氣液混合強(qiáng)化在固定床加氫過程中的應(yīng)用進(jìn)展

蘇夢軍，劉劍，辛靖，陳禹霏，張海洪，韓龍年，朱元寶，李洪寶

（中海油化工與新材料科學(xué)研究院，北京 102209）

近年來，隨著石油資源的日益匱乏，原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化日趨嚴(yán)重，同時(shí)，我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展調(diào)整期，加之環(huán)保要求日益嚴(yán)格，對化工生產(chǎn)過程提質(zhì)增效、節(jié)能降碳提出更高的要求[1]。煉油工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱，在創(chuàng)造大量財(cái)富的同時(shí)，往往存在高能耗、高物耗和高污染的問題，是建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的瓶頸之一。加氫技術(shù)是重要清潔煉油技術(shù)，在油品質(zhì)量升級、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、石油資源高效利用、生產(chǎn)過程清潔化進(jìn)程中發(fā)揮了重要的作用。煉油加氫過程主要包含石腦油、煤油、柴油加氫精制，潤滑油加氫補(bǔ)充精制，渣油加氫處理，催化裂化原料和重整原料預(yù)加氫等[2]。煉油加氫過程中氫油兩相物料在反應(yīng)器催化劑床層中的流動混合特性，對催化加氫反應(yīng)效率、過程能耗和物耗、裝置長周期運(yùn)行安全性等具有重要影響。因此，采用過程強(qiáng)化技術(shù)優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和開發(fā)新加氫工藝，在提高多相催化加氫效率，降低生產(chǎn)過程能耗和物耗等方面發(fā)揮著重要作用[3]。

1 固定床加氫反應(yīng)器及多相催化加氫反應(yīng)過程

1.1 固定床加氫反應(yīng)器

固定床反應(yīng)器在煉油加氫領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，加氫反應(yīng)過程中氣相和液相物料流經(jīng)反應(yīng)器催化劑床層時(shí)，催化劑保持靜止不動，根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)物料流動方向的不同，固定床反應(yīng)器分為下流式和上流式，根據(jù)物料流動狀態(tài)的不同又可分為滴流式、鼓泡式和徑向式，相應(yīng)地分別稱為滴流床、鼓泡床和徑向床反應(yīng)器[2]。

如圖1(a)所示是傳統(tǒng)下流式滴流床加氫反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件主要包括入口分配器、氣液分配器、積垢籃、催化劑支撐盤（含支撐梁和格柵）、冷氫管、冷氫箱及出口收集器[4-6]。氣液兩相物料在反應(yīng)器內(nèi)并流向下流動，氣液體積比較大，液相為分散相，氣相為連續(xù)相，氣液相物料通過入口分配器向下部催化劑床層均勻噴灑，在流經(jīng)催化劑過程中發(fā)生加氫反應(yīng)生成目的產(chǎn)物。下流式加氫反應(yīng)器因催化劑床層穩(wěn)定，氫油體積比調(diào)節(jié)范圍較大（50～1200），被大多數(shù)油品加氫工藝過程采用。

圖1 固定床加氫反應(yīng)器

如圖1(b)所示是上流式加氫反應(yīng)器，與下流式滴流床加氫反應(yīng)器對比，其結(jié)構(gòu)較為簡單，反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件主要包括入口擴(kuò)散器、催化劑支撐盤（支撐圈和支撐格柵）、氣液分配盤、催化劑壓蓋格柵、冷氫管、出口收集器[7]。上流式反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相并流向上流動，氣液體積比較小，液相為連續(xù)相，當(dāng)反應(yīng)器中存在過量氣相時(shí)，氣相以氣泡形態(tài)分散在液相中，向上流動的氣液相物料與催化劑能夠充分接觸，反應(yīng)器內(nèi)部溫度較為均勻[8-9]。上流式加氫反應(yīng)器主要應(yīng)用在油品全液相加氫或鼓泡式加氫過程，由于液相浮力及流動沖擊的影響，催化劑床層易發(fā)生膨脹、跑劑等問題；同時(shí)，受液相溶氫量的限制，通常需維持較高的液相循環(huán)比（1～3），在油品加氫工藝過程中應(yīng)用相對較少。

