催化劑在線置換在沸騰床中的應用

蔚林艷

中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司 內蒙古 鄂爾多斯 017209

神華鄂爾多斯煤制油分公司煤液化生產中心加氫穩定裝置采用北美AXENS N.A.公司開發的加工劣質重油的“T-Star”專利技術，由中國石化工程建設公司承擔設計、采購和建設，于2007年7月全面建成[1-4]。本裝置以上游來的液化重質油品為原料，經過加氫精制反應及分餾系統分離，為上游裝置提供供氫溶劑，下游裝置提供石腦油和改質原料。反應部分為高壓、高溫、臨氫工況，原料中含有的雜質金屬通過吸附在催化劑表面，堵塞催化劑表面微孔，導致催化劑失活；由于上游來的煤液化重原料中氧氮含量高，在加氫過程中，反應中烴類的裂解及不穩定化合物的縮合會在催化劑表面積碳，沉積在催化劑表面，也會使催化劑活性降低。為保證產品質量，要求催化劑活性維持在一定的水平，這就需要添加、卸出部分催化劑操作使總的催化劑活性保持恒定。

1 催化劑的理化性質

加氫穩定裝置催化劑是加氫精制催化劑，采用的是以大孔徑氫氧化鋁為載體，Ni、Mo作為活性金屬成分的催化劑，由催化劑生產廠家提供，各項指標由公司技術部制定[5]。其理化性質見下表：

表1 催化劑理化性質

2 在線置換催化劑的必要性

一般采用催化劑活性來衡量催化劑的催化效能。催化劑的活性是催化劑對反應速度影響的程度，是判斷催化劑效能高低的標準。對于大多數工業催化劑而言，在裝置的長期運行中，會造成催化劑的活性及選擇性顯著下降。隨著催化劑活性的降低，反應速度會逐漸減慢，導致生產效率下降；同時，當催化劑的活性降低時，催化劑的選擇性也會受到影響，導致副反應的發生，使得產品轉化率下降，產品純度低。因此，保證催化劑的催化效能具有相當的必要性。沸騰床反應器采用在線置換催化劑的方式來維持反應器中催化劑活性的穩定。

3 催化劑在線置換操作介紹

（1）催化劑在線添加

新鮮催化劑加入新鮮催化劑儲罐，再生后的催化劑加入再生催化劑儲罐，按一定量配比后進入催化劑添加計量罐中進行稱重計量，后通過壓差控制進入催化劑添加/卸料罐中。接著由來自高壓進料泵出口的原料油經換熱后，進入催化劑添加/卸料罐的底部，經罐頂返回至進料緩沖罐中，對催化劑進行預熱升溫。預熱完成后裝劑罐通過差壓控制器，在裝置新氫壓縮機出來的高壓氫氣的作用下升壓至高于反應器壓力一定值。隨后用原料油沖洗進入反應器的管線，之后打開裝劑罐底部出口閥門，將催化劑與原料油混合，形成油漿的流動形式，在壓差的作用下將催化劑添加/卸料罐中的催化劑輸送至反應器中，接著系統降壓，管線吹掃，完成添加過程。

（2）催化劑在線卸出

原料油換熱后，去催化劑加卸罐和催化劑抽出閃蒸罐進行預熱。系統升壓所需氣源通過裝置新氫壓縮機出來的氫氣提供，控制反應器和加卸罐的壓差。利用高壓進料泵出口原料油對卸劑管線進行沖洗，并打開反應器卸料閥，讓催化劑進入到沖洗油中，形成泥漿的流動形式，在壓差的作用下將催化劑卸至卸料罐中，隨后系統進行降壓操作。利用側三線餾分油，將待生催化劑從催化劑加卸罐轉移到待生催化劑冷卻罐中。建立沖洗/輸送油緩沖罐至待生催化劑冷卻罐的循環冷卻流程，利用中間餾分油及水冷器對待生的催化劑進行冷卻。冷卻后的待生催化劑排至待生催化劑儲罐，隨后排至催化劑儲罐進行氮氣循環脫油，最終將脫油完成的催化劑卸出裝置外。

4 催化劑在線置換的重點難點

4.1 維持反應器催化劑活性穩定

維持沸騰床反應器催化劑的活性，以保證加氫反應的正常運行是沸騰床反應器在線置換的重點。一般情況下，我們一般通過監測反應器床層料位、反應溫升以及卸出催化劑的化驗分析結果來調整催化劑置換的具體操作。

