Реакторы нефтехимических производств, таких как гидроочистка, гидрокрекинг и подобные другие, чаще всего работают при высоких температурах и давлениях и преимущественно представляют собой колонные аппараты с осевой подачей сырья и реагентов. При большой единичной мощности (1–3 млн т/г) такие реакторы объемом 200–400 м3 имеют диаметр до 4 м, высоту более 40 м и толщину корпуса до 250 мм. На Ачинском, Туапсинском и Комсомольском НПЗ на установках гидрокрекинга работают реакторы весом до 1300 т. Эти уникальные аппараты требуют не только высокой инженерной культуры эксплуатации, но и создания не менее уникальных средств изготовления, транспортировки и монтажа на производственной площадке (рис. 1).
Рисунок 1. Транспортировка реактора гидрокрекинга (а) и установка реактора гидроочистки на Сызранском НПЗ в 2014 г. (б)
В последние десятилетия в зарубежной технической литературе стали появляться статьи, посвященные разработке, математическому моделированию и оптимизации сферических реакторов для процессов риформинга нафты [1, 2] и метана [3], синтеза диметилового эфира [4] и метанола [5, 6], гидрокрекинга [7], производства стирола [7] и аммиака [8].
Сферический реактор представляет собой сферический корпус, внутри которого находятся две перфорированные оболочки, между которыми помещен гранулированный катализатор (рис. 2). Исходное сырье вводится в пространство между корпусом и внешней перфорированной оболочкой, проходит сквозь слой катализатора и отводится из реактора из внутренней перфорированной оболочки. Для предотвращения усадки катализатора в реакторе, что приведет к проскоку части сырья мимо катализатора и снижению конверсии, над сферическим корпусом установлен небольшой цилиндрический купол, заполненный резервным катализатором, компенсирующим усадку. Чтобы устранить возможность температурной деформации внутреннего устройства реактора при пуске или остановке процесса на центральной трубе отвода продуктов реакции предусмотрен линзовый компенсатор.
Рисунок 2 Схема сферического реактора
В технологических схемах рекомендуется использовать один большой сферический реактор или каскад 2–3 реакторов с промежуточным теплоподводом или теплосъемом. Преобладающее большинство публикаций по сферическим реакторам (89 % [7]) посвящено методике их математического моделирования. Целями подобных исследований были:
- Разработка различных достаточно реалистичных реакторных моделей существующего производственного процесса с использованием кинетики процесса на коммерческом катализаторе с учетом диффузионного сопротивления в грануле катализатора (гетерогенная модель).
- Оптимизация реакторов с помощью итеративного динамического программирования, метода последовательного квадратичного программирования и комплексного метода.
- Исследование различий между псевдогомогенной и гетерогенной моделями с точки зрения результатов оптимизации
- Проведение сравнения сферического реактора с радиальным потоком и трубчатого (колонного) реактора с точки зрения условий эксплуатации на заводах по производству продуктов нефтехимии с высокой производительностью.
Как правило, расхождения между расчетными параметрами трубчатого и сферического реакторов не превышало 3–5 %. При этом, как полагают авторы статьи [7], «сравнение обычных трубчатых и сферических реакторов показывает, что последние обладают многими желательными характеристиками. В новом сферическом реакторе, мы можем утверждать, что: перепад давления значительно уменьшается, безопасность и техническое обслуживание установки значительно повышаются, корпус реактора имеет меньшую толщину, более мелкие гранулы катализатора могут применяться с более высоким коэффициентом полезного действия и преодолевать ограничения по массообмену, может быть использован более значительный молярный расход, что способствует повышению производительности, реактор большего размера и, следовательно, более производительная установка, для повторного сжатия циркулирующего газа требуется меньшее энергопотребление».
Однако расчет осевых (трубчатых) реакторов обычно выполняют в декартовых координатах, а сферических – в сферических координатах и исследователи для сравнения результатов расчетов используют не истинные значения параметров, а относительные (безразмерные), когда параметр изменяется от ноля до единицы. Такой анализ может приводить к недостаточно корректным выводам, подтверждающим эффективность сферического реактора.
