Diseño mecánico Equipos y materiales utilizados: Es importante considerar que el regener ador debe emplear material de revestimiento para proteger contra la corrosión y per didas de calor. Debe incluir: • Vaso separador del catalizador • Fuentes verticales de agua para catalizadores regenerados y gastados • Válvulas deslizantes o obturadoras catalíticas • Dispositivo de terminación de elevador • Sistemas de distribución de aire y catalizador gastado • Desprendimiento de vapor y otros distribuidores de vapor • Ciclones de reactores y regeneradores • Tuberías de gases de combustión y válvulas de control de presión • Cámara de orificio • Sistema de separación de catalizador terciario • Línea de vapor del reactor.
Los componentes anteriores (excepto el vaso reg enerador) se diseñarán en pared fría y / o pared caliente de 4 pulgadas espesor interno, r evestimiento con acero al carbón como material base. Lo anterior para proteger contra la erosión excesiva de catalizador en movimiento. Tabla 1. Equipos Ubicación
Espesor (plg.)
Fibra SS
Tipos aceptables
Método de instalación
Tipo de anclaje
Regenerador y conductos de gases Carcaza del reactor Líneas de transferencia de catalizador
4-5
Si
Aislamiento de peso medio
Disparo
Ondulado
Como sea requerido 4
Si
Disparo
Ondulado
Si
Moldeo por vibración o Disparo
Ondulado
2
Si
Golpe neumático
2-plg. Celdas hexagonales
1
No
Aislamiento de peso medio Densidad moderada/ erosión moderada Extrema resistencia a la erosión refractaria Extrema resistencia a la erosión refractaria
Golpe neumático
1 pulgada de profundidad completa de metal hexagonal
Líneas de transferencia de catalizador de pared caliente Ciclones / moldes de pared caliente / otros revestimientos resistentes a la
erosión de capa delgada Distribuidor de aire
1
Si
líneas de gases de combustión
4 – 5
Si
molde / pared fría y elevador de gato gastado obturador refractario
5
Si
NA
No
Extrema resistencia a la erosión refractaria Densidad / erosión moderada moldeable moldeable resistente a la erosión severa ladrillo refractario aplastado/ agregado con capa de ladrillo jumbo refractario
Golpe neumático
Solapa del anillo
Moldeo por vibración
Ondulado
Moldeo por vibración
Ondulado
Colocación
NA
Sistema de inyección de alimentación
Cualquier renovación mecánica para mejorar el r endimiento del cracker de gato siempre debe comenzar con instalar una inyección de alimentación eficiente y un sistema catalítico regenerado. Este es el más componente importante de la unidad FCC. Una inyección de alimentación eficiente y catalizador regenerado. El sistema reduce el aceite de pulpa y la producción de gas seco, al tiempo que maximiza el total de líquidos producción. Un sistema de inyección de alimentación y un catalizador regenerado diseñados adecuadamente también mejorar la confiabilidad operacional de la unidad al minimizar la formación de coque dentro del t ubo vertical, alojamiento del reactor, línea de vapor en el techo del reactor y circuitos del fraccionador principal.
