并聯(lián)反應(yīng)器系統(tǒng)操作差異性探究

奚力軍

(中海煉化惠州煉化分公司煉油二部 ，516086)

并聯(lián)反應(yīng)器系統(tǒng)操作差異性探究

奚力軍

(中海煉化惠州煉化分公司煉油二部 ，516086)

以分析兩列循環(huán)氫加熱爐燃料氣耗量差異較大的原因作為出發(fā)點，比較了兩列并聯(lián)反應(yīng)器系統(tǒng)操作參數(shù)的差異性，并對這種差異性產(chǎn)生的原因進行分析。通過對比發(fā)現(xiàn)，兩列在原料預(yù)熱部分出現(xiàn)較大差異，結(jié)合反應(yīng)器入口溫度的控制方案，預(yù)熱部分換熱效果的差異可能源于兩列反應(yīng)生成油物性不同，而反應(yīng)器催化劑裝填效果以及反應(yīng)器的床層溫度差異可能是導(dǎo)致兩列反應(yīng)生成油物性不同的真正原因。

反應(yīng)器 并聯(lián) 操作參數(shù) 差異性

中海煉化惠州煉化分公司蠟油加氫裝置反應(yīng)部分工藝流程采用兩列并聯(lián)反應(yīng)器系統(tǒng)，兩列反應(yīng)器各自擁有獨立的原料預(yù)熱系統(tǒng)，床層溫度由各自獨立的冷氫系統(tǒng)進行控制，原料預(yù)熱系統(tǒng)采用爐后混油方案。兩列的原料油來自同一臺進料泵(P102)，分別由控制閥(FV10301/FV12401)控制進料量相同防止發(fā)生偏流，依次經(jīng)過4臺高壓換熱器殼程(E104、E102A、E102B、E101)與先經(jīng)過1臺高壓換熱器(E103)殼程再經(jīng)過加熱爐(F101)的循環(huán)氫混合后進入反應(yīng)器，兩列的循環(huán)氫由同一臺循環(huán)氫壓縮機(K102)供應(yīng)，分別由控制閥(FV10302/FV12402)控制各自系列的循環(huán)氫流量以防止發(fā)生偏流；反應(yīng)生成油經(jīng)過以上5臺高壓換熱器的管程與原料油進行換熱后進入高壓分離器(D103)。

2014年10月惠州煉化分公司進行了換劑檢修工作，檢修后重新裝填的催化劑大部分使用的是2011年的再生催化劑。開工后發(fā)現(xiàn)兩列反應(yīng)加熱爐的燃料氣耗量差異較大，對燃料氣流量以及循環(huán)氫流量等相關(guān)儀表進行校驗后仍然沒有改善，考慮到兩列反應(yīng)器系統(tǒng)流程完全一致，控制方案也遵循一致的原則，不應(yīng)出現(xiàn)如此大的差異，但實際的操作參數(shù)卻呈現(xiàn)出較大的差異性。

較大差異的存在偏離了裝置的原始設(shè)計要求，在一定程度上說明裝置處在不正常的生產(chǎn)狀態(tài)下，因而找出導(dǎo)致差異存在的原因并進行相應(yīng)的調(diào)整和適當?shù)目刂撇庞欣谘b置長周期的安全平穩(wěn)運行。差異主要體現(xiàn)在以下幾個方面：高壓換熱器的換熱情況，循環(huán)氫加熱爐燃料氣耗量情況，反應(yīng)器催化劑床層的相關(guān)操作參數(shù)情況，包括床層入口平均溫度、床層出口平均溫度、床層溫升等。多種因素會導(dǎo)致差異的產(chǎn)生：換熱器換熱效率不同、催化劑裝填效果不同、催化劑失活程度不同、反應(yīng)生成油物性不同、反應(yīng)加熱爐熱效率不同等。

