加氫裂化裝置反應(yīng)器飛溫原因分析及處理辦法

李響 閆福彬 袁紅林(中國(guó)石油大港石化公司，天津 300280)

0 引言

加氫裂化技術(shù)由精制反應(yīng)和裂化反應(yīng)共同組成，總的熱效應(yīng)屬于強(qiáng)放熱反應(yīng)，尤其在裂化催化劑所處的反應(yīng)器或床層中，放熱量更高。在正常生產(chǎn)中，通過(guò)冷氫調(diào)節(jié)閥的控制，床層的溫升是處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的。如果由于某些原因?qū)е路磻?yīng)產(chǎn)物與冷氫所攜帶出的熱量少于此床層反應(yīng)的放出熱量時(shí)，熱量平衡就會(huì)被打破，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。飛溫現(xiàn)象存在損壞反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的危害，還會(huì)使得催化劑結(jié)焦、縮短使用壽命甚至直接報(bào)廢，更嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器、高壓換熱器泄露著火等惡性事故事件的發(fā)生。為此，在加氫裂化裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采取了0.7MPa/min和2.1MPa/min兩種不同速度的泄壓方式，根據(jù)飛溫的嚴(yán)重性和事件具體情況進(jìn)行選擇。因此，在加氫裂化裝置的運(yùn)行中，分析反應(yīng)器飛溫的原因以及如何處理飛溫事件就顯得尤為必要。

1 引起反應(yīng)器飛溫的原因

1.1 循環(huán)氫流量減少或中斷

反應(yīng)器床層內(nèi)放出的熱量需要通過(guò)循環(huán)氫攜帶，如果循環(huán)氫流量減少或中斷，就失去了降低床層溫度的能力。循環(huán)氫中斷對(duì)于控制反應(yīng)器溫度的影響是非常重要的，由于循氫機(jī)停運(yùn)后很難向外攜帶出熱量，原料油與催化劑接觸的滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，與氫氣在高溫的反應(yīng)器中繼續(xù)反應(yīng)并持續(xù)放熱，將會(huì)導(dǎo)致床層各處迅速超溫，需要第一時(shí)間采取最有效的泄壓方式。有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)個(gè)別床層入口冷氫量增加，導(dǎo)致其它床層入口冷氫量被爭(zhēng)奪的情況發(fā)生。通常導(dǎo)致循環(huán)氫壓縮機(jī)停運(yùn)的具體原因有冷高壓分離器液位高聯(lián)鎖、循環(huán)氫壓縮機(jī)油壓低聯(lián)鎖、干氣密封泄漏量高聯(lián)鎖、中壓蒸汽中斷以及循氫機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)異常等。

1.2 床層徑向溫差過(guò)大

床層徑向溫差是指在床層同一水平面上，不同位置的熱電偶所測(cè)量的最高溫度與最低溫度之差。反映出由于催化劑裝填不均勻、進(jìn)料分配不均勻或反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件損壞等原因，導(dǎo)致的原料油在反應(yīng)器橫截面流量分布不均，存在走“短路”這一情況。此情況會(huì)導(dǎo)致溝流的發(fā)生和熱點(diǎn)的形成，體現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)溫度上就是床層徑向溫差大。這使得原料油在部分催化劑表面停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，局部反應(yīng)過(guò)度，對(duì)控制反應(yīng)溫度產(chǎn)生了不利的影響，加大了操作生產(chǎn)的難度。在催化劑裝填過(guò)程中，應(yīng)該保證床層各個(gè)位置催化劑的堆密度一致，使原料油在反應(yīng)器內(nèi)部的流態(tài)接近于活塞流。

1.3 原料性質(zhì)、新氫組分發(fā)生變化

原料油的性質(zhì)各有不同，當(dāng)原料油中的硫、氮含量增加或處理烯烴含量較多的原料時(shí)，精制催化劑所在的床層溫升會(huì)有上漲的趨勢(shì)，如果精制床層的冷氫量過(guò)大，還會(huì)存在裂化床層入口冷氫減少的風(fēng)險(xiǎn)。除了加工減壓蠟油外，在摻煉焦化蠟油或催化柴油時(shí)，還需要考慮混合原料油的性質(zhì)變化。對(duì)于采取尾油循環(huán)工藝的裝置，循環(huán)油至反應(yīng)系統(tǒng)的流量變化也會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器進(jìn)料性質(zhì)變化。

