УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ КАТАЛИЗАТОРА ГИДРООБРАБОТКИ
SET FOR REGENERATION OF A HYDROTREATING CATALYST

Изобретение относится к каталитической химии, а именно к вращающимся печам барабанного типа с малым наклоном для регенерации катализаторов обработкой газом, содержащим свободный кислород, и может применяться для регенерации отработанных катализаторов процессов гидроочистки и гидрокрекинга нефтяного сырья.
Из уровня техники известна установка для регенерации катализатора гидрообработки, содержащая следующие узлы: блок предварительного просева катализатора; блок выжигания кокса, выполненный в виде наклонной вращающейся барабанной печи косвенного нагрева, состоящей из внутреннего цилиндра, имеющего внутренние ребра, в который подают катализатор, и соосного с внутренним внешнего цилиндра, в который подают воздух; устройств загрузки и выгрузки; устройства контроля температуры, скорости вращения печи и других параметров; блок охлаждения катализатора и теплообменник; дополнительную конвейерную печь; блок просева регенерированного катализатора; блок очистки отходящих газов [1].
Недостатком известного устройства является его большие габариты, кроме того установка является стационарной и не может быть оперативно временно транспортирована на территорию нефтеперерабатывающего предприятия.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признана установка для регенерации катализатора гидрообработки (RU 168779U1, МПК B01J 38/12, F27B 7/00, опубл. 17.02.2017). Установка состоит из блока предварительного просева катализатора, блока выжигания кокса, представляющего собой барабанную печь косвенного нагрева, включающую внешнюю трубу-кожух и внутреннюю перфорированную трубу, внутренняя поверхность которой оснащена насечками, устройства загрузки и выгрузки катализатора и устройства контроля требуемых параметров, блока охлаждения и просева регенерированного катализатора и блока очистки отходящих газов [2].
Недостатком известной установки является отсутствие в ее конструкции узлов автоматики для контроля параметров технологического процесса регенерации катализатора, что ограничивает возможности установки по проведению управляемых экспериментов с целью оптимизации температурного режима окислительной регенерации.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание мобильной установки для регенерации катализатора гидрообработки, снабженной средствами автоматического контроля технологического процесса окислительной регенерации, которую можно временно разместить на территории нефтеперерабатывающего предприятия.
Указанная задача решена тем, что установка для регенерации катализатора гидрообработки состоит из блока предварительного просева катализатора, блока выжигания кокса, выполненного в виде барабанной печи косвенного нагрева, снабженной вытяжными воздушными трубопроводами, включающей внешнюю трубу-кожух и внутреннюю перфорированную трубу, внутренняя поверхность которой оснащена насечками, устройства загрузки и выгрузки катализатора и устройства контроля требуемых параметров, блока охлаждения и просева регенерированного катализатора, и блока очистки отходящих газов. Установка выполнена с возможностью разделения при транспортировке на отдельные блоки с размерами и массой, позволяющими установить их в кузова грузовых полуприцепов, барабанная печь имеет регулируемый наклон, в верхней части кожуха барабанной печи установлены валки с возможностью препятствовать прохождению воздуха вверх, а насечки выполнены с возможностью обеспечить толщину слоя катализатора в барабанной печи от 10 до 40 мм. Дополнительно внутри барабанной печи установлены электронные термоизмерители для контроля и управления процессом регенерации, а в вытяжных воздушных трубопроводах установлены датчики концентрации кислорода и концентрации диоксида серы. Упомянутые датчики снабжены радиомодулями и соединены по радиоканалу с удаленной автоматизированной системой управления, выполненной на основе микроконтроллера, снабженной радиомодулем, блоком индикации и блоком ввода данных.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков устройства, является обеспечение мобильности установки для регенерации катализатора гидрообработки за счет выполнения ее блочной с возможностью разделения блоков при транспортировке. Дополнительно за счет применения в конструкции барабанной печи электронных термоизмерителей, а также датчиков концентрации кислорода и концентрации диоксида серы, соединенных по радиоканалу с удаленной  автоматизированной системой управления, обеспечивается возможность автоматического контроля за технологическим процессом окислительной регенерации катализатора.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема установки; на фиг. 2 показана конструкция барабанной печи; на фиг. 3 приведена структурная схема автоматизированной системы управления.
Установка для регенерации катализатора гидрообработки устроена следующим образом.
