הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

יוני 2002

שיפור היעילות של מערכת ציקלון במתקן F.C.C בבתי הזיקוק לנפט, אשדוד

תקציר לספר הפרוייקטים

פרוייקט גמר

הכין: ישי אזולאי

מנחה: מר ברוך הרשקוביץ

מקום ביצוע: בז"ן אשדוד

1. תקציר מנהלים

תהליך העיבוד של נפט גולמי מתחלק לשלושה שלבים עיקריים:

1. זיקוק – חימום הנפט הגולמי לטמפרטורה של C400⁰ בתחתית מגדל הזיקוק, אידוי מרכיביו השונים (בעלי טמפרטורות רתיחה שונות) ועיבויים לאחר מכן על גבי פלטות איסוף, הנבדלות זו מזו בטמפרטורה שלהן. מתהליך הזיקוק מתקבלים מספר תוצרים כגון: בנזין (C102⁰), נפטנים (C110⁰), פאראפין (C170⁰), סולר (C265⁰) וכמו-כן סולר ואקום כבד (C295⁰) שמוזרם לעבר מתקן הפיצוח (בסוגריים רשומות טמפרטורות הרתיחה הנמוכות ביותר של החומר).
2. פיצוח – פירוק מולקולות גדולות של סולר ואקום כבד למולקולות קטנות.
3. זיכוך – טיהור המוצר מתרכובות לוואי ותיאום המרכיבים למטרה הרצויה.

תהליך הפיצוח של הסולר הכבד מתרחש במתקן הנקרא F.C.C - Fluid Catalytic Crackingומורכב מהשלבים הבאים:

1. ערבוב הנוזל (C240⁰) עם אבקת קטליסט (קטליזטור) חמה (C720⁰) שזורמת בצינור (Riser) המוביל לריאקטור (מיכל בו מתרחשת ריאקציה בין אבקת הקטליסט לסולר). תפקיד האבקה הוא פיצוח קטליטי ותרמי של הנוזל, כלומר שינוי מצב צבירתו לגז, וכן פירוק שרשרות מולקולות למולקולות בודדות. במהלך הפיצוח האבקה סופחת פחם מהנוזל (נפט מכיל בעיקר פחממנים).

2. הזרמת הגז (המעורבב במעט אבקת קטליסט) במערכת הפרדה, שתפקידה להפריד בין אבקת הקטליסט לגז. החלקיקים המופרדים שוקעים לתחתית הריאקטור ומשם הם זורמים לרגנרטור.

3. הוצאת הגז מהריאקטור להמשך תהליך הזיכוך.

4. ברגנרטור מתבצעת שריפת הפחם שהצטבר על אבקת הקטליסט על-ידי הזרמת אוויר חם והעברה בציקלון נוסף, שתפקידו להפריד את האבקה מתוצרי השריפה. תוצרי השריפה נפלטים לאטמוספירה (לאחר סינון נוסף), והאבקה שוקעת בתחתית הרגנרטור לקראת מחזור חדש.

במהלך השנים התברר, שכמות ניכרת של אבקת הקטליסט אינה מופרדת על-ידי מערכת הציקלונים. לתופעה זו שלוש השלכות חשובות:

1. אבקת קטליסט הזורמת במערכת גורמת לבעיות ארוזיה (שחיקה) חמורות של צינורות, משאבות וחלקים אחרים במתקן הבאים במגע איתה.
2. במידה וכמות הקטליסט בגז היוצא מהמתקן גדולה מהתקן הקבוע לנושא זה - לא ניתן יהיה לשווק את הדלק שייוצר מהגז.
3. אבקת הקטליסט שזורמת עם הגז מחוץ למתקן אובדת. עקב מחירה הגבוה של האבקה היא גוררת הפסד כספי רב.

מטרת פרוייקט זה היא הקטנת כמות הקטליסט היוצאת ממתקן ה – F.C.C בבתי זיקוק נפט אשדוד באמצעות שיפור יעילות מערכת הציקלון.

