Процесс псевдоожижения. 
Характеристика реакторов каталитического крекинга

На глубину конверсии сырья в значительной степени оказывает влияние газодинамический режим контактирования сырья с катализатором, осуществляемый в реакторах различных типов [3].

Промышленные установки каталитического крекинга бывают следующих типов: с движущимся слоем крупногранулированного катализатора (средний размер частиц 2−5 мм); с псевдоожиженным слоем порошкообразного катализатора (максимальный размер частиц 120−150 мкм); с реактором лифтного типа [7].

В реакторных устройствах, работающих по принципу «кипящего», или псевдоожиженного состояния, твердый теплоноситель находится в виде тонкого порошка, для каталитического крекинга используется катализатор с частицами от 10 до 120 мкм. Под действием потока газа или паров, упорядоченного распределительным устройством, мелкие частицы теплоносителя приходят в движение, образуя интенсивно перемешиваемый слой, в котором протекает процесс. Псевдоожиженный слой напоминает жидкость не только по внешнему виду, но и по способности легко перемещаться из одного аппарата в другой по трубопроводам вниз (под действием силы тяжести) либо вверх (под действием потока газа или паров). Слой таких движущихся частиц напоминает кипящую жидкость, поэтому он и называется кипящим, или псевдоожиженным, слоем мелкодисперсных частиц. При продувании потока газа через слой мелкодисперсного катализатора, когда напор, теряемый газом при прохождении через слой, станет равным массе катализатора, частицы приподнимаются потоком газа, доля пустот между ними увеличиваются и частицы получают возможность свободного хаотического перемещения в пределах слоя.

Взвешенный слой, подобно жидкости, обладает определенным гидростатическим напором. Если высота псевдоожиженного слоя (рис. 2.2) равна h, а плотность слоя равна ?, то давление, оказываемое на решетку, можно рассчитать по формуле 1.

Давление, оказываемое псевдоожиженым слоем на решетку При этом сопротивление псевдоожиженного слоя зависит только от высоты слоя и кажущейся плотности частиц, и не зависит от скорости газа и диаметра частиц. Переход слоя сыпучего материала из неподвижного состояния в псевдоожиженное представляет собой качественное изменение. Если сыпучий материал поместить в стеклянный сосуд с пористым днищем и подавать снизу воздух, постепенно увеличивая его расход, то вначале увеличение расхода воздуха будет сопровождаться почти прямолинейным повышением сопротивления слоя. По достижении определенной скорости воздуха, называемой критической скоростью псевдоожижения, характер слоя изменяется. Частицы слоя под напором воздуха раздвигаются и получают способность перемещаться (слой закипает); критической скорости псевдоожижения соответствует максимум перепада давления в слое. При дальнейшем увеличении расхода воздуха сопротивление слоя уже не увеличивается, а остается постоянным и равным массе слоя, приходящейся на единицу сечения аппарата.

1 — псевдоожиженный слой; 2 — решетка; 3 — дифференциальный манометр; А-А — начальный уровень неподвижного слоя Псевдоожиженный слой характеризуется высокой интенсивностью перемешивания частиц и значительной теплопередачей от слоя к газу или наоборот. Интенсивность теплопередачи конвекцией зависит от скорости омывания твердых частиц газом, то есть теоретически она могла бы быть одинаковой для стационарного и псевдоожиженных слоев при одной и той же относительной скорости потока, но состояние псевдоожижения более благоприятно для контакта частиц с газовым потоком, который распределяется более равномерно. Кроме того, большое значение приобретает перенос тепла за счет теплопроводности псевдоожиженных твердых частиц, тогда как для частиц в неподвижном слое этот фактор пренебрежительно мал [9].

Аппараты с неподвижным слоем (они давно потеряли практическое значение) катализатора имеют ряд недостатков: большие градиенты температур в сечении и по высоте слоя вследствие малой теплопроводности слоя; высокое гидравлическое сопротивление слоя (гидравлическое сопротивление особенно возрастает, если с целью получения большой поверхности контакта применять мелкий катализатор с диаметром частиц 2−3 мм); неустановившийся выход в результате падения активности катализатора по мере его дезактивации; периодичность работы во многих случаях вследствие отложений на катализаторе и необходимости переключения аппарата на регенерацию [10].

В реакторах с движущимся слоем шарикового катализатора катализ, массои теплообмен осуществляют фильтрацией прямотоком в режиме, близком к идеальному вытеснению, т. е. в реакторе интегрального типа. К недостаткам реакторов этого типа следует отнести: катализ проводят на поверхности крупнозернистого катализатора, что отдаляет процесс от чисто кинетической области реагирования; при прямотоке, в отличие от противотока, завершающую стадию крекинга осуществляют на поверхности закоксованного катализатора после потери им первоначальной активности; большое время контакта в реакторах этого типа (исчисляемое десятками минут) приводит к ухудшению селективности крекинга в результате интенсивного протекания вторичных реакций.

В реакторах с псевдоожиженным (кипящим) слоем микросферического катализатора катализ, теплои массообмен осуществляются при идеальном перемешивании реагентов с катализатором. Как наиболее значимые достоинства реакторов этого типа следует отметить: высокую их удельную производительность; легкость транспортирования микросферического катализатора и регулирования технологического режима; осуществление каталитического процесса в области, близкой к чисто кинетической; отсутствие градиента температуры в кипящем слое; подвижность слоя дает возможность организовать непрерывный процесс с постоянной циркуляцией катализатора, малое гидравлическое сопротивление.

Как недостатки реакторов с кипящим слоем можно указать на следующие: неравномерность времени пребывания сырья в зоне реакции, в результате некоторая часть сырья подвергается чрезмерному крекированию до газа и кокса, а другая часть — легкому крекингу; среднее фиктивное время контакта, хотя и меньше, чем в реакторах с движущимся слоем шарикового катализатора, но недостаточно малое (3−15 мин), чтобы обеспечить максимально высокую селективность крекинга, подверженность износу элементов аппаратов от действия псевдоожиженных частиц, эрозионный износ частиц. При расчете аппаратов с псевдоожиженным слоем режим можно принимать близким к идеальному смешению [3,10].

Реакторы каталитического крекинга перечисленных выше двух типов в последние годы постепенно вытесняются более совершенными типами — прямоточными реакторами с восходящим потоком газокатализаторной смеси (лифт-реактор). По газодинамическим характеристикам этот реактор приближается к реакторам идеального вытеснения (то есть интегрального типа), являющимися более эффективными для каталитического крекинга по сравнению с реакторами с псевдоожиженным слоем катализатора. При этом время контакта сырья с катализатором благодаря высокой активности снижается в лифт-реакторе примерно на 2 порядка (до 2−6 с). Высокая термостабильность современных катализаторов (редкоземельных обменных форм цеолитов или безцеолитных ультрастабильных и др.) позволяет проводить реакции крекинга при повышенных температурах и исключительно малом времени контакта, то есть осуществить высокоинтенсивный («скоростной») жесткий крекинг (подобно процессам пиролиза) [3].

Также возможно эффективное использование реакторов лифтного типа с псевдоожиженным слоем [9].