1 加熱爐燃料氣消耗差異及分析

加熱爐燃料氣流量的控制方案是(以A列為例)：F101A的出口溫度控制器TICA10511與R101A的一床入口溫度控制器TIC10601F1為低選關(guān)系，由選擇器TU10511控制；經(jīng)選擇器TU10511選擇后，TICA10511和TIC10601F1中輸出值低的那個控制器與燃料氣流量控制器FIC12301構(gòu)成串級控制關(guān)系。TICA10511或者TIC10601F1為主控制器，F(xiàn)IC12301為副控制器。雖然反應(yīng)加熱爐直接對循環(huán)氫進行加熱，但是分析反應(yīng)加熱爐燃料氣流量的控制方案可知，為了滿足反應(yīng)器入口溫度的要求，反應(yīng)加熱爐相當于對原料油與循環(huán)氫的混合原料進行加熱。燃料氣耗量不同說明加熱爐的熱負荷不同，而熱負荷與原料油與循環(huán)氫的流量和溫度息息相關(guān)。圖1為兩列加熱爐燃料氣耗量對比，圖2為兩列反應(yīng)器一床入口溫度控制器(TIC10601F1)設(shè)定值對比。

圖1 加熱爐燃料氣耗量對比

圖2 反應(yīng)器一床入口溫度控制器設(shè)定值對比

由圖1可知，在2014年12月開工后約180天的加工時間里，F(xiàn)101A的燃料氣耗量(標準體積)在300～400 m3/h之間，而F101B的燃料氣耗量在600 m3/h左右，F(xiàn)101B的燃料氣耗量比F101A高出60%左右。而由圖2可以看出兩列反應(yīng)器一床入口溫度的設(shè)定值并不存在較大差異。在經(jīng)過多次校驗后，確定兩列原料油流量不存在偏差，兩列循環(huán)氫流量也不存在偏差，判斷加熱爐燃料氣流量的差異可能是兩列原料油或者循環(huán)氫的溫度在預(yù)熱部分產(chǎn)生差別導(dǎo)致。

另外，兩列加熱爐的熱效率不同也會引起燃料氣的耗量不同。如果F101B的熱效率較低，在同樣的熱負荷下，F(xiàn)101B必然需要消耗更多的燃料氣才能滿足生產(chǎn)要求。

在正常生產(chǎn)期間可以先對兩列加熱爐的煙氣組成進行分析，分析兩列加熱爐的燃燒狀況有無較大差異。在下次檢修中，將對兩列加熱爐進行全面的檢查，包括爐管的結(jié)垢情況，燃燒器的情況，綜合分析兩列加熱爐是否熱效率有較大差別。

2 高壓換熱器換熱效果差異及分析

影響兩列對應(yīng)位置高壓換熱器換熱效果的因素有管程和殼程介質(zhì)的出入口溫差、換熱器的結(jié)垢情況、管程和殼程介質(zhì)的實際物性情況。由于無法獲得每臺換熱器實際的傳熱系數(shù)K，通過估算傳熱量的大小比較兩列中對應(yīng)位置換熱器的換熱情況，傳熱量的大小不能用來比較對應(yīng)位置換熱器換熱效果的好壞。表1為兩列反應(yīng)器的高壓換熱器換熱效果對比，由于兩列反應(yīng)器出口的物性可能不一致，所以利用表1中數(shù)據(jù)，以殼程介質(zhì)數(shù)據(jù)估算傳熱量，根據(jù)傳熱公式Q=F(T1-T2)CP，其中Q代表傳熱量，F(xiàn)代表質(zhì)量流量，T1代表出口溫度，T2代表入口溫度，CP代表殼程介質(zhì)的平均比熱。兩列殼程介質(zhì)為來源于同一臺進料泵的混合原料油，介質(zhì)性質(zhì)相同，并且認為在通過各臺換熱器后CP不發(fā)生改變，按照CP一致處理；生產(chǎn)上控制兩列進料量相同，所以F相同。同理，E103殼程介質(zhì)為氫氣，兩列中的F與CP也按相同計算。因為進料量F和平均比熱CP相同，所以比較兩列同一位置換熱器的換熱量就是比較換熱器出入口溫差的大小，溫差大的換熱量就大，反之溫差小的換熱量就小。

