Unidade de coqueificação retardada: projeto, princípio de funcionamento, cálculo de potência e matérias-primas

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

As unidades de coqueamento retardado são a solução de hardware mais comum para o refino de petróleo pesado. Seu dispositivo inclui 2 módulos principais - reator, onde a matéria-prima é aquecida e coqueada, e processamento mecânico. O projeto das plantas é realizado em etapas e inclui o cálculo e seleção dos equipamentos de processo, a determinação de indicadores técnicos e econômicos.

Destino

O processo tecnológico de coqueificação é uma das formas de refino do petróleo. Seu principal objetivo é obter coque de petróleo grumoso. Existem 3 métodos de coqueificação usados na indústria:

1. Periódico, em cubos. A matéria-prima é carregada em um aparelho horizontal, aquecida com uma fornalha embaixo e calcinada por 2-3 horas. Depois disso, o forno é resfriado e o produto acabado é descarregado. Este método é o mais simples e menos produtivo.
2. Contínuo. Este método ainda está em fase de desenvolvimento industrial.
3. Semi-contínuo, atualmente recebidoo mais difundido.

Unidades de coqueamento ultra-retardado são o mais recente tipo de equipamento de processo. Neles, a matéria-prima é pré-aquecida em um forno e, em seguida, transferida para câmaras de reação não aquecidas, que possuem uma camada de isolamento térmico para manter a temperatura necessária. O número e tamanho dos reatores, a potência dos fornos afetam o desempenho de toda a planta.

A operação do primeiro DCU na Rússia foi iniciada em 1965 em Ufaneftekhim. O coqueador retardado da planta ainda está em operação hoje. Após a reconstrução em 2007, sua produtividade é de cerca de 700-750 mil toneladas/ano em termos de massa de matéria-prima processada.

Produtos finais

As seguintes substâncias são obtidas em testes ultrassônicos, exceto coque:

• gases de coque (usados como combustível de processo ou processados para obter a fração propano-butano);
• gasolina;
• destilados de coque (combustível, matéria-prima de craqueamento).

Em máquinas de teste ultrassônicas domésticas, o rendimento do coque é de 20-30% em peso. Este indicador depende principalmente da qualidade das matérias-primas. A indústria metalúrgica é a que mais necessita deste produto (produção de ânodos e eletrodos, alumínio, abrasivos, carbonetos, materiais carbono-grafite, ferroligas). Além do primeiro Ufa DCU, outras unidades de coqueamento retardado também foram construídas na Rússia: na Refinaria de Omsk, Refinaria Novokuibyshevsk, LLC LUKOIL-Volgogradneftepererabotka, LUKOIL-Permnefteorgsintez, LUKOIL-Permnefteorgsintez, na Angarsk Petrochemical Company, NOVOIL OJSC (Ufa), TANECO PJSC (Nizhnekamsk).

Matérias-primas

Os materiais alimentícios para coque são divididos em 2 grupos: produtos de processamento primário e secundário. As seguintes substâncias são utilizadas como matérias-primas em unidades de coqueamento retardado:

• óleo combustível;
• half-tar;
• tar;
• piche de alcatrão;
• asf alto e outros derivados industriais de petróleo;
• resíduo de carvão líquido;
• pirólise pesada e alcatrão de xisto;
• resíduos de craqueamento térmico;
• betume de petróleo e óleos pesados.

Resíduos de óleo altamente aromatizados são a matéria-prima mais comum atualmente.

Influência nos parâmetros tecnológicos

Os seguintes parâmetros da coqueria dependem das propriedades das matérias-primas:

• eficiência da câmara de reação;
• qualidade dos produtos recebidos;
• saída de coque;
• condições para o processo.

