煉油重整UOP工藝中閥門使用及改進(jìn)

龐志銘

艾默生過程管理(天津)閥門有限公司

煉油重整UOP工藝中閥門使用及改進(jìn)

龐志銘

艾默生過程管理(天津)閥門有限公司

本文論述了煉油行業(yè)催化重整工藝中催化劑再生工段內(nèi)閥門的使用狀況及出現(xiàn)的問題，在比較分析的基礎(chǔ)上對(duì)閥門結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，已達(dá)到提高閥門使用性能，延長(zhǎng)閥門使用壽命的目的。

煉油；重整工藝；閥門使用；改進(jìn)

原油精煉是繼原油開采后必須經(jīng)歷的一個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)，若干年來，對(duì)各種精煉工藝的研究和優(yōu)化從未間斷，目的就是為了改善產(chǎn)物質(zhì)量，降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)安全性。在各種工藝中，催化重整工藝是一種較為成熟的工藝，經(jīng)過一系列的改進(jìn)，其在工藝性能方面已經(jīng)得到了顯著的提高，但是目前仍舊存在一些有待解決的問題， 特別是對(duì)催化劑再生工藝的改善，直接關(guān)系到是否能夠大幅提高產(chǎn)率，降低成本，縮短停機(jī)時(shí)間等問題。本文結(jié)合催化重整工藝的實(shí)際工況和客戶反饋，重點(diǎn)分析工藝中某些重要工位上的閥門在使用中存在的問題，并且提供針對(duì)性的解決方案。

1 催化重整工藝及催化劑再生工藝

催化重整工藝在石油及石化工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，是將從原油中蒸餾得到的石腦油轉(zhuǎn)換為高辛烷值的重整油的一種化學(xué)過程。該過程將低辛烷值的直鏈烴轉(zhuǎn)為帶支鏈的鏈烷(異構(gòu)烷烴)和環(huán)烷烴，部分脫氫生成高辛烷值的芳烴。脫氫過程還生產(chǎn)大量的副產(chǎn)物氫氣，可供給其他煉油過程，如加氫裂化，生成分子量較低的烴，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。除了作為汽油調(diào)和料，重整還是芳烴大宗化學(xué)品如笨、甲苯、二甲苯(BTX)和乙苯的主要來源，它們具有各種用途，最重要的是作為塑膠的轉(zhuǎn)換原料。

催化劑的性能在重整反應(yīng)中至關(guān)重要，其選擇性、活性和穩(wěn)定性對(duì)最終產(chǎn)物的產(chǎn)量和產(chǎn)率非常關(guān)鍵，然而，隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，催化劑逐漸焦化而失去活性，使反應(yīng)性能惡化，反應(yīng)效率降低，因此，催化劑在使用一段時(shí)間后需要再生和更新。UOP(美國環(huán)球優(yōu)品公司)在1971年開發(fā)并且商業(yè)化了催化劑連續(xù)再生工藝(CATALYST CONTINUOUS REGENERATION)，簡(jiǎn)稱CCR(見圖1)。工藝中催化劑可以連續(xù)地從最后一級(jí)反應(yīng)器移除、在特定環(huán)境下再生并且返回到第一級(jí)反應(yīng)器，CCR工藝實(shí)現(xiàn)了重整技術(shù)的一個(gè)階段性的進(jìn)步。由于重復(fù)再生，焦炭可以連續(xù)的燒除，催化劑也得到了連續(xù)的修復(fù)，所以焦炭的沉積不再成為難點(diǎn)，同時(shí)CCR工藝可以降低反應(yīng)壓力，提高汽油產(chǎn)物的辛烷值和提高氫氣的產(chǎn)量。

