增加反應(yīng)器跨線在連續(xù)重整裝置擴(kuò)能改造中的應(yīng)用

馬云超，王杰廣，董 晨，馬愛增

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

近年來，為滿足市場對高辛烷值汽油、芳烴原料及氫氣不斷增長的需求[1]，我國連續(xù)重整裝置的產(chǎn)能不斷提高。對于煉油廠而言，對現(xiàn)有重整裝置進(jìn)行擴(kuò)能改造是提高產(chǎn)能的重要途徑。連續(xù)重整裝置擴(kuò)能改造工作需要根據(jù)裝置的工藝特點(diǎn)和煉油廠實(shí)際情況，充分分析裝置的瓶頸及裕量，因地制宜地制定改造方案，投入小成本，獲得大效益。

本研究以某連續(xù)重整裝置為例，介紹增加反應(yīng)器跨線在擴(kuò)能改造中的應(yīng)用。該連續(xù)重整裝置以直餾石腦油和加氫焦化石腦油為原料，生產(chǎn)重整汽油，并副產(chǎn)氫氣。裝置規(guī)模800 kta，設(shè)計(jì)年開工8 000 h，反應(yīng)部分采用美國UOP公司的第三代超低壓催化重整工藝，選用中國石化石油化工科學(xué)研究院(簡稱石科院)開發(fā)的PS-Ⅵ催化劑。催化劑再生部分采用UOP公司的Cyclemax專利技術(shù)，再生規(guī)模為907 kgh。根據(jù)煉油廠物料及能量平衡情況，擬通過改造將該裝置處理量提高10%，以年開工8 400 h計(jì)，裝置規(guī)模達(dá)到920 kta。

1 裝置擴(kuò)能改造的瓶頸

在連續(xù)重整裝置擴(kuò)能改造中，反應(yīng)和再生系統(tǒng)普遍存在如下瓶頸：反應(yīng)器內(nèi)催化劑貼壁；加熱爐熱負(fù)荷不足；再生器燒焦能力不足等[2-3]。

1.1 反應(yīng)器內(nèi)催化劑貼壁現(xiàn)象

連續(xù)重整裝置采用徑向反應(yīng)器，催化劑沿軸向密相向下流動，反應(yīng)油氣沿徑向向中心移動。隨著油氣氣速的增加，錯(cuò)流的氣體對催化劑顆粒的曳力造成靠近中心筒一側(cè)的催化劑與中心筒的摩擦力增大，當(dāng)摩擦力增大至足以支撐部分催化劑的重量時(shí)，催化劑不再向下移，這一現(xiàn)象稱為貼壁現(xiàn)象，如圖1所示。油氣流速V1，V2，V3逐漸增加，V1為無催化劑貼壁現(xiàn)象下的氣速，催化劑正常流動；V2為開始出現(xiàn)催化劑貼壁現(xiàn)象的油氣流速，從圖1可見靠近中心筒一側(cè)的部分催化劑停止流動；出現(xiàn)貼壁現(xiàn)象后繼續(xù)提高油氣流速到V3，則催化劑床層同時(shí)出現(xiàn)貼壁和空腔兩種現(xiàn)象[4]。貼壁催化劑長時(shí)間停留在中心筒附近，在反應(yīng)器內(nèi)形成死區(qū)，死區(qū)內(nèi)的催化劑碳含量過高，一旦進(jìn)入再生燒焦區(qū)會引發(fā)超溫現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成內(nèi)構(gòu)件的損壞及催化劑迷你球的出現(xiàn)。

受催化重整反應(yīng)特點(diǎn)決定，連續(xù)重整裝置一般采用4個(gè)反應(yīng)器(第一反應(yīng)器，簡稱一反，以此類推)，且4個(gè)反應(yīng)器尺寸不同，從一反到四反，反應(yīng)器的體積依次增加。以該裝置為例，4個(gè)反應(yīng)器催化劑裝填體積比為10∶15∶25∶50。這種情況下，相對于一反，二反、三反和四反經(jīng)常具有過剩的流體力學(xué)能力，并且過剩的流體力學(xué)能力隨反應(yīng)器尺寸的增加而增大。在進(jìn)行裝置擴(kuò)能改造中，既要充分利用反應(yīng)器的過剩流體力學(xué)能力，又需要警惕反應(yīng)器催化劑貼壁現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 反應(yīng)器貼壁現(xiàn)象示意

1.2 擴(kuò)能前裝置運(yùn)行情況

擴(kuò)能前對裝置進(jìn)行滿負(fù)荷標(biāo)定，以考核裝置的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)能中可能存在的瓶頸。主要操作條件和反應(yīng)結(jié)果列于表1。