Consideraciones de diseño de proceso para boquillas de alimentación
La Tabla 11.1 muestra el proceso clave y los criterios de diseño mecánico utilizados para especificar la alta eficiencia de inyectores de inyección de alimentación. El diseño mecánico de cualquier boquilla de alimentación debe ser suficientemente robusto y de fácil mantenimiento (Figura 11.1). Su fiabilidad mecánica a largo plazo es fundamental para lograr los beneficios esperados de la actualización. Inyectores Caída de presión del lado del aceite Velocidad de salida de la tobera Medios de dispersión y velocidad Orientación y ubicación Tipo de boquilla de alimentación Insertar material Punta de boquilla
Multitobera, <8,000 bpd por tobera, ubicado en la periferia del molde y proyectado hacia arriba 50 – 70 psi (3.5 – 4.9 kg/cm 2) a la velocidad de alimentación de diseño 150 – 300 pies/seg (45 – 100 m/seg) Vapor, 1 – 3 wt% de velocidad de alimentación para gasolina convencional, 4 – 7 wt% para materia prima residual Radial, 4 – 5 diámetro del molde sobre el punto de trabajo Fácilmente retráctil 304H acero inoxidable Recubrimiento sólido de difusión o revestimiento
Vapor
Alimentación de combustible Figura 11.1: Alimentación típica para instalación de tobera
Consideraciones de diseño de la zona de elevación del catalizador Para maximizar los beneficios de las boquillas de alimentación, la corriente de catalizador regenerado debe ser distribuido uniformemente a lo largo de la sección transversal del e levador. Para lograr esto, preacceleración del catalizador a la zona de alimentación se requiere. El vapor o gas combustible a menudo se usa para levantar el catalizador a la inyección de alimentación. En la mayoría de los diseños que incorporan una sección "Wye" para Al suministrar el catalizador a las boquillas de alimentación, se utiliza un distribuidor de g as de elevación que proporciona suficiente gas para el suministro de catalizador "denso" a las boquillas de alimentación. En otros diseños, la tasa de gas de elevación es
varias magnitudes mayores con la intención de poner en contacto la alimentación de gas combustible en un mayor "Diluir" la corriente de catalizador. En las unidades de FCC que usan una "curva en J" (Figura 11.2A), el vapor es empleado en corrientes laterales y verticales para asegurar el contacto uniforme de partículas de catalizador con la materia prima de gasóleo atomizado. La figura 11.2B muestra un esquema de una sección típica de "Wye" sistema catalizador de elevación.
Toberas de alimentación
Conjunto de ex anción
válvula de distribución
vapor de explosión
Figura 11.2A: Configuración típica de curvatura en J
To Reactor o Cyclone
3a5 Diámet
Aceite Crudo
Vapor (Boquilla Típica o Múltiple
Velocidad Superficial 0.3-0.4 Pies/seg
Vapor o combustible
Purga
Figura 11.2B: Ejemplo de un típico “Wye” sección del sistema de elevación del catalizador
Levantamiento y terminación del elevador
En la mayoría de las operaciones actuales de la FCC, las reacciones deseadas tienen lugar dentro del elevador. UN número de refinadores, en los últimos años, han modificado sus unidades de FCC para eliminar, o severamente reducir, craqueo indeseable Postriser y reacciones no agrietamiento. La rápida separación de catalizador de los vapores de hidrocarburos en el ex tremo de la tubería es extremadamente importante en aumentar el rendimiento de los productos deseados. Las reacciones postriser producen más gas seco y gasolina y destilado de coque. En la actualidad, hay varios risers com ercialmente probados Desactivar los sistemas ofrecidos por los licenciantes de la FCC que están diseñados para minimizar postriser agrietamiento de los vapores de hidrocarburos.
La Tabla 11.2 muestra las pautas de proceso y diseño mecánico que se pueden usar en diseñando un nuevo elevador. Tiempo de residencia de Hidrocarbono
Velocidad de vapor Geometría Terminación
Configuración Material
2-3 segundos de base en las condiciones de salida del tubo ascendente. Dependiendo del grado de retromezcla de catalizador en el tubo ascendente, el tiempo de residencia del catalizador suele ser 1.5-2.5 veces más largo que los hidrocarburos 20 pies / seg (6 m / seg) mínimo (sin alimentación de aceite), 45-55 pies / seg (14-17 m / seg) a la velocidad de avance de diseño Vertical: para simular el flujo de tapón y minimizar la mezcla de retroceso del catalizador Separador / dispositivo de ciclón ascendente conectado a otro dispositivo de separación para minimizar el agrietamiento de los vapores de hidrocarburos y una mayor separación del catalizador Interno o externo Acero al carbono, "pared fría" en lugar de "pared caliente" con revestimiento refractario de 4 a 5 pulgadas de grosor (10 a 12-5 cm)
Catalizador gastado
Un removedor de catalizador diseñado adecuadamente minimiza las cantidades de arrastres y adsorción hidrocarburos que se transportan al regenerador. Esta reducción en el arrastre debería se logrará mediante el uso de vapor de extracción. Los principales inconvenientes para permitir el los hidrocarburos ricos en hidrógeno en el reg enerador son la pérdida de productos líquidos y el rendimiento, y reducción de la actividad del catalizador. El rendimiento del separador se ve muy influenciado por las prácticas de diseño adecuadas, pero también es Es muy importante tener en cuenta que está muy influenciado por la calidad de la materia prima, catalizador propiedades y condiciones de operación. Los parámetros clave del proceso para diseñar el separador se enumeran en la Tabla 11.3 (también vea la Figura 11.3).
