6_Лекция. Термические процессы. Термодиструктивные процессы
 Скачать 353.88 Kb.
|
|
Лекция 6 ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕРМОДИСТРУКТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ Рассматриваемые вопросы: 1. Коксование. 2. Производство технического углерода (сажи). Коксование Среди термических процессов наиболее широкое распространение в нашей стране и за рубежом получил процесс замедленного коксования, который позволяет перерабатывать самые различные виды ТНО с выработкой продуктов, находящих достаточно квалифицированное применение в различных отраслях народного хозяйства. Другие разновидности процессов коксования ТНО - периодическое коксование в кубах и коксование в псевдоожиженном слое порошкообразного кокса - нашли ограниченное применение. Основное целевое назначение УЗК - производство крупно - кускового нефтяного кокса. Наиболее массовыми потребителями нефтяного кокса в мире и в нашей стране являются производства анодной массы и обожжённых анодов для алюминиевой промышленности и графитированных электродов для электросталеплавления. Широкое применение находит нефтяной кокс при изготовлении конструкционных материалов, в производстве цветных металлов, кремния, абразивных (карбидных) материалов, в химической и электротехнической промышленностях, космонавтике, в ядерной энергетике и др. Кроме кокса на УЗК получают газы, бензиновую фракцию и коксовые (газойлевые) дистилляты. Газы коксования используют в качестве технологического топлива или направляют на ГФУ для извлечения пропан - бутановой фракции - ценного сырья для нефтехимического синтеза. Получающиеся в процессе коксования бензиновые фракции (5 - 16 % масс.) характеризуются невысоким октановым числом (60 по ММ) и низкой химической стабильностью (> 100 г I2/l00 г), повышенным содержанием серы (до 0,5 % масс.) и требует дополнительного гидрогенизационного и каталитического облагораживания. Коксовые дистилляты могут быть использованы без или после гидрооблагораживания как компоненты дизельного, газотурбинного и судового топлив или в качестве сырья каталитического или гидрокрекинга, для производства малозольного электродного кокса, термогазойля и т. д. Сырьём установок коксования являются остатки перегонки нефти - мазуты, гудроны; производства масел - асфальты, экстракты; каталитических процессов - крекинг - остатки, тяжёлая смола пиролиза, тяжёлый газойль каталитического крекинга и др. За рубежом, кроме того, используются каменноугольные пеки, сланцевая смола, тяжёлые нефти и др. Основными показателями качества сырья являются плотность, коксуемость по Конрадсону, содержание серы и металлов и групповой химический состав. Коксуемость сырья определяет, прежде всего, выход кокса, который практически линейно изменяется в зависимости от этого показателя. При замедленном коксовании остаточного сырья выход кокса составляет 1,5 - 1,6 от коксуемости сырья. В зависимости от назначения к нефтяным коксам предъявляются различные требования. Основными показателями качества коксов являются: содержание серы, золы, летучих, гранулометрический состав, пористость, истинная плотность, механическая прочность, микроструктура. По содержанию серы коксы делятся на малосернистые (до 1 %), сернистые (до 1,5 %), сернистые (до 4 %) и высокосернистые (выше 4,0 %); по гранулометрическому составу - на кусковой (фракция с размером кусков свыше 25 мм), «орешек» (фракция 8 - 25 мм) и мелочь (менее 8 мм); по содержанию золы - на малозольные (до 0,5 %), среднезольные (0,5 - 0,8 %) и высокозольные (более 0,8 %). Содержание серы в коксе зависит почти линейно от содержания её в сырье коксования. Малосернистые коксы получают из остатков малосернистых нефтей или подвергнутых гидрооблагораживанию. Как правило, содержание серы в коксе всегда больше её содержания в сырье коксования. Содержание золы в коксе в значительной мере зависит от глубины обессоливания нефти перед