Например, с феноменологических позиций сферический реактор с относительно небольшой толщиной слоя катализатора естественно уменьшает потери напора по сравнению с колонным аппаратом, что энергетически полезно. Этот фактор считается основным преимуществом сферического реактора. Действительно, изменения давления по толщине слоя катализатора в сферическом реакторе практически нет (рис. 3 [7]).
Рисунок 3. Сравнение профиля давления трубчатого и сферического реакторов в процессе гидрокрекинга [9]: ряд 1 – эксперимент; ряд 2 – трубчатый (колонный) реактор; ряд 3 – сферический реактор
Другие факторы, которые должны подчеркивать эффективность проведения процесса в сферических реакторах, не выражены так ярко, как потери напора. Расчетные характеристики сферических реакторов качественно всегда совпадают с характеристиками колонных осевых реакторов при незначительных расхождениях расчетных величин (рис 4).
Рисунок 4. Сравнение выходов керосина, легкой и тяжелой нафты в трубчатом реакторе (пунктирные линии) и сферическом реакторе (сплошные линии) в процессе гидрокрекинга [9]: ряды 1, 2 – керосин; ряды 3, 4 – легкая нафта; ряды 5, 6 – тяжелая нафта
Необходимо отметить, что расчетный выход целевых продуктов жесткого гидрокрекинга вакуумного газойля (пределы кипения 190–515 оС) при 18,7–18,2 МПа в сферическом реакторе меньший по сравнению с колонным реактором в [9] объясняется «меньшим временем выдержки. Небольшое снижение выхода может быть компенсировано использованием более качественного катализатора в сферическом реакторе. Соответственно, добавление катализатора при загрузке улучшает получение целевых продуктов, но в трубчатом реакторе это невозможно из-за высокого перепада давления (более 0,52 МПа), который повреждает катализатор и его структуру в реакторе». Последние утверждения по крайней мере весьма спорны. Отсутствует также информация о размерах сферических реакторов при предполагаемом применении их как промышленных объектов.
В связи с этим целью данной работы является более объективное расчетное сопоставление характеристик осевого колонного и радиального сферического реакторов в процессе гидроочистки дизельного топлива.
Математическое моделирование реакторов процесса гидроочистки дизельного топлива для обеспечения анализа работы реакторов различной конфигурации выполнялось на модели очистки сырья – прямогонной дизельной фракции 180–360 оС – в виде системы дифференциальных уравнений, характеризующих изменение концентрации гидрируемых сераорганических примесей по мере перемещения реакционной смеси по реактору.
При наложении на модель ряда допущений модель реактора превращается в кинетическую модель химической реакции, позволяющую рассчитать время пребывания реакционной смеси в реакторе для обеспечения необходимой конверсии [10–12].
- квазигомогенность реакционного потока в реакторе,
- гидродинамика процесса описывается моделью идеального вытеснения,
- изотермичность процесса,
- стационарный режим процесса,
- постоянная активность катализатора во времени,
- содержание всех сераорганических примесей в сырье или его узких фракциях рассматривается как сераорганический псевдокомпонент и его концентрация в потоке определяется анализом на общую серу,
- константы скорости реакций гидродесудьфуризации псевдокомпонентов являются эффективными величинами
Далее по условному расходу сырья в м3/ч сырья/м3 катализатора определяется объем катализатора в реакторе. Исходные данные для расчета реакторов сведены в таблице 1.
Таблица 1. Исходные данные для расчета процесса гидроочистки дизельного топлива в колонных (трубчатых) и в сферических реакторах
Далее в зависимости от постановки задачи можно исследовать изменение количества необходимой загрузки катализатора в реактор при изменении состава сырья или формирование различной конфигурации реакторов.
Был выполнен расчет сферического и осевого колонного реактора гидроочистки дизельного топлива для трех вариантов заданной мощности реактора. Результаты расчетов приведены в талице 2 и на рис. 5.