1.2 多相催化加氫反應(yīng)過程

固定床反應(yīng)器中油品加氫種類較多，其中汽油加氫精制反應(yīng)是在氣相條件下進(jìn)行，不受氫氣傳質(zhì)過程的影響；柴油、石蠟油、航空煤油或渣油加氫過程在反應(yīng)條件下經(jīng)常處于氣液兩相狀態(tài)，多相催化加氫反應(yīng)過程受氫氣傳質(zhì)的控制。基于雙膜理論，多相催化加氫反應(yīng)相間傳質(zhì)如圖2所示，加氫反應(yīng)消耗的氫氣需依次從氣相主體通過氣-液界面進(jìn)入油品液相主體，再由液相主體通過液-固界面與催化劑表面的活性位點(diǎn)接觸，進(jìn)行催化加氫反應(yīng)。固定床多相催化加氫反應(yīng)速率即宏觀反應(yīng)速率，主要包括相間傳質(zhì)速率和催化劑本征反應(yīng)速率[10]。提高宏觀反應(yīng)速率有兩種途徑：一種是提高催化劑本征反應(yīng)速率，比如開發(fā)高活性催化劑[11]；另一種是提高反應(yīng)過程的多相反應(yīng)物料的相間傳質(zhì)速率[12]，比如開發(fā)新型反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件或反應(yīng)工藝。由于氫氣在油相中較難溶解，固定床加氫過程中，氫氣的飽和溶解度隨壓力、溫度的提高而增大，壓力影響最為明顯[13-15]，當(dāng)開發(fā)高活性催化劑遇到瓶頸時(shí)，通常采用提高反應(yīng)溫度、壓力或氫油比的方式提高氫氣向油相中的傳質(zhì)速率，該過程能耗和物耗巨大。因此，開發(fā)過程強(qiáng)化新技術(shù)或新工藝，改變固定床反應(yīng)器內(nèi)氫氣和油相在催化劑床層的流動和混合方式，盡可能提高氫油兩相傳質(zhì)速率和催化劑接觸反應(yīng)效率，成為不同油品固定床加氫過程提質(zhì)增效、節(jié)能降碳的重要途徑。

圖2 多相催化加氫反應(yīng)相間傳質(zhì)

2 滴流床加氫工藝及其氣液混合強(qiáng)化反應(yīng)過程

2.1 滴流床加氫工藝

傳統(tǒng)滴流床加氫工藝流程如圖3 所示[16]，原料油在加熱爐前與氫氣混合，氣液兩相物料經(jīng)預(yù)熱后從反應(yīng)器頂部進(jìn)入，在反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件作用下向下流經(jīng)催化劑床層，進(jìn)行加氫反應(yīng)。加氫后產(chǎn)物依次經(jīng)過高、低壓分離器，輸送至分餾系統(tǒng)；滴流床加氫反應(yīng)過程中氫油體積比較大，過量氫氣從高壓分離器頂部排出后，經(jīng)過循環(huán)氫脫硫塔與補(bǔ)充的新氫混合，再經(jīng)循環(huán)氫壓縮機(jī)升壓后一部分送至原料油管線，一部分送至床層冷氫段。由于氫氣作為連續(xù)相，油相作為分散相，長周期運(yùn)行過程中油氣兩相在催化劑床層難以保持均勻的分布狀態(tài)，易形成溝流和偏流[17-19]，而且催化劑潤濕效率的降低將導(dǎo)致整體催化加氫效率下降[20]，床層壓降、徑向和軸向溫度分布也會隨之變化，影響催化劑使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量。滴流床反應(yīng)器內(nèi)氣液相物料流動分布狀態(tài)主要受內(nèi)構(gòu)件的影響[5]，在不改變催化劑裝填量及裝填方式的情況下，通過對反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)氣液混合特性，可使油品加氫效率得到提升。