её переработкой. Первые промышленные установки замедленного коксования были построены за рубежом в середине 30-х гг. и предназначались в основном для получения дистиллятных продуктов. Кокс являлся побочным продуктом и использовался в качестве топлива. Однако в связи с развитием электрометаллургии и совершенствованием технологии коксования кокс стал ценным целевым продуктом нефтепереработки. В нашей стране УЗК эксплуатируются с 1955 г. (УЗК на Ново-Уфимском НПЗ) мощностью 300, 600 и 1500 тыс. т/г по сырью. Средний выход кокса на отечественных УЗК ныне составляет около 20 % масс. на сырьё (в США w = 30,7 % масс.), в то время как на некоторых передовых НПЗ, например на УЗК НУНПЗ, выход кокса значительно выше (30,9 % масс.). Низкий показатель по выходу кокса на многих УЗК обуславливается низкой коксуемостью перерабатываемого сырья, поскольку на коксование направляется преимущественно гудрон с низкой температурой начала кипения (< 500 0С), что связано с неудовлетворительной работой вакуумных колонн АВТ , а также, что часто из-за нехватки сырья в переработку вовлекается значительное количество мазута. Название «замедленное» коксование связано с особыми условиями работы реакционных змеевиков трубчатых печей и реакторов (камер) коксования. Сырьё необходимо предварительно нагреть в печи до высокой температуры (470 – 510 0С), а затем подать в необогреваемые, изолированные снаружи коксовые камеры, где коксование происходит за счёт тепла, приходящего с сырьём. Поскольку сырьё представляет собой тяжёлый остаток, богатый смолами и асфальтами (то есть коксогенными компонентами), имеется большая опасность, что при такой высокой температуре оно закоксуется в змеевиках самой печи. Поэтому для обеспечения нормальной работы реакционной печи процесс коксования должен быть «задержан» до тех пор, пока сырьё, нагревшись до требуемой температуры, не поступит в коксовые камеры. Это достигается благодаря обеспечению небольшой длительности нагрева сырья в печи (за счёт высокой удельной теплонапряжённости радиантных труб), высокой скорости движения по трубам печи, специальной её конструкции, подачи турбулизатора и т.д. Опасность закоксовывания реакционной аппаратуры, кроме того, зависит от качества исходного сырья, прежде всего от его агрегативной устойчивости. Так, тяжёлое сырьё, богатое асфальтенами, но с низким содержанием полициклических ароматических углеводородов, характеризуется низкой агрегативной устойчивостью, и оно быстро расслаивается в змеевиках печи, что является причиной коксоотложения и прогара труб. Для повышения агрегативной устойчивости на современных УЗК к сырью добавляют такие ароматизированные концентраты, как экстракты масляного производства, тяжёлые газойли каталитического крекинга, тяжёлая смола пиролиза и др. Процесс замедленного коксования является непрерывным по подаче сырья коксования и по выходу газообразных и дистиллятных продуктов, но периодическим по выгрузке кокса из камер. Установки замедленного коксования включают в себя следующие 2 отделения: нагревательно - реакционно - фракционорующее, где осуществляется собственно технологический процесс коксования сырья и фракционирование его продуктов; отделение по механической обработке кокса, где осуществляется его выгрузка, сортировка и транспортировка. В зависимости от производительности УЗК различаются количеством и размерами коксовых камер, количеством и мощностью нагревательных печей. На установках первого поколения приняты печи шатрового типа и 2 или 3 камеры коксования с диаметром 4,6 м и высотой 27 м, работающие поочерёдно по одноблочному варианту. УЗК последующих поколений преимущественно являются двухблочными четырёхкамерными, работающими попарно. На современных модернизированных УЗК используются печи объёмно - настильного и вертикально - факельного пламени и коксовые камеры большого диаметра ( 5,5 - 7,0 м; высота - 27 - 30 м ). В них предусмотрены