מערכת הציקלון בנויה מגליל המחובר לחלק קוני ומכילה שלושה פתחים: פתח כניסה שממנו נכנסת התערובת, ושני פתחי יציאה – עליון שממנו יוצא הגז המסונן, ותחתון שממנו יוצא המוצק המופרד. עיקרון הפעולה של הציקלון הוא הפעלה של מאזן כוחות שינתב את החלקיק לכיוון פתח היציאה התחתון ואת הגז לפתח היציאה העליון. בתרשים הבא נתון מבנה אופייני של ציקלון ונתיב החלקיקים המסתובבים בו.

יעילות ההפרדה של מערכת הציקלון מוגדרת כאחוז משקלי של החלקיקים שמערכת הציקלון הצליחה להפריד מזרם הגז. מנגנון חשוב שמשפיע על יעילות ההפרדה של המערכת הוא שחיקה של חלקיקי אבקת הקטליסט באביזרים שונים במתקן, שגורמת להיווצרותם של חלקיקים קטנים שמערכת הציקלון איננה יכולה לסנן. התברר כי הפרמטרים המשפיעים על יעילות הציקלון הם:

1. קוטר החלקיק – הגדלת קוטר החלקיק תגדיל את זמן השהות של החלקיק, את מהירותו הרדיאלית, את נפילת הלחץ, את יעילות ההפרדה של הציקלון ואת קצב השחיקה של אבקת הקטליסט, אך תקטין את מהירות החלקיק על פני המצע.
2. טיב פני השטח של החלקיק וצורתו – פני שטח חלקים וכדוריים יגרמו לחלקיק להתגלגל על דופן הציקלון ולא לקפץ עליה כפי שמתרחש עם חלקיקים בעלי פני שטח מחוספסים. מיעוט הקפיצות על דופן הציקלון יגרום לירידה בקצב השחיקה של אבקת הקטליסט.
3. מהירות הכניסה לציקלון – הגדלת מהירות הכניסה תגדיל את מהירותו הרדיאלית של החלקיק, את קצב שחיקת אבקת הקטליסט, את זמן השהות של החלקיק בציקלון, את נפילת הלחץ ואת יעילות ההפרדה של הציקלון. הגדלה של יעילות ההפרדה מתרחשת עד למהירות מסוימת, שממנה והלאה היעילות יורדת.
4. צפיפות החלקיק – שימוש באבקת קטליסט המכילה חלקיקים בעלי צפיפות גדולה יותר תגדיל את המהירות הרדיאלית של החלקיק בציקלון.
5. ריכוז חלקיקים בגז או צפיפות החלקיקים בזורם – העלאת ריכוז החלקיקים בגז תגרום להקטנת נפילת הלחץ ולירידה בקצב השחיקה של אבקת הקטליסט.
6. גדלים גיאומטריים של הציקלון – הגדלה של קוטר גליל הציקלון תקטין את מהירותו הרדיאלית של חלקיק המסתובב בציקלון. כמו-כן הגדלה של היחס בין גובה הגליל לבין גובה החלק הקוני של הציקלון תגרום להגדלה של נפילת הלחץ בציקלון ולהקטנה של זמן השהות של החלקיק.

החלופות שהוצעו לפתרון הבעיה הן:

1. שינויים תפעוליים – שינוי ספיקת הזינה למתקן, צמיגות הזורם וספיקת קיטור הכיחוש.

2. החלפה של אבקת הקטליסט – החלפה של אבקת הקטליסט הקיימת לאבקה המכילה חלקיקים בעלי צפיפות גדולה יותר, קוטר גדול יותר ופני שטח חלקים ועגולים יותר תביא לשיפור ביעילות ההפרדה של הציקלון ולהתנגדות גדולה יותר לשחיקת אבקת הקטליסט.

3. שינויים גיאומטריים בציקלון – החלפת הציקלון לאחר בעל שטח חתך כניסה וקוטר גליל קטנים יותר תגרום להגדלת מהירות הכניסה לציקלון ולהגדלת המהירות הרדיאלית של החלקיק בציקלון. הגדלת המהירויות הללו תגדיל את יעילות ההפרדה של הציקלון אך גם תגדיל את קצב השחיקה של אבקת הקטליסט.

4. הוספת מסנן חיצוני – ניתן למקם מסנן במקום מסוים לאחר היציאה מהריאקטור. קיימים מספר סוגים של מסננים שבהם ניתן להשתמש:

א. מסנן סיבים – עיקרון הפעולה של מסננים מסוג זה הוא עצירת התקדמות החלקיק על-ידי התנגשותו בסיבי המסנן, האטת מהירותו, ולכידתו ברווחים שבין הסיבים.