新氫組份的發(fā)生變化也會(huì)引起床層溫度的波動(dòng)，新氫中CO、CO2含量增加時(shí)會(huì)發(fā)生甲烷化反應(yīng)同時(shí)放出大量熱量，造成床層溫升過(guò)高而引發(fā)超溫。在CO、CO2含量增加的情況下，可以降低反應(yīng)器催化劑溫度以減少系統(tǒng)耗氫量，再通過(guò)排放氣控制閥保證循環(huán)氫純度。同時(shí)告知?dú)錃庋b置和PSA裝置，直至CO和CO2的濃度脫除至正常范圍。

1.4 床層入口溫度變化

反應(yīng)溫度是加氫裂化工藝的重要操作參數(shù)之一，裂化過(guò)程的深度對(duì)溫度的變化非常敏感，這在具有更高活性的分子篩催化劑(如HC-185)的工況條件下尤為明顯。反應(yīng)進(jìn)料溫度高于正常值，相當(dāng)于加快反應(yīng)放熱的速率，各床層溫升會(huì)以成倍的速率增長(zhǎng)直至無(wú)法控制。在日常調(diào)整中，要嚴(yán)格遵循“先提量，再提溫”的原則。

1.5 進(jìn)料流量減少或中斷

反應(yīng)進(jìn)料減少或中斷可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)爐出口溫度短時(shí)間內(nèi)大幅升高，高溫原料油進(jìn)入反應(yīng)器與催化劑接觸加速了放熱過(guò)程，造成溫升難以控制。另一方面，原料油中斷會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的氨含量減少，即抑制催化劑活性的氨組分減少，變相的提升了催化劑的活性。

1.6 儀表故障導(dǎo)致失控造成超溫

儀表故障可能引起反應(yīng)器床層入口溫度控制點(diǎn)測(cè)量值偏移，導(dǎo)致冷氫控制閥開(kāi)度大幅變化，進(jìn)而造成床層溫升升高或降低。另一方面，冷氫控制閥的故障也會(huì)引起冷氫流量減少或中斷，造成反應(yīng)器飛溫。

2 反應(yīng)器飛溫的處理辦法

在日常生產(chǎn)中，如果發(fā)生反應(yīng)器床層飛溫的情況，循環(huán)氫壓縮機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)是處理床層溫度的重中之重。因此，處理飛溫的方法可以分為以下兩類。

2.1 循環(huán)氫壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)

在循環(huán)氫壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，要充分利用可支配的冷氫流量，攜帶飛溫床層的反應(yīng)熱量。此種情況只要發(fā)現(xiàn)及時(shí)，處理得當(dāng)，通常不會(huì)造成嚴(yán)重的飛溫事件。

增加床層入口冷氫流量的供給。針對(duì)飛溫的床層，開(kāi)大床層入口冷氫控制閥，降低床層入口溫度。除此之外，還要注意降低下一個(gè)床層的入口溫度，以免造成大量熱源攜帶至下一床層引起二次飛溫。需要注意的是，各個(gè)床層入口的冷氫可能會(huì)存在相互爭(zhēng)奪流量的情況發(fā)生，此時(shí)建議提高循環(huán)氫壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步增加可支配的冷氫流量。

降低加熱爐出口溫度。立即手動(dòng)降低燃料氣流量，迅速降低反應(yīng)加熱爐的出口溫度，同時(shí)還建議開(kāi)打原料換熱器的旁路，降低反應(yīng)加熱爐的入口溫度，最大程度上減少進(jìn)入反應(yīng)器的熱量。需要注意的是，在加氫裂化常見(jiàn)工藝流程中存在原料油與反應(yīng)產(chǎn)物換熱器，超溫后的反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)通過(guò)換熱器進(jìn)一步提高原料油至反應(yīng)爐入口溫度，有可能造成二次飛溫。

2.2 循氫機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)

在循環(huán)氫壓縮機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，0.7MPa/min和2.1MPa/min兩種泄壓方式是最為有效且最為重要的處理手段。值得注意的是，啟動(dòng)緊急泄壓的時(shí)間越早越能夠有效的抑制最高點(diǎn)溫度。反應(yīng)飛溫處理期間切忌盲目恢復(fù)進(jìn)料，避免“火上澆油”。在床層溫度沒(méi)有降至足夠低時(shí)，引入原料油、氫氣以及停止泄壓的行為都有可能造成二次飛溫。

啟動(dòng)2.1MPa/min聯(lián)鎖后必須堅(jiān)持一泄到底，直至反應(yīng)系統(tǒng)達(dá)到微正壓才可停止泄壓，嚴(yán)禁中途停止泄壓，此時(shí)反應(yīng)熱即使在較低壓力，在催化劑床層溫度高時(shí)也可能很大。在高溫低氫壓下，等于熱裂化，會(huì)造成催化劑結(jié)焦。

