циркулирующего в системе. Расчет операции смены катализатора усложняется по причине непрерывного выхода свежего катализатора в потери вместе со старым катализатором. Интенсивность замены может быть рассчитана с использованием рисунка 6.6 и следующей приближенной формулы.

D= 1-е ^Е*С/IN,

где D – доля замещенного катализатора, доли от единицы,

E – коэффициент замещения катализатора, доли от единицы,

C – количество катализатора, который необходимо добавить для перехода на новый, т,

IN – запас старого катализатора в реакторе, т.

Рисунок 6.6 – Введение свежего катализатора новой партии при замене старого

В случае правильно работающих циклонов коэффициент замещения катализатора составляет примерно 0,80, при этом около 20% свежего катализатора уходит в потери. При обычной скорости добавления – 2% в сутки от запаса в реакторе, как показывает производственный опыт, 60% катализатора можно заменить с учетом разрушения и уноса свежего катализатора в течение примерно 60 суток. В большинстве случаев, эффект от замены катализатора проявляется после обновления 60% запаса его в реакторе, поскольку большая часть равновесного катализатора уже представлена катализатором нового типа.

Неполный выжиг кокса с катализатора. Высокоэффективный регенератор, используемый на установке каталитического крекинга MSCC, позволяет достигать практически полного выжига кокса с поверхности катализатора с полным превращением СО в СО₂. Однако в некоторых случаях возможно неполное сгорание с образованием значительных количеств оксида углерода. В этом случае весь кокс с катализатора не выжигается и последний теряет свою активность. Основные признаки этого явления следующие:

- снижение выхода целевых продуктов;

- различие между температурами газа регенерации и катализатора в регенераторе меньше, чем обычно;

- катализатор становится заметно темнее по цвету.

Для достижения полного выжига кокса можно:

- увеличить расход воздуха;

- увеличить внутреннюю циркуляцию катализатора в регенераторе;

- уменьшить расход сырья в реактор и температуру в нем;

- добавить в катализатор промотор дожига СО в СО₂ для доведения содержания активного металла (обычно платины) в пересчете на катализатор до 1-2 ppm.

Однако первые три способа можно использовать только в ограниченных рамках, поскольку они имеют свои недостатки. Так, при увеличении расхода воздуха в результате присутствия большого количества кислорода оксид углерода будет догорать вне слоя катализатора и это приведет к росту температуры в куполе регенератора. При значительном увеличении внутренней циркуляции катализатора в регенераторе возрастают его потери за счет ускоренного истирания. Снижение расхода сырья в реактор приводит к ухудшению технико-экономических показателей работы установки. При невозможности достижения полного выжига кокса с катализатора путем варьирования технологическими параметрами работы регенератора в циркулирующий катализатор вводят промотор дожига СО в СО₂ .

Образование кокса в пародистиллятном трубопроводе реактора и кубовой части главной фракционирующей колонны. По мнению специалистов, причиной отложения косоподобных веществ в пародистиллятном трубопроводе реактора каталитического крекинга являются достаточно высокая интенсивность протекания реакций термического крекинга углеводородов, плохая диспергация сырья, отравление катализатора тяжелыми металлами, низкая активность катализатора или недостаточная кратность его циркуляции. В результате отложения кокса в трубопроводе наблюдается падение давления и ускоренное закоксовывание кубовой части главной ректификационной колонны и связанного с ней оборудования.

Основными причинами загрязнения кубовой части главной ректификационной колонны являются отложение в ней неорганического осадка, попадание частиц кокса из пародистиллятного трубопровода, низкие скорости кубового продукта в теплообменном оборудовании, реакции термического крекинга, уплотнения и полимеризации. Неорганические осадки попадают в кубовый продукт в основном вследствие коррозии оборудования и повышенного выноса из реактора катализатора, который практически полностью остается в кубовом продукте. Если его присутствие обнаружено в легком газойле, то это означает, что на дисковых и кольцевых тарелках вследствие неудовлетворительной циркуляции легкого и тяжелого газойлей отсутствует жидкость, то есть они «сухие».

Для предотвращения образования катализаторных пробок или эрозии теплообменного оборудования специалисты фирмы UOP рекомендуют обеспечивать следующие скорости в трубах этих аппаратов: в прямых – от 1,14 до 2,13 м/с, а в U-образных от 1,14 до 1,75 м/с. Эти значения необходимо учитывать особенно во время работы установки на пониженной производительности или при существенном изменении состава сырья. Кроме того, рекомендуется использовать конструкции теплообменного оборудования с прямыми трубами.

Наиболее часто кубовый продукт колонны все же загрязняется в результате накопления в нем высокомолекулярных коксоподобных веществ. На процесс их образования влияют в основном три фактора: температура в кубе колонны, время пребывания в нем тяжелого остатка и его состав. Как свидетельствует опыт промышленной эксплуатации аналогичных установок, накопление кокса сильно возрастает при росте температуры кубового продукта выше 370^оС. Поэтому ее обычно стремятся выдерживать в интервале 355-365°С.

Чем больше время пребывания кубового продукта в колонне, тем более интенсивно протекают реакции термического крекинга, полимеризации и уплотнения. Причем, чем выше температура, тем за меньший промежуток времени происходят превращения (рис. 6.7).