圖3 滴流床加氫工藝流程

2.2 滴流床加氫反應(yīng)過程氣液混合強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

通過開發(fā)新型滴流床反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件強(qiáng)化氣液混合特性，不僅能有效提升多相催化加氫反應(yīng)效率，也能降低反應(yīng)器壓降、設(shè)備投資、運(yùn)行能耗，提高裝置長周期運(yùn)行穩(wěn)定性。滴流床加氫過程反應(yīng)物料在流經(jīng)入口彎管后產(chǎn)生偏流，后經(jīng)常規(guī)的入口擴(kuò)散器后氣液分布相對集中[5]，針對該問題，中石化洛陽工程有限公司（LPEC）開發(fā)出雙錐形入口擴(kuò)散器，如圖4所示，氣液物料經(jīng)過雙錐形入口擴(kuò)散器向下流動時(shí)，通過雙側(cè)糾偏擋板的攔截和空心錐形體內(nèi)的繞流，氣液物料的偏流得到矯正，再經(jīng)過雙層傘板的濺射、噴射以及散射作用，氫氣氣相和油品液相得到充分預(yù)混，數(shù)值模擬和冷模試驗(yàn)測試表明，雙錐形入口擴(kuò)散器在基準(zhǔn)工況的30%～120%負(fù)荷內(nèi)能夠有效糾正偏流，壓降為1.23～7.65kPa，并為下部過濾盤和分配盤提供較好的初始分布[6]。

圖4 雙錐形入口擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)

流經(jīng)氣液分配器的液相物料被分散成液滴，液相分散的均勻性會直接影響下層催化劑的潤濕程度和使用效率。傳統(tǒng)滴流床加氫反應(yīng)器氣液分配器大多為泡帽，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝難度大，而且會使下降管中產(chǎn)生“中心匯流”現(xiàn)象。新型180°撞擊板管式氣液分配器結(jié)構(gòu)如圖5 所示，模擬和試驗(yàn)表明，新型氣液分配器能夠?qū)崿F(xiàn)液體在反應(yīng)器徑向截面上的均勻分布，當(dāng)氣相或液相負(fù)荷在30%～150%變化時(shí)，液體徑向分布數(shù)據(jù)也能維持平穩(wěn)。如圖6 所示，不同類型的氣液分配器物料分散效果對比可以發(fā)現(xiàn)，新型氣液分配器對氣液相物料混合及分散效果更具優(yōu)勢[6]。

圖5 新型180°撞擊板管式氣液分配器結(jié)構(gòu)

圖6 不同類型氣液分配器效果對比

對于兩個床層以上的固定床反應(yīng)器，床層之間需引入冷氫，通過冷氫與高溫物料的混合來控制加氫反應(yīng)過程溫度的不斷升高以及預(yù)防“飛溫”。冷氫系統(tǒng)主要由冷氫分布管和冷氫箱組成，傳統(tǒng)滴流床加氫反應(yīng)器冷氫系統(tǒng)存在冷氫管和冷氫箱間的空間利用不充分、冷氫箱氣液間接觸面積有限和相互作用不強(qiáng)的缺點(diǎn)，混合傳熱性能有待進(jìn)一步提高。一種新型旋流冷氫管與對撞混合冷氫箱組合的新型冷氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7(a)、(b)所示，新型旋流冷氫管在環(huán)管內(nèi)、外側(cè)水平截面內(nèi)形成逆向旋流冷氫，帶動上層熱流體在冷氫管和冷氫箱間隔的空間快速混合換熱，實(shí)現(xiàn)高溫物流的快速降溫；新型對撞混合冷氫箱通過扇形流道設(shè)計(jì)，引導(dǎo)流體分為若干股進(jìn)行兩兩高速相撞，撞擊速度可達(dá)到10～30m/s，實(shí)現(xiàn)冷氫與油氣的快速混合與降溫。試驗(yàn)結(jié)果表明，冷氫系統(tǒng)在基準(zhǔn)工況的10%～130%操作范圍內(nèi)都能表現(xiàn)出良好的換熱性能，壓降變幅為0.6～27.36kPa[6]。