Входным узлом установки является блок предварительного просева 1, соединенный с блоком выжигания кокса 2 (барабанная печь), на выходе которого установлены блок охлаждения и просева катализатора 3 и блок очистки отходящих газов 4. Барабанная печь состоит из внутренней трубы 5 и внешней трубы-кожуха 6. Печь установлена в корпусе 7, снабженном домкратом 8, на внутренней поверхности стенок которого закреплены нагреватели 9. Для исключения осевого биения печь установлена в корпусе 7 на роликовой опоре 10.  На левом торце корпуса 7 установлен штуцер подачи воздуха 11, а в верхней части трубы-кожуха барабанной печи установлены валки 12, выполненные с возможностью препятствовать прохождению воздуха вверх. Корпус 7 снабжен изоляцией 13, загрузочным бункером 14, шнековым дозатором 15, трубой подачи катализатора 16, разгрузочным устройством 17 и зондом отвода газов 18. Дополнительно для обеспечения возможности изменять толщину слоя катализатора в барабанной печи от 10 до 40 мм на внутренней поверхности трубы 5 выполнены насечки 19. Барабанная печь имеет регулируемый наклон,  ее длина составляет не более 13 м, а блок охлаждения и просева регенерированного катализатора представляет собой аэродинамический сепаратор.
Каждый из электронных термоизмерителей и датчиков концентрации кислорода и концентрации диоксида серы подключен через операционный усилитель к входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера телеметрического модуля, питающегося от автономного источника питания. Микроконтроллер модуля имеет встроенный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART, к которому подключен радиомодуль, обеспечивающий связь датчика с удаленной автоматизированной системой управления.
Микроконтроллер 20 автоматизированной системы управления содержит микропроцессорное ядро 21, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 22, SRAM-памятью данных 23, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью  EEPROM 24, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода 25, 26, 27 и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART 28. При этом к первому порту ввода-вывода 25 подключен блок индикации 29, ко второму порту ввода-вывода 26 подключен блок ввода данных 30, к третьему порту ввода-вывода 27 подключен силовой выход 31, а к выходу синхронно-асинхронного приемопередатчика USART 28 подключен радиомодуль 32.
В качестве микроконтроллера 20 (и микроконтроллеров телеметрических модулей) целесообразно использовать микросхему STM8L152, построенную на высокопроизводительном ядре STM8, имеющую широкий набор периферийных устройств и специально предназначенную для средних и высокопроизводительных малопотребляющих приложений (STM8 8-bit MCUs // St.com URL: http://www.st.com/en/microcontrollers/stm8-8-bit-mcus.html?querycriteria= productId=SC1244  (дата обращения: 28.03.2018)). В качестве блока индикации 29 может быть применен графический LCD-дисплей, в качестве блока ввода данных 30  данных может быть использована кнопочная клавиатура, содержащая шестнадцать клавиш, силовой выход 31 может быть выполнен, например, на основе тиристорных ключей, а в качестве радиомодуля 32 может использоваться микросхема HC-12 с UART-интерфейсом (HC-12: радиомодуль c UART-интерфейсом на 433 МГц // Записки программиста URL: https://eax.me/hc-12,  дата обращения: 28.03.2018). Силовой выход 31 может быть подключен к нагревателям 9 для обеспечения автоматического управления нагревом печи.
Как было упомянуто выше, установка имеет блочную структуру, за счет чего достигается ее мобильность. По габаритам и массе блоки не превышают размеры стандартного грузового полуприцепа: длина: 13 м, ширина: 2,45 м, высота: 2,45 м, масса: не более 20 т. Прежде всего, это относится к размерам барабанной печи, так как блоки просева и охлаждения катализатора, а также очистки дымовых газов, обычно имеют меньшие размеры.
Перед транспортировкой мобильной установки барабанную печь приводят в горизонтальное положение, из блока очистки отходящих газов удаляют все жидкости. При транспортировке установку демонтируют, разделяя на отдельные блоки, которые погружают на стандартные грузовые полуприцепы.
Ниже более подробно рассмотрена конструкция блоков установки.
Блок предварительного просева (1) представляет собой рассевочную машину с виброситами производства Cuccolini, Италия, для разделения катализатора на фракции. Из этого блока отработанный катализатор попадает в бункер блока выжигания кокса по ленточному конвейеру.
