催化裂化裝置反應(yīng)器和再生器設(shè)計(jì)

陳萬柱，王政威，郭道生

（中國寰球工程公司 遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

化工設(shè)計(jì)

催化裂化裝置反應(yīng)器和再生器設(shè)計(jì)

陳萬柱，王政威，郭道生

（中國寰球工程公司 遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

通過本公司催化裂化裝置反應(yīng)器（沉降器）和再生器的設(shè)計(jì)，介紹了催化裂化裝置兩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（包括殼體、外集氣室、分布管、襯里結(jié)構(gòu)等的設(shè)計(jì)）及材料選擇（包括殼體材料和內(nèi)件材料）的特點(diǎn)，并對一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇問題進(jìn)行了詳細(xì)分析。

催化裂化；反應(yīng)器；再生器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；材料選擇

催化裂化是煉油工業(yè)中一種最重要的二次加工工藝，在煉油工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位；是石油化工中重質(zhì)餾分油輕質(zhì)化的主要手段。

催化反應(yīng)-再生系統(tǒng)是整個(gè)催化裂化裝置的核心，反應(yīng)器（沉降器）和再生器（以下簡稱兩器）設(shè)計(jì)的成功與否，將直接關(guān)系到裝置能否高效、長周期地運(yùn)行。隨著重質(zhì)餾分油催化裂化技術(shù)的不斷進(jìn)步，對兩器的設(shè)計(jì)有了更加嚴(yán)格的要求。從設(shè)備角度看，主要體現(xiàn)在以下幾方面[1]：

(1)設(shè)備規(guī)模不斷擴(kuò)大；

(2)操作溫度不斷提高；

(3)介質(zhì)腐蝕加??；

(4)更長周期操作的要求。

所有這些都給兩器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文結(jié)合本公司催化裂化裝置兩器的設(shè)計(jì)，談?wù)剝善髟O(shè)計(jì)的一些問題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 殼體設(shè)計(jì)

確定反再兩器的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，除應(yīng)考慮主風(fēng)機(jī)的出口最大壓力外，還應(yīng)考慮非正常狀態(tài)下因催化劑的堆積或其他原因引起的局部升壓，綜合考慮上述因素本裝置設(shè)計(jì)壓力取0.3 MPa。采用冷壁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)溫度取350 ℃。圖1為該兩器的豎面圖。從圖1可見，該裝置為兩段提升管反應(yīng)器、串聯(lián)式二段再生器結(jié)構(gòu)。兩器殼體及提升管設(shè)計(jì)遵循GB150.1～150.4-2011《壓力容器》。對于大開孔，由于其開孔范圍超過了等面積補(bǔ)強(qiáng)法的要求，采用了GB150.3提供的分析法進(jìn)行計(jì)算。

1.2 外集氣室

由于溫度不斷提高，內(nèi)集氣室在操作中容易變形，導(dǎo)致焊縫開裂，影響長周期運(yùn)行。本裝置采用內(nèi)部有隔熱耐磨襯里結(jié)構(gòu)的外集氣室，這樣可以節(jié)省貴重合金鋼，維修方便，并能降低兩器高度。

1.3 分布管

無論是在反應(yīng)器床層內(nèi)進(jìn)行裂化反應(yīng)或是在再生器床層內(nèi)燒焦，都要求沿床層截面均勻地分布?xì)怏w并創(chuàng)造一個(gè)良好的起始流化條件，同時(shí)要抑制聚式流化原生不穩(wěn)定性的惡性引發(fā)，使良好起始流化條件得以長時(shí)期的穩(wěn)定保持下去。所以要選擇具有上述優(yōu)點(diǎn)的分布裝置，本裝置選用樹枝狀分布管。

分布管的作用是均勻布?xì)?，促進(jìn)氣、固兩相接觸，為裝置良好運(yùn)行創(chuàng)造條件。本裝置采用樹枝狀分布管，分布管是由主管和支管組成，支管兩側(cè)有垂直于支管的分支管，在分支管上焊有噴嘴。樹枝狀分布管具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：

(1)壓降較?。?/p>

(2)不易變形；

(3)安裝制造方便，節(jié)省材料；

(4)分布管噴嘴向下，不易于發(fā)生催化劑倒流；

(5)采用限流噴嘴，氣流分布均勻，減少對催化劑的磨損。

圖1 兩器示意圖Fig.1 Schematic diagram of reactor and Regenerator

1.4 襯里結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩器襯里結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。襯里失效主要是由于襯里的脫落和開裂，造成設(shè)備器壁的局部過熱和磨損損壞。隨著襯里材料和技術(shù)的不斷發(fā)展，無龜甲網(wǎng)襯里結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)同。該襯里具有隔熱、耐磨或隔熱耐磨多種作用兼顧，整體性好，強(qiáng)度高和不易脫落的優(yōu)點(diǎn)，適合于裝置大多數(shù)地方。由于側(cè)拉型圓環(huán)錨固釘使用日漸成熟，尤其是在無法支模澆注的單層或雙層隔熱耐磨襯里時(shí)，有較大的優(yōu)越性，其使用效果不亞于帶龜甲網(wǎng)襯里，因此本裝置主要采用側(cè)拉型圓環(huán)的錨固釘單層或雙層隔熱耐磨襯里結(jié)構(gòu)。