Flujo de catalizador Velocidad de vapor de extracción Velocidad superficial del vapor de separación Tiempo de residencia del catalizador Calidad del Vapor Distribuidor del vapor Número de etapas Tipo Número de boquillas Boquillas Orientación Velocidad de salida Caída de presión L/D
600-900 lb/min/pie2 (49 73 kg/seg/m 2) 2 - 5 lb / 1000 lb de catalizador circulante 0.5 – 0-75 pie/seg (0.15 – 0.25 m/seg) 1 – 2 min Vapor seco Uno Rejilla de tubos de anillos concéntricos Mínimo de una boquilla por pie2 de área de sección transversal del separador Apuntando hacia abajo 100 – 150 pie/s (30 – 46 m/seg) Mínimo de 2 psi (0.14 kg/cm 2) o 30% a la altura de la cama Mínimo de 5, o el largo suficiente para expandir “vena contracta”
Material de construcción Cáscara del separador Distribuidores Deflectores Boquillas
Acero carbono, “pared fría” con 4 plg. (10 cm) peso
medio recubrimiento refractario Acero carbono, distribuidor externo lieal con 1 plg (2.5 cm) refractario resistente a la erosión gruesa Acero carbono o aleación baja de cromo Acero carbón, programado mínimo 160
Sistema de tubo vertical
El tubo vertical del catalizador regenerado y el tubo vertical del catalizador del reactor comprenden los dos sistemas de tubería vertical utilizados en operaciones de FCC. El diseño de cada tubo vertical es uno de los más factores importantes para obtener una buena circulación del catalizador. El tubo vertical crea el necesario
presión de cabeza requerida para hacer circular el catalizador a los elevadores. El conjunto de tubo vertical es típicamente compuesto por tres componentes principales: la tolva, la columna vertical y una válvula deslizante o una válvula de tapón. La función y el diseño de cada c omponente se describen a continuación. Una tolva de catalizador regenerada (Figura 11.4) proporciona suficiente tiempo para la inicial desaireación del catalizador regenerado para que fluya hacia el tubo vertical. Desaireación apropiada del catalizador debería maximizar la densidad del catalizador regenerado mientras se mantiene e l catalizador en una Estado "fluidizado". La Tabla 11.4 muestra los parámetros clave del proceso utilizados en el diseño de la columna vertical tolvas.
Tubo vertical
El tubo vertical proporciona la presión de cabeza necesaria para lograr el catalizador adecuado circulación. Los tubos verticales están dimensionados para operar en la región fluidizada para una amplia variación en tasas de flujo del catalizador. Las velocidades máximas de circulación del cat alizador se realizan a una altura mayor presiones Las presiones más altas de la cabeza solo pueden lograrse cuando el catalizador se fluidiza correctamente. La Tabla 11.5 muestra los cr iterios típicos de proceso y diseño mecánico para el
tubo vertical. Válvula deslizante o válvula de tapón La válvula de corredera o válvula de tapón regula el flujo de catalizador entre el regenerador y reactor. La válvula de correder a o la válvula de tapón también proporcionan un sello positivo contra un flujo inversión de los hidrocarburos en el regenerador o g as de combustión caliente en el reactor. La Tabla 11.6 resume el proceso t ípico y los parámetros mecánicos para diseñar un válvula de corredera Tabla 11.5: Proceso y Diseño Mecánico para Fuentes de Alimentación Catalizadoras Flujo de catalizador Velocidad de catlizador Densidad deseada Geometría Material Aereación suplumentaria
150 – 300 lb/s/pie 2 (725 – 1,450 kg/s/m 2) 2 – 6 pie/s (0.6 – 2 m/s), blanco por 4 pie/s (1.3 m/s) 40 – 50 lb/pie3 (650/800 kg/m 3) Vertical o inclinado en un ángulo máximo de 45 ° (fuera de la vertical) Acero al carbono, "pared fría" con revestimiento refractario de 5 plg (12 cm) de espesor, resistente a la erosión Cada 5 - 8 pie (1.5 - 2.5 m) a lo largo de la columna vertical, use medidores de flujo o rotámetros para regular el flujo de aireación
Tabla 11.6: Proceso de diseño mecánico y de proceso para válvulas de rebosadero Caída de presión de operación % de apertura en circulación de diseño Material
Diseño del bonete Purga
Tipo de actuador Tiempo de respuesta del actuador