Os parâmetros mais importantes da matéria-prima são:

• Coqueificação, dependendo do teor de substâncias asfálticas-resinosas. O valor de coqueamento deve estar na faixa de 10-20%. Com um valor menor, o rendimento do coque diminui e, com um valor maior, os depósitos se acumulam no interior das bobinas dos fornos. A capacidade de coqueificação é determinada pela massa do resíduo sólido no cadinho após o aquecimento da amostra de derivados de petróleo nele.
• Densidade.
• Composição química. A partir deas impurezas nocivas que têm o maior impacto na qualidade do coque emitem enxofre (não deve ser superior a 1,5% em peso). Dependendo da finalidade do coque no processo tecnológico, é preferível utilizar diferentes tipos de matérias-primas. Assim, para obter uma estrutura fibrosa do produto final, são utilizados materiais à base de parafina.

O rendimento de coque é proporcional à densidade de alimentação e teor de asf alteno.

Fases de cocção

O processo tecnológico nas unidades de coqueamento retardado é longo e contínuo, desde o fornecimento de matéria-prima até a descarga do produto acabado. Convencionalmente, é dividido em 3 etapas:

1. Reações de decomposição, formação de frações de destilados, intermediários, condensação.
2. Redução significativa do teor de hidrocarbonetos insaturados nos gases, aumento do peso molecular dos componentes do resíduo, reações de ciclização.
3. Aumento do teor de asf altenos no resíduo em até 26%, redução na quantidade de resinas e óleos. Converter resíduo líquido em coque sólido.

Classificação

Existem 2 tipos principais de unidades de coqueamento retardado de acordo com seu layout: bloco simples e bloco duplo.

Entre plantas de dois blocos, existem 4 tipos, que se caracterizam pelo seguinte design e características tecnológicas:

1. Diâmetro interno das câmaras de coqueamento – 4,6 M. Fornos de aquecimento de tendas, quatro câmaras operando em pares. O querosene e o gasóleo obtidos durante o processo de coqueificação são utilizados para aquecimento.
2. Cocacâmaras Ø 5,5 M. Matéria-prima - óleos combustíveis de destilação direta com a introdução de hidrocarbonetos altamente aromáticos, que aumentam o rendimento de um produto de qualidade.
3. Reatores em aço ligado Ø 5,5 m, altura 27,6 m, fornos tubulares com maçarico de assentamento volumétrico, válvulas no cabeçote de seção transversal aumentada, medidores de nível radioativo que permitem registrar a localização da separação de fases coque-espuma. A última inovação ajuda a utilizar melhor o volume útil do reator. Fornecimento de turbuladores com aditivos detergentes para redução de coque de bobinas, gasóleo resfriado em tubos de cabeça.
4. Câmaras de reação Ø 7 m, altura 29,3 m. Entrada axial de matéria-prima nos reatores, sistema hidráulico de descarga de coque com controle remoto, guindastes elétricos, armazéns com armazenamento tipo piso.

Equipamento Aplicado

Equipamentos, que estão equipados com instalações deste tipo, são divididos nos seguintes grupos, dependendo da finalidade:

1. Tecnológico, diretamente envolvido no processo de coqueificação (fornos, equipamentos de coluna, trocadores de calor, câmaras de reatores, cubos, refrigeradores, bombas, tubulações, instrumentação, torneiras e outras válvulas de fechamento e comutação).
2. Esgoto - captação e tratamento de água para retorno ao ciclo de trabalho (resfriamento e extração de coque).
3. Equipamento para descarga de coque de câmaras (cubos). Nas modernas instalações mecanizadas, pode ser do tipo mecânico e hidráulico (eslingas, guinchos, pentes, cortadores, hastes, torres, mangas de borracha).
4. Dispositivos para transporte e processamento do produto acabado (calhas e rampas de recebimento, guindastes, transportadores, alimentadores, britadores, armazéns).
5. Máquinas e equipamentos para mecanização do trabalho.

Ao projetar coquerias retardadas, é necessário considerar cuidadosamente o projeto das câmaras e fornos de reação, pois a duração do ciclo de trabalho depende da confiabilidade de sua operação.