высокая степень механизации трудоёмких работ и автоматизация процесса. По технологическому оформлению УЗК всех типов различают между собой незначительно и преимущественно работают по следующей типовой схеме: первичное сырьё —> нагрев в конвекционной секции печи —> нагрев в нижней секции ректификационной колонне теплом продуктов коксования —> нагрев вторичного сырья в радиантной секции печи —> коксовые камеры —> фракционирование. Технологическая схема Сырьё - гудрон или крекинг - остаток (или их смесь) нагревается в теплообменниках и конвекционных змеевиках печи и поступает на верхнюю каскадную тарелку колонны К1.Часть сырья подаётся на нижнюю каскадную тарелку для, регулирования коэффициента рисайкла, под нижнюю каскадную тарелку этой колонны подаются газы и пары продуктов коксования из коксовых камер. В результате контакта сырья с восходящим потоком газов и паров продуктов коксования сырьё нагревается (до температуры 390 — 405 0С), при этом низкокипящие его фракции испаряются и смешиваются с сырьём, образую так называемое вторичное сырьё.  I - сырье; II—стабильный бензин; III —легкий газойль; IV - тяжелый газойль; V - головка стабилизации; VI - сухой газ; VII -кокс; VIII - пары отпарки камер; IX - водяной пар. Рисунок 1 - Принципиальная технологическая схема двухблочной установки замедленного коксования Вторичное сырьё с низа колонны К1 забирается печным насосом и направляется в реакционные змеевики печей (их две, работают параллельно), расположенные в радиантной их части. В печах вторичное сырьё нагревается до 490 - 500 0С и поступает через четырёхходовые краны двумя параллельными потоками в две работающие камеры; две другие в это время находятся в цикле подготовки. Входя в них камер, горячее сырьё постепенно заполняет их; так как объём камер большой, время пребывания сырья в них также значительно и там происходит крекинг сырья. Пары продуктов коксования непрерывно уходят из камер в колонну К1, а утяжелённый остаток задерживается в камере. Жидкий остаток постепенно превращается в кокс. Фракционирующая часть УЗК включает основную ректификационную колонну К1, отпарные колонны К2 и К3, фракционирующий абсорбер К4 для деэтанизации газов коксования и колонну стабилизации бензинов. Колонна К1 разделена полу-глухой тарелкой на две части: нижнюю, которая является как бы конденсатором смешения, а не отгонной секцией колонны; и верхнюю, выполняющую функцию концентрационной секцией ректификационной колонны. В верхней части К1 осуществляется разделение продуктов коксования на газ, бензин, лёгкий и тяжёлый газойли. В колонне К1 температурный режим регулируется верхним острым и промежуточным циркуляционным орошением. Лёгкий и тяжёлый газойли выводятся через отпарные колонны соответственно К2 и К3. Газы и нестабильный бензин из сепаратора С1 поступают в фракционирующий абсорбер К4. В верхнюю часть К4 подаётся охлаждённый стабильный бензин, в нижнюю часть подводится тепло посредством кипятильника с паровым пространством. С верха К4 выводится сухой газ, а снизу - насыщенный нестабильный бензин, который подвергается стабилизации в колонне К5, где от него отгоняется головка, состоящая из пропан - бутановой фракции. Стабильный бензин охлаждается, очищается от сернистых соединений щелочной промывкой и выводится с установки. Коксовые камеры работают по циклическому графику. В них последовательно чередуются циклы: коксование, охлаждение кокса, выгрузка его и разогрев камер. Когда камера заполняется примерно на 70 - 80 % по высоте, поток сырья с помощью переключающих кранов переводят в другую камеру. Заполненную коксом камеру продувают водяным паром для удаления жидких продуктов и нефтяных паров. Удаляемые продукты поступают вначале в колонну К1. После того, как температура кокса понизится до 400 - 500 0С, поток паров отключают от колонны и направляют в скрубер (на рисунке не показан). Водяным паром кокс охлаждают до 200 0С, после чего