催化汽油吸附脫硫(SZorb)裝置反應(yīng)器分配盤的檢修及分析

李祖利

(中國石油化工股份有限公司濟(jì)南分公司,山東 濟(jì)南250101)

某公司SZorb裝置于2017年3月進(jìn)行裝置大檢修,同年4月5日投料開工,至2021年3月再次停工大檢修,共運(yùn)行47個(gè)月。由于SZorb裝置同時(shí)具備加氫、催化、重整多種工藝特點(diǎn),且裝置運(yùn)行條件苛刻、氣固流體介質(zhì)輸送復(fù)雜多樣、對(duì)設(shè)備材料要求高、安全運(yùn)行維護(hù)投入較多,因此在設(shè)備檢修期間充分發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出問題、解決問題并持續(xù)改進(jìn),保證設(shè)備質(zhì)量和機(jī)械完好性是確保裝置長周期運(yùn)行的基石。SZorb裝置核心設(shè)備包括反應(yīng)器、再生器、閉鎖料斗、過濾器和與吸附劑循環(huán)相關(guān)的關(guān)鍵儀表、閥門等。本文針對(duì)2021年大檢修期間SZorb反應(yīng)器內(nèi)關(guān)鍵部件之一分配盤的檢修進(jìn)行深入分析。

1 SZorb裝置脫硫反應(yīng)器與氣固接觸過程

1.1 SZorb裝置脫硫反應(yīng)器

SZorb裝置脫硫反應(yīng)器總高43m,反應(yīng)器頂部有長7m、直徑3.2m的擴(kuò)徑部分(膨脹段),下部直徑為2m。其主要作用是為原料汽油的脫硫反應(yīng)提供適宜的空間和溫度與壓力等操作條件。反應(yīng)器上部為氣固分離段,下部為反應(yīng)段,頂部出口安裝反應(yīng)器過濾器ME-101。反應(yīng)器頂部膨脹段的作用有兩個(gè):一是膨脹段底部的降塵器可以阻擋大顆粒吸附劑繼續(xù)上升;二是降低氣體流速,減少其對(duì)反應(yīng)器過濾器的沖擊,以便使粉塵被吸附在濾芯表面。膨脹段以下,是由脫硫吸附劑和高溫油氣、氫氣組成的流化床,SZorb裝置關(guān)鍵的脫硫反應(yīng)就在流化床中進(jìn)行。

1.2 流化床反應(yīng)器氣固接觸過程

分配盤位于流化床反應(yīng)器底部,上面均勻分布著若干個(gè)泡帽。氣相進(jìn)料從反應(yīng)器底部彎頭進(jìn)入反應(yīng)器,向上首先通過分布器,流經(jīng)分配盤后進(jìn)入吸附劑床層,氣體在泡帽壓降的作用下均勻分布于反應(yīng)器吸附劑床層截面。

根據(jù)SZorb裝置氣固兩相反應(yīng)機(jī)理,要保證吸附劑顆粒與氣體物料之間充分接觸,避免發(fā)生氣相的溝流、壁流和短路等不良狀態(tài),就要求氣固兩相在床層內(nèi)具備良好的分布。泡帽的流體力學(xué)特性【1】顯示,泡帽分布裝置特別適用于加氫脫硫、加氫裂化等反應(yīng)器,能夠?yàn)閮上嗔鹘橘|(zhì)提供良好的宏觀分布。

2 分配盤檢修發(fā)現(xiàn)的問題

在裝置停工檢修過程中對(duì)脫硫反應(yīng)器R-101底部分配盤進(jìn)行檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)分配盤沖刷腐蝕、泡帽沖刷損壞和泡帽堵塞等問題,如圖1～圖3所示。

圖1 分配盤較大的磨蝕坑

圖3 泡帽有硬質(zhì)結(jié)垢

3 分配盤和泡帽的沖刷腐蝕原因分析

3.1 分配盤和泡帽的沖刷腐蝕

檢修期間,發(fā)現(xiàn)分配盤有一處孔洞(未穿透),30個(gè)泡帽有不同程度的堵塞,大部分泡帽周圍有蓮花狀凹坑。原因分析如下:

1)一般分配盤出現(xiàn)沖蝕的原因?yàn)檫€原器(D-102)下料沖刷,沖刷位置正對(duì)收料口處的分配盤。吸附劑下料長期沖刷導(dǎo)致附近泡帽斷裂,進(jìn)而沖刷分配盤,并最終導(dǎo)致分配盤被磨穿。當(dāng)裝置長期高負(fù)荷運(yùn)行時(shí),這種情況容易發(fā)生。