Говоря о времени пребывания, необходимо иметь в виду время нахождения углеводородов в колонне в зоне высоких температур. Как только они выходят из колонны и попадают в теплообменное оборудование, их температура быстро понижается и интенсивность термических превращений резко падает. Для удобства специалисты фирмы UOP косвенно судят о времени пребывания остатка в колонне по значениям циркуляции кубового продукта. Они считают, что минимальная скорость его циркуляции, необходимая для предотвращения образования кокса, составляет 14,7 м³/час на 1 м² площади поперечного сечения колонны.

Рисунок 6.7 – Зависимость времени пребывания углеводородов в кубе колонны от температуры при постоянной глубине термических превращений

Состав остатка и взаимодействующих с ним мелких частиц катализатора также оказывают влияние на образование кокса в кубовом продукте ректификационной колонны. Основными факторами, влияющими на качество шлама, являются природа сырья и используемого катализатора, жесткость режима работы реактора и главной ректификационной колонны.

Тяжелое или высокопарафинистое сырье дает шлам, способствующий образованию кокса. Если катализатору присуща низкая активность матрицы, то он в составе суспензии ускоряет процесс термодеструкции углеводородов. Кроме этого, при работе реактора каталитического крекинга в режиме невысокой жесткости обычно остаются неполностью превращенные тяжелые углеводороды, которые склонны к коксообразованию. Как правило, увеличением жесткости процесса каталитического крекинга, регулированием температуры в кубе колонны и времени пребывания в нем шламовой суспензии удается практически полностью решить вопрос накопления кокса в кубовом продукте.

Плановая остановка установки

Остановка установки MSCC по своей сути является операцией обратной пуску. Она, во избежание аварий, должна выполняться в строго определенной последовательности, четко расписанной в производственной инструкции и регламенте установки. Основными ее моментами являются:

- обеспечение надлежащей циркуляции катализатора между реактором и регенератором;

- выдерживание требуемой пропорции сырья, подаваемого в реактор и воздуха, направляемого в регенератор для выжига уменьшенного количества кокса; при этом необходимо обеспечивать концентрацию кислорода в газах регенерации на уровне 2-3% об.;

- поддержание определенного перепада давления между реактором и регенератором для предотвращения попадания кислорода в реактор и образования взрывоопасных смесей в реакторе и главной ректификационной колонне;

- обеспечение промывки всех контуров для предотвращения забивки их коксом и катализаторной пылью;

- создание условий для устойчивой работы парогенераторов.

Процедура плановой остановки установки MSCC в основном осуществляется в следующей последовательности. Вначале о предстоящей остановке оповещают смежные службы и технологические установки. Затем медленно понижают температуру в реакторе до 480^оС и уменьшают отбор легкого газойля из главной ректификационной колонны. Последнее позволяет облегчить кубовый продукт колонны и улучшает условия промывки соответствующих контуров. Следующим этапом остановки является постадийное снижение производительности установки по сырью до 50% от проектной величины по 5-10% за операцию. При этом необходимо уменьшить расход воздуха в регенератор до необходимого значения для обеспечения концентрации кислорода в газах регенерации на уровне 2-3% об. Температура в регенераторе должна составлять 665-675^оС. Если она не может быть поднята до этих значений, включают в работу печь нагрева воздуха. Использовать горелки с факельным маслом в крайних случаях можно, но не рекомендуется, вследствие возможной термической дезактивации катализатора. В это же время изменением расходов острого и циркуляционных орошений поддерживают тепловой режим главной фракционирующей колонны. По мере снижения загрузки по сырью необходимо медленно понижать температуру его предварительного нагрева при увеличении расхода водяного пара на распыл.

При значительном снижении выхода бензина и газа понижают давление в емкости орошения главной колонны. Это осуществляют для сохранения перепада давления между реактором и регенератором, а также на задвижках катализатора. При этом внимательно следят за работой компрессора и при значительном снижении расхода газа начинают подавать топливный газ в линию возврата паров из стриппинга легкого газойля. Когда работа главной колонны становится нестабильной из-за недостаточной загрузки по газопродуктовой смеси, регулятор задвижки регенерированного катализатора переводят на ручное управление и постоянно следят за тем, чтобы давление в регенераторе было ниже, чем в реакторе. При продолжающейся циркуляции катализатора начинают понижение температуры воздуха со скоростью 50-100°С/час. Когда температура в регенераторе достигнет 480°С, полностью закрывают задвижку на линии регенерированного катализатора, переводят регулятор задвижки отработанного катализатора на ручное управление. Реактор байпасируют по сырью и останавливают компрессор. Перемещают весь катализатор сначала в регенератор, а затем в бункер равновесного катализатора. В это же время продолжают подавать водяной пар в реактор и снижать температуру воздуха на выходе из воздухонагревателя. Помимо этого, освобождают реактор (при полностью закрытых задвижках на линиях циркуляции катализатора) от остатков катализатора в нижних его точках.

По мере того как колонна начинает охлаждаться, прекращают отбор легкого газойля и он, переливаясь по тарелкам, промывает среднюю и нижнюю части колонны. Затем в куб колонны вводят сырье и начинают циркуляцию кубового продукта как во время пуска установки для промывки соответствующего оборудования. Когда эта операция завершена, все контуры циркуляции нефтепродуктов опорожняются, а затем пропариваются.

В зависимости от того, для каких целей осуществлена плановая остановка, ряд аппаратов и контуров установки могут быть промыты водой и охлаждены до определенных температур.

Дата добавления: 2015-08-02