Таблица 2. Результаты расчета параметров колонного и сферического реакторов
Для валидации приемлемости модели для объективного сопоставления результатов расчетов характеристик сферического и колонного реакторов 6ыли выполнены дополнительные расчеты колонных реакторов диаметром 3,6 м. Результаты расчетов сравнивались с характеристиками двух промышленных реакторов гидроочистки. Первый, уже типовой для нашей страны, реактор Р-200 для строящихся и реконструируемых установок гидроочистки дизельного топлива разработан инжиниринговым центром «ТЕХНОХИМ»; реактор имеет объем 202,8 м3, высоту 26,2 м, диаметр 3,6 м, толщину корпуса 90 мм и массу пустого корпуса 190 т. Второй реактор изготовлен в Италии и установлен на Сызранском НПЗ в 2014 г. на строящейся мощной установке гидроочистки; реактор диаметром 3,6 м и высотой 36 м имеет объем около 350 м3 и массу 400 т. Как наглядно видно на рис. 5, выполненные расчеты достаточно реальны. Характеристики промышленных сферических реакторов в литературе отсутствуют.
Рисунок 5. Влияние производительности осевого колонного реактора на его высоту: ряд 1 – реактор диаметром 3 м; ряд 2 – реактор диаметром 3,6 м; ряд 3 – реактор Р-200; ряд 4 – Сызранский реактор гидроочистки
Полученные на основе расчетов материалы табл. 2 позволяют оценить характер изменения относительных характеристик колонного реактора по отношению к сферическому. То, что перепад давления и толщина слоя катализатора увеличиваются при увеличении мощности реакторов обеих анализируемых конструкции, естественно, но то, что для сферического реактора эта тенденция менее интенсивна по сравнению с колонным аппаратом – достоинство сферического реактора; несколько неожиданно, что средняя скорость очищаемого потока растет с одинаковой пропорциональностью для обоих типов реакторов. Масса сферическаого реактора в 1,5–1,8 раза меньше, чем у колонного реактора. Однако перечисленные положительные особенности сферического реактора нивелируются его серьезными недостатками.
Первый, важнейший недостаток – более низкое качество работы сферического реактора по сравнению с колонным реактором, что отмечали и сами авторы разработок сферических реакторов; это не случайные ошибки расчетов, а объективная закономерность. Рекомендации увеличить размеры реактора за счет дополнительного (сверхрасчетного) расхода катализатора не приведут к улучшению. Недобор целевого продукта в 3–5 % делает сферический реактор неконкурентоспособным, но еще сложнее становится ситуация, если рассмотреть, как ведет себя сферический реактор при необходимости глубокой конверсии сырья или для его очистки до уровня нескольких ppm, как требуется, например, в процессах гидроочистки.
При высоком уровне конверсии основное время пребывания реакционной смеси в реакторе уходит на «поиск» еще не прореагировавших молекул (рис. 6), то есть значительная часть катализатора (порой до 50 %) в хвостовой части колонного реактора практически интенсивно не работает, а обеспечивает качество и глубину химического процесса при постоянной скорости потока (рис. 6).
Рисунок 6. Изменение концентрации сераорганических примесей (1, 3) и скорости потока реакционной смеси (2, 4) по высоте (толщине) реактора во время пребывания реакционной смеси в колонном (1, 2) и сферическом (3, 4) реакторах
Например, для варианта 3 при времени контакта реакционной смеси с катализатором в обоих реакторах 1 час за первые 0,5 часа в колонном реакторе гидроочистки в головной части слоя катализатора (21,23 м) при скорости потока 42,23 м/ч в процессе очистки топлива удаление сераорганики составит около 80 % (см. красную стрелку) и оставшаяся половина слоя успеет доочистить дизельное топливо до необходимой глубины. В сферическом реакторе за первые 0,5 ч реакционная смесь должна пройти головную часть слоя толщиной всего 0,8 м (см. синюю стрелку) и при малой скорости потока сероочистка в этой части сферического реактора происходит даже более интенсивно, чем в колонном реакторе, но в дальнейшем из-за высокой скорости потока качество очистки становится недостаточным.
Попытка исправить ситуацию сменой направления движения потока в сферическом реакторе от центра к периферии, по-видимому, только усугубит качество гидроочистки (рис. 7).