圖7 新型冷氫系統(tǒng)

中石化北海煉化兩臺柴油加氫反應(yīng)器應(yīng)用了以上新型內(nèi)構(gòu)件，通過工業(yè)試驗(yàn)核算，相比于傳統(tǒng)柴油加氫反應(yīng)器，反應(yīng)器在安裝新型內(nèi)構(gòu)件后軸向高度分別可降低520mm 和285mm，設(shè)備質(zhì)量減少約8t，在裝置60%～120%操作負(fù)荷變化下，反應(yīng)器壓降均小于0.1MPa，各催化劑床層徑向溫差均小于3℃，裝置投資成本和能耗也大幅降低。

滴流床加氫反應(yīng)過程氣液混合強(qiáng)化技術(shù)對加氫工藝的提質(zhì)增效、節(jié)能降碳具有重要影響，基于不同加氫原料物性及操作工況，需不斷從降低反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件高度、減少內(nèi)構(gòu)件重量或數(shù)量、提高內(nèi)構(gòu)件安裝和拆卸便捷性等方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，強(qiáng)化加氫過程反應(yīng)器內(nèi)氣液混合及傳遞過程的效率。

3 液相加氫工藝及其氣液混合強(qiáng)化反應(yīng)過程

3.1 液相加氫工藝

針對傳統(tǒng)滴流床加氫過程氣液固多相傳質(zhì)阻力較大、能耗和物耗較高等問題，國內(nèi)外也不斷開展液相加氫相關(guān)技術(shù)研究；與傳統(tǒng)滴流床加氫過程相比，液相加氫過程固定床反應(yīng)器中催化劑被油相完全浸潤，加氫反應(yīng)所需的氫提前溶解在油相中，然后進(jìn)入催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)，床層徑向溫差和軸向溫升較低，無循環(huán)氫系統(tǒng)，裝置工藝流程更簡單、本質(zhì)安全性更強(qiáng)，裝置能耗和投資也大幅度降低[21]。液相加氫技術(shù)已成為我國油品質(zhì)量升級過程中關(guān)鍵技術(shù)之一，液相加氫工藝發(fā)展主要有以下幾種。

杜邦I(lǐng)SO Therming 全液相等溫加氫處理技術(shù)，反應(yīng)部分的工藝流程如圖8所示。該工藝采用下流式固定床加氫反應(yīng)器，新氫與原料油在加熱爐前混合，飽和溶解氫的油相從反應(yīng)器頂部進(jìn)入后進(jìn)行氣液分離，過量氫氣從床層上部的壓力控制閥排出，純液相通過下部催化劑床層，床層間設(shè)置混氫裝置進(jìn)行再次混氫補(bǔ)充反應(yīng)過程消耗的氫氣，過量氣體從下一床層上部的壓力控制閥排出，保證催化劑床層在全液相環(huán)境進(jìn)行加氫反應(yīng)，反應(yīng)器出口設(shè)置高溫高壓液相循環(huán)泵，通過控制循環(huán)油與原料油的循環(huán)比調(diào)節(jié)反應(yīng)物料溶氫量滿足不同加氫深度需求。ISO Therming 技術(shù)工藝與傳統(tǒng)滴流床加氫工藝相比，操作簡單易控、能耗物耗較低，同時(shí)催化劑完全浸泡在油相中，液相作為熱載體可帶走部分反應(yīng)熱量，降低催化劑床層的溫升，減少催化劑的結(jié)焦和失活速率，延長使用周期[22-23]。

中石油長慶石化600kt/a 柴油加氫裝置應(yīng)用ISO Therming技術(shù)，以50%直餾柴油和50%催化柴油混合油為原料生產(chǎn)國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)柴油，在反應(yīng)壓力6.4MPa、反應(yīng)溫度350℃、循環(huán)比2 的條件下對裝置進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，柴油含硫量由1000μg/g降至30μg/g，裝置能耗為230.3MJ/t（由標(biāo)準(zhǔn)油換算過來），能耗為傳統(tǒng)滴流床加氫工藝的33%～50%[24]。