Блок выжигания кокса представляет собой барабанную печь косвенного нагрева в виде вращающейся внутренней трубы из нержавеющей стали (5) в кожухе (6) и корпусе (7). Внутренняя стенка трубы перфорирована. Труба установлена под углом к горизонту. Угол подъема регулируют с помощью домкрата (8) с целью более гибкой регулировки времени нахождения катализатора внутри печи, что является особенностью конструкции данной печи. По всей длине печи с радиальным зазором выполнены нагреватели (9). Труба вращается в водоохлаждаемых опорах (10), привод вращения цепной, за счет звездочек, мотор-редуктора, муфты и частотного регулятора. Во внутреннюю часть трубы организован ввод штуцеров для подачи азота в целях пожарной безопасности. В пространство между кожухом и внутренней трубой в нижней части печи организована подача воздуха через штуцер (11). Для того чтобы воздух не проникал во внутреннюю трубу в верхней части, где контакта с катализатором не будет, в кожухе находятся металлические валки (12), принимающие участие во вращении трубы и одновременно препятствующие прохождению воздуха в другие сектора кожуха.  Нагреватель и вращающаяся труба заизолированы от остальных частей установки высокоэффективной изоляцией (13). К трубе с одной стороны пристыковывается загрузочное устройство, включающее  в себя бункер (14) с шнековым дозатором (15), трубы подачи катализатора (16), электродвигатель, приводящий в движение шнек и частотный регулятор (не обозначен).
Внутри внутренней трубы предусмотрены насечки (19), обеспечивающие толщину слоя перемещаемого катализатора в пределах 40 мм.
Внутри барабанной печи введены электронные термоизмерители для контроля и управления процессом регенерации, в количестве 12 шт. Кроме того, в печи установлен датчик наличия кислорода, позволяющий оценить эффективность процесса регенерации. Система управления процессом регенерации катализатора многозонная, позволяющая контролировать температуру в слое катализатора, частоты вращений труб барабанных печей, шнековых питателей, регулировать подачу и расход воздуха в печь, его температуру, контролировать откачку сернистого ангидрида, подачу азота в зону горения, расход катализатора, время выдержки в печи, работу системы пожаротушения.
В вытяжных воздушных трубопроводах установлены и введены в процесс регулирования датчики концентрации кислорода и концентрации диоксида серы. Это позволяет отслеживать процесс регенерации катализатора с высокой точностью. А так же, при отклонении параметров от необходимой нормы тут же менять положения воздушных электрических заслонок для автоматического соблюдения режима регенерации.
В течение производственного процесса благодаря датчику концентрации диоксида серы можно отслеживать качество выгорания сернистых соединений из катализатора и вносить необходимые изменения в процессы без остановки оборудования и проведения лабораторных анализов.
Благодаря гибкости контроля процесса регенерации обеспечивается возможность его применения для широкого ассортимента катализаторов.
На выходе из печи выполнено разгрузочное устройство (17), представляющее собой теплоизолированный бункер со шнековым дозатором, перемещающим восстановленный катализатор на выгрузку в емкость блока охлаждения и просева катализатора (3). Газы регенерации выводят из печи через зонд отвода газов (18) и поступают на блок очистки отходящих газов, предусмотренный на установке (4).
Блок охлаждения и просева регенерированного катализатора представляет собой аэродинамический сепаратор САД-4, производство ООО «НПФ-Аэромех», Украина. Сепараторы такой конструкции применяют для разделения зерна на фракции. В случае разделения регенерированного катализатора разделение в токе воздуха позволяет не только тонко разделить катализатор на фракции и отделить пыль, но и охладить его до температуры ниже 50°С.
Блок очистки отходящих газов представляет собой традиционный скруббер, где в качестве абсорбента используют раствор гидроксида натрия. Предусмотрена подача орошения в верхнюю часть скруббера с помощью насоса через воздушный холодильник.
Установка работает следующим образом.
Сначала отработанный катализатор транспортируют в блок предварительного просева (1), на рассевочную машину для предварительного просева, удаляя пыль, частицы менее 1 мм и керамические  шары, которые были загружены в нижнюю часть реакторов и перемешались с катализатором в процессе его выгрузки. Последние также впоследствии могут быть разделены по размерам с удалением битых шаров. Затем катализатор по ленточному конвейеру загружают в бункер (14) со шнековым дозатором (15) барабанной печи, регулируя расход катализатора с помощью частотного регулятора. Шнек дозатора приводит в движение электродвигатель.
Катализатор поступает в верхний конец внутренней трубы (5) вращающейся печи. В пространство между кожухом и внутренней частью трубы в нижней части печи подают воздух через штуцер (11). Воздух проходит через перфорированную стенку и контактирует с катализатором.
Барабанная печь вращается со скоростью от 2 до 10 об/мин.  Медленное вращение печи обеспечивает перемешивание катализатора и гарантирует гомогенность конечного продукта. Низкая скорость вращения предотвращает измельчение катализатора.