2 再生工藝要求、特點(diǎn)和問題

2.1 工藝要求

CCR工藝中包括分離、燒炭、鹵化、干燥和還原四個(gè)部分。經(jīng)反應(yīng)后的催化劑由反應(yīng)器底部流出，被提升至再生器頂部的分離料斗，在分離區(qū)去除其中的粉塵，流經(jīng)燒炭區(qū)燒除催化劑表面的焦炭，再經(jīng)過鹵化區(qū)增加催化劑表面的酸性部分，然后干燥去除水分，流經(jīng)還原區(qū)在氫氣環(huán)境下發(fā)生還原反應(yīng)從而完成再生過程。催化劑再生后收集在閉鎖料斗中，分批送至底部的提升器，再提升至反應(yīng)器的頂部。

催化劑在再生過程的每個(gè)部分連續(xù)地流動(dòng)，在底部的閉鎖料斗中按照預(yù)先設(shè)定的量分批傳送至反應(yīng)器，催化劑每批的再生量決定了催化劑的再生循環(huán)率，從而也決定了重整工藝反應(yīng)器的反應(yīng)率，因此在整個(gè)再生系統(tǒng)中的每個(gè)環(huán)節(jié)之間需要安裝閥門配合閉鎖料斗用以準(zhǔn)確控制流經(jīng)每個(gè)反應(yīng)部分的催化劑總量。其中需要依據(jù)工況要求選擇合適的閥門。

2.2 閉鎖料斗隔斷閥的工況特點(diǎn)

位于料斗上游的催化劑因?yàn)楹袣錃猓砸箝y門具有較高的防外漏性能。

催化劑在使用過程中呈顆粒狀，直徑約為0.6 mm，在閥門啟閉的過程中要求催化劑不能被擠碎。

催化劑中含有一定量的粉塵，要求閥門內(nèi)件具有較高的抗磨損性能。

閉鎖料斗區(qū)域的工藝環(huán)境壓力 ≤ 100 PSI，溫度 ≤ 200℃，密封等級(jí) ≤ ANSI Class IV，雙向密封。

2.3 閥門出現(xiàn)的問題

在閥門啟閉使用過程中，部分催化劑顆粒被擠碎形成粉末，與催化劑中一定含量的粉塵一并堆積在閥瓣與閥座的密封位置對(duì)兩者造成磨損，使閥門失去密封性能；粉末與粉塵也會(huì)堆積在驅(qū)動(dòng)軸與軸承之間的空隙，增加啟閉扭矩，降低控制性能；在驅(qū)動(dòng)軸與填料之間堆積的粉塵會(huì)造成填料和驅(qū)動(dòng)軸表面的磨損導(dǎo)致填料失效，造成介質(zhì)泄漏到大氣中，因?yàn)榱隙飞嫌未呋瘎┲泻袣錃?，因此?huì)發(fā)生火災(zāi)；圖2中顯示了驅(qū)動(dòng)軸表面磨損情況。

3 閥門通用設(shè)計(jì)

3.1 材料選擇

圖1 CCR 催化劑連續(xù)再生工藝

圖2 CCR 工藝中閥門驅(qū)動(dòng)軸表面磨蝕狀況

密封圈與閥瓣選擇抗磨蝕，同時(shí)具有一定抗腐蝕的材料， 通用材料為奧氏體不銹鋼，為了增加抗磨蝕性能，需要使用一些鍍層增加材料硬度，例如鍍鉻、碳化鉻，碳化鎢和鎳-硼合金也被用來強(qiáng)化耐磨性能，但由于其耐腐蝕性能一般，所以應(yīng)用受到限制。

驅(qū)動(dòng)軸材料需要同時(shí)兼?zhèn)湟欢ǖ捻g性和耐磨性，通用材料為析出硬化鋼表面鍍鉻或者堆焊鈷基硬質(zhì)合金。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了避免催化劑在流動(dòng)過程中被擠碎，閥門密封圈與閥瓣之間設(shè)計(jì)有間隙從而保證催化劑順利流動(dòng)，因?yàn)殚g隙使閥門不能密封，所以需要另外具有關(guān)斷功能的閥門配合使用。

