加氢裂化床层差压快速上升的原因分析及对策

2022-09-11

0 引言

316万吨/年加氢裂化装置为腾龙芳烃 (漳州) 有限公司芳烃联合项目的一部分, 采用CLG两段全循环加氢裂化工艺, 该装置加工VGO+AGO或VGO, 最大限度地生产重石脑油, 同时副产液化气、轻石脑油、燃料气和少量尾油。

第一阶段于2014年4月26日开工成功, 6月4日19:31发现R-101A床层总差压由0.6MPa上升至0.787MPa, 与前期相比上升明显;6月6日8:00床层总差压上升至1.49MPa。为防止床层压降过快, 采取了降低进料量的方式维持装置运转。至2014年8月18日停工前, 床层总差压持续上升, 最高升至1.72MPa。2014年8月18日~9月14日对反应器进行卸剂过筛重装处理。2014年9月14日第二阶段开工进油后, R-101A反应器床层总差压超过了1.4MPa, 还是处于居高不下。

本文对该装置第一阶段、第二阶段床层总差压上升过快的原因进行分析, 并提出了对策和建议。

1 反应器床层空隙率

催化剂颗粒群堆积成的床层疏密程度可以用空隙率表示。影响空隙率的因素很多, 如颗粒形状、粒度分布、填充方式等。流体流过固定床时压降的数学模型[1]为:

式中:L为床层高度, Δp/L为单位床层高度的压降, λ为流体流过床层的摩擦系数, a为床层比表面积, ρ为流体密度, u为流速。对于确定的装置, L、λ、a、ρ、u变化不大, 对压降的影响很小。而对压降影响最大的是空隙率ε。

乱堆的非球形颗粒床层空隙率往往大于球形颗粒。经研究[2], 三叶草形催化剂的床层压力降比圆柱形、球形催化剂要低很多, 而且三叶草的外表面积更大, 扩散路程更短, 有利于减少内扩散阻力。因此, 本装置采用的精制剂及裂化剂均是长条形的三叶草。

2 R-101A第一阶段床层总差压快速上升原因分析

2.1 原料油中携带的固体颗粒的沉积

原料油中的固体颗粒主要是机械杂质、铁锈等。原料油进反应器的铁含量最高时达到3.61mg/kg, 一般都是在2~3mg/kg之间, 设计的指标是原料油中铁含量应小于1ppm。原料油中金属铁则沉积于催化剂上, 造成催化剂的微孔堵塞而失去活性, 形成不可逆的永久性中毒。显然, 原料油中铁含量是造成床层堵塞, 压力降增大的重要原因。

2.2 高氮工况下, 反应生成的焦炭

2014年5月22日到2014年6月12日一段反应进料氮含量基本维持在1400PPM以上, 具体操作状况如下:

(1) 2014年5月22日一段反应器R-101A入口维持384℃ (反应进料量137t/h, VGO氮含量1518PPM, 床层总温升约89.8℃, 一段反应器CAT达到了400℃) , 一段反应转化率约40%。

(2) 2014年6月12日受反应进料氮含量影响一段反应器R-101A入口升温至390℃ (反应进料量170t/h, VGO氮含量1622.8PPM, 床层总温升约70.89℃, 一段反应器CAT达到了412.89℃) , 但一段反应R-101A转化率却仅17%。

由此可见, 高氮工况 (平均1400PPM以上, 最高值1622.8PPM) 连续运行约20天, 催化剂活性下降达到12.8℃。在高温下引起了原料油中的生焦母体, 如不饱和烃、重芳烃以及硫、氮等杂原子化合物迅速发生聚合反应, 形成有机微粒沉积在床层中。所以, 高氮工况下, 反应为了保持一定的转化率, 必须依靠提高反应温度来保证, 但提高反应温度会增加催化剂的积炭速度, 严重时会导致催化剂的结焦, 减小床层的空隙率, 反应器差压增大。

2.3 催化剂强度及装填的影响

加氢裂化催化剂2012年1月份到货, 存放时间较长, 强度会有下降。催化剂初次装填发现催化剂断裂比较严重, 存在大量的小颗粒和粉尘。当催化剂强度较差, 运转过程中遇水破碎而堵塞床层, 因此对催化剂强度应有严格的控制。床层下沉也会造成压力降增大, 这与装填催化剂的方式紧密相关。反应器内构件, 特别是液体分配盘设计或安装不当会造成流体分布不均匀, 甚至沟流等, 使原料在死角处积聚生焦, 堵塞床层 (见图1、图2) 。

2.4开工初期多次紧急泄压致使R-101A催化剂床层发生迁移事故

2014年6月3日因操作失误, 15:14左右, 发现二段反应四床层温度高报并有继续扩大趋势, 装置被迫紧急泄压降温、停工;20:20重新开工引进料, 投料生产转入正常模式后, 发现一段反应R-101A床层阻力降逐步增大, 截至6月6日8:00最高升至1.49MPa。由此可见, 此次二段反应超温泄压, 导致床层差压快速上升的主要原因, 经过卸剂后发现 (见图3、图4) 。

图1:R-101A第一床层径向面积约1/3的催化剂有塌陷;

图2:第一床层径向面积约1/2的催化剂有沟流现象, 沟深约200mm~300mm左右。

图3:R-101A第三床层入口分配盘与筛板盘之间堆满了催化剂 (包括分配器的孔隙) , 第二床层支撑格栅与器壁相连的支撑圈处出现催化剂漏至第三床层入口分配盘, 这是床层升降升高的主要原因;