表1 擴(kuò)能前的裝置主要操作條件及反應(yīng)結(jié)果

本次標(biāo)定進(jìn)料量達(dá)到100%負(fù)荷，考慮到重整產(chǎn)氫與加氫裝置耗氫量相匹配，反應(yīng)溫度設(shè)定在516 ℃。從表1可以看出，二反加熱爐燃料氣設(shè)計(jì)流量為2 112 m3h，實(shí)際使用流量為2 102 m3h，已接近100%負(fù)荷，另外3個(gè)加熱爐熱負(fù)荷均有較大富余量。從加熱爐現(xiàn)場燃燒情況看，一反、三反、四反加熱爐的燃燒情況良好；二反加熱爐的個(gè)別爐管有燒紅現(xiàn)象，該現(xiàn)象與燃料氣使用量接近滿負(fù)荷相符。由此可見，二反加熱爐熱負(fù)荷不足問題將成為重整裝置擴(kuò)能改造的瓶頸。

從表1還可以看出，一反設(shè)計(jì)壓降為30 kPa，標(biāo)定工況下壓降達(dá)32 kPa，反應(yīng)器壓降偏高。

1.3 不同工況下的貼壁流量核算

采用上述標(biāo)定工況條件進(jìn)行重整反應(yīng)器貼壁情況工程計(jì)算，擴(kuò)能前各反應(yīng)器的貼壁情況見表2。貼壁系數(shù)以實(shí)際流量占貼壁流量的百分?jǐn)?shù)表示。

表2 擴(kuò)能前重整反應(yīng)器貼壁情況

從表2可以看出，一反貼壁系數(shù)接近90%。若擴(kuò)能10%，將進(jìn)料量提高至110 th，保持氫油摩爾比為2.6不變，計(jì)算反應(yīng)器貼壁情況，結(jié)果列于表3。由表3可見，擴(kuò)能后二反、三反、四反的貼壁系數(shù)均不超過92.0%，遠(yuǎn)離貼壁點(diǎn)，不會發(fā)生催化劑貼壁現(xiàn)象。一反貼壁系數(shù)接近100%，將出現(xiàn)催化劑貼壁現(xiàn)象。

表3 擴(kuò)能10%時(shí)重整反應(yīng)器貼壁情況

造成反應(yīng)器內(nèi)催化劑貼壁現(xiàn)象的因素主要有三方面，即反應(yīng)器設(shè)計(jì)尺寸、油氣性質(zhì)和催化劑物理性質(zhì)。對于現(xiàn)有重整裝置，反應(yīng)器尺寸是固定的，調(diào)整設(shè)備尺寸需要付出較高的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。重整原料油的油氣性質(zhì)變化很小，在正常生產(chǎn)條件下基本無法調(diào)節(jié)。因此調(diào)節(jié)催化劑的物理性質(zhì)對解決現(xiàn)有裝置的催化劑貼壁現(xiàn)象最易實(shí)現(xiàn)，一般采用高堆比催化劑。若采用堆密度為0.66 gmL的催化劑替換現(xiàn)有堆密度為0.56 gmL的催化劑，進(jìn)料量提高至110 th，保持氫油摩爾比2.6不變，計(jì)算各反應(yīng)器貼壁情況，結(jié)果列于表4。從表4可以看出，采用高堆比催化劑可使各反應(yīng)器貼壁系數(shù)同時(shí)下降，其中一反貼壁系數(shù)下降約8%，降至90.5%，避免了催化劑貼壁的風(fēng)險(xiǎn)。

表4 采用高堆比催化劑時(shí)的反應(yīng)器貼壁情況

隨著催化劑堆密度的提高，同樣的碳含量將會加大再生燒焦負(fù)荷。中海油惠州石化有限公司200 kta連續(xù)重整裝置同樣采用美國UOP公司第三代超低壓連續(xù)重整工藝技術(shù)，采用堆密度為0.67 gmL的催化劑替換堆密度為0.56 gmL的催化劑，反應(yīng)部分催化劑裝填質(zhì)量提高了15%。裝置于2017 年進(jìn)行72 h的催化劑性能測試。在反應(yīng)溫度507 ℃、84%進(jìn)料負(fù)荷、催化劑循環(huán)速率87.5%的工況下，待生催化劑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)5.5%～6.2%，催化劑生焦速率比常規(guī)堆比催化劑生焦速率快[5]。再生循環(huán)氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.82%，再生器峰溫為570 ℃，接近裝置報(bào)警上限值。更換高堆比催化劑后，再生器的燒焦負(fù)荷增大。因此在本裝置采用更換高堆比催化劑解決擴(kuò)能后的催化劑貼壁問題之前，需要確認(rèn)裝置自身的燒焦能力。本裝置生產(chǎn)需要加工部分焦化石腦油，焦化石腦油組分偏重，會提高催化劑的積炭速率。裝置設(shè)計(jì)燒炭速率為45.35 kgh，擴(kuò)能前標(biāo)定期間，再生循環(huán)氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%，再生器峰溫為570 ℃，催化劑循環(huán)速率為72%，待生催化劑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.87%。催化劑生焦速率為38.33 kgh，達(dá)設(shè)計(jì)燒炭能力的85%，再生器燒焦負(fù)荷較大。若采用高堆比催化劑，再生器燒焦負(fù)荷會進(jìn)一步增大，將超過設(shè)計(jì)燒炭能力，成為重整裝置擴(kuò)能改造的瓶頸。因此無法選用高堆比催化劑解決擴(kuò)能后一反催化劑貼壁問題。