2
В барабанной печи обеспечивают выжигание кокса с катализатора. Нагрев осуществляют  за счет контакта отработанного катализатора с кислородом воздуха. Горячий воздух обеспечивает начало окисления  серы и углерода. Непосредственного контакта пламени с катализатором, которое может отрицательно повлиять на его свойства, нет. Кроме того, поток воздуха используют для того, чтобы снять тепло, образовавшееся в ходе реакции и быстро вывести образовавшиеся SO и воду, предотвращая тем самым сульфатацию оксида алюминия и снижение парциального давления паров воды, которые вызывают агломерацию активных металлических центров.
Регенерированный катализатор с нижнего конца печи с помощью шнекового подавателя поступает в разгрузочное устройство – бункер (17) и далее в емкость для регенерированного катализатора, блока охлаждения и просева (3). Охлаждение катализатора производят до 50°С для его упаковки в бочки. Товарными фракциями катализатора считаются частицы длиной более 2-3 мм в зависимости от марки катализатора. Более мелкие частицы катализатора и пыль также упаковывают в бочки и направляют на утилизацию.
После этого регенерированный катализатор возвращают в установки гидрообработки (гидроочистки и гидрокрекинга).
Отходящие газы барабанной печи проходят через теплообменник воздух-воздух, тем самым прогревая поступающий в печь воздух. Эта особенность позволяет наиболее экономно использовать электрическую и тепловую энергию для проведения регенерации. Так же, благодаря воздушным электрическим заслонкам возможны варианты настройки режимов регенерации, к которым относятся следующие:
• подача в печь воздуха из помещения, где находится печь в процессе разогрева;
• подача в печь воздуха выходящего из печи, для более быстрого розжига или поддержания температуры внутри печи при определенной технической необходимости;
• подача смешанного воздуха; так же возможен подмес азота в подающий трубопровод для принудительного тушения содержащегося в печи катализатора.
После прохождения по техническим трубопроводам печи отходящие газы поступают на очистку в скруббер, орошаемый с помощью насоса через воздушный холодильник.
Эту установку применяют для регенерации катализаторов гидропереработки, в частности, таких катализаторов гидроочистки, как никель-молибденовых и кобальт-молибденовых катализаторов на основе оксида алюминия, таких катализаторов гидрокрекинга, как  никель-молибденовые катализаторы на основе цеолитов.
Во все время осуществления технологического процесса регенерации катализатора микроконтроллер 20 автоматизированной системы управления на основе управляющей программы, хранящейся во  FLASH-памяти программ 22 с использованием для буферизации данных SRAM-память данных 23 и уставок, хранящихся в энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти  EEPROM 24, осуществляет опрос электронных термоизмерителей и датчиков концентрации кислорода и концентрации диоксида серы по радиоканалу, обеспечивая возможность контроля над процессом регенерации. Радиоканал между радиомодулями датчиков и радиомодулем 32 автоматизированной системы управления устанавливают на этапе подготовки установке к работе. При этом автоматическое или полуавтоматическое управление технологическим процессом регенерации катализатора возможно осуществлять предварительно подключив силовой выход 31 автоматизированной системы к нагревателям 9, обеспечив управляемый нагрев печи. Измеренные значения температуры внутри печи, а также концентрации  кислорода и концентрации диоксида серы в вытяжных воздушных трубопроводах выводятся на блок индикации 29 системы управления, а параметры частоты опроса датчиков могут быть настроены с помощью блока ввода данных 30.
Таким образом, рассмотренная в настоящей заявке установка является высокотехнологичным мобильным устройством и может применяться для регенерации катализатора на нефтеперерабатывающих заводах. При этом активность катализаторов после проведения регенерации может составлять от 75 до 90% при правильном соблюдении технологического режима в ходе этого процесса.
Список использованных источников
1. M. Marafi, A. Stanislaus, E. Furimsky. Handbook of spent hydroprocessing catalysts – regeneration, rejuvenation and reclamation, Elsevier, BV, Amsterdam, 2010, с. 187-189.
2. RU168779U1 Российская Федерация, МПК B01J 38/12, F27B 7/00. Установка для регенерации катализатора гидрообработки / Пискайкин С.П. (RU), Шутова А.А. (RU), Пимерзин А.А. (RU), Никульшин П.А. (RU); заявитель ООО «ПромСинтез» (RU) №2016107360; заявл. 01.03.2016; опубл. 17.02.2017, Бюл. 5, 11 с.; ил.