Parâmetros do processo

Os principais parâmetros da tecnologia de coqueificação são:

• Razão de recirculação, definida como a relação entre a carga total das bobinas de reação dos fornos e a carga de toda a planta em matéria-prima. Com o aumento de seu valor, o rendimento de coque, gás e gasolina de alta qualidade aumenta, mas a quantidade de gasóleo pesado diminui.
• Pressão na câmara de reação. Sua diminuição leva a um aumento no rendimento de gasóleo, uma diminuição no rendimento de coque e gás e um aumento na formação de espuma.
• Temperatura do processo. Quanto maior, maior a qualidade do coque em termos de quantidade de substâncias voláteis, sua força e densidade. O valor máximo é limitado pelo risco de coqueificação do forno e dutos, reduzindo a durabilidade das bobinas. Cada tipo de matéria-prima tem sua própria temperatura ideal.

A construção de unidades de coqueamento retardado está associada a altos custos de capital. Portanto, na maioria das vezes é realizada a reconstrução de um complexo de equipamentos já em funcionamento. Isto é conseguido reduzindo o ciclocoqueificação, introdução de novas câmaras de reação ou redução da taxa de recirculação.

Princípio de funcionamento

As unidades de coqueamento retardado consistem em um ou mais grupos pareados de câmaras, em que uma câmara opera na fase de produção do coque e a outra na descarga ou em estado intermediário. O processo de decomposição do material de origem começa em um forno tubular, onde é aquecido a 470-510 °C. Depois disso, a matéria-prima entra em câmaras não aquecidas, onde é profundamente coqueada devido ao calor que a acompanha.

Hidrocarbonetos gasosos e líquidos são descarregados para separação fracionada em uma coluna de destilação. A coque entra no departamento de processamento mecânico, onde é descarregada, classificada e transportada. Um poço é perfurado na camada do produto acabado e um cortador hidráulico é colocado nele. Seus bicos operam sob pressão de até 20 MPa. Pedaços de coque separados caem em uma plataforma de drenagem onde a água é drenada. O produto é então triturado em pedaços menores e separado em frações. Em seguida, o coque é movido para o armazém.

O diagrama de princípio do teste ultrassônico é mostrado na figura abaixo.

Câmaras de coque

As câmaras são um reator, que é a base de toda a instalação. O ciclo de operação da câmara é geralmente de 48 horas, no entanto, nos últimos anos, foram projetados dispositivos ultrassônicos operando nos modos de 18 e 36 horas.

Um ciclo de operação do reator consiste nas seguintes operações:

• carregamento de matéria prima, coqueificação (1 dia);
• off (1/2 hora);
• tratamento hidrotérmico (2,5 horas);
• resfriamento a água do produto, retirada de água (4 horas);
• descarregar produto (5 horas);
• vedação de bueiros, teste de pressão com vapor quente (2 horas);
• aquecimento com vapores de óleo, passagem para ciclo de trabalho (3 horas).

Design

O projeto da unidade de coqueamento retardado está sendo desenvolvido na seguinte ordem:

• determinação da produtividade necessária, t/ano;
• análise de base de recursos;
• elaboração de um balanço material teórico do processo de coqueamento para vários tipos de matérias-primas;
• determinação dos principais fluxos de materiais;
• desenvolvimento do conceito de instalação;
• justificativa para o tamanho e número de reatores;
• determinando o tempo de enchimento de uma câmara com coque e seu cálculo hidráulico, elaborando um cronograma de operação do reator;
• cálculos da carga de temperatura na câmara;
• cálculo das câmaras de convecção e radiação;
• desenvolvimento do layout da linha de produção;
• cálculos tecnológicos de outros equipamentos principais (coluna de destilação, fornos, geladeiras, etc.);
• desenvolvimento de sistema de monitoramento e controle, escolha de ferramentas de automação;
• descrição dos esquemas de proteção de emergência;
• desenvolvimento de aspectos ambientais e medidas de segurança;
• determinação de indicadores econômicos (custos de capital, número de pessoal de serviço, folha de pagamento,custos de produção de matérias-primas e materiais auxiliares, efeito econômico anual, custeio do produto).

O cálculo da capacidade da unidade de coqueamento retardado em base anual é feito de acordo com a fórmula:

N=P x t, onde P é a capacidade da planta, t/dia;

t é o número de dias úteis em um ano.

A saída do produto em termos físicos de acordo com a base e opções de design é determinada com base no equilíbrio de materiais da instalação.