加氫裂化床層差壓快速上升的原因分析及對策

黃元斌(騰龍芳烴(漳州)有限公司， 福建 漳州 363216)

加氫裂化床層差壓快速上升的原因分析及對策

黃元斌(騰龍芳烴(漳州)有限公司， 福建 漳州 363216)

騰龍芳烴316萬噸/年加氫裂化裝置于2014年4月26日成功開工，運(yùn)行至2014年8月18日，一段反應(yīng)器R-101A床層差壓由0.6MPa上升至1.7MPa，采取諸多操作調(diào)整均未見效，直至2014年8月19日停工卸劑、檢查，分析差壓上升的重要原因?yàn)樵嫌椭需F含量較大；催化劑結(jié)焦、溝流嚴(yán)重；第二床層催化劑遷移至第三床層入口分配盤。催化劑經(jīng)過篩后回裝，R-101A床層差壓還是超過1.4MPa，經(jīng)過分析為抽真空后催化劑斷裂、粉碎嚴(yán)重。

加氫裂化；催化劑；差壓；空隙率

0 引言

316萬噸/年加氫裂化裝置為騰龍芳烴(漳州)有限公司芳烴聯(lián)合項(xiàng)目的一部分，采用CLG 兩段全循環(huán)加氫裂化工藝，該裝置加工VGO+AGO或VGO，最大限度地生產(chǎn)重石腦油，同時(shí)副產(chǎn)液化氣、輕石腦油、燃料氣和少量尾油。

第一階段于2014年4月26日開工成功，6月4日19:31發(fā)現(xiàn)R-101A床層總差壓由0.6MPa上升至0.787MPa，與前期相比上升明顯；6月6日8:00床層總差壓上升至1.49MPa。為防止床層壓降過快，采取了降低進(jìn)料量的方式維持裝置運(yùn)轉(zhuǎn)。至2014年8月18日停工前，床層總差壓持續(xù)上升，最高升至1.72MPa。2014年8月18日～9月14日對反應(yīng)器進(jìn)行卸劑過篩重裝處理。2014年9月14日第二階段開工進(jìn)油后，R-101A反應(yīng)器床層總差壓超過了1.4MPa，還是處于居高不下。

本文對該裝置第一階段、第二階段床層總差壓上升過快的原因進(jìn)行分析，并提出了對策和建議。

1 反應(yīng)器床層空隙率

催化劑顆粒群堆積成的床層疏密程度可以用空隙率表示。影響空隙率的因素很多，如顆粒形狀、粒度分布、填充方式等。流體流過固定床時(shí)壓降的數(shù)學(xué)模型[1]為：

式中：L為床層高度，Δp/L為單位床層高度的壓降，λ為流體流過床層的摩擦系數(shù)，a為床層比表面積，ρ為流體密度，u為流速。對于確定的裝置，L、λ、a、ρ、u變化不大，對壓降的影響很小。而對壓降影響最大的是空隙率ε。

亂堆的非球形顆粒床層空隙率往往大于球形顆粒。經(jīng)研究[2]，三葉草形催化劑的床層壓力降比圓柱形、球形催化劑要低很多，而且三葉草的外表面積更大，擴(kuò)散路程更短，有利于減少內(nèi)擴(kuò)散阻力。因此，本裝置采用的精制劑及裂化劑均是長條形的三葉草。

2 R-101A第一階段床層總差壓快速上升原因分析

2.1 原料油中攜帶的固體顆粒的沉積

原料油中的固體顆粒主要是機(jī)械雜質(zhì)、鐵銹等。原料油進(jìn)反應(yīng)器的鐵含量最高時(shí)達(dá)到3.61mg/kg，一般都是在2～3mg/kg之間，設(shè)計(jì)的指標(biāo)是原料油中鐵含量應(yīng)小于1ppm。原料油中金屬鐵則沉積于催化劑上，造成催化劑的微孔堵塞而失去活性，形成不可逆的永久性中毒。顯然，原料油中鐵含量是造成床層堵塞，壓力降增大的重要原因。

2.2 高氮工況下，反應(yīng)生成的焦炭

2014年5月22日到2014年6月12日一段反應(yīng)進(jìn)料氮含量基本維持在1400PPM以上，具體操作狀況如下：

(1)2014年5月22日一段反應(yīng)器R-101A入口維持384℃(反應(yīng)進(jìn)料量137t/h，VGO氮含量1518PPM，床層總溫升約89.8℃，一段反應(yīng)器CAT達(dá)到了400℃)，一段反應(yīng)轉(zhuǎn)化率約40%。

(2)2014年6月12日受反應(yīng)進(jìn)料氮含量影響一段反應(yīng)器R-101A入口升溫至390℃(反應(yīng)進(jìn)料量170t/h，VGO氮含量1622.8PPM，床層總溫升約70.89℃，一段反應(yīng)器CAT達(dá)到了412.89℃)，但一段反應(yīng)R-101A轉(zhuǎn)化率卻僅17%。

