大型連續(xù)重整裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

邵 文 ，何 勇 ，言 鈞

（1.中國(guó)石油華東設(shè)計(jì)院，山東 青島 266071；2.中國(guó)石化廣西石化公司，廣西 欽州 535008）

催化重整是以石腦油為原料，在一定的溫度、壓力和臨氫狀態(tài)下將原料中的大部分環(huán)烷烴和部分烷烴轉(zhuǎn)化成芳烴，從而提高了目的產(chǎn)品的辛烷值，同時(shí)副產(chǎn)大量氫氣，是生產(chǎn)芳烴和清潔汽油的重要裝置。隨著油品質(zhì)量的升級(jí)和環(huán)境保護(hù)要求的提高，催化重整裝置的地位將會(huì)越來越重要。清潔燃料質(zhì)量指標(biāo)的不斷提高，以及二甲苯和氫氣的大量需求更突顯了連續(xù)重整裝置的重要性。根據(jù)中國(guó)石油的規(guī)劃，在未來10年的時(shí)間里，至少要增加2億t的煉油能力，增加連續(xù)重整裝置10套以上，加工能力約為2000萬t。而連續(xù)重整技術(shù)又是21世紀(jì)煉油生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)品升級(jí)換代、生產(chǎn)超清潔燃料的核心技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)新建的連續(xù)重整裝置規(guī)模越來越大，其中在200萬t·a-1以上規(guī)模的接近10套，其中有4套已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位在重整反應(yīng)器的設(shè)計(jì)技術(shù)，在大管徑高溫復(fù)雜管系、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析設(shè)計(jì)計(jì)算等方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。本文以中國(guó)石油廣西石化公司新建設(shè)的220萬t·a-1連續(xù)重整裝置為例介紹大型連續(xù)重整裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

廣西石化公司新建設(shè)的220萬t·a-1連續(xù)重整裝置是為廣西加工海外原油的大型燃料型煉油項(xiàng)目而建設(shè)的，是目前國(guó)內(nèi)建造的規(guī)模最大的連續(xù)重整裝置之一。采用UOP超低壓連續(xù)重整和第三代催化劑連續(xù)再生（CycleMax）工藝專利技術(shù)，設(shè)計(jì)規(guī)模為220萬·a-1，催化劑再生規(guī)模為4500磅·h-1。以上游輕烴回收裝置提供的精制石腦油為原料，生產(chǎn)RONC為102的高辛烷值汽油組分。該裝置由華東設(shè)計(jì)院和國(guó)際著名工程公司——西班牙TR公司合作完成FEED（Front End Engineering Design）設(shè)計(jì)，華東設(shè)計(jì)院完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。裝置于2010年9月6日一次投料成功，2010年12月進(jìn)行了裝置全負(fù)荷48h運(yùn)轉(zhuǎn)考核標(biāo)定，目前裝置已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行接近2年。截止到2012年5月，共加工原料約310萬t。

1 原料和產(chǎn)品

1.1 原料

連續(xù)重整裝置的原料為輕烴回收裝置生產(chǎn)的精制石腦油，為了增加裝置的靈活性和適應(yīng)能力，原料考慮2種設(shè)計(jì)工況，即一期為貧料工況，二期為富料工況，原料性質(zhì)見表1。

表1 重整原料性質(zhì)

1.2 產(chǎn)品

裝置的主要產(chǎn)品為穩(wěn)定塔底油、含氫氣體、C5組分（液化氣）。其中穩(wěn)定汽油組分去芳烴抽提裝置，C5組分（液化氣）去輕烴回收裝置，含氫氣體去PSA裝置。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

連續(xù)重整裝置的產(chǎn)品收率、公用工程消耗和能耗見表 2、3。

表2 裝置物料平衡表

表3 公用工程消耗及其能耗

3 主要技術(shù)方案的選擇

本文以廣西石化公司220萬t·a-1連續(xù)重整裝置為例，對(duì)主要技術(shù)方案進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果選擇最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案最為本裝置的設(shè)計(jì)。

3.1 反應(yīng)器布置

連續(xù)重整裝置設(shè)有4臺(tái)反應(yīng)器，不同的工藝包提供商布置方式不相同，或4臺(tái)疊置式布置或4臺(tái)并列式布置。對(duì)于UOP工藝技術(shù)，一般采用4臺(tái)反應(yīng)器疊置在一起的設(shè)計(jì)方案[1]。

（1）4臺(tái)疊置式布置：對(duì)于此種設(shè)計(jì)方案，由于4臺(tái)反應(yīng)器疊置在一起，加上頂部的還原段，設(shè)備總高度較高，一般在86m左右，穩(wěn)定性較差。為保證一定的強(qiáng)度，設(shè)備筒體器壁很厚，設(shè)備較重，投資費(fèi)用也較高。另外，設(shè)備的運(yùn)輸、安裝和現(xiàn)場(chǎng)組焊都比較困難，并且土建框架投資相應(yīng)增高，同時(shí)也給裝置的操作和檢修帶來不便。此種方案的優(yōu)點(diǎn)是占地面積較少。

（2）2臺(tái)+2臺(tái)疊置式布置：對(duì)于220萬t·a-1重整裝置，反應(yīng)器尺寸較大，若采用4臺(tái)疊置式，總體高度高，設(shè)備的制造、運(yùn)輸和安裝難度都比較大，同時(shí)煉廠所在地位于臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)域，風(fēng)力載荷大，土建施工費(fèi)用非常高。因此根據(jù)實(shí)際情況提出了2臺(tái)+2臺(tái)疊置式反應(yīng)器布置結(jié)構(gòu)，即還原段、一反、二反疊在一起，緩沖段、三反、四反疊在一起，并列布置。采用此種設(shè)計(jì)方案，設(shè)備總高度降低到45m左右，設(shè)備筒體器壁相對(duì)較薄，設(shè)備總重量減輕，便于施工、檢修和生產(chǎn)操作，設(shè)備和管道布置見圖1。由于采用2列并列布置，占地面積較大，另外還需要增加1套反應(yīng)器間催化劑氫氣提升系統(tǒng)。

