加氫裂化床層差壓快速上升的原因分析及對策

黃元斌(騰龍芳烴(漳州)有限公司， 福建 漳州 363216)

加氫裂化床層差壓快速上升的原因分析及對策

黃元斌(騰龍芳烴(漳州)有限公司， 福建 漳州 363216)

騰龍芳烴316萬噸/年加氫裂化裝置于2014年4月26日成功開工，運行至2014年8月18日，一段反應器R-101A床層差壓由0.6MPa上升至1.7MPa，采取諸多操作調整均未見效，直至2014年8月19日停工卸劑、檢查，分析差壓上升的重要原因為原料油中鐵含量較大；催化劑結焦、溝流嚴重；第二床層催化劑遷移至第三床層入口分配盤。催化劑經過篩后回裝，R-101A床層差壓還是超過1.4MPa，經過分析為抽真空后催化劑斷裂、粉碎嚴重。

加氫裂化；催化劑；差壓；空隙率

0 引言

316萬噸/年加氫裂化裝置為騰龍芳烴(漳州)有限公司芳烴聯合項目的一部分，采用CLG 兩段全循環加氫裂化工藝，該裝置加工VGO+AGO或VGO，最大限度地生產重石腦油，同時副產液化氣、輕石腦油、燃料氣和少量尾油。

第一階段于2014年4月26日開工成功，6月4日19:31發現R-101A床層總差壓由0.6MPa上升至0.787MPa，與前期相比上升明顯；6月6日8:00床層總差壓上升至1.49MPa。為防止床層壓降過快，采取了降低進料量的方式維持裝置運轉。至2014年8月18日停工前，床層總差壓持續上升，最高升至1.72MPa。2014年8月18日～9月14日對反應器進行卸劑過篩重裝處理。2014年9月14日第二階段開工進油后，R-101A反應器床層總差壓超過了1.4MPa，還是處于居高不下。

本文對該裝置第一階段、第二階段床層總差壓上升過快的原因進行分析，并提出了對策和建議。

1 反應器床層空隙率

催化劑顆粒群堆積成的床層疏密程度可以用空隙率表示。影響空隙率的因素很多，如顆粒形狀、粒度分布、填充方式等。流體流過固定床時壓降的數學模型[1]為：

式中：L為床層高度，Δp/L為單位床層高度的壓降，λ為流體流過床層的摩擦系數，a為床層比表面積，ρ為流體密度，u為流速。對于確定的裝置，L、λ、a、ρ、u變化不大，對壓降的影響很小。而對壓降影響最大的是空隙率ε。

亂堆的非球形顆粒床層空隙率往往大于球形顆粒。經研究[2]，三葉草形催化劑的床層壓力降比圓柱形、球形催化劑要低很多，而且三葉草的外表面積更大，擴散路程更短，有利于減少內擴散阻力。因此，本裝置采用的精制劑及裂化劑均是長條形的三葉草。

2 R-101A第一階段床層總差壓快速上升原因分析

2.1 原料油中攜帶的固體顆粒的沉積

原料油中的固體顆粒主要是機械雜質、鐵銹等。原料油進反應器的鐵含量最高時達到3.61mg/kg，一般都是在2～3mg/kg之間，設計的指標是原料油中鐵含量應小于1ppm。原料油中金屬鐵則沉積于催化劑上，造成催化劑的微孔堵塞而失去活性，形成不可逆的永久性中毒。顯然，原料油中鐵含量是造成床層堵塞，壓力降增大的重要原因。

2.2 高氮工況下，反應生成的焦炭

2014年5月22日到2014年6月12日一段反應進料氮含量基本維持在1400PPM以上，具體操作狀況如下：

(1)2014年5月22日一段反應器R-101A入口維持384℃(反應進料量137t/h，VGO氮含量1518PPM，床層總溫升約89.8℃，一段反應器CAT達到了400℃)，一段反應轉化率約40%。

(2)2014年6月12日受反應進料氮含量影響一段反應器R-101A入口升溫至390℃(反應進料量170t/h，VGO氮含量1622.8PPM，床層總溫升約70.89℃，一段反應器CAT達到了412.89℃)，但一段反應R-101A轉化率卻僅17%。

由此可見，高氮工況(平均1400PPM以上，最高值1622.8PPM)連續運行約20天，催化劑活性下降達到12.8℃。在高溫下引起了原料油中的生焦母體，如不飽和烴、重芳烴以及硫、氮等雜原子化合物迅速發生聚合反應，形成有機微粒沉積在床層中。所以，高氮工況下，反應為了保持一定的轉化率，必須依靠提高反應溫度來保證，但提高反應溫度會增加催化劑的積炭速度，嚴重時會導致催化劑的結焦，減小床層的空隙率，反應器差壓增大。

2.3 催化劑強度及裝填的影響

加氫裂化催化劑2012年1月份到貨，存放時間較長，強度會有下降。催化劑初次裝填發現催化劑斷裂比較嚴重，存在大量的小顆粒和粉塵。當催化劑強度較差，運轉過程中遇水破碎而堵塞床層，因此對催化劑強度應有嚴格的控制。床層下沉也會造成壓力降增大，這與裝填催化劑的方式緊密相關。反應器內構件，特別是液體分配盤設計或安裝不當會造成流體分布不均勻，甚至溝流等，使原料在死角處積聚生焦，堵塞床層（見圖1、圖2）。

2.4 開工初期多次緊急泄壓致使R-101A催化劑床層發生遷移事故

2014年6月3日因操作失誤，15:14左右，發現二段反應四床層溫度高報并有繼續擴大趨勢，裝置被迫緊急泄壓降溫、停工；20：20重新開工引進料，投料生產轉入正常模式后，發現一段反應R-101A床層阻力降逐步增大，截至6月6日8:00最高升至1.49MPa。由此可見，此次二段反應超溫泄壓，導致床層差壓快速上升的主要原因，經過卸劑后發現(見圖3、圖4)。