裝置泄壓到末期后要及時(shí)引入事故氮?dú)庵脫Q反應(yīng)系統(tǒng)中的氫氣和油氣。處理所用的事故氮?dú)鉂舛刃枰_(dá)到99.9%，一旦純度不夠，氧氣就有可能被帶入反應(yīng)器，與硫化態(tài)的催化劑發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)一步發(fā)生放熱。另一方面，氧氣會(huì)與反應(yīng)器內(nèi)的氫氣混合，從控制爆炸極限的角度考慮也是不利的。

3 反應(yīng)器飛溫的案例

3.1 裝置介紹

大港石化公司100萬(wàn)噸/年加氫裂化裝置采用單反應(yīng)器雙劑串聯(lián)、尾油全循環(huán)的加工工藝。2020年加氫裂化裝置加工負(fù)荷為78%，循環(huán)比為1.65，混合原料的UOPK值介于芳香烴K值(10.5)和石蠟烷烴K值(12)之間。裝置自2017年檢修改造后采用石腦油增產(chǎn)方案，裂化床層裝填的催化劑更換為活性較高的HC-185LT型和再生的HC-115LTr型。反應(yīng)器各床層的入口溫度見(jiàn)表1。

3.2 反應(yīng)器飛溫案例

2018年12月，加氫裂化裝置由于冷高分液位較高，觸發(fā)循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)，同時(shí)0.7MPa/min低速泄壓聯(lián)鎖啟動(dòng)。當(dāng)時(shí)活性較高的裂化床層溫度先降后漲，4分鐘后發(fā)現(xiàn)床層溫度上漲速度較快，于是當(dāng)班班組手動(dòng)啟動(dòng)2.1MPa/min泄壓放空。最終裂化床層有較多測(cè)點(diǎn)溫度由正常操作的395℃超溫至600℃。

表1 加氫裂化反應(yīng)器各床層溫度

2019年8月，由于上游電網(wǎng)波動(dòng)裝置發(fā)生晃電，導(dǎo)致循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)，同時(shí)0.7MPa/min低速泄壓聯(lián)鎖啟動(dòng)，當(dāng)班班組立即啟動(dòng)2.1MPa/min泄壓放空，裂化床層最高溫度僅達(dá)到495℃。

由此可見(jiàn)，在循環(huán)氫壓縮機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，緊急泄壓聯(lián)鎖是最為重要的降溫手段。針對(duì)作者本單位所處的加氫裂化裝置，僅憑借低速泄壓聯(lián)鎖并不能很好的抑制飛溫這一過(guò)程，及時(shí)啟動(dòng)高速泄壓不僅可以降低超溫后床層的最高溫度，還可以大大縮短開(kāi)工恢復(fù)時(shí)間，降低泄露著火的風(fēng)險(xiǎn)，減少非計(jì)劃停工帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

3.3 處理飛溫過(guò)程的發(fā)現(xiàn)

大港石化公司具備提供6000Nm3/h高壓事故氮?dú)獾臈l件，在事故處理中發(fā)現(xiàn)，高壓氮?dú)獗灰氲椒磻?yīng)器后，會(huì)引起床層溫度的上升，在2019年8月的案例中，裂化床層的最高溫度由495℃上漲至512℃，這一現(xiàn)象可能是由于高壓氮?dú)獾牧鲃?dòng)使得反應(yīng)器內(nèi)殘存的原料油與氫氣發(fā)生了混合所造成的。因此得出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于飛溫溫度比較高的床層，為了避免引入事故氮?dú)夂蟾邷責(zé)嵊拖蛳路酱矊觽鬟f熱量，可以優(yōu)先將事故氮?dú)馔ㄖ练磻?yīng)器最后一個(gè)床層，待溫度無(wú)明顯上漲后再逐步由上吹掃，其他床層處理方式以此類推，此方法可以降低二次飛溫的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

加氫裂化工藝的熱效應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，床層入口溫度是加氫裂化生產(chǎn)中的重要參數(shù)，循環(huán)氫壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是控制反應(yīng)器溫度的重要保障，一旦循環(huán)氫壓縮機(jī)停運(yùn)，必須第一時(shí)間采取可靠的泄壓方式，攜帶出反應(yīng)器內(nèi)大量的熱量。本文分析了引起反應(yīng)器飛溫的諸多因素，通過(guò)分享工作中的真實(shí)案例，總結(jié)了有效應(yīng)對(duì)飛溫事件的處理辦法，保障了裝置安全生產(chǎn)和長(zhǎng)周期運(yùn)行。