ב. מסנן חשמלי - עיקרון הפעולה של מסנן זה הוא העברת התערובת של תחתית מגדל הקירור בצינור שמושרה עליו מתח חשמלי גבוהה מאוד (כ- 20kV) שיוצר שדה מגנטי בתוך הצינור. כתוצאה מהשדה המגנטי, נמשכים חלקיקי הקטליסט לעבר דפנות הצינור ונדבקות אליהן בעזרת כדוריות זכוכית שמגבירות את החיכוך. צבירי החלקיקים הנוצרים כל דפנות הצינור נשטפים כל זמן מסוים באמצעות התהליך הבא: סגירת השסתום שמכניס תערובת לצינור, הורדת המתח החשמלי ופתיחת שסתום שמזרים חומר גלם בכיוון הנגדי לכיוון זרימת התערובת הרגיל. חלקיקי הקטליסט שנשטפים מגיעים למיכל אכסון, שממנו ממשיכה חלק מהתערובת לעבר מחזור נוסף במתקן.

ג. מסנן רטוב - עיקרון הפעולה של מסנן מסוג זה הוא הצמדות החלקיקים שנכנסים למסנן לטיפות נוזל שמוזרק לחלל המסנן. החלקיקים, שנכנסים למסנן במהירות גדולה יותר מאשר זו של הנוזל, מתנגשים בטיפות, נדבקים אליהן ונשטפים יחדיו לעבר יציאת הנוזל, ואילו הגז הנקי יוצא מפתח שממוקם בחלקו העליון של התא.

5. שינויים מבניים בציקלון – הוספת אלמנט לציקלון שתפקידו לנתב את החלקיקים שקרובים לפתח היציאה לעבר תחתית הציקלון. אפשרות נוספת לאלמנט סינון היא ה – Riser Termination Device. ה – RTD הוא מתקן שממוקם ביציאה מה – riser אל הריאקטור. המתקן מספק הפרדה ראשונית של אבקת הקטליסט מהתוצר במספר אופנים, ובכך מוריד את העומס ממערכת הציקלונים. דוגמאות להתקנים כאלו הם:

א. מפרד T – התערובת זורמת אל עבר צומת T, מתנגשת בקצה הצינור ומופרדת לחלקיקי אבקת קטליסט שנופלים אל עבר מצע הקטליסט בתחתית הריאקטור ולפחמימנים שעולים למעלה לעבר הפרדה נוספת במערכת הציקלון.

ב. מפרד Vented riser – מפרד מסוג זה מותקן במתקן בבז"ן אשדוד ואופן פעולתו הוסבר בתיאור התהליך בחלק התיאורטי.

ג. Vortex Separation System- התערובת היוצאת מה – riser עוברת דרך מרכזו של תא הממוקם מעל ה – riser ונכנסת אל התא דרך זרועות המשרות תנועה סיבובית (בדומה לזו המתפתחת בכניסה לציקלון) שמפרידה את אבקת הקטליסט מהגז. הגז המופרד ממשיך לעבר מערכת הציקלונים דרך צינור שמהוה המשך ל – riser. יכולת ההפרדה של ההתקן גדולה מאוד: מעל ל – 95% מאבקת הקטליסט הנכנסת להתקן אינה ממשיכה הלאה עם הגז, כלומר רק 5% מאבקת הקטליסט שזורמת במתקן מגיעה למערכת הציקלונים.

החלופות השונות נבחנו לפי השיפור הצפוי, זמן עצירת המתקן לשם ביצוע החלופה ועלות החלופה. בטבלה הבאה מוצגת השוואה בין החלופות השונות:

קריטריון/חלופה	שינויים תפעוליים	החלפת אבקת הקטליסט	שינויים גיאומטריים בציקלון	הוספת מסנן חיצוני	שינוי מבני בציקלון
שיפור צפוי	תיתכן עלייה ביעילות ההפרדה	תיתכן ירידה בקצב השחיקה של האבקה וכן שינוי בסוג התוצר	הגדלת יעילות ההפרדה ב - 2%	לא משפיעה על בריחת הקטליסט מהמתקן אך מורידה את תכולתו בתוצר המיועד לשיווק	הגדלת יעילות ההפרדה ב - 7%
עצירת מתקן	לא דרושה	לא דרושה	הכרחית	לא דרושה	הכרחית
זמן התקנה	אין	אין	7 ימים	14 ימים	14 ימים
עלות ייצור מוערכת	אין	אין	70 אלף $ לחמישה ציקלונים + חומרים	1.1 מיליון $ למסנן חשמלי	7 מיליון $ למפרד V.S.S