表1 高壓換熱器換熱效果對比 ℃

注：表中數(shù)據(jù)為180天的平均值。

由表1可知，兩列高壓換熱器的換熱效果在整體趨勢上大致相同，原料油和氫氣流經(jīng)殼程溫度逐漸升高，反應(yīng)生成油流經(jīng)管程溫度逐漸降低。但是兩列對應(yīng)位置換熱器的換熱效果存在一定的差別，首先是原料側(cè)第一臺換熱器E104A和E104B在換熱效果上出現(xiàn)了差異，這種差異的產(chǎn)生影響到了后續(xù)換熱器的換熱使A列殼程入口各點溫度均高于B列。

通過計算得知：E104A的出入口溫差為113.9 K，E104B的出入口溫差為110.7 K，即E104A的換熱量大于E104B；E103A的出入口溫差為117.8 K，E103B的出入口溫差為114.4 K，即E103A的換熱量大于E103B；E102A/B的出入口溫差為84 K，E102C/D的出入口溫差為83.6 K，即E102A/B的換熱量略大于E102C/D；E101A的出入口溫差為29.1 K，E101B的出入口溫差為30.3 K，即E101A的換熱量略小于E101B的換熱量。整個系列的換熱量等于原料油換熱器(E104、E102、E101)的換熱量與循環(huán)氫換熱器(E103)的換熱量之和，最后的估算結(jié)果是A系列的換熱量大于B系列的換熱量。這個計算結(jié)果說明A系列的余熱回收效果好于B列。

兩列換熱器的結(jié)垢情況不同也有可能是導(dǎo)致產(chǎn)生換熱差異的原因，工藝上為了控制結(jié)垢對換熱效果的影響，在E102入口設(shè)置有防結(jié)焦氫氣，此外在進料泵(P102)入口注入一定流量的阻垢劑，這些措施在一定程度上對減緩換熱器的換熱效率下降是有作用的。

蠟油加氫裂化裝置自2009年首開以來已運行了6年時間，加工的原料性質(zhì)時常變化，與裝置的初始設(shè)計存在差異，但是阻垢劑在幾個運行周期中并未更換過，可能已不適應(yīng)當前的操作條件和原料性質(zhì)。在下次檢修期間應(yīng)對兩列所有換熱器進行拆檢，檢查結(jié)垢情況，另外應(yīng)與阻垢劑的供應(yīng)商進行溝通是否有更換阻垢劑的必要。

3 反應(yīng)器催化劑裝填差異及分析

3.1 催化劑裝填量

兩列高壓換熱器的換熱效果不同可能與兩列反應(yīng)生成油的物性不同有關(guān)，而生成油物性不同可能與催化劑的裝填有關(guān)。因為是并聯(lián)反應(yīng)器，所以裝填方案是一致的：(1)整個反應(yīng)器沿著物料的進入方向先裝填保護劑，再裝填精制劑，最后裝填裂化劑；對于同類型的催化劑進行分級裝填，粒徑大的裝填在床層的上部，粒徑小的裝填在床層的下部；(2)在裝填的同類型催化劑中，前部裝填再生催化劑，后部裝填新鮮催化劑。兩列反應(yīng)器催化劑裝填明細對照表2。

表2 兩列反應(yīng)器催化劑裝填明細對照

由表2可知:在裝填的同類型催化劑中，再生催化劑裝填比例大，DN-3551(2.5mm)A列、B列再生劑裝填比例分別為80.77%，80.25%；Z-503(2.5mm)A列、B列再生劑裝填比例均為81.78%；Z-3723(2.5mm)A列、B列再生劑裝填比例分別為82.75%、82.61%。再生催化劑的活性、選擇性、穩(wěn)定性與新鮮催化劑比有一定差距，尤其是選擇性對操作參數(shù)更加敏感，兩列操作參數(shù)略有不同都可能使催化劑的性能呈現(xiàn)的不一致。此外催化劑的再生過程是分批次進行的，因而再生催化劑各批次之間的性能也可能存在差距，這兩種因素可能會影響原料油的精制、裂化過程最終造成兩列反應(yīng)生成油的物性不同。

