新型內置集垢器技術開發與應用

王 巖，彭德強，劉 杰，齊慧敏

(中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001)

新型內置集垢器技術開發與應用

王 巖，彭德強，劉 杰，齊慧敏

(中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001)

介紹了一種新型內置集垢器，并對其結構及工作原理進行詳細介紹。與現有技術相比，該集垢器具有結構簡單、容垢能力強、不易堵塞、集垢效果好、不占用催化劑床層空間等優點，能有效延緩反應器床層壓力降的升高速率，延長反應器的運行周期。該內置集垢器在中國石化北京燕山分公司石蠟加氫精制裝置工業應用的結果表明，內置集垢器的安裝使用可有效緩解垢物的生成速率，對反應器壓降上升趨勢的控制有效可行，反應器壓降基本控制在小于0.1 MPa的水平，產品質量合格，裝置運轉時間比改造前大大延長。

加氫反應器 內置集垢器 流態

對于固定床加氫反應器來說，床層壓降的大小不但涉及裝置能耗、催化劑使用效率，更重要的是影響反應器的運行周期。一般地，加氫反應器的第一催化劑床層頂部、第一催化劑床層底部和反應器出口收集器可產生壓力降，90%以上的壓力降都發生在第一催化劑床層頂部。隨著原料油劣質化日趨嚴重、加工工藝流程越來越長、連續化程度越來越高，原料油中含酸引起設備及工藝管線腐蝕所產生的銹垢、上游工藝失穩夾帶而來的助劑、儲運過程中的溶氧等，進入加氫反應器后均會產生垢物、覆蓋催化劑床層表面，使反應器的壓力降逐漸升高，嚴重時影響裝置的正常生產[1-4]。因此，如何減少催化劑床層的垢物和催化劑板結現象，降低反應器壓力降的升高，延長裝置的運行周期，對于加氫裝置具有重要意義。針對目前加氫裝置所存在的問題，中國石化撫順石油化工研究院(FRIPP)開發了一種新型內置集垢器。本文主要介紹新型內置集垢器的結構、工作原理以及在中國石化北京燕山分公司(簡稱燕山分公司)石蠟加氫精制裝置的工業應用情況。

1 現有技術與不足

解決積垢問題主要的方法包括：設置入口過濾器、設置積垢籃筐、保護劑級配技術以及撇頭處理等。為了去除原料中的機械雜質，一般均在反應器前設置過濾器，通常的過濾精度為20～25 μm。事實上，過濾器前后的顆粒相差無幾，過濾器只對較大顆粒有攔截作用，原料中的鐵、鈣等雜質會穿過過濾器進入反應器內，而更細的微粒還會聚集成更大的粒子，最終積累在催化劑顆粒之間。過濾器還需要經常進行反沖洗，反沖洗油雜質含量較高，夾帶進原料的機械雜質也較多。傳統的積垢方式主要采用積垢籃筐的形式(如圖1所示)，積垢籃筐設置在反應器催化劑床層的頂部，它是由各種規格的不銹鋼金屬網和骨架構成的籃筐。集垢籃筐的設置思路是以占用反應器有效空間為代價，為反應器的進入物料提供更多的流通面積，使催化劑床層可聚集更多的銹垢和沉積物，而不致引起床層壓力降過多地增加。隨著大量的運行經驗的積累，發現雖然積垢籃筐實現了增大流通面積的功能，卻存在一定問題，如圖2所示，第一床層的頂部分配盤雖然實現了物料的平均分配，但在積垢籃筐的作用下，被重新聚集，甚至消除了頂部分配盤的功能，導致床層物料溝流，降低了催化劑的利用率和轉化率，導致催化劑床層徑向溫差較大，占用了反應器的有效空間，所以積垢籃筐的設計方案已被摒棄。