图4:R-101A第三床层入口分配器顶部与筛板盘之间距离很大, 说明分配盘变形比较严重。

此前, 4月12日反应系统8MPa氮气气密完毕, 需要泄压消漏, 装置将反应压力降至5MPa后开始进行紧急泄压测试, 测试后, 将泄压孔板直径由42mm扩径到65mm。可是, 因反应系统在开工过程中出现多次泄漏问题进行多次紧急泄压后, 在最近一次, 泄压速率的前一分钟达到了1.5MPa (设计的紧急泄压每一个泄压阀是1.03MPa/min) 。多次泄压、泄压速率过快导致第二床层催化剂漏至第三床层入口分配盘, 引起反应床层总差压快速上升。

3 R-101A第二阶段床层总差压快速上升原因分析

抚顺石油化工研究院根据我们提供的反应器内构件技术资料, 对反应器内构件在不同工艺条件下的压力降进行了工程核算。核算结果见表2。

由上面的核算结果可见, R-101A第二阶段床层总差压异常升高是由床层的催化剂引起的, 床层内构件对差压的影响相对较小。

加氢裂化卸剂时发现小于3mm的催化剂颗粒非常多, 催化剂粉碎严重。加氢裂化装剂时催化剂装填密度大, 无法达到设计堆密度 (密相装填器已调整至最佳位置, 但还是比设计值高) 。

反应器刚进油时反应器R-101A各床层压降为:第一床层0.071MPa;第二床层0.179MPa;第三床层0.199MPa;第四床层0.164MPa;第五床层0.418MPa。R-101A是第一床层卸剂后换新剂重装, 后面四个床层卸剂, 过筛后重装。由此可以看出, 卸剂、过筛、重装后的催化剂床层压降较大, 原因有卸剂时候是用抽真空抽出, 导致催化剂粉碎严重;催化剂卸出后过筛效果较差, 很多碎剂还存在;重装时候装填密度较大, 引起催化剂进一步粉碎;重新进油后床层径向温差过大, 一开始最大温差达到14℃以上。这些情况都能导致床层压降进一步增大。

4 原因总结

(1) 开工初期多次紧急泄压致使R-101A催化剂床层发生迁移是反应床层差压上升的最主要原因。

(2) 加氢裂化原料金属含量高, 特别是铁, 致使床层差压上升。

(3) 加氢裂化催化剂在高氮工况下失活速率加快, 反应提温较多, 导致催化剂积炭速率加快, 甚至出现结焦, 引起床层差压上升。

(4) 催化剂初次装填发现催化剂断裂比较严重, 存在大量的小颗粒和粉尘, 并且催化剂强度存在不足。

(5) 加氢裂化在抽真空的情况下卸剂时发现小于3mm的催化剂颗粒非常多, 催化剂粉碎严重;装填密度大, 无法达到设计堆密度。卸剂过筛重装后再次出现R-101A床层总差压较高的主要原因。

5 对策与建议

(1) 尽量避免紧急泄压, 保证反应器内构件的安装强度

加强操作人员的培养, 严格监控各个系统的操作情况, 避免出现操作失误而泄压。应该在可靠的条件下进行紧急泄压测试, 从而产生可靠的泄压数据。反应器内构件安装时应加强监督, 确保安装到位, 尤其是支撑格栅及分配盘等。

(2) 提高原料油的纯净度, 防止污染物进入床层

原料油中的固体微粒通过在储油罐的油泵出口加设过滤器, 在进装置前除去绝大部分。减少原料从上游装置带来的铁, 尤其是含环烷酸较多的原油在运转中将会使器壁中的铁溶出而带入反应系统, 增大反应器床层压降而缩短运行周期, 带来严重影响。关于环烷酸溶铁问题的解决措施应加强常减压装置的脱盐, 中和环烷酸, 减少过程铁。

(3) 完善催化剂的级配方案, 扩大床层容垢能力

反应过程中, 于反应器内增设积垢篮, 应用脱金属催化剂以及分层装填技术也是防止金属集中沉积而延缓床层压降的有效方法, 特别要保证催化剂的脱铁活性。

反应器第一床层采用抚顺研究院的齿球保护剂FZC-204, 齿球精制剂FF-46, 鸟巢支撑剂BN03A06, 鸟巢保护剂FBN02B01 (8045mm) 、FBN02B01 (30045mm) 、FBN03B01 (30025mm) 。

(4) 严格控制原料油的氮含量

严格控制原料油的氮含量, 确保反应在较低的温度下进行, 降低催化剂的失活速率, 减少催化剂的积炭速率, 防止催化剂出现生焦的情况。

(5) 避免抽真空卸剂, 确保合适的装填密度

采用抽真空卸剂时, 对催化剂的断裂及粉碎有很大影响, 应尽量避免应用抽真空卸剂。严格控制其强度, 购买强度高的催化剂。若设计堆密度较小, 则是催化剂强度较低, 应在合适的装填密度下装填。避免整个反应器全部使用旧剂重新回装, 对于反应器差压有较大影响。

摘要：腾龙芳烃316万吨/年加氢裂化装置于2014年4月26日成功开工, 运行至2014年8月18日, 一段反应器R-101A床层差压由0.6MPa上升至1.7MPa, 采取诸多操作调整均未见效, 直至2014年8月19日停工卸剂、检查, 分析差压上升的重要原因为原料油中铁含量较大;催化剂结焦、沟流严重;第二床层催化剂迁移至第三床层入口分配盘。催化剂经过筛后回装, R-101A床层差压还是超过1.4MPa, 经过分析为抽真空后催化剂断裂、粉碎严重。

关键词：加氢裂化,催化剂,差压,空隙率