2)因本次裝置運(yùn)行周期不太長,運(yùn)行負(fù)荷較低,分配盤未出現(xiàn)沖蝕穿透的情況,僅一處沖蝕嚴(yán)重(深度50 mm,直徑110 mm)。沖蝕區(qū)域位于一堵塞泡帽的斜下方,且該泡帽磨損嚴(yán)重。推測此處分配盤沖蝕原因?yàn)?該泡帽發(fā)生堵塞后,氣流流通直徑減小,速度增大,且在各流向不再均勻分布,高速氣流從泡帽流出后,較大的氣流將反應(yīng)器底部的吸附劑攜帶至噴罩本體,撞擊泡帽后反射至根部分配盤,造成進(jìn)氣管和分配盤磨損(見圖2)。當(dāng)泡帽根部進(jìn)氣管被沖蝕穿孔后,引起進(jìn)氣短路,加劇了分配盤的沖刷腐蝕。

圖2 泡帽不同程度的磨蝕坑(深1～7mm)

3)長期使用轉(zhuǎn)劑線也是分配盤沖蝕的誘因。因第一批SZorb裝置反應(yīng)接收器(D-105)收料口設(shè)計(jì)偏高,當(dāng)反應(yīng)器料位較低時(shí)影響收料,故該裝置長期使用轉(zhuǎn)劑線向D-105輸送吸附劑。但轉(zhuǎn)劑線收料口與泡帽頂端在同一水平面,會(huì)引起高溫吸附劑和油氣在分配盤處形成不穩(wěn)定湍流,破壞正常的流化床氣固兩相流的均勻分布,導(dǎo)致吸附劑對(duì)分配盤的沖刷加劇。

4)泡帽周圍的蓮花狀凹坑,是氣相流體通過泡帽后,夾帶吸附劑沖刷分配盤造成的,通過泡帽流體力學(xué)特征分析發(fā)現(xiàn),這類沖刷是不可避免的。影響沖刷嚴(yán)重程度的因素有泡帽齒縫(即導(dǎo)流口)的高度以及通過泡帽的氣體流量、流速。齒縫高于分配盤越多,氣體與吸附劑顆粒接觸點(diǎn)到分配盤的距離越大,吸附劑顆粒被加速的時(shí)間越長,吸附劑顆粒撞擊分配盤表面的速度就越大【2】。氣體流量越大、流速越高,對(duì)分配盤的沖刷磨損越嚴(yán)重。

3.2 泡帽堵塞

泡帽堵塞的原因是多方面的。其一,堵塞的泡帽分布在反應(yīng)器壁周圍,流體在器壁側(cè)的流速相對(duì)于遠(yuǎn)離器壁的流速要低,從而產(chǎn)生一定的靜壓差,使得反應(yīng)器壁上形成壓實(shí)的吸附劑結(jié)片(見圖4)。吸附劑碎片因體積和質(zhì)量較大,可能會(huì)從器壁脫落,對(duì)于無法被提升且處于最外圍的泡帽來說,一方面,靠近器壁一側(cè)無其他泡帽分擔(dān)提升氣流,另一方面,泡帽被吸附劑結(jié)塊包圍,會(huì)影響通過其的氣流量,進(jìn)一步降低吸附劑提升能力。在這種狀態(tài)下,情況持續(xù)惡化,最終將導(dǎo)致在反應(yīng)器壁一側(cè)泡帽被吸附劑堆積堵塞,泡帽流型改變,產(chǎn)生溝流,致使吸附劑燒結(jié)。

因運(yùn)行周期中曾出現(xiàn)過循環(huán)氫中斷事故,聯(lián)鎖導(dǎo)致循環(huán)氫壓縮機(jī)停車、加熱爐停爐、進(jìn)料泵停機(jī)。即便生產(chǎn)在短時(shí)間得到恢復(fù),但在進(jìn)料中斷期間,吸附劑也會(huì)在反應(yīng)器中發(fā)生沉積降溫,形成死床,泡帽被吸附劑淹沒使得氣體無法流通,從而出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

其二,檢修發(fā)現(xiàn),反應(yīng)器入口高溫管線內(nèi)壁有厚度約2mm結(jié)焦物(如圖4所示),在原料和循環(huán)氫或者操作溫度大幅波動(dòng)時(shí),若結(jié)焦物脫離管壁進(jìn)入分配盤底部,也易引起泡帽堵塞。如圖5所示,在反應(yīng)器中堵塞泡帽處能夠發(fā)現(xiàn)明顯吸附劑沉積痕跡。

圖4 吸附劑結(jié)片

圖5 吸附劑死區(qū)

4 解決方案

4.1 工藝優(yōu)化和設(shè)備材質(zhì)升級(jí)

工藝和設(shè)備材質(zhì)方面采取如下措施:

1)在還原器D-102下料口增加分布器,降低吸附劑下料線速,避免吸附劑直接沖擊分配盤和泡帽,降低其對(duì)分配盤和泡帽的沖刷。

2)由于泡帽焊接在分配盤上,且排列密度較大,施工空間不足,更換泡帽的施工難度較大,可將原來的安裝方式由焊接改為方便拆卸的螺紋連接,并通過點(diǎn)焊加以固定。

3)分配盤本體材質(zhì)為14Cr1MoR(H),是一種臨氫設(shè)備用鉻鉬合金鋼鋼板,具有強(qiáng)度高、抗氫蝕的特點(diǎn)。分配盤上面還有4mm厚的E347型堆焊層,以提高分配盤抗高溫、抗硫的能力。但E347型不銹鋼硬度較低【3】,耐磨性不足,在吸附劑顆粒持續(xù)沖刷分配盤的狀態(tài)下,無法為分配盤提供有效的保護(hù)。

建議將分配盤的材質(zhì)進(jìn)行升級(jí),進(jìn)一步提高其抗磨性能。

4)在反應(yīng)器入口管線上增加一個(gè)法蘭(如圖6所示),與器壁法蘭組合成一件可拆卸彎頭。檢修時(shí)將彎頭卸下,既可以對(duì)底部彎頭進(jìn)行清理,亦可對(duì)反應(yīng)器入口管線進(jìn)行爆破吹掃,減少結(jié)焦物質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)器底部堵塞泡帽。

4.2 操作優(yōu)化和檢修對(duì)策

操作和檢修方面采取如下措施:

1)提高工作人員的操作水平,減小或避免生產(chǎn)波動(dòng)。采用設(shè)備完好性管理系統(tǒng),利用ITPM管理方法,制定科學(xué)的維修策略,建立循環(huán)氫壓縮機(jī)預(yù)防性維修計(jì)劃,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患,避免出現(xiàn)循環(huán)氫中斷造成反應(yīng)器死床等生產(chǎn)事故。

2)合理調(diào)整裝置生產(chǎn)負(fù)荷,避免裝置長期處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),在滿足產(chǎn)品要求的前提下,盡量減少閉鎖料斗的運(yùn)行周期,將反應(yīng)線速控制在合理范圍內(nèi),從而減輕吸附劑的沖刷磨損。

3)檢修階段,將分配盤以及泡帽作為檢修重點(diǎn),通過制定專業(yè)的分配盤檢修方案,對(duì)其表面的缺陷進(jìn)行堆焊修復(fù)處理[如圖7(a)～圖7(b)所示]。堵塞的泡帽大多集中在器壁邊緣,更換難度大,因此需對(duì)僅堵塞無磨損的泡帽進(jìn)行疏通作業(yè)。先用磁力鉆在泡帽頂部開孔(如圖8所示),然后用沖擊鉆將堵塞在縫隙中的結(jié)塊清理干凈,最后將切割下的圓盤重新焊接在泡帽頂部[如圖9(a)～圖9(b)所示]。

圖7 分配盤修補(bǔ)前后

圖8 泡帽開孔

圖9 泡帽檢修前后

4)檢修初期對(duì)反應(yīng)器上游設(shè)備及管線進(jìn)行清理,包括對(duì)換熱器間短接、彎頭、換熱器管束等部位的頑固結(jié)焦物進(jìn)行高壓水槍清洗,檢查確認(rèn)清潔無異物后回裝,并對(duì)加熱爐至反應(yīng)器入口管線進(jìn)行爆破吹掃,最大限度減輕上游雜質(zhì)對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行的影響。

5 結(jié)語

反應(yīng)器內(nèi)部氣固雙相流體形態(tài)復(fù)雜多變,由于工藝和操作條件的限制,分配盤磨損和泡帽堵塞的發(fā)生是不可避免的,如何緩解和減輕分配盤的流動(dòng)磨損成為保證SZorb裝置長周期平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的重要課題。本文從多方面對(duì)問題進(jìn)行了分析總結(jié),并提出了相應(yīng)優(yōu)化措施。工藝上盡量使運(yùn)行負(fù)荷滿足設(shè)計(jì)要求,防止因運(yùn)行負(fù)荷過大或者過低使氣固兩相偏離設(shè)計(jì)工況,從而造成分配盤的磨損或泡帽的堵塞;運(yùn)行上精細(xì)操作,科學(xué)管理,通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)加工負(fù)荷、吸附劑循環(huán)量、循環(huán)氫量等參數(shù),保持合理反應(yīng)線速,避免生產(chǎn)波動(dòng),降低吸附劑死床的概率;檢修上通過技術(shù)手段全面精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)并徹底解決問題,采取分配盤修補(bǔ)、泡帽疏通更換、管線爆破吹掃等檢修措施消除設(shè)備隱患,保障設(shè)備功能完好。