圖1 積垢籃筐安裝位置示意

圖2 積垢籃筐流態示意

目前，催化劑級配技術因可獲得較大的容垢能力而得到廣泛應用。然而，隨著原料油劣質化日趨嚴重，渣油加氫過程采用催化劑級配工藝所能實現的容垢能力是有限的，當反應器壓降增大到設計值時，需進行撇頭處理。這一過程是一種補救措施，通過撇頭處理，裝置雖然可繼續運轉，但裝置停工處理會造成維護費用的增加[5-7]。

通過總結現有技術的優勢和不足，仔細分析反應器的結構，FRIPP開發了一種新型內置集垢器，該技術總體開發思路是：利用現有加氫反應器頂部封頭的閑置空間，將封頭空間開發為垢物的存儲地，增加反應器額外的容垢空間，以此來提高反應器的利用率。

2 新型內置集垢器技術開發

2.1 新型內置集垢器結構簡介

新型集垢盤結構及安裝位置示意見圖3。由圖3可見，新型內置集垢盤設置在反應器封頭內第一催化劑床層分配盤的上方，該部件由集垢器塔盤、若干個并列安裝的集垢器單體及安裝組件構成。由于液相經過反應器入口擴散器后在封頭處的沖擊力較大，而且流態呈斜線狀，沖擊力導致第一層分配盤上的液層厚度不均勻，影響分配器的正常工作，故將內置集垢器設置在反應器封頭的閑置空間，可兼備初分配器的功能，實現物流均勻分布，為第一床層分配盤提供緩和的入口工況條件，由于內置集垢器具有一定的剛性，可實現減沖功能，可簡化入口擴散器結構。

圖3 新型集垢盤結構及安裝位置示意

內置集垢器單體基本結構為篩網制成的套筒，篩網筒體結構輔以積垢劑床層，實現去除機械雜質、增加流通面積等功能。新型內置集垢器結構簡圖見圖4。內置集垢器單體主要由篩網外筒體、篩網內筒體、積垢劑、減沖均流盤、塔盤、塔盤連接件所構成。

圖4 新型內置集垢器結構簡圖

2.2 新型內置集垢器工作原理

根據加氫裝置垢物的形成機理及組成，針對氣液兩相進料的加氫反應器的集垢問題，分別設置“沉淀區”和“集垢區”實現粒子的沉降和膠質的附著。內置集垢器工作原理示意見圖5。從圖5可以看出：“沉淀區”為內置集垢器塔盤與內置集垢器單體間形成的空間區域，主要用于機械雜質等顆粒的沉降與容垢；內置集垢器單體由篩網制成的內外筒體、在兩個同心圓的篩網筒體間裝填顆粒度、空隙率適宜的集垢劑，該集垢劑層稱為“集垢區”。“集垢區”實現保護劑床層的吸附、反應、沉積垢物的功能。內置集垢器同時實現積垢籃筐和床層保護劑的功能，而上述功能是利用反應器封頭內閑置空間實現垢物的攔截與存儲。不含垢物且流量占絕對多數的清潔氣相，通過內置集垢器的中心通道直接進入下一床層，當內置集垢器被垢物充滿后，失去積垢功能，其只作為物料通道使用，且不會有壓力降產生。

圖5 內置集垢器工作原理示意

3 內置集垢器流體力學模擬

內置集垢器對于流體分布的改善，可以通過CFD流體力學軟件對集垢器流場進行模擬得到相應的結果，新型內置集垢器氣相流速分布云圖見圖6，新型內置集垢器壓力云圖見圖7。從圖6和圖7可以看出：內置集垢器的流體力學符合沉積要求，壓降主要發生在氣相進入集垢器的中心通道處，經過計算壓降非常小，與床層總壓降相比，可忽略不計；集垢器安裝在反應器封頭處，除了具有抗沖擊功能外，還能提供進料平緩流態，改善了反應進料的分布均勻性，改善了頂部分配盤的入口工況條件。