由此可見，高氮工況(平均1400PPM以上，最高值1622.8PPM)連續(xù)運(yùn)行約20天，催化劑活性下降達(dá)到12.8℃。在高溫下引起了原料油中的生焦母體，如不飽和烴、重芳烴以及硫、氮等雜原子化合物迅速發(fā)生聚合反應(yīng)，形成有機(jī)微粒沉積在床層中。所以，高氮工況下，反應(yīng)為了保持一定的轉(zhuǎn)化率，必須依靠提高反應(yīng)溫度來保證，但提高反應(yīng)溫度會增加催化劑的積炭速度，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致催化劑的結(jié)焦，減小床層的空隙率，反應(yīng)器差壓增大。

2.3 催化劑強(qiáng)度及裝填的影響

加氫裂化催化劑2012年1月份到貨，存放時(shí)間較長，強(qiáng)度會有下降。催化劑初次裝填發(fā)現(xiàn)催化劑斷裂比較嚴(yán)重，存在大量的小顆粒和粉塵。當(dāng)催化劑強(qiáng)度較差，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中遇水破碎而堵塞床層，因此對催化劑強(qiáng)度應(yīng)有嚴(yán)格的控制。床層下沉也會造成壓力降增大，這與裝填催化劑的方式緊密相關(guān)。反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件，特別是液體分配盤設(shè)計(jì)或安裝不當(dāng)會造成流體分布不均勻，甚至溝流等，使原料在死角處積聚生焦，堵塞床層（見圖1、圖2）。

2.4 開工初期多次緊急泄壓致使R-101A催化劑床層發(fā)生遷移事故

2014年6月3日因操作失誤，15:14左右，發(fā)現(xiàn)二段反應(yīng)四床層溫度高報(bào)并有繼續(xù)擴(kuò)大趨勢，裝置被迫緊急泄壓降溫、停工；20：20重新開工引進(jìn)料，投料生產(chǎn)轉(zhuǎn)入正常模式后，發(fā)現(xiàn)一段反應(yīng)R-101A床層阻力降逐步增大，截至6月6日8:00最高升至1.49MPa。由此可見，此次二段反應(yīng)超溫泄壓，導(dǎo)致床層差壓快速上升的主要原因，經(jīng)過卸劑后發(fā)現(xiàn)(見圖3、圖4)。

圖1 R-101A第一床層

圖2 R-101A第一床層

圖3 R-101A第三床層入口分配盤

圖4 R-101A第三床層入口分配盤

此前，4月12日反應(yīng)系統(tǒng)8MPa氮?dú)鈿饷芡戤?，需要泄壓消漏，裝置將反應(yīng)壓力降至5MPa后開始進(jìn)行緊急泄壓測試，測試后，將泄壓孔板直徑由42mm擴(kuò)徑到65mm?？墒?，因反應(yīng)系統(tǒng)在開工過程中出現(xiàn)多次泄漏問題進(jìn)行多次緊急泄壓后，在最近一次，泄壓速率的前一分鐘達(dá)到了1.5MPa(設(shè)計(jì)的緊急泄壓每一個(gè)泄壓閥是1.03MPa/min)。多次泄壓、泄壓速率過快導(dǎo)致第二床層催化劑漏至第三床層入口分配盤，引起反應(yīng)床層總差壓快速上升。

3 R-101A第二階段床層總差壓快速上升原因分析

撫順石油化工研究院根據(jù)我們提供的反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件技術(shù)資料，對反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件在不同工藝條件下的壓力降進(jìn)行了工程核算。核算結(jié)果見表2。

表2 內(nèi)構(gòu)件總壓降核算結(jié)果

由上面的核算結(jié)果可見，R-101A第二階段床層總差壓異常升高是由床層的催化劑引起的，床層內(nèi)構(gòu)件對差壓的影響相對較小。

加氫裂化卸劑時(shí)發(fā)現(xiàn)小于3mm的催化劑顆粒非常多，催化劑粉碎嚴(yán)重。加氫裂化裝劑時(shí)催化劑裝填密度大，無法達(dá)到設(shè)計(jì)堆密度(密相裝填器已調(diào)整至最佳位置，但還是比設(shè)計(jì)值高)。