中海油惠州石化2.6Mt/a 蠟油加氫處理裝置應(yīng)用ISO Therming技術(shù)，以沙中原油減壓蠟油為原料生產(chǎn)催化裂化原料，在反應(yīng)入口壓力14.13MPa、一/二反應(yīng)器入口溫度374.9℃/395.4℃、循環(huán)比1.56條件下對裝置進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，床層總溫升20.5℃，壓降400kPa，加氫蠟油產(chǎn)品硫含量小于1000μg/g，氮含量小于100μg/g，完全滿足催化裂化裝置進(jìn)料要求，裝置綜合能耗為274.63MJ/t，低于傳統(tǒng)蠟油滴流床加氫裝置[25]。

中石化撫順石油化工研究院和LPEC 開發(fā)的液相循環(huán)加氫工藝（SRH），反應(yīng)部分的工藝流程如圖9 所示[26-27]。SRH 技術(shù)設(shè)置兩個下流式固定床加氫反應(yīng)器，在反應(yīng)器前設(shè)置混氫器對氫油混合形式進(jìn)行優(yōu)化，氫油混合更加充分，氫氣飽和溶解至液相后由反應(yīng)器頂部進(jìn)入，過量氫氣從反應(yīng)器頂部排氣系統(tǒng)排出，催化加氫反應(yīng)在全液相環(huán)境下進(jìn)行，反應(yīng)器床層中間設(shè)置補(bǔ)氫點(diǎn)補(bǔ)充反應(yīng)消耗的氫氣，反應(yīng)器底部出口設(shè)置液位控制系統(tǒng)，加氫產(chǎn)物一部分經(jīng)循環(huán)泵升壓后返回反應(yīng)器，一部分進(jìn)入低壓分離器進(jìn)行精制。

圖9 SRH工藝流程

中石化鎮(zhèn)海煉化分公司采用SRH技術(shù)將2.0Mt/a柴油加氫裝置改造為2.3Mt/a 航煤液相加氫裝置，生產(chǎn)符合3號噴氣燃料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的航煤，在反應(yīng)入口壓力3.77MPa、入口溫度262℃、體積空速2.51h-1條件下進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，床層壓降60kPa、溫升3℃，與現(xiàn)有航煤滴流床加氫裝置進(jìn)行對比，改造后航煤液相加氫裝置能耗為206.07MJ/t，比傳統(tǒng)滴流床加氫工藝降低35%，節(jié)能降耗效果顯著[21,26]。

中石化石油化工科學(xué)研究院、工程建設(shè)有限公司、石家莊煉化分公司和安慶分公司共同開發(fā)的連續(xù)液相加氫技術(shù)（SLHT），反應(yīng)部分的工藝流程如圖10 所示[28]。SLHT 技術(shù)采用上流式固定床加氫反應(yīng)器，原料油與氫氣混合達(dá)到飽和溶解后，補(bǔ)入適度過量氫氣自下而上經(jīng)過反應(yīng)器催化劑床層，反應(yīng)過程中液相為連續(xù)相，過量的氫氣為分散相，加氫產(chǎn)物從反應(yīng)器頂部流出進(jìn)入熱高壓分離器，底部產(chǎn)物一路經(jīng)熱油循環(huán)油泵升壓后返回加氫反應(yīng)器，一路進(jìn)入后續(xù)熱低壓分離器，反應(yīng)過程消耗氫氣通過循環(huán)油溶解氫及床層間補(bǔ)氫獲得。反應(yīng)器中存在少量氣態(tài)氫氣，在反應(yīng)過程中可不斷補(bǔ)充液相中氫氣的消耗，降低液相循環(huán)比[29]。相比于下流式液相加氫反應(yīng)器，上流式反應(yīng)器可有效避免氣相在反應(yīng)器內(nèi)局部聚集，無床層間復(fù)雜的排氣和液面控制系統(tǒng)，裝置安全性風(fēng)險(xiǎn)降低，空間利用率提高[30-31]。然而，上行式液相加氫過程由于催化劑床層受液相浮力作用及流動沖擊的影響，易發(fā)生床層膨脹，造成催化劑分布不均勻、磨損及跑劑等問題。因此，通過在催化劑床層底部和頂部設(shè)置催化劑支撐格柵、壓蓋格柵并級配裝填瓷球，選用合理的約翰遜網(wǎng)和金屬絲網(wǎng)開孔尺寸，可維持催化劑床層穩(wěn)定，防止催化劑跑劑。