從催化劑的實際裝填情況來看，除第三床層外，A列的裝填量均略微高于B列，其中一床高出1.05%，二床高出1.52%，四床高出0.82%，五床高出0.36%，六床高出0.86%。裝填量相差最大的是第二床層的再生DN-3551，R101A的裝填量比R101B高出20%。A列一床每種粒徑保護劑的裝填量都比B列要高，這可能使A列保護劑的作用優(yōu)于B列，A列的精制催化劑、裂化催化劑處在一個機械雜質(zhì)、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及金屬化合物都比B列要低的環(huán)境中，因而催化劑的選擇性更高，穩(wěn)定性保持的也更長久。

裝填量作為對比兩列催化劑活性好壞的基礎(chǔ)之一應(yīng)盡量保持一致，但是裝填過程有人為因素的干預(yù)，因而改進裝填工藝以及對裝填過程進行嚴格的管理或許在一定程度上能夠提高裝填質(zhì)量。

3.2 催化劑裝填密度

影響催化劑裝填效果的除了裝填量外，裝填密度同樣重要。第一床層保護劑的裝填方式為稀相裝填，裝填密度過大會使反應(yīng)器的壓降過大，不僅催化劑因床層差壓過大發(fā)生粉碎，而且反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件也會受壓過大發(fā)生變形，導(dǎo)致生產(chǎn)周期縮短。但是考慮到保護劑的作用是保護后面的精制催化劑，裝填密度過小會降低保護的效果。裝填密度相差大在初期階段帶來的影響不大，但是隨著生產(chǎn)進行到中后期，催化劑失活加快，裝填密度小的床層需要比裝填密度大的床層更高的溫度補償。兩列反應(yīng)器催化劑裝填密度對比見表3。

由表3可知：兩列反應(yīng)器各類型催化劑的裝填密度總體上A列高于B列，其中有4種類型的催化劑的裝填密度相差較大。R101A一床粒徑為16 mm的保護劑的裝填密度比R101B高出9.89%，R101A二床新鮮DN-3551的裝填密度比R101B高出19%，R101A六床新鮮Z-3723的裝填密度比R101B高出15.52%，R101B六床新鮮DN-3723的裝填密度比R101A高出14.16%。在保護劑、精制劑、裂化劑上A列裝填密度均高于B列，而且都是新鮮催化劑，雖然新催化劑的比例較少，但是其發(fā)揮的用不容忽視。

表3 兩列反應(yīng)器催化劑裝填密度對比

4 反應(yīng)器床層溫度差異及分析

反應(yīng)器床層溫度的控制方案是以入口溫度作為操作參數(shù)，對于精制床層，通過調(diào)整入口溫度來實現(xiàn)要求的脫硫、脫氮等精制效果?？刂?個精制床層(一層、二層、三層)入口溫度形成逐漸升高的溫度梯度可以使前一個床層中難以反應(yīng)的含硫、含氮雜質(zhì)在當前的床層中充分反應(yīng)；對于裂化床層則是通過調(diào)整入口溫度達到要求的轉(zhuǎn)化率，控制3個裂化床層(四層、五層、六層)溫度形成逐漸降低的溫度梯度可以避免過度裂化，保證目標產(chǎn)物收率。出口溫度不作為控制參數(shù)，但卻作為監(jiān)測參數(shù)判斷入口溫度控制的是否合理[1]。兩列反應(yīng)器各床層溫升對比見表4。

表4 兩列反應(yīng)器各床層溫升對比

由表4可知：兩列反應(yīng)器相同之處是精制床層入口溫度呈現(xiàn)遞增趨勢，裂化床層入口溫度呈現(xiàn)遞減趨勢；除第一、第六床層出口溫度偏低外，其余4個床層的出口溫度基本保持相等；精制床層溫升逐漸降低，裂化床層溫升逐漸升高；精制床層平均溫度呈現(xiàn)遞增趨勢，裂化床層平均溫度呈現(xiàn)遞減趨勢。