2種反應(yīng)器的布置方案對(duì)比見表4。

表4 反應(yīng)器布置方案的對(duì)比表

圖1 UOP典型4臺(tái)疊置式反應(yīng)器和“2臺(tái)+2臺(tái)”疊置式反應(yīng)器布置圖

從表3可以看出，與傳統(tǒng)的4臺(tái)疊置式方案相比，采用并列2臺(tái)+2臺(tái)疊置式反應(yīng)器布置方案框架高度降低約39m，設(shè)備重量減輕51t，總投資可節(jié)省999萬元，由于三反頂部增設(shè)緩沖段部分，使得催化劑裝填量增加4.5t，若重整催化劑按100萬元·t-1計(jì)，即使扣除多裝4.5t催化劑的費(fèi)用還可以節(jié)省投資約549萬元。

結(jié)合以上因素，本裝置最終采用反應(yīng)器并列2臺(tái)+2臺(tái)疊置式布置方案，這也是在國(guó)內(nèi)重整裝置中首次采用。

3.2 扇形筒

連續(xù)重整反應(yīng)器均為徑向反應(yīng)器，其內(nèi)件扇形筒是關(guān)鍵部件之一，是高溫原料油氣進(jìn)入催化劑床層并均勻分配的通道[2]。傳統(tǒng)的扇形筒為“D形”結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度低，扇形筒間催化劑存在死區(qū)，催化劑利用效率低。本裝置設(shè)計(jì)中首次采用Johnson Screens公司優(yōu)化的“梯形”結(jié)構(gòu)扇形筒（OptiMiserTM），結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 “梯形”和“D形”扇形筒結(jié)構(gòu)形式圖

這種結(jié)構(gòu)是Johnson Screens和有關(guān)工藝專利商共同開發(fā)的扇形筒，它結(jié)合了外籃式結(jié)構(gòu)和“D形”扇形筒的安裝和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，保證了均勻的床層厚度，從而使床層接觸范圍最大化。優(yōu)化后的“梯形”扇形筒還有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）機(jī)械強(qiáng)度更大，能夠滿足在更差的工藝條件下使用，使用壽命長(zhǎng)?？膳c反應(yīng)器本體的停車檢修時(shí)間一致，保證了裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的長(zhǎng)周期，從而為實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)周期節(jié)約了成本。

（2）催化劑在每一水平床層都是均勻的厚度，在扇形筒之間沒有死區(qū)，無堆積炭，催化劑的使用效率更高。

（3）扇形筒橫截面積大，流體分布更好，創(chuàng)造了高流量環(huán)境。

（4）更好的壓縮和抗爆性能，軸向縫隙和光滑的絲網(wǎng)防止催化劑在工作中沿床層流動(dòng)時(shí)不被磨損。

3.3 壓縮機(jī)透平冷卻方案

根據(jù)全廠蒸汽平衡情況，重整循環(huán)氫壓縮機(jī)和重整氫增壓機(jī)均采用3.5MPa（G）凝汽透平驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)，通過經(jīng)濟(jì)比較，凝汽透平采用循環(huán)水冷卻，比采用干空冷和增濕空冷冷卻更經(jīng)濟(jì)，效率更高。3種方案對(duì)比見表5。

表5 透平冷卻方案對(duì)比

3.4 再接觸制冷系統(tǒng)

為進(jìn)一步回收C3、C4餾分，提高重整產(chǎn)氫的純度，重整產(chǎn)氫采用兩級(jí)壓縮和兩級(jí)逆流再接觸方式進(jìn)行提純，并在二級(jí)再接觸流程中設(shè)有丙烷制冷系統(tǒng)使再接觸溫度降至4℃，制冷劑采用更環(huán)保、健康的丙烷[4]。為更好地節(jié)能降耗，對(duì)壓縮機(jī)組出口制冷劑冷卻方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過方案比較，壓縮機(jī)組出口采用蒸發(fā)式冷凝冷卻工藝，蒸發(fā)式冷凝器是一種高效節(jié)能的換熱設(shè)備，由于傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在制冷系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用[5]。采用此種工藝可節(jié)省大量的循環(huán)水，經(jīng)濟(jì)效益更好。丙烷制冷劑冷卻方案對(duì)比見表6。

表6 丙烷制冷劑冷卻方案對(duì)比

4 結(jié)論

（1）自裝置開工以來，運(yùn)行平穩(wěn)，各類動(dòng)靜設(shè)備及儀表運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項(xiàng)標(biāo)定指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求；裝置能耗較低，達(dá)到國(guó)內(nèi)同類裝置先進(jìn)水平。

（2）并列2臺(tái)+2臺(tái)疊置式反應(yīng)器以及新型扇形筒的采用，進(jìn)一步突出了狀紙操作和檢修的優(yōu)越性，同時(shí)與國(guó)內(nèi)同類規(guī)模裝置相比，建設(shè)總投資減少約5%。實(shí)踐證明采用優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案是成功的。

[1] 柳雨春，劉春艷.UOP連續(xù)重整裝置大型化的新技術(shù)[J].承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)， 2009，11（2）：35-38.

[2] 王家禾.重整反應(yīng)器扇形管有限元簡(jiǎn)化模型的建立與分析[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)， 2006，19（4）：72-75.