反應(yīng)器剛進(jìn)油時(shí)反應(yīng)器R-101A各床層壓降為：第一床層0.071MPa；第二床層0.179MPa；第三床層0.199MPa；第四床層0.164MPa；第五床層0.418MPa。R-101A是第一床層卸劑后換新劑重裝，后面四個(gè)床層卸劑，過篩后重裝。由此可以看出，卸劑、過篩、重裝后的催化劑床層壓降較大，原因有卸劑時(shí)候是用抽真空抽出，導(dǎo)致催化劑粉碎嚴(yán)重；催化劑卸出后過篩效果較差，很多碎劑還存在；重裝時(shí)候裝填密度較大，引起催化劑進(jìn)一步粉碎；重新進(jìn)油后床層徑向溫差過大，一開始最大溫差達(dá)到14℃以上。這些情況都能導(dǎo)致床層壓降進(jìn)一步增大。

4 原因總結(jié)

(1)開工初期多次緊急泄壓致使R-101A催化劑床層發(fā)生遷移是反應(yīng)床層差壓上升的最主要原因。

(2)加氫裂化原料金屬含量高，特別是鐵，致使床層差壓上升。

(3)加氫裂化催化劑在高氮工況下失活速率加快，反應(yīng)提溫較多，導(dǎo)致催化劑積炭速率加快，甚至出現(xiàn)結(jié)焦，引起床層差壓上升。

（文章題目：加氫裂化床層差壓快速上升的原因分析及對策）

(4)催化劑初次裝填發(fā)現(xiàn)催化劑斷裂比較嚴(yán)重，存在大量的小顆粒和粉塵，并且催化劑強(qiáng)度存在不足。

(5)加氫裂化在抽真空的情況下卸劑時(shí)發(fā)現(xiàn)小于3mm的催化劑顆粒非常多，催化劑粉碎嚴(yán)重；裝填密度大，無法達(dá)到設(shè)計(jì)堆密度。卸劑過篩重裝后再次出現(xiàn)R-101A床層總差壓較高的主要原因。

5 對策與建議

(1)盡量避免緊急泄壓，保證反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的安裝強(qiáng)度

加強(qiáng)操作人員的培養(yǎng)，嚴(yán)格監(jiān)控各個(gè)系統(tǒng)的操作情況，避免出現(xiàn)操作失誤而泄壓。應(yīng)該在可靠的條件下進(jìn)行緊急泄壓測試，從而產(chǎn)生可靠的泄壓數(shù)據(jù)。反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件安裝時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督，確保安裝到位，尤其是支撐格柵及分配盤等。

(2)提高原料油的純凈度，防止污染物進(jìn)入床層

原料油中的固體微粒通過在儲油罐的油泵出口加設(shè)過濾器，在進(jìn)裝置前除去絕大部分。減少原料從上游裝置帶來的鐵，尤其是含環(huán)烷酸較多的原油在運(yùn)轉(zhuǎn)中將會使器壁中的鐵溶出而帶入反應(yīng)系統(tǒng)，增大反應(yīng)器床層壓降而縮短運(yùn)行周期，帶來嚴(yán)重影響。關(guān)于環(huán)烷酸溶鐵問題的解決措施應(yīng)加強(qiáng)常減壓裝置的脫鹽，中和環(huán)烷酸，減少過程鐵。

(3)完善催化劑的級配方案，擴(kuò)大床層容垢能力

反應(yīng)過程中，于反應(yīng)器內(nèi)增設(shè)積垢籃，應(yīng)用脫金屬催化劑以及分層裝填技術(shù)也是防止金屬集中沉積而延緩床層壓降的有效方法，特別要保證催化劑的脫鐵活性。

反應(yīng)器第一床層采用撫順研究院的齒球保護(hù)劑FZC-204，齒球精制劑FF-46，鳥巢支撐劑BN03A06，鳥巢 保 護(hù) 劑FBN02B01(8045mm)、FBN02B01(30045mm)、FBN03B01(30025mm)。

(4)嚴(yán)格控制原料油的氮含量

嚴(yán)格控制原料油的氮含量，確保反應(yīng)在較低的溫度下進(jìn)行，降低催化劑的失活速率，減少催化劑的積炭速率，防止催化劑出現(xiàn)生焦的情況。

(5)避免抽真空卸劑，確保合適的裝填密度

采用抽真空卸劑時(shí)，對催化劑的斷裂及粉碎有很大影響，應(yīng)盡量避免應(yīng)用抽真空卸劑。嚴(yán)格控制其強(qiáng)度，購買強(qiáng)度高的催化劑。若設(shè)計(jì)堆密度較小，則是催化劑強(qiáng)度較低，應(yīng)在合適的裝填密度下裝填。避免整個(gè)反應(yīng)器全部使用舊劑重新回裝，對于反應(yīng)器差壓有較大影響。

[1]羅方荃.填充床中空隙率分布的研究綜述[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2000,17:231～234.

[2]韓崇仁.加氫裂化工藝與工程.中國石化出版社,2001：687～701.

黃元斌，男，福建漳州人，助理工程師，本科，主要研究方向：加氫裂化工程與工藝。