基于響應(yīng)面分析法減少重整催化劑粉塵的研究

潘冠宇，馬 技，池 亮

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

連續(xù)重整為煉油廠關(guān)鍵產(chǎn)氫裝置，寧夏石化公司采用美國UOP 第三代超低壓連續(xù)重整工藝（圖1）。催化劑經(jīng)過四合一反應(yīng)器反應(yīng)后，通過提升氣送至再生器，再生后再次提升至反應(yīng)器，從而形成閉路循環(huán)。

圖1 UOP 重整簡易流程圖

催化劑顆粒在反應(yīng)-再生系統(tǒng)中循環(huán)移動，由于提升高度達70 m，同時催化劑顆粒之間、顆粒與器壁之間會發(fā)生摩擦和碰撞，從而產(chǎn)生少量的催化劑碎片和粉末。這些粉塵由裝置設(shè)置的粉塵淘析系統(tǒng)來完成粉塵的分離和收集。對于60×104t/a 的連續(xù)重整裝置而言，催化劑磨損量為2～4 kg/d，年損耗量在1.3 t 左右。但是當(dāng)淘析系統(tǒng)操作不正常時，產(chǎn)生的催化劑粉塵和碎劑不能全部淘析出系統(tǒng)，造成部分催化劑粉塵和少量的碎劑在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)并逐漸累積，將會對裝置的安全、平穩(wěn)運轉(zhuǎn)帶來嚴重的威脅[1-2]，甚至引發(fā)事故。同時如淘析氣量過大會導(dǎo)致淘析出的催化劑完整顆粒過多，從而造成浪費，生產(chǎn)成本大幅增加。那么提升氣和淘析氣是否存在交互作用也需要驗證，故如何找尋一種分析手段，既保證裝置穩(wěn)定運行又節(jié)約生產(chǎn)成本，是目前迫切需要解決的問題。

Box-Behnken 中心組合設(shè)計通過二次多項式或更高次項的模型擬合，能同時進行線性、兩因素相互作用考察，從而更直觀、準確的優(yōu)化得到最佳工藝條件[3]，本研究首次采用Box-Behnken 響應(yīng)面分析法，以淘析氣量和提升氣量為考察因素，對重整催化劑粉塵工藝進行優(yōu)化，制定工藝參數(shù)。保證穩(wěn)定生產(chǎn)的情況下，減少催化劑消耗，為企業(yè)創(chuàng)造更高效益。

1 裝置運行情況及試驗方法

1.1 裝置運行情況

寧夏石化公司60×104t/a 連續(xù)重整以90%常壓石腦油和10%柴油加氫石腦油為原料，采用UOP 公司的R-234 催化劑。由于處于裝置檢修周期末期，期間裝置生產(chǎn)正常，反應(yīng)溫度、壓力穩(wěn)定。催化劑卸出顆粒量最高達12.5 kg/d，同時催化劑粉塵中完整顆粒比例達到60%。

1.2 粉塵量增大原因分析

（1）裝置生產(chǎn)不穩(wěn)定，反應(yīng)溫度、壓力大幅波動，造成催化劑的破碎增加。

（2）提升高度為70 m，需要較大的提升氣量，而提升氣量過大，催化劑之間及催化劑與器壁之間的碰撞加劇，催化劑粉塵量增加。偶國富等[4]研究表明：提升氣量對催化劑粉塵的產(chǎn)生有直接的影響。

（3）淘析氣量過大，完整催化劑顆粒被吹出，造成完整顆粒隨著催化劑粉塵被回收，形成大量資源浪費，提高了企業(yè)運行成本。

1.3 試驗設(shè)計與統(tǒng)計方法

（1）提升氣量單因素試驗：固定淘析氣量為1 340 m3/h，選擇提升氣量分別為220、215、210 m3/h測定其催化劑吹出粉塵量的顆粒含量及粉塵量。

（2）淘析氣量單因素試驗：固定提升氣量為220 m3/h，選擇淘析氣量分別為1 420、1 400、1 380、1 360、1 340、1 320 m3/h 測定其催化劑吹出粉塵量的顆粒含量及粉塵量。

（3）統(tǒng)計方法：應(yīng)用Box-Benhnken 模型篩選出提升氣量和淘析氣量的最佳組合。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗結(jié)果

（1）淘析氣單因素試驗結(jié)果：不同淘析氣量對催化劑粉塵的影響見表1，隨著淘析氣量的減少，催化劑粉塵中粉塵量變化不大，而完整顆粒隨之減少。同時淘析氣量在1 320～1 340 m3/h 時催化劑顆粒含量下降不明顯?？赡艿脑蚴翘晕鰵饬吭? 340 m3/h 時，不足以將催化劑完整顆粒吹出。

表1 淘析氣量所對應(yīng)卸出催化劑中顆粒及粉塵的含量分布

（2）提升氣量單因素試驗結(jié)果：不同提升氣量對催化劑粉塵的影響見表2，隨著提升氣量的降低，卸出催化劑粉塵量也隨之減少。在提升氣量為210 m3/h 時，催化劑粉塵量最低為2.19 kg。

表2 提升氣量所對應(yīng)卸出催化劑中顆粒及粉塵的含量分布

2.2 影響因素的響應(yīng)曲面圖

交互作用的響應(yīng)曲面圖能直觀的反映各因素對響應(yīng)值的影響，在所選的范圍內(nèi)分析響應(yīng)面的最優(yōu)值存在及各個因素對評價值的影響大小。故根據(jù)設(shè)計中心設(shè)計了淘析氣量和提升氣量的實際運行數(shù)據(jù)所對應(yīng)卸出催化劑中顆粒及粉塵量的分布，見表3，利用分析軟件對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析，從而建立響應(yīng)曲面模型（圖2）。

表3 淘析氣量和提升氣量所對應(yīng)卸出催化劑中顆粒及粉塵的含量分布

圖2 淘析氣量和提升氣量對催化劑粉塵量的響應(yīng)曲面譜圖

響應(yīng)曲面模型進行平方和分析見表4：P 值是檢驗回歸系數(shù)顯著水平的一項指標，當(dāng)P＜0.050 0 表現(xiàn)為顯著，P＜0.010 0 表現(xiàn)為高度顯著。由表4 可知，模型P＜0.010 0，表明模型高度顯著。本試驗?zāi)Ｐ蚏2=92%，說明有92%的粉塵量變異分布在試驗研究的雙因素中，其模型方程有較好的擬合度，試驗誤差較小，可用該回歸方程代替真實結(jié)果進行分析。模型中的一次項A（淘析氣量）（P=0.049 7）為顯著，而B（提升氣量）（P＜0.000 1）為高度顯著，說明提升氣量對催化劑粉塵量影響高度顯著；交互項AB，P=0.068 7 不顯著，說明淘析氣量和提升氣量的交互影響不顯著。此結(jié)果表明提升氣量對催化劑粉塵量影響較為明顯，而淘析氣量對催化劑粉塵量具有一定影響。同時依據(jù)F 值A(chǔ)=5.613 5、B=62.514 3 和AB=4.626 4，可知影響因子的影響次序為：提升氣量＞淘析氣量＞兩者交互影響。

表4 催化劑粉塵量的響應(yīng)曲面分析

同樣模擬了淘析氣量和提升氣量對催化劑顆粒含量影響的響應(yīng)曲面模型（圖3）。對模型進行分析具體數(shù)據(jù)見表5，值得一提的是：模型P＜0.000 1，說明模型顯著，并且高度適用。模型中的一次項A（淘析氣量）（P＜0.000 1）顯著，而B（提升氣量）（P=0.324 7）表現(xiàn)不顯著，在顆粒含量上AB 沒有交互影響。

表5 催化劑顆粒含量響應(yīng)曲面分析

圖3 淘析氣量和提升氣量對催化劑顆粒含量的響應(yīng)曲面譜圖

2.3 模型驗證

利用響應(yīng)面軟件對條件進行優(yōu)化，模型得出當(dāng)淘析氣量和提升氣量分別為1 340 m3/h 和211 m3/h 時，計算出催化劑顆粒及粉塵的預(yù)測值。為了驗證模型的準確性，調(diào)節(jié)淘析氣量、提升氣量進行了三組驗證試驗，其結(jié)果見表6。試驗值與軟件優(yōu)化預(yù)測值基本一致，表明模型有較好的可靠性，同時由模型模擬出顆粒及粉塵量對淘析氣量和提升氣量的計算公式。

表6 催化劑顆粒及粉塵量分析

3 結(jié)論

本研究旨在保證裝置正常運行的情況下，減少催化劑粉塵的產(chǎn)生并吹出催化劑完整顆粒。工藝的最佳條件在淘析氣量為1 340 m3/h、提升氣量為211 m3/h時，催化劑粉塵量達到最小值，為7.7 kg。同時獲得回歸方程，利用回歸方程可以計算出不同工況下最佳淘析氣量和提升氣量組合，從而降低催化劑粉塵產(chǎn)生量，減少貴金屬催化劑消耗，具有較大經(jīng)濟效益。