בניתוח הנתונים שהצטברו במשך השנתיים האחרונות הוסקו המסקנות הבאות: טמפרטורת הזינה, קצב סחרור אבקת הקטליסט ולחץ הקטליסט משפיעים על קצב בריחת הקטליסט מהמתקן. על-מנת להוריד את קצב הבריחה של אבקת הקטליסט למינימום האפשרי יש לדאוג כי טמפרטורת הזינה, קצב הסחרור של אבקת הקטליסט ולחץ אבקת הקטליסט היוצאת מהריאקטור יהיו בתחום היעיל ביותר שלהם. תחום זה הוא: C200⁰ עד – C250⁰ עבור טמפרטורת הזינה, בין ton/min16.2 לבין ton/min18.4 עבור קצב הסחרור של אבקת הקטליסט ובין bar0.5 ל - bar0.68 עבור לחץ אבקת הקטליסט היוצאת מהריאקטור.

החלופה שנבחרה מבין החלופות שנסקרו עד כה היא התקנת מפרד ביציאה מה – riser. בעזרת מפרד ה – V.S.S ניתן להגיע ליכולת סינון של 99% מהחלקיקים הנכנסים למערכת.

בדיקה של כדאיות ביצוע החלופה שנבחרה התבצעה על ידי השוואת עלויות בשני מקרים עיקריים (ללא שינוי ועם התקנת מפרד), בתוספת מקרה של החלפת מערכת הציקלון הקיימת באחרת (החלופה במקום השני מבחינת שיפור היעילות). בטבלה הבאה מוצגות העלויות (במיליוני שקלים חדשים, 1$=5nis) השונות לתקופת זמן של 10 שנים עבור שלושת המקרים:

עלות/מקרה	ללא שינויים	שינוי גודל ציקלון	התקנת מפרד V.S.S
אבקת קטליסט	6*365*10*2500*5=273.75	4.5*365*10*2500*5=205.3	1.25*365*10*2500*5=57.03
הפסד על זמן שבו המתקן עומד לצורך טיפולים	10*12*125E3*5=75	7.5*12*125E3*5=56.25	2*12*125E3*5=15
סך כל העצירות	10*500E3=5	7.5*500E3=3.75	2*500E3=1
התקנת השיפור	-	100E3*5+17*125E3*5=11.125	7E6*5+24*125E3*5=50
סך הכל	353.75	276.42	123.03

כפי שניתן לראות בטבלה, הכדאיות הכלכלית בהתקנת מפרד V.S.S גבוהה מאוד, ובתקופת זמן של 10 שנים תביא לחיסכון של 77.33 מיליון שקלים חדשים עבור החלפת הציקלון ו - 230.72 מיליון שקלים חדשים עבור הוספת מפרד V.S.S!

מעבר ליכולת ההפרדה הגדולה של ההתקן, יש לו יתרון חשוב נוסף: אחוז הפחמימנים שנשארים בריאקטור ואינם ממשיכים לעבר מגדל ההפרדה הראשי הוא אפסי (פחות מ - 1%). כמו כן זמן השהות של פחמימנים בתא ההתקן הוא כשניה אחת, דבר המונע פיצוח יתר של הפחמימנים ומאפשר קבלת תוצר איכותי יותר (בנזין). כמו-כן בחישובים שהוצעו לא נלקחו בחשבון שחיקת אביזרים אחרים במתקן (כגון משאבות וצינורות) שנובעת מבריחת קטליסט מוגברת. כאשר מביאים בחשבון גם נתון זה - עולה כדאיות שיפור המתקן באחת הדרכים. במקרה של חלופת ה – V.S.S ניתן גם לראות, שאפילו בלי להתחשב בעלויות האחרות מלבד עלות אבקת הקטליסט הטרי שמכניסים למתקן - ביצוע השיפור כדאי.