為了保證還原反應(yīng)的氫氣不外漏到大氣中，在填料部分設(shè)計(jì)有預(yù)加載系統(tǒng)，保證長(zhǎng)時(shí)間使用填料發(fā)生磨損松弛后載荷自動(dòng)補(bǔ)償達(dá)到防止外漏的目的。

4 閥門改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 材料選擇

陶瓷材料隨著近年來工業(yè)化水平的提高在閥門行業(yè)的應(yīng)用愈加廣闊，其優(yōu)異的抗磨蝕和抗腐蝕性能能夠滿足諸多工況要求，其類型也頗為廣泛，例如氧化鋁陶瓷，氧化鋯陶瓷，碳化硅陶瓷等。其缺點(diǎn)是對(duì)拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力敏感，內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)工藝穩(wěn)定性較為敏感，加工難度大等。

離子滲氮工藝可使鍍層硬度達(dá)到67 HRC，有效鍍層硬度大于50 HRC。但因?yàn)闈B碳滲氮工藝會(huì)降低材料的抗腐蝕性，所以其僅適合用于非腐蝕性工況。

驅(qū)動(dòng)軸表面堆焊鈷基硬質(zhì)合金可以有效地增加表面耐磨性，另外，鍍鉻也是一種行之有效的方法。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了避免催化劑粉塵在閥門密封副區(qū)域的堆積，采用全球設(shè)計(jì)較部分球設(shè)計(jì)具有優(yōu)勢(shì)，固定球設(shè)計(jì)較浮動(dòng)球設(shè)計(jì)具有優(yōu)勢(shì)，在閥座背面設(shè)計(jì)施加預(yù)緊力的彈性模塊時(shí)，應(yīng)避免半封閉區(qū)域以消除粉塵堆積的可能性，減少扭力增加，甚至卡住的風(fēng)險(xiǎn)。在密封圈的設(shè)計(jì)中減少易于粉塵堆積的結(jié)構(gòu)。密封圈應(yīng)該盡可能設(shè)計(jì)成為對(duì)稱結(jié)構(gòu)以方便更換，降低成本。

填料結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先選擇帶有碟型彈簧的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)填料在使用一段時(shí)間而松弛后，由碟型彈簧自動(dòng)形變實(shí)現(xiàn)對(duì)填料載荷的補(bǔ)償，此種設(shè)計(jì)方案無需人為干預(yù)，及時(shí)有效地防止氫氣在填料處的泄漏；另外，填料處還應(yīng)采用負(fù)壓防漏設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)為：使用雙填料布局，中間設(shè)置金屬分隔環(huán)將兩套填料分別置于上、下兩側(cè)，隔環(huán)位置的閥體側(cè)壁加工通孔，其上安裝連接管件，管件的另一端與儲(chǔ)氣容器相連，將容器中的壓力設(shè)定為負(fù)壓，當(dāng)有氫氣通過下層填料到達(dá)隔環(huán)位置時(shí)，上層填料防止其形成外漏，同時(shí)在負(fù)壓的作用下，氫氣自動(dòng)進(jìn)入儲(chǔ)氣容器進(jìn)行保存。這種填料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低氫氣外漏的風(fēng)險(xiǎn)，也排除了安全隱患。

總結(jié)

通過使用特殊材料及采用專用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效地提高閥門的使用效率、延長(zhǎng)使用壽命，減少了停機(jī)維護(hù)時(shí)間，也大幅降低了業(yè)主的備品備件數(shù)量，節(jié)約了庫存成本。新型的填料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大幅降低氫氣泄漏的幾率，避免了失火現(xiàn)象的發(fā)生，為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供了安全保障，同時(shí)減少了人員巡查時(shí)間，降低了人力成本。

[1]“HYDROCARBON PROCESSING’S REFINING PROCESSES 2006 HANDBOOK”

[2]“TECHNOLOGY EVOLUTION IN REFINING AND PETROCHEMICALS”