2 材料選擇

2.1 殼體材料

近年來，催化裂化裝置殼體發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂問題，引起了大家的足夠重視。殼體應(yīng)力腐蝕裂紋多發(fā)生在焊縫、融合線或熱影響區(qū)[3]。材料的強(qiáng)度越高，其應(yīng)力腐蝕敏感性越高，同時(shí)焊縫的殘余應(yīng)力對焊縫的應(yīng)力腐蝕開裂有加強(qiáng)作用，因此設(shè)計(jì)殼體時(shí)應(yīng)選用Q245R作為殼體的主體材料，焊條應(yīng)與本體材料相匹配。同時(shí)焊縫進(jìn)行焊后消除殘余應(yīng)力熱處理。

應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生的另一個(gè)主要因素是煙氣的露點(diǎn)腐蝕。當(dāng)設(shè)備壁溫低于煙氣露點(diǎn)溫度時(shí)，設(shè)備內(nèi)壁則會(huì)出現(xiàn)酸性溶液，從而成為應(yīng)力腐蝕介質(zhì)。為了避免在器壁上形成酸性溶液, 設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮提高再生器的器壁溫度，其措施有以下幾點(diǎn)：

(1)減小襯里厚度或適當(dāng)增加襯里材料的導(dǎo)熱系數(shù)；

(2)適當(dāng)增加外部保溫；

(3)器壁外部增加外保溫涂層。

由于增加外部保溫，內(nèi)襯里脫落后不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能造成不必要的損失；再者，有傳熱計(jì)算得出，很薄的保溫層就能使殼體壁溫達(dá)到300 ℃以上，此時(shí)，材料的許用應(yīng)力下降很多，金屬耗量增加。本裝置采用(1)(3)方法共用的措施來提高壁溫，經(jīng)傳熱計(jì)算壁溫可達(dá) 200 ℃左右，此方法既避免了材料許用應(yīng)力的下降，又控制了壁溫，而且不增加費(fèi)用。

2.2 內(nèi)件材料

高溫、腐蝕介質(zhì)環(huán)境下受力的內(nèi)構(gòu)件材料的強(qiáng)度較低，同時(shí)承受沖擊力和熱應(yīng)力，所以內(nèi)構(gòu)件選材時(shí)，應(yīng)考慮以下幾方面的因素：

(1)要有較高的應(yīng)力斷裂極限，同時(shí)價(jià)格工程上可以接受；

(2)要有良好的抗熱疲勞性能，要有良好的延伸性和抗沖擊性；

(3)熱膨脹系數(shù)要相近，長期處于高溫環(huán)境，要考慮熱脹差，防止熱位移引起的破壞。

考慮到上述因素，并考慮成本要求，反應(yīng)器內(nèi)的承重構(gòu)件應(yīng)選用耐熱鉻鉬鋼，再生器內(nèi)的承重構(gòu)件應(yīng)選用含碳量不小于 0.04%的奧氏體不銹鋼，以提高高溫強(qiáng)度[4]。本裝置反應(yīng)器內(nèi)旋風(fēng)分離器、料腿、吊掛等選用15CrMoR，再生器內(nèi)的內(nèi)旋風(fēng)分離器、料腿、吊掛、主風(fēng)分布管等選用0Cr18Ni9（含碳量大于0.04%）。

3 結(jié) 論

綜上所述，催化裂化兩器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材是一個(gè)復(fù)雜工程，隨著技術(shù)和設(shè)計(jì)水平的提高，兩器的設(shè)計(jì)水平將會(huì)達(dá)到更高水平。

［1］ 程建民. 大型重油催化裂化裝置再生器的設(shè)計(jì)[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù), 2003, 24(4): 1-4.

［2］ 黃吉國. 煉油裝置工程設(shè)計(jì)[M]. 山東東營: 中國石油大學(xué)出版社, 2010:130-131.

［3］ 賈起亮. 大型催化裂化裝置設(shè)備設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù), 2004, 25(4): 11-14.．

［4］ 陳鳳珠. 反再系統(tǒng)設(shè)備長周期運(yùn)行的常見問題及應(yīng)對措施[J]. 煉油技術(shù)與工程, 2011, 41(10): 48-50.

Design of FCC Reactors and Regenerators

CHEN Wan-zhu，WANG Zheng-wei，GUO Dao-sheng
（China Huanqiu Engineering Corp. Liaoning Branch, Liaoning Fushun 113006, China）

The reactor and regenerator of fluid catalytic cracking (FCC) unit has been designed by China Huanqiu engineering company Liaoning branch. In this paper, the equipment structure design (including shell,gas collection, distribution pipe, lining) and material selection (such as shell,internals) were introduced, and some problem about the structural design and material selection were analyzed.

Fluid catalytic cracking; Reactor; Regenerator; Structure design; Material selection

TE 966

B

1671-0460（2012）06-0634-02

2012-05-15

陳萬柱(1955-)，男，遼寧撫順人，工程師，現(xiàn)從事石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)工作。E-mail：chenwanzhu@hqcec.com；024-57593892。