圖6 新型內置集垢器氣相流速分布云圖

圖7 新型內置集垢器壓力云圖

4 內置集垢器技術工業應用

燕山分公司石蠟加氫精制裝置是1983年在原重油加氫裝置的基礎上改建而成，1983年4月投產，設計加工能力60 kta，實際最大加工能力90 kta。石蠟加氫精制裝置的原料為常減壓蒸餾裝置切割的減二線、減三線蠟油，經糠醛溶劑精制、酮苯溶劑脫蠟脫油裝置加工處理后的脫油蠟等。該裝置運行近30年，設備陳舊，塔、罐及管線材質差，特別是反應器采用冷壁式，內構件技術落后，一般到催化劑運行周期的后期石蠟產品質量偏低。2011年5月燕山分公司利用裝置大檢修的機會對裝置進行了技術改造，包括使用了FRIPP新型內置集垢器。改造前該裝置的最大加工量為14.5 m3h，操作壓力為5.0 MPa(以高分壓力為準)，反應初期溫度為250 ℃，反應末期溫度為285 ℃，反應器壓差為0.175 MPa。整個床層溫升只有30 ℃，而徑向溫差達到15～23 ℃，存在嚴重偏流現象。改造后重新開工后裝置運行正常，裝置的最大加工量達到15.5 m3h以上，床層壓降為0.07～0.08 MPa，床層偏流問題得到明顯改善，床層溫度分布均勻。因此，內置集垢器的安裝使用可有效緩解垢物的生成速率，對反應器壓降上升趨勢的控制有效可行，反應器壓降基本可控制在小于0.1 MPa的水平，產品質量合格，運轉時間比改造前大大延長，該內置集垢器對垢物的攔截作用顯著，具有廣闊的市場前景。

5 結 論

(1) 新型內置集垢器合理利用了現有加氫反應器頂部封頭的閑置空間，增加了反應器額外的溶垢空間，提高了第一床層催化劑的利用率。

(2) 內置集垢器設置在反應器封頭的閑置空間，可兼備初分配器的功能，實現物流均勻分布，為第一床層分配盤提供緩和的入口工況條件。

(3) 內置集垢器單體結構有較好的剛性，具備較強的抗沖擊能力，為簡化入口擴散器結構提供條件。

(4) “沉淀區”實現較大顆粒垢物的沉積與存儲；“集垢區”利用集垢劑床層實現細小顆粒垢物的攔截與附著。

(5) 內置集垢器由于設置中心氣相通道，壓降非常小，與床層總壓降相比，可忽略不計。

(6) 內置集垢器在燕山分公司石蠟加氫精制裝置工業應用的結果表明，內置集垢器的安裝使用可有效緩解垢物的生成速率，對反應器壓降上升趨勢的控制有效可行，反應器壓降基本控制在小于0.1 MPa的水平，產品質量合格，裝置運轉時間比改造前大大延長。

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DEVELOPMENT AND APPLICATION OF NEW BUILT-IN SCALE COLLECTOR

Wang Yan， Peng Deqiang， Liu Jie， Qi Huimin

(SINOPECFushunResearchInstituteofPetroleunandPetrochemicals，Fushun，Liaoning113001)

This paper introduces a new kind of built-in scale collector. The structure and working principle of the collector are introduced in detail. Compared with the prior art， the built-in scale collector has advantages of simple structure， and larger dirt holding capacity， good scaling effect. It does not occupy the catalyst bed space and can effectively delay the increase rate of reactor bed pressure drop， and prolong the operation cycle of the reactor. The built-in scale collector were applied successfully in wax hydrofining unit of Yanshan Petrochemical Branch， the pressure drop of the reactor is less than 0.1 MPa and the life cycle of the reactor are prolonged.

hydrogenation reactor； built-in scale collector； flow pattern

2016-02-02； 修改稿收到日期： 2016-04-20。

王巖，碩士，工程師，主要研究方向為石油化工設備。

王巖，E-mail：wangyan.fshy@sinopec.com。