馬云超，王杰廣，董 晨，馬愛增

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

近年來，為滿足市場對高辛烷值汽油、芳烴原料及氫氣不斷增長的需求[1]，我國連續(xù)重整裝置的產能不斷提高。對于煉油廠而言，對現(xiàn)有重整裝置進行擴能改造是提高產能的重要途徑。連續(xù)重整裝置擴能改造工作需要根據(jù)裝置的工藝特點和煉油廠實際情況，充分分析裝置的瓶頸及裕量，因地制宜地制定改造方案，投入小成本，獲得大效益。

本研究以某連續(xù)重整裝置為例，介紹增加反應器跨線在擴能改造中的應用。該連續(xù)重整裝置以直餾石腦油和加氫焦化石腦油為原料，生產重整汽油，并副產氫氣。裝置規(guī)模800 kta，設計年開工8 000 h，反應部分采用美國UOP公司的第三代超低壓催化重整工藝，選用中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)開發(fā)的PS-Ⅵ催化劑。催化劑再生部分采用UOP公司的Cyclemax專利技術，再生規(guī)模為907 kgh。根據(jù)煉油廠物料及能量平衡情況，擬通過改造將該裝置處理量提高10%，以年開工8 400 h計，裝置規(guī)模達到920 kta。

1 裝置擴能改造的瓶頸

在連續(xù)重整裝置擴能改造中，反應和再生系統(tǒng)普遍存在如下瓶頸：反應器內催化劑貼壁；加熱爐熱負荷不足；再生器燒焦能力不足等[2-3]。

1.1 反應器內催化劑貼壁現(xiàn)象

連續(xù)重整裝置采用徑向反應器，催化劑沿軸向密相向下流動，反應油氣沿徑向向中心移動。隨著油氣氣速的增加，錯流的氣體對催化劑顆粒的曳力造成靠近中心筒一側的催化劑與中心筒的摩擦力增大，當摩擦力增大至足以支撐部分催化劑的重量時，催化劑不再向下移，這一現(xiàn)象稱為貼壁現(xiàn)象，如圖1所示。油氣流速V1，V2，V3逐漸增加，V1為無催化劑貼壁現(xiàn)象下的氣速，催化劑正常流動；V2為開始出現(xiàn)催化劑貼壁現(xiàn)象的油氣流速，從圖1可見靠近中心筒一側的部分催化劑停止流動；出現(xiàn)貼壁現(xiàn)象后繼續(xù)提