圖10 SLHT工藝流程

中石化石家莊煉化分公司在2.6Mt/a 柴油加氫裝置中應(yīng)用SLHT 技術(shù)，以92%直餾柴油和8%焦化柴油混合為原料生產(chǎn)國Ⅳ柴油，在反應(yīng)器入口壓力9.0MPa、入口溫度350.46℃、循環(huán)比2 條件下進(jìn)行滿負(fù)荷標(biāo)定，考察裝置產(chǎn)品性質(zhì)和能耗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，床層溫升15.16℃、徑向最大溫差1.25℃、壓降190kPa，裝置能耗為242.02MJ/t，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)滴流床工藝418MJ/t左右的平均能耗[32]。

中海油東方石化有限責(zé)任公司在一套新建的600kt/a柴油加氫裝置上應(yīng)用SLHT技術(shù)，以95%直餾柴油和5%催化柴油的混合油為原料生產(chǎn)國Ⅴ柴油，在反應(yīng)器入口壓力9.8MPa、入口溫度311℃左右、循環(huán)比1.57條件下對裝置進(jìn)行滿負(fù)荷標(biāo)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，床層溫升15℃左右，壓降180kPa 左右，能耗較傳統(tǒng)滴流床加氫工藝降低25%[28,33]。

中國石化安慶分公司對應(yīng)用SLHT 技術(shù)的2.2Mt/a 柴油液相加氫裝置與1.0Mt/a 柴油傳統(tǒng)滴流床加氫裝置進(jìn)行能耗對比，發(fā)現(xiàn)兩種加氫技術(shù)的單位能耗分別是232.41MJ/t 和400.86MJ/t，相比于傳統(tǒng)滴流床加氫，SLHT 技術(shù)總體能耗降低了42%，節(jié)能降耗效果顯著。通過能耗分析，原因在于SLHT 工藝流程取消了循環(huán)氫壓縮機(jī)，節(jié)省了大量蒸汽消耗[34-35]。

中石油華東設(shè)計(jì)分公司與中國石油大學(xué)（華東）開發(fā)無循環(huán)上流式液相加氫工藝（C-NUM），如圖11所示[36]，原料油升壓后與新氫爐前混合后自下而上流經(jīng)反應(yīng)器進(jìn)行加氫精制反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入分餾塔進(jìn)行后續(xù)精制。C-NUM 技術(shù)工藝采用上流式固定床反應(yīng)器，床層多點(diǎn)補(bǔ)氫，氫氣微過量，催化劑床層液相為連續(xù)相、氣相為分散相，反應(yīng)過程中液相溶解氫濃度梯度降低，過量氫氣不斷溶解進(jìn)行補(bǔ)充。該技術(shù)應(yīng)用于航煤加氫，由于氫耗較低，取消液相循環(huán)泵，生成油一次通過反應(yīng)器，加氫能耗、投資成本及操作安全風(fēng)險(xiǎn)都得到降低[37]。

圖11 C-NUM工藝流程

中石油慶陽石化公司采用C-NUM 技術(shù)建成國內(nèi)首套4×105t/a 航煤加氫裝置，以常一線餾分油為原料生產(chǎn)航空煤油，在反應(yīng)溫度為245℃、反應(yīng)壓力為3.5MPa、氫油體積比為12～13條件下，綜合能耗約為251.2MJ/t（由標(biāo)準(zhǔn)油換算過來）[24]。