Рисунок 7. Изменение концентрации сераорганических примесей (1, 3) и скорости потока реакционной смеси (2, 4) по высоте (толщине) слоя катализатора во время пребывания реакционной смеси в колонном (1, 2) и сферическом (3, 4) реакторах при движении потока в сферическом реакторе от центра к периферии
Вторым важным недостатком сферического реактора является высокая сложность его изготовления и ремонта по сравнению с колонным аппаратом. Особую проблему создаст транспортировка реактора диаметром около 10–14 м, так как она, по сути, возможна только водными путями.
Перечисленные недостатки препятствуют использованию сферических реакторов в составе крупнотоннажных нефтехимических установок. Таким образом, промышленное применение сферических реакторов целесообразно лишь на малотоннажных производствах с низким избыточным давлением или вакуумом при отсутствии жестких требований к выходу и качеству конечной продукции.
Литература
1. Iranshahi D., Rahimpour M.R., Asgari A. А Novel Dynamic Radial-flow, Spherical-bed Reactor Cconcept for Naphtha Reforming in the Presence of Ccatalyst Deactivation //International Journal Hydrogen Energy. 2010. 35. 6261–6275.
2. Boukezoula, T.F., Bencheikh, L., Belkhiat, D.E.C. A Heterogeneous Mathematical Model for a Spherical Fixed Bed Axial Flow Reactor Applied to a Naphtha Reforming Process: Enhancing Performance Challenge Using a Non-uniform Catalyst Distribution in the Pellet. Reac Kinet Mech Cat. 2022. 135. 2323–2340.
3. Ahmed M.Z., Padhiyar N. Comparative Study of the Optimal Operation of Methane Reforming Process in Cylindrical and Spherical Reactors Using Multi-objective Optimization. International Journal of Hydrogen Energy. 2021. 46. 7060–7072.
4. Farsi M., Asemani M., Rahimpour M.R. Mathematical Modeling and Optimization of Multi-stage Spherical Reactor Configurations for Large Scale Dimethyl Ether Production. Fuel Processing Technology. 2014. 126. 207–214.
5. Sadeghi S., Vafajoo L., Kazemeini M., Fattahi M. Modeling of the Methanol Synthesis Catalyst Deactivation in a Spherical Bed Reactor: An Environmental Challenge. Procedia APCBEE. 2014.10.84-90.
6. Rahimpour M.R., Pourazadi E., Iranshahi D., Bahmanpour A.M. Methanol Synthesis in a Novel Axial-flow, Spherical Packed Bed Reactor in the Presence of Catalyst Deactivation. Chemical Engineering Research and Design. 2011. 89. 2457–2469.
7. Hartig F., Keil F.J. Large-Scale Spherical Bed Reactors: Modeling and Optimization. Ind. Eng. Chem. Res. 1993. 32. 424-437.
8. Iranshahi, D., Golrokh, A., Pourazadi, E., Saeidi, S., & Gallucci, F. Progress in Spherical Packed-bed Reactors: Opportunities for Refineries and Chemical Industries. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2018. 132. 16–24.
9. jbaran M., Bagherpour-Ardakani E. Conceptual Comparison of Three Novel Configurations in the Spherical Radial Flow Reactor for Ammonia Production. Fuel. 2022. 321.123945.
10. Iranshahi D., Ani A.B. A Novel Radial-Flow, Spherical Packed Bed Reactor for the Hydrocracking Process Industrial & Engineering Chemistry Research 2015. 54 (6). 7 p.
11. Samoilov N.A. Mathematical Modeling and Optimization of Diesel Fuel Hydrotreatment. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2021. 55 (1). 91–100.
12. Samoilov N.A Mathematical Modeling of the Process of Hydrotreating Diesel Fuel from Organosulfur Impurities. Journal of AppliedMath, 2025. 3 (3). 2837. 26 p.
Samoilov N.A New Model of Multicomponent Raw Materials and Its Use in Intensifying Hydrotreating Process of Diesel Fuel. Materials & Sustainable Manufacturing. 2025. 2. 10015.
|
|