A列精制床層中的一床入口溫度在低于B列的情況下表現(xiàn)出比B列更高的溫升，說明A列一床催化劑表現(xiàn)出的整體活性更好，整體活性的差別可能與初始的催化劑裝填情況有關(guān)，也有可能是在后續(xù)的生產(chǎn)過程中由于物流分配不均使得局部催化劑結(jié)焦程度不同或者緊急停工時過大的溫度、壓力、流速的變化對催化劑床層造成的損害程度不同導(dǎo)致[2]。雖然為了更好的發(fā)揮催化劑的性能以完成要求的生產(chǎn)任務(wù)，反應(yīng)床層溫度的控制要遵循一定的原則和規(guī)律，但是影響反應(yīng)床層溫度控制的內(nèi)在因素是催化劑的實際性能，生產(chǎn)上會根據(jù)床層溫升的情況判斷催化劑活性、選擇性、穩(wěn)定性的好壞來對控制溫度進行相應(yīng)的調(diào)整。因此，反應(yīng)溫度的控制情況會在一定程度上影響反應(yīng)，最終影響反應(yīng)生成油的物性。

5 結(jié)論

(1) 結(jié)果表明，兩列加熱爐燃料氣耗量的差異應(yīng)是真實存在的，對應(yīng)位置換熱器的換熱效果差異較大直接造成了兩列循環(huán)氫加熱爐燃料氣耗量的差異。

(2) 通過對比兩列反應(yīng)器的催化劑裝填情況以及床層溫度情況，兩系列反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)品組成即物性可能存在一定差異，這種差異導(dǎo)致兩列反應(yīng)生成油的物性不同，進而影響原料預(yù)熱部分最終的換熱效果。

(3) 并聯(lián)反應(yīng)器系統(tǒng)在操作上雖然相互獨立，但是采取相互對照的方案，盡管操作參數(shù)上會呈現(xiàn)一定的差異，但是偏差盡量控制在允許的范圍內(nèi)，這種控制方案可以使并聯(lián)反應(yīng)系列的催化劑失活周期盡量一致。

(4) 考慮到B列催化劑的選擇性可能與A列相比較弱，在操作溫度的控制上應(yīng)更加謹慎，以免惡性循環(huán)。

(5) 對兩列反應(yīng)生成油進行采樣化驗分析，驗證是否存在物性上的較大差異。

(6) 操作上可以適當加大B列防結(jié)焦氫氣的量，驗證能否改善B列高壓換熱器的換熱效果。

(7) 利用裝置下次檢修機會對高壓換熱器和反應(yīng)加熱爐進行整體檢查，找出是否存在某些影響兩列高壓換熱器或者加熱爐熱效率的因素，包括換熱管結(jié)垢情況、加熱爐燃燒器情況，強化預(yù)熱部分的傳熱效果在裝置節(jié)能降耗方面會有一定幫助。

[1] 李立權(quán).加氫裂化裝置操作指南[M].北京:中國石化出版社，2005:70.

[2] 金德浩，劉建暉，申濤.加氫裂化裝置技術(shù)問答[M].北京:中國石化出版社，2006:53.

Exploration on the Operating Difference of Multiple Reactor System

Xi Lijun

(CNOOCRefineryCo.,Ltd.,HuizhouRefineryBranch, 516086)

Starting from analysis of causes of great differences between two multiple circulating hydrogen heating furnaces in the consumption of fuel gas, the differences between the two multiple reactor systems in operating parameters were compared, and the reasons for the differences were analyzed. It was found that two multiple reactor systems presented an obvious difference in feed preheating section. Combining with the control plan of reactor inlet temperature, it was concluded that the differences of heat changing effects in preheating section were probably attributable to difference of physical property data of two multiple reaction products, and the catalyst loading effects as well as the reactor bed operating temperature maybe the real inducements which made the two multiple reaction products had difference physical property data.

reactor, multiple, operating parameters, difference

2015-09-06。

奚力軍，男，1987年11月出生，2011年畢業(yè)于東北石油大學(原大慶石油學院)化學工程與工藝專業(yè)，本科，工學學士學位，助理工程師，目前從事蠟油加氫裂化研究。

1674-1099 (2015)05-0042-05

TE624

A