Mínimo 1.5 psi (10 kPa), máximo 10 psi (70 kPa) 40 – 60% Carcaza: acero de carbono con 4 a 5 plg. Refractario de alta resistencia (10 - 12 cm) de espesor, de una sola capa, vibrado por fundición con agujas Elementos internos: acero inoxidable 304H para temperatura> 1.200 ° F (650 ° C) y grado H, 1 ½% de cromo para> 1.200 ° F Los componentes internos expuestos al catalizador deben estar revestidos de material refractario para resistir la erosión Las superficies deslizantes deben ser de cara dura, grosor mínimo de 1/8 plg (3 mm) Capo inclinado (mínimo de 30 °) para autoinflar de catalizador Diseño sin purga de prensaestopas. Guías: ranurado, de superficie dura y se suministra con purga conexiones (normalmente cerradas). El nitrógeno es la opción preferida de gas de purga Electrohidráulico para la última respuesta y control preciso Un máximo de 3 s
Distribuidor de aire y catalizador agotado
El objetivo principal del regenerador es producir un c atalizador limpio, minimizando al mismo tiempo
postcombustión y formación de NOx, y reducción de la sinterización localizada del catalizador. Para eficiente regeneración del catalizador, es muy importante que e l aire y el catalizador gastado se an uniformemente repartido. Aunque, en los últimos años, el diseño de los distribuidores de aire ha mejorado significativamente, no se puede decir lo mismo de los distribuidores de catalizadores gastados. Esto es particularmente cierto en el caso de unidades FCC side-by-side. La mayoría de las unidades side-by-side sufren de un desigual distribución del catalizador gastado. Un sistema de distribución de aire bien diseñado tiene las siguientes características: • Distribuye uniformemente el aire a través de la sección transversal del regenerador • Diseñado mecánicamente para manejar la amplia gama de condiciones de operación, incluyendo
puesta en marcha, apagado, operación normal y condiciones molestas • Proporciona confiabilidad con mantenimiento mínimo requerido.
Los tres factores principales que afectan e l rendimiento mecánico de la distribución de aire sistema son la erosión, la expansión térmica y la integridad mecánica de los soportes. los El diseño del distribuidor debe reflejar la naturaleza erosiva de las altas velocidades de catalizador / aire, térmicas expansión para las diversas condiciones de operación, y las correspondientes consideraciones de la soportes para minimizar las cargas de expansión térmica. El proceso y el diseño mecánico las consideraciones de un distribuidor de aire se muestran e n la Tabla 11.7 (ver Figura 11.5).
Tabla 11.7: Proceso y Diseño mecánico criterios y distribución Tipo recomendado Velocidad de salida de boquilla Caída de presión Material Tubo ramificado Conexión de brazo de ramificación Guarniciones Boquillas Tipos y orientación Longitud L/D Ubicación de las primeras boquillas
Distribuidor de red de tuberías 100 – 150 pie/s (30 – 45 m/s) 1.5 - 2.0 psi (10 - 15 kPa) a la velocidad de aire de diseño; 10 - 30% de la carga estática de la cama a una velocidad de aire mínima para boquillas que apuntan hacia abajo 304H acero inoxidable, forrado externamente con refractario resistente a la erosión de 1 plg (2,5 cm) de espesor L/D relación de <10 para minimizar el requisito de soporte y la vibración Tubo continuo a través del cabezal principal y la abertura ranurada Herrajes forjados en lugar de mitones para soportar el cabezal y la abertura ranurada Boquillas de doble diámetro con orificio en la parte posterior de la boquilla; hacia abajo a 45 ° Mínimo de 4 plg (10 cm) 5/1 a 6/1 8 - 12 plg (20 - 30 cm) desde el borde de la ranura en el brazo de ramificación
La caída de presión del orificio de la boquilla se puede calcular a partir de la ec uación:
Separadores de Ciclones Reactores y Regeneradores
Un separador ciclónico es un dispositivo económico para eliminar sólidos particulados de un fluido sistema. La fuerza centrífuga inducida (figura 11.6) se imparte tangencialmente en la pared de el cilindro del ciclón. Esta fuerza, con la diferencia de densidad entre el fluido y el sólido, aumenta la velocidad relativa de asentamiento. Los separadores ciclónicos son extremadamente importantes para la operación exitosa del gato galleta. Su desempeño impacta varios factores de desempeño de la FCC, incluido el costo adicional de la composición del catalizador nuevo, costos de mantenimiento adicionales, la cantidad permitida límites en la emisión de partículas, y la rec uperación de energía incremental en el WG C, y expansor de gas caliente.