2 增設(shè)一反跨線方案

2.1 增加一反跨線的流程設(shè)計(jì)

為充分利用二反、三反、四反的流體力學(xué)能力，同時(shí)有效避免一反催化劑貼壁現(xiàn)象，擬采用增加一反跨線的方法，提高裝置處理量。將第一加熱爐出口油氣分成兩部分，一部分進(jìn)入一反，另一部分與一反的產(chǎn)物混合后進(jìn)入二反[6]。第二加熱爐的熱負(fù)荷是連續(xù)重整裝置四合一加熱爐中最大的，將全部反應(yīng)原料送入第一加熱爐可以減輕第二加熱爐的負(fù)荷?？缇€如圖2中紅線所示。該方法投資成本小，操作簡單，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益大。

圖2 增加一反跨線方案示意

2.2 增加一反跨線的模擬計(jì)算

表5 采用增設(shè)一反跨線方法時(shí)各反應(yīng)器貼壁情況

重整裝置擴(kuò)能后主要反應(yīng)條件及反應(yīng)結(jié)果的模擬值見表6。由表6可以看出，采用上述增加一反跨線的方法，在反應(yīng)器入口溫度為527 ℃、氫油摩爾比為2.3的條件下，將裝置擴(kuò)能至900 kta，可以使C5+產(chǎn)品RON達(dá)到103，純氫收率達(dá)到3.75%。同時(shí)催化劑積炭速率為40.47 kgh，低于裝置的設(shè)計(jì)燒炭速率(45.35 kgh)。

表6 重整裝置擴(kuò)能后的主要反應(yīng)條件及反應(yīng)結(jié)果的模擬值

3 擴(kuò)能后裝置運(yùn)行情況

裝置擴(kuò)能改造中增設(shè)一反跨線，油氣自一反加熱爐出口分為兩股，一股進(jìn)入一反，另一股與二反加熱爐出口油氣混合后進(jìn)入二反。該管線上設(shè)置一個(gè)高溫閘閥和孔板流量計(jì)，設(shè)計(jì)最大通過流量為12.5 th，通過閥門開度控制通過該跨線的油氣流量。在重整進(jìn)料量大于100 th的情況下，可開啟跨線閥門，通過控制進(jìn)入一反的油氣量以有效避免催化劑貼壁現(xiàn)象。裝置完成擴(kuò)能改造后，重整滿負(fù)荷進(jìn)料量接近110 th，擴(kuò)能10%。

擴(kuò)能后對裝置進(jìn)行一次大負(fù)荷標(biāo)定，以驗(yàn)證增加跨線方案的工業(yè)可行性。為保證裝置產(chǎn)氫量與加氫裝置的氫氣使用量相匹配，此次標(biāo)定設(shè)定反應(yīng)器入口溫度為516 ℃。主要考察擴(kuò)能后裝置的C5+產(chǎn)品收率、芳烴含量及純氫產(chǎn)率是否滿足生產(chǎn)需要。同時(shí)驗(yàn)證增加一反跨線對避免一反催化劑貼壁和降低二反加熱爐熱負(fù)荷的效果。主要操作條件和反應(yīng)結(jié)果列于表7。

表7 擴(kuò)能后重整裝置主要操作條件及反應(yīng)結(jié)果

由表7可以看出，擴(kuò)能后裝置的C5+產(chǎn)品收率、芳烴含量及純氫產(chǎn)率與擴(kuò)能前數(shù)據(jù)相當(dāng)。經(jīng)過此次擴(kuò)能改造，提高了裝置處理量，同時(shí)產(chǎn)品性質(zhì)滿足正常生產(chǎn)要求。

增加一反跨線后，直接分流了進(jìn)入一反的油氣。一反壓降由擴(kuò)能前的32 kPa降低至25 kPa?，F(xiàn)場實(shí)際情況驗(yàn)證了跨線的增加有效降低了催化劑貼壁的風(fēng)險(xiǎn)，催化劑循環(huán)流動正常。

擴(kuò)能后標(biāo)定期間，再生循環(huán)氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，再生器峰溫為580 ℃，催化劑循環(huán)速率為72%，待生催化劑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.2%。催化劑生焦速率為40.49 kgh，較擴(kuò)能前標(biāo)定期間提高2.16 kgh，小于設(shè)計(jì)燒炭速率(45.35 kgh)，滿足裝置正常生產(chǎn)要求。

4 結(jié) 論

現(xiàn)有重整裝置的擴(kuò)能改造中容易出現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)催化劑貼壁、加熱爐熱負(fù)荷不足、再生器燒焦能力不足等問題。對于再生器燒焦能力有限的裝置，不宜采用高堆比催化劑來解決反應(yīng)器內(nèi)催化劑貼壁問題。實(shí)踐證明，通過增加反應(yīng)器跨線的方法進(jìn)行擴(kuò)能改造，可有效避免反應(yīng)器貼壁現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)有利于降低跨線下游加熱爐的熱負(fù)荷。