（1）床層料位

沸騰床反應器的器壁兩側分別裝有核源和接收器，通過對接收器接收到的核源能量衰減量的計算，顯示出該位置反應器內部的物料密度，用于反映反應器內催化劑的沸騰狀態。沸騰狀態的床層料位密度在800Kg/m3左右，標志該點位催化劑、油、氣三相混合均勻，而當料位計顯著低于800Kg/m3后，則意味著催化劑未沸騰至該點位。因此，通過反應器料位計的顯示，可以直觀的監測到沸騰床反應器內催化劑床層所在的位置。按照操作規程，一般會規定反應器正常運行狀態下催化劑床層料位所在位置，如果實際床層低于此位置，則顯示反應器中催化劑量有所減少，需要通過在線添加催化劑來補償；如果實際床層高于此位置，則顯示反應器中催化劑有所增加，需要通過在線卸出催化劑來維持平衡。

（2）反應溫升

反應溫升用于反映原料油在催化劑的作用下與氫氣發生加氫反應后所放出的熱量，是以反應器內部平均加權溫度減去入口溫度所得。溫升的變化是判斷加氫反應深度的重要指標，如果溫升低，則表示加氫反應深度不夠，可以通過提高催化劑活性增加反應深度，一是可以增加在線置換催化劑的頻率來提高新鮮催化劑在反應器中的藏量，二是可以通過調整在線加入催化劑的類型，也就是減少再生催化劑、增加新鮮催化劑添加的比例，這樣也可以保證反應器中催化劑的活性得到提高。

（3）催化劑分析結果

在線卸出的催化劑經過冷卻、脫油等操作后，會將其集中進行再生，通過再生恢復催化劑活性后再次添加至反應器中。再生前后，我么會對卸出的催化劑進行采樣、分析，通過對分析結果的收集與對比，對該階段反應器中催化劑的狀態進行評估，進一步監測反應器中催化劑的活性狀態以及失活情況，結合反應器運行條件，通過調整在線置換催化劑的頻率、比例等手段，改善反應器中催化劑的活性。

4.2 催化劑加卸過程的壓差控制

催化劑在線置換過程中，是通過調整補充氫壓縮機出口來的，進入催化劑添加/卸出罐的新氫量來控制反應器與催化劑添加/卸出罐的壓差。壓差的建立，是實現催化劑添加與卸出的必要條件。在催化劑添加過程中，需要將催化劑添加罐的壓力控制在比反應器壓力高一定值；催化劑卸出過程中，需要將催化劑卸出罐的壓力控制在比反應器壓力稍低一些。合理的壓差控制，既能保證催化劑可以正常添加與卸出，也可避免由于壓差太大造成催化劑流速太大，而出現堵塞管線、載體粉碎或是影響反應器正常運行操作的情況。同時，壓差控制也是在線置換催化劑過程中的難點。由于催化劑添加/卸出系統小，且隨著催化劑的添加/卸出過程的流動，催化劑添加/卸出罐內氣體空間變化極快，這就表現為該罐的壓力波動頻繁，因此需要隨時調整該罐的進氣量以及排出量，保證壓差的穩定。

4.3 催化劑加卸過程的預熱

在線置換催化劑不管是添加還是卸出過程中，在升壓之前都要經過預熱環節。在線添加催化劑過程中的預熱要求是催化劑添加罐罐體溫度達到150℃以上，罐頂出口溫度達到預熱油的溫度；在線卸出催化劑過程中的預熱要求是催化劑卸出罐溫度達到150℃以上。之所以要在升壓之前進行預熱操作，主要是考慮到催化劑添加/卸出罐的材質要求。為防止鉻鉬合金的脆性斷裂，必須保證罐體溫度達到要求后再進行升壓操作。除此之外，預熱還能最大程度的避免催化劑置換過程的溫度變化對反應器的正常運行造成影響。

4.4 添加/卸出催化劑結束標志

在催化劑添加/卸出罐的罐體由高至低安裝有四個核料位計，同時罐出口管線也安裝了一個核料位計，通過觀察核料位計指示來判斷催化劑添加/卸出的完成。催化劑在線添加過程中，該罐出口管線的核料位計顯著小于某一密度時，表明罐內催化劑已全部加至反應器中；催化劑在線卸出過程中，該罐罐體的四個核料位計分別指示了反應器卸出催化劑至該罐的高度，我們一般通過規定卸出量確定需要卸至該罐的位置，當指示已卸至該位置時，停止從反應器卸出催化劑。