3.2 氣液混合強(qiáng)化在液相加氫過程中應(yīng)用

傳統(tǒng)液相加氫過程一般采用常規(guī)靜態(tài)混合器或直接用管道將氫氣與油相混合并實(shí)現(xiàn)飽和溶氫進(jìn)料，然而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，催化劑床層中液相溶解氫被不斷消耗，同時(shí)產(chǎn)生的氣體雜質(zhì)分子也溶解在液相中難以移除，反應(yīng)傳質(zhì)阻力不斷增大[38]。上行式加氫反應(yīng)過程中微過量的氫氣大多以毫米級以上氣泡存在，而且氣泡之間容易聚并成更大氣泡，氫油兩相傳質(zhì)速率較小，難以及時(shí)補(bǔ)充液相中氫的消耗，加氫反應(yīng)速率受到限制[39-40]。若要進(jìn)一步提高加氫反應(yīng)速率，需對氫油混合過程進(jìn)行強(qiáng)化，盡可能實(shí)現(xiàn)氫氣在油相中的溶解速率與消耗速率匹配[3]。

中石化長嶺分公司在液相加氫技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了管式液相加氫工藝（FITS），主要反應(yīng)工藝流程如圖12 所示[41]，其將傳統(tǒng)加氫反應(yīng)系統(tǒng)改為多管束反應(yīng)系統(tǒng)，物料在反應(yīng)器中流動接近平推流，返混小，反應(yīng)死區(qū)??；采用高效陶瓷膜氣-液混合器實(shí)現(xiàn)氫氣在油相中微米級氣泡分散，大幅度增加了氣液傳質(zhì)相界面積，強(qiáng)化了油相溶氫速率，而且在反應(yīng)器中大量氫氣微氣泡能夠迅速補(bǔ)充油品中加氫消耗的溶解氫，使反應(yīng)器整體均能保持較高的反應(yīng)驅(qū)動力，提高反應(yīng)能效；過量氫氣微氣泡也可以汽提出液相中雜質(zhì)組分，進(jìn)一步降低傳質(zhì)過程阻力。另外，F(xiàn)ITS 工藝無循環(huán)氫和循環(huán)油系統(tǒng)，裝置能耗和投資成本進(jìn)一步降低[42]。

圖12 FITS工藝流程

中石化長嶺分公司在700kt/a 重整生成油加氫裝置中應(yīng)用FITS 技術(shù)替代原有白土吸附脫烯烴工藝，能耗大幅下降，同時(shí)根本性解決傳統(tǒng)白土精制過程中固廢處理的壓力[43-44]；在600kt/a航煤加氫裝置上應(yīng)用FITS技術(shù)，以含硫直餾航煤為原料生產(chǎn)3號噴氣燃料試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)壓力3.1MPa、反應(yīng)溫度257℃、氫油體積比6、體積空速5.0h-1的條件下，裝置運(yùn)行能耗僅為230.69MJ/t，該技術(shù)最終在多家煉廠推廣應(yīng)用[24,45]。

南京大學(xué)和南京延長反應(yīng)技術(shù)研究院開發(fā)的微界面?zhèn)髻|(zhì)強(qiáng)化反應(yīng)技術(shù)（MIR），通過特殊的微界面發(fā)生器使氣相以微米級氣泡形態(tài)分散在液相中，通過微氣泡界面取代反應(yīng)器中毫-厘米級氣泡界面，氣液傳質(zhì)界面積可獲得數(shù)倍甚至數(shù)十倍的提高，其傳質(zhì)速率也隨之正比成倍增大[10,12,46]。中石化洛陽技術(shù)研發(fā)中心將MIR 技術(shù)應(yīng)用于高硫混合柴油加氫精制生產(chǎn)國Ⅵ柴油過程研究，并進(jìn)行了催化劑裝填量為2L的中試試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如圖13所示，中試試驗(yàn)結(jié)果表明微界面強(qiáng)化混合柴油加氫脫硫效果明顯優(yōu)于常規(guī)上流式加氫反應(yīng)器，在取得相當(dāng)加氫脫硫效果條件下，反應(yīng)壓力可降低3MPa 以上[47]。中石化金陵分公司采用MIR技術(shù)對2×106t/a柴油加氫裝置進(jìn)行改造，原加氫裝置壓力等級為6.0MPa，主要以直餾柴油、催化柴油和焦化柴油的混合原料生產(chǎn)國Ⅲ、國Ⅳ柴油，在原料不變的條件下通過增加微界面機(jī)組提高加氫反應(yīng)過程氫油混合傳質(zhì)比表面積，強(qiáng)化加氫反應(yīng)深度，運(yùn)行結(jié)果還未公示。