в камеру подают воду. После охлаждения кокс из камер выгружают. Для этой операции применяют гидравлический метод. Пласты кокса разрушаются струёй воды под давлением 10 - 15 МПа. На каждой камерой установлены буровые вышки высотой 40 м, предназначенные для подвешивания бурового оборудования. На вышке закрепляются гидродолото, с помощью которого в слое кокса пробуривается центральное отверстие. Затем гидролото заменяют гидрорезаком. Гидрорезак снабжён соплами, из которых подаются сильные струи воды, направляемые к стенкам камеры. Гидрорезак перемещается по камере, полностью удаляя со стенок кокс. Далее кокс поступает в отделение внутриустановочной обработки и транспортировки, где осуществляется дробление, сортировка на три фракции и транспортировка в склады. Коксовую камеру, из которой выгружен кокс, спрессовывают и прогревают сначала острым водяным паром, затем горячими парами продуктов коксования из работающей камеры до температуры 360 - 370 0С и после этого переключают в рабочий цикл коксования. Подготовительные операции УЗК занимают 24 - 34 ч. В отличие от непрерывных нефтехимических процессов, в реакционных камерах УЗК химические превращения осуществляются в нестационарном режиме с периодическими колебаниями параметров процесса, прежде всего температуры и времени. Продолжительность термолиза в жидкой фазе изменяется от максимального значения с начала заполнения камеры до минимального, к моменту переключения на подготовительный цикл. На характер изменения температурного режима по высоте и сечению камеры оказывает влияние эндотермичность суммарного процесса термолиза, а также величина потерь тепла в окружающую среду. Это обстоятельство обуславливает непостоянство качества продуктов коксования по времени, в том числе кокса по высоте камеры. Так, верхний слой кокса характеризуется высокой пористостью, низкой механической прочностью и высоким содержанием летучих веществ (то есть кокс неодинаков). Установлено, что наиболее прочный кокс с низким содержанием летучих находится в середине по высоте и сечению камеры. В модернизированных крупнотоннажных УЗК (типа 21 - 10/1500) для создания условий, гарантирующих получение электродного кокса стабильного по качеству, предусмотрен подвод дополнительного тепла в коксовые камеры в виде паров тяжёлого газойля коксования. Для этой цели часть тяжёлого газойля, отбираемого с аккумулятора посте К1, после нагрева в специальных змеевиках - печи до температуры 520 0С подают в камеры вместе со вторичным сырьём. Подача перегретого тяжёлого газойля в камеры продолжается и после прекращения подачи сырья в течение 6 ч. Технологический режим установки Температура входа сырья в камеры, 0С - 490 - 510 Температура выхода паров из камеры, 0С - 440 - 460 Давление в коксовой камере, МПа - 0,18 - 0,4 Коэффициент рециркуляции - 1,2 - 1,6 Таблица 1 - Выход продуктов при замедленном коксовании различных видов сырья
С целью интенсификации электросталеплавильных процессов в последние годы широко применяются высококачественные графитированные электроды, работающие про высоких удельных токовых нагрузках (30 - 35 Ом/см2). Зарубежный и отечественный опыт показал, что получить такие электроды возможно лишь на основе специального малозольного и малосернистого, так называемого, игольчатого кокса. Только игольчатый кокс может обеспечить такие необходимые свойства специальных электродов, как низкий коэффициент термического расширения и высокая электропроводимость. Игольчатый кокс по своим свойствам существенно отличается от рядового электродного: ярко выраженной анизотропией волокон, низким содержанием гетеропримесей, высокой удельной плотностью и хорошей графитируемостью. Наиболее традиционное сырьё для производства игольчатого кокса — это малосернистые ароматизированные дистиллятные остатки термического крекинга, газойлей каталитического крекинга, экстрактов масляного производства, тяжёлой смолы пиролиза