圖1 R-101A第一床層

圖2 R-101A第一床層

圖3 R-101A第三床層入口分配盤

圖4 R-101A第三床層入口分配盤

此前，4月12日反應系統8MPa氮氣氣密完畢，需要泄壓消漏，裝置將反應壓力降至5MPa后開始進行緊急泄壓測試，測試后，將泄壓孔板直徑由42mm擴徑到65mm。可是，因反應系統在開工過程中出現多次泄漏問題進行多次緊急泄壓后，在最近一次，泄壓速率的前一分鐘達到了1.5MPa(設計的緊急泄壓每一個泄壓閥是1.03MPa/min)。多次泄壓、泄壓速率過快導致第二床層催化劑漏至第三床層入口分配盤，引起反應床層總差壓快速上升。

3 R-101A第二階段床層總差壓快速上升原因分析

撫順石油化工研究院根據我們提供的反應器內構件技術資料，對反應器內構件在不同工藝條件下的壓力降進行了工程核算。核算結果見表2。

表2 內構件總壓降核算結果

由上面的核算結果可見，R-101A第二階段床層總差壓異常升高是由床層的催化劑引起的，床層內構件對差壓的影響相對較小。

加氫裂化卸劑時發現小于3mm的催化劑顆粒非常多，催化劑粉碎嚴重。加氫裂化裝劑時催化劑裝填密度大，無法達到設計堆密度(密相裝填器已調整至最佳位置，但還是比設計值高)。

反應器剛進油時反應器R-101A各床層壓降為：第一床層0.071MPa；第二床層0.179MPa；第三床層0.199MPa；第四床層0.164MPa；第五床層0.418MPa。R-101A是第一床層卸劑后換新劑重裝，后面四個床層卸劑，過篩后重裝。由此可以看出，卸劑、過篩、重裝后的催化劑床層壓降較大，原因有卸劑時候是用抽真空抽出，導致催化劑粉碎嚴重；催化劑卸出后過篩效果較差，很多碎劑還存在；重裝時候裝填密度較大，引起催化劑進一步粉碎；重新進油后床層徑向溫差過大，一開始最大溫差達到14℃以上。這些情況都能導致床層壓降進一步增大。

4 原因總結

(1)開工初期多次緊急泄壓致使R-101A催化劑床層發生遷移是反應床層差壓上升的最主要原因。

(2)加氫裂化原料金屬含量高，特別是鐵，致使床層差壓上升。

(3)加氫裂化催化劑在高氮工況下失活速率加快，反應提溫較多，導致催化劑積炭速率加快，甚至出現結焦，引起床層差壓上升。

（文章題目：加氫裂化床層差壓快速上升的原因分析及對策）

(4)催化劑初次裝填發現催化劑斷裂比較嚴重，存在大量的小顆粒和粉塵，并且催化劑強度存在不足。

(5)加氫裂化在抽真空的情況下卸劑時發現小于3mm的催化劑顆粒非常多，催化劑粉碎嚴重；裝填密度大，無法達到設計堆密度。卸劑過篩重裝后再次出現R-101A床層總差壓較高的主要原因。

5 對策與建議

(1)盡量避免緊急泄壓，保證反應器內構件的安裝強度

加強操作人員的培養，嚴格監控各個系統的操作情況，避免出現操作失誤而泄壓。應該在可靠的條件下進行緊急泄壓測試，從而產生可靠的泄壓數據。反應器內構件安裝時應加強監督，確保安裝到位，尤其是支撐格柵及分配盤等。

(2)提高原料油的純凈度，防止污染物進入床層

原料油中的固體微粒通過在儲油罐的油泵出口加設過濾器，在進裝置前除去絕大部分。減少原料從上游裝置帶來的鐵，尤其是含環烷酸較多的原油在運轉中將會使器壁中的鐵溶出而帶入反應系統，增大反應器床層壓降而縮短運行周期，帶來嚴重影響。關于環烷酸溶鐵問題的解決措施應加強常減壓裝置的脫鹽，中和環烷酸，減少過程鐵。

(3)完善催化劑的級配方案，擴大床層容垢能力

反應過程中，于反應器內增設積垢籃，應用脫金屬催化劑以及分層裝填技術也是防止金屬集中沉積而延緩床層壓降的有效方法，特別要保證催化劑的脫鐵活性。

反應器第一床層采用撫順研究院的齒球保護劑FZC-204，齒球精制劑FF-46，鳥巢支撐劑BN03A06，鳥巢 保 護 劑FBN02B01(8045mm)、FBN02B01(30045mm)、FBN03B01(30025mm)。

(4)嚴格控制原料油的氮含量

嚴格控制原料油的氮含量，確保反應在較低的溫度下進行，降低催化劑的失活速率，減少催化劑的積炭速率，防止催化劑出現生焦的情況。

(5)避免抽真空卸劑，確保合適的裝填密度

采用抽真空卸劑時，對催化劑的斷裂及粉碎有很大影響，應盡量避免應用抽真空卸劑。嚴格控制其強度，購買強度高的催化劑。若設計堆密度較小，則是催化劑強度較低，應在合適的裝填密度下裝填。避免整個反應器全部使用舊劑重新回裝，對于反應器差壓有較大影響。

[1]羅方荃.填充床中空隙率分布的研究綜述[J].化學工業與工程,2000,17:231～234.

[2]韓崇仁.加氫裂化工藝與工程.中國石化出版社,2001：687～701.

黃元斌，男，福建漳州人，助理工程師，本科，主要研究方向：加氫裂化工程與工藝。