圖13 微界面強(qiáng)化上行床中試加氫試驗(yàn)流程

廣東省某企業(yè)應(yīng)用MIR 技術(shù)對150kt/a 的溶劑油加氫裝置進(jìn)行改造，改造后裝置可以在反應(yīng)壓力為3.62MPa、溫度為320℃條件下以直餾低硫柴油為原料生產(chǎn)國Ⅵ柴油，而要達(dá)到同等效果，采用傳統(tǒng)滴流床加氫技術(shù)，反應(yīng)壓力需大于6.0MPa、溫度高于340℃；改造后反應(yīng)效率提升30%以上，能耗、物耗降低10%以上[48]。基于此，中石化廣州工程有限公司還開展了中低壓（5.7MPa）下微界面強(qiáng)化柴油加氫技術(shù)工程放大相應(yīng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)[7]。

基于微氣泡高效混氫強(qiáng)化油品加氫技術(shù)在航煤、柴油加氫過程中的應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)通過提高油品多相催化加氫過程中的氣液相界混合與傳質(zhì)效率，能夠大幅降低過程的能耗水平，提高產(chǎn)品性能質(zhì)量。同時(shí)，該技術(shù)在蠟油加氫、潤滑油加氫和渣油加氫等過程也具有一定的應(yīng)用潛力，需要進(jìn)一步進(jìn)行拓展應(yīng)用研究。

4 固定床加氫反應(yīng)過程氣液混合強(qiáng)化技術(shù)發(fā)展趨勢

滴流床加氫工藝在大多數(shù)油品加氫處理過程進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用，基于煉油加氫過程提質(zhì)增效、節(jié)能降碳發(fā)展需求，仍需針對不同工況下加氫反應(yīng)器內(nèi)氣液相物料流動和混合特性，從降低反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件高度、減少內(nèi)構(gòu)件重量或數(shù)量、提高內(nèi)構(gòu)件安裝和拆卸便捷性等方面進(jìn)行內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化和改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)加氫過程效率的強(qiáng)化。相較于傳統(tǒng)滴流床加氫技術(shù)，液相加氫技術(shù)能夠顯著降低加氫反應(yīng)過程的傳質(zhì)阻力，在降低能耗、物耗和裝置投資方面具有優(yōu)勢，然而仍存在加氫反應(yīng)全過程液相溶氫速率和耗氫速率不匹配等問題，需進(jìn)一步對不同特點(diǎn)液相加氫工藝的混氫方式進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，如可以借鑒文丘里管法、微孔膜法、高速旋轉(zhuǎn)切割法（旋轉(zhuǎn)床混合器）等氣液混合強(qiáng)化技術(shù)[49-58]，開發(fā)高效混氫設(shè)備和新工藝，強(qiáng)化氫油兩相高效混合和傳質(zhì)過程，最大化提升固定床加氫反應(yīng)的效率，不斷推動固定床高效加氫技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)語

固定床加氫技術(shù)是重要清潔煉油技術(shù)，在油品質(zhì)量升級、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、原油資源高效利用、生產(chǎn)過程清潔化進(jìn)程中發(fā)揮了重要的作用。在傳統(tǒng)滴流床加氫和液相加氫過程氣液混合研究的基礎(chǔ)上，通過開發(fā)新型混氫設(shè)備和加氫工藝，實(shí)現(xiàn)氣液混合過程強(qiáng)化，提高固定床反應(yīng)器的加氫效率，是未來加氫技術(shù)重要研究方向，也是實(shí)現(xiàn)石油資源高效利用，煉油化工生產(chǎn)過程降本增效、節(jié)能減排、綠色低碳的最本質(zhì)需求。