Diseñar un conjunto "óptimo" de ciclones requiere un equilibrio entre la c olección deseada eficiencia, caída de presión, limitaciones de espacio y costo de instalación. El proceso del ciclón y las recomendaciones de diseño mecánico se muestran en la Tabla 11.8.
Tabla 11.8: Directrices de diseño mecánico y de proceso para ciclones de reactores y regeneradores Velocidades de vapor a la velocidad de alimentación del diseño Tipo de ciclón Entrada pie/s (m/s) Reactor, una etapa 60 – 65 (18 – 20) Reactor o regenerador, primario o 60 – 65 (18 – 20)
primera etapa Reactor, secundario o segunda etapa Regenerador, secundario o segunda etapa Velocidad mínima velocidad Especificaciones dimensionales Parámetros L/D Relación de aspecto Material Ciclones del reactor Ciclones del regenerador Regeneración plena
65 – 70 (20 – 21) 65 – 70 (20 – 21)
Salida pie/s (m/s) 100 – 110 (30 – 33) 65 – 75 (20 – 23)
100 – 110 (30 – 33) 90 – 120 (27 – 37)
25 – 35 (8 – 10) nica etapa 5.0 2.3 – 2.5
Primario 3.5 – 4.5 2.3 – 2.5
Secundario 4.5 – 5.5 2.3 – 2.5
Acero carbón, Aleación de cromo - molibdeno revestida con refractario resistente a la erosión de 1 plg de espesor 304H acero inoxidable, revestido con refractario resistente a la erosión de 1 plg de espesor Acero carbón, “pared fría” diseño para evitar altas temperaturas de agrietamiento por tensión
Expansión
Se deben hacer esfuerzos para eliminar el uso de juntas de expansión en la tubería de proceso; Sin embargo, si necesario, las juntas de expansión se utilizan para mitigar las tensiones de la tubería causadas por grandes movimientos. La Tabla 11.9 enumera los criterios de diseño mecánico recomendados para las juntas de expansión. Tabla 11.9: Recomendación de diseño mecánico para juntas de expansión. Material de la carcaza Material de fuelle Requerimientos de purga Configuración de fuelles Material de empaque Temperatura minima de fuelles
Acero al carbono, "diseño de caparazón en frío", revestimiento refractario de 5 plg (12 cm) de espesor fundido por vibración Inconel 625 Fuelles llenos, sin purga Fuelles de dos capas con indicador emergente para detectar fugas, cada fuelle debe ser capaz de mantener la presión total Manta de fibra de cerámica 400 ° F (205 ° C) para minimizar la condensación y el posterior ataque con ácido
El catalizador debe ser fluidizado para proporcionar un sello efectivo para los diplegs. La fluidización es crítico; sin él, los diplegs no pueden descargar e l catalizador, y los diplegs pueden conectarse y
El arrastre masivo al fraccionador principal puede ocurrir. Para garantizar esta fluidización uniforme, este sistema usa un distribuidor de vapor adicional. En este diseño, cada conjunto de elevador y superior los ciclones del reactor están conectados mediante el uso de un conducto de "junta deslizante". El vapor de stripper y los hidrocarburos, así como el vapor de la cúpula salen de la carcasa del reactor entrando a través de este conducto, como se muestra en la Figura 13.4.
En la configuración de Exxon Research & Engineering, los ciclones ascendentes no tienen conductos rígidos
al riser. Sin embargo, las salidas de los ciclones ascendentes están directamente conectadas a la entrada de los ciclones superiores. En esta configuración (figura 13.5), tanto la primera e tapa como la segunda etapa los ciclones se operan "al vacío" y, en consecuencia, el mínimo arrastre de se esperan vapores del reactor a partir de los diplegs ciclónicos de la primera et apa. Por esta razón, el primer intento las válvulas de goteo a menudo no están cubiertas co n catalizador