5 催化劑在線置換過程中存在的問題及處理經驗

5.1 催化劑在線置換過程中存在的問題

（1）管線堵塞

由于對壓差、輸送油、沖洗油等操作的不當控制，會使催化劑在線置換過程中發生管線及罐口堵塞的問題，影響催化劑的置換率，甚至影響反應器催化劑的整體活性。

壓差控制太大，催化劑會在壓差的作用下加速從罐底流動至管線，而管線的流通量有限，大量催化劑下落至管口位置后沒有來得及輸送至后路管線，造成罐口底部及罐出口附近管線堆積催化劑而堵塞。

在催化劑添加/卸出過程中，輸送油和沖洗油的作用也尤為重要。控制得當的輸送油要求既可以帶動催化劑流通至反應器，也要保證罐內下落的催化劑可以及時被輸送至后路。如果出現輸送油中斷的情況，則管線中的催化劑會因流動不暢而堆積堵塞。

（2）壓力波動

由于催化劑添加/卸出系統小，但是在催化劑置換過程中，進出催化劑添加/卸出系統的物料比較多，包括用于壓差控制的新氫、催化劑輸送油、沖洗油等，隨著催化劑的添加/卸出過程的流動，催化劑添加/卸出罐內氣體空間變化極快，導致其壓力波動較大。在加劑過程中，催化劑添加罐的壓力太高會引發壓差高高的聯鎖，聯鎖動作會將催化劑輸送油閥門關閉；在卸劑過程中，催化劑卸出罐的壓力太高會使得反應器中催化劑無法卸出，催化劑卸出罐的壓力太低則會引發壓差低低的聯鎖，聯鎖動作會關閉反應器卸劑閥。

（3）高低分液位波動

在線置換催化劑過程中，由于催化劑以及輸送油在反應器中的進出，以及卸劑過程中催化劑閃蒸罐向熱低壓分離器排放輸送油的過程，會造成高、低分液位的波動。如果對液位調整不及時，會造成高、低分液位高報警。

5.2 處理操作

（1）防堵塞操作

為了避免催化劑在線置換過程中發生管線堵塞問題，可采取以下操作：1）加劑預熱時催化劑添加罐應內盡可能的充滿油；2）催化劑在線置換過程中根據壓力變化，隨時調整進出催化劑添加/卸出罐的物料；3）催化劑置換前后，應打通催化劑輸送油流程進行沖洗管線，并沖洗足夠時間；4）加劑過程中，要保證催化劑加劑罐內催化劑全部加至反應器再關閉加劑閥，避免催化劑加劑罐罐底催化劑堆積；5）卸劑過程中，當催化劑卸出罐的核料位指示已完成規定催化劑量的卸出時，關閉反應器至催化劑卸出罐卸劑閥并對反應器卸劑管線進行沖洗，保證反應器卸劑線暢通。

（2）壓力調整

為了避免催化劑在線置換過程中發生壓力波動問題，可采取以下操作：1）加劑操作時，在打通加劑流程之前，要把補氫閥改為手動控制，自動控制波動較大，補氫閥容易全開或全關；2）卸劑操作時，壓差控制也要改為手動，避免閥門在壓差控制下大幅開關；3）卸劑過程中，由于反應器中卸出的催化劑和油進入催化劑卸出罐，催化劑卸出罐中的油氣需要通過催化劑閃蒸罐進行排放，要通過調整催化劑閃蒸罐的油相、氣相的排放量，盡可能維持催化劑閃蒸罐的油氣平衡。

（3）高低分液位調整

為了避免在線置換催化劑過程中發生高、低壓分離器液位報警情況的發生，操作員在進行加卸催化劑之前要將高、低壓分離器的液位控制在正常范圍內，并在加卸催化劑過程中加強液位調整。同時，由于催化劑閃蒸罐排放至熱低壓分離器的輸送油溫度低，如果瞬間加大熱低壓分離器至分餾系統的油量后，會影響正常的分餾過程，導致產品不合格。因此在催化劑置換過程中，應當平穩調整高、低壓分離器液位，維持正常操作。

6 結束語

神華煤制油加氫穩定裝置反應器為沸騰床工藝，為了使沸騰床反應器中催化劑的活性保持相對穩定的水平，在正常生產中通過對反應器中催化劑在線置換即在線添加新鮮催化劑和卸出廢舊催化劑的方法使催化劑的催化效能得到有效保證。通過監控反應器溫升和核料位變化，以及對催化劑的采樣分析，確定催化劑置換量以及置換頻率等的具體操作。同時由于此操作是在不停工過程中進行的在線置換方法，如若操作不當會對反應器操作產生一定的影響，因此，要嚴格按照規程，合理控制好壓差、輸送油等的參數穩定，保證在線置換催化劑過程順利完成。