углеводородов, а также каменноугольной смолы. Аппаратурное оформление установки коксования для получения игольчатого кокса такое же, как на обычных УЗК. Температурный режим коксования при производстве игольчатого кокса примерно такой же, как при получении рядового кокса, только несколько выше кратность рециркулята и давление в реакторах. Прокалка игольчатого кокса, по сравнению с рядовым, проводится при более высоких температурах (1400 - 1500 0С). Производство игольчатого кокса требует обязательного наличия на НПЗ установки термического крекинга дистиллятного сырья и УЗК. Имеющиеся на заводе ароматизированные остатки пропускают через термический крекинг под повышенным давлением (6 - 8 МПа) с целью дальнейшей ароматизации и повышения коксуемости остатка. Далее дистиллятный крекинг - остаток (ДКО) направляется на УЗК. Из сернистых гудронов ДКО для производства игольчатого кокса можно получить путём термического крекирования гудрона, вакуумной перегонкой крекинг - остатка и с последующей гидроочисткой тяжелого крекингового вакуумного газойля. Для этой цели можно использовать также процесс деасфальтизации остатков, в частности процесс «Добен»: полученный деасфальтизат далее подвергается гидроочистке и термическому крекингу дистиллятного сырья. Производство технического углерода (сажи) Технический углерод – сажа – является особой дисперсной формой углерода, получаемой высокотемпературным термолизом углеводородного сырья (1200 - 2000 0С). Основными элементами сажи являются углерод 90 - 99 %, водород 0,3 - 0,5 % и кислород 0,1 - 7 %. В саже может содержаться также до 1,5 % серы и до 0,5 % золы. Основным наиболее крупнотоннажным потребителем сажи является шинная и резино-техническая промышленность (более 90 % от всего производства сажи). Сажа находит применения также в производстве пластмасс, электротехнической, лакокрасочной, полиграфической и ряде других отраслей промышленности. Сырьём для производства саж в основном являются в основном жидкие нефтепродукты, а также природные и попутные газы. В качестве сырья используется нефтяной термогазойль, антраценовое масло, хризеновая фракция и пековый дистиллят – продукты коксохимии. Некоторые марки саж получают из газового сырья. Жидкое сажевое сырьё представляет собой углеводородные фракции, выкипающие при 200 0С и содержащие значительное количество ароматических углеводородов (60 – 90 % масс.). Наиболее важным показателем качества саж является дисперсность, используемая при их маркировке. Дисперсными принято называть материалы, состоящие из весьма малых частиц коллоидных (10 - 1000 Å) или близких к ним размеров. Размеры сажевых частиц лежат в пределах от нескольких сотен до нескольких тысяч Å, то есть в пределах размеров коллоидных частиц, поэтому сажу иногда называют «коллоидным углеродом». Из частиц сажи формируются агломераты – рыхлые цепные образования разветвлённой структуры (подобные снегу). Линейные размеры агломератов сажи могут достигать несколько микрон (0,2 - 0,8 мкм). По строению агломератов и плотности упаковки в них частиц судят о структурности сажи. В производственных условиях её оценивают по маслоёмкости – масляному числу (чем оно больше, тем выше структурность, размеры и рыхлость агломератов сажи). Маркировка саж основана на способе их производства, виде используемого сырья и величине удельной поверхности. Первая буква марки саж указывает на способ производства: П - печная; Т - термическая; Д - диффузионная. Следующая буква означает сырьё: М - жидкое (масло); Г - газовое. Цифры указывают величину удельной поверхности (ПМ – 1000 (м2/г)). По влиянию на прочностные свойства и износостойкость резин сажи делятся на активные (S > 65 м2/г), полуактивные (S = 30 - 50 м2/г) и малоактивные (S < 25 м2/г). Наиболее массовые марки саж, применяемые при изготовлении шин и резинотехнических изделий – получаемые из термогазойлей (печные сажи) марок: ПМ – 30, ПМ – 50, ПМ – 75 и ПМ – 100. Кроме дисперсности и структурности о качестве саж судят по таким показателям как: адсорбционная способность, содержание летучих, серы, зольность и др. Для некоторых марок оценивают показатели тепло - физических свойств, содержание частиц кокса и др. Образование сажи происходит при температурах более 1200 0С. Выход сажи возрастает с увеличением температуры термолиза и парциального давления углерода. Различные в разной степени склонны к образованию сажи. Наиболее высокий выход с высокой дисперсностью обеспечивают высокоароматизированные дистиллятные виды сырья с высокой плотностью. Единой теории и общепринятых представлений о механизме сажеобразования до настоящего времени нет. Большинство исследователей считают, что этот процесс имеет радикальную природу. Первичным актом сажеобразования считается образование радикала – зародыша. При его взаимодействии с молекулами исходного сырья могут образовываться новые радикалы, но в отличие от обычного цепного радикального процесса молекулярная масса радикала - зародыша сажевой частицы растёт. По мере роста активность укрупнённых радикалов уменьшается и в некоторый момент радикал – зародыш теряет свойства радикала, приобретает свойства физической поверхности и превращается в минимально возможную сажевую дисперсную частицу. Для неароматических углеводородов образованию сажи всегда препятствует образование ацетилена. В процессе сажеобразования лимитирующей стадией является образование радикалов – зародышей, энергия активации которых высока: для аренов она составляет 460 – 500 кДж/моль, для ацетилена 710 – 750 кДж/моль. Основной аппарат процесса получения печной активной сажи – циклонный реактор, в котором осуществляются три процесса: - сгорание топлива (или части сырья) и создание требуемой температуры; - разложение сырья с образованием сажи; - охлаждение сажевой смеси с предотвращением побочных процессов. Технологическая схема производства активной печной сажи Осушенное и подогретое в теплообменниках до 100 - 120 0С сырьё проходит через змеевик беспламенного подогревателя 1, где подогревается до 270 - 320 0С и затем через фильтры тонкой очистки сырья 2 для удаления кокса, образовавшегося при нагревании сырья в печи. Подогретое и очищенное сырьё направляется к сырьевым форсункам циклонного реактора 3. На технологическом потоке установлено восемь реакторов мощностью 500 кг/ч по сырью, из которых 5 – 7 работают, остальные находятся в резерве. В реактор подаётся сырьё под давлением 0,8 МПа, сжатый воздух высокого давления (ВВД) для распыления сырья под давлением (0,5 - 0,7 МПа), который подогревается в подогревателе 1. Для поддержания в реакторе рабочей температуры в него подаётся топливо и воздух низкого давления (ВНД), нагретый до 300 - 400 0С в воздухоподогревателе. Процесс в реакторе протекает при температуре 1250 - 1550 0С в зависимости от марки сажи и длится сотые доли секунды. Для прекращения реакции в определённую точку реактора впрыскивается химочищенная вода. Охлаждённая до 650 - 700 0С сажевая смесь поступает из реактора в воздухоподогреватель, затем в холодильник – ороситель 4. Охлаждённая водой до 280 0С сажевая смесь направляется в систему улавливания сажи, состоящую из последовательно установленных (четырёх) циклонов 5 и восьмисекционного рукавного фильтра 6. Сажа, уловленная в циклонах, направляется на гранулирование. Газы из фильтров подаются на установку дожига. Выход сажи в зависимости от качества используемого сырья 42 – 60 % масс. на сырьё.  1- печь беспламенного горения; 2 – фильтр тонкой очистки; 3 – циклонный реактор; 4 – холодильник – ороситель; 5 – циклоны; 6 – рукавные фильтры улавливания сажи; I - сырье; II - воздух высокого давления; III - топливо; IV - сажа; V - отходящие газы; VI – хим. очищенная вода; VII - воздух низкого давления. Рисунок 2 - Принципиальная технологическая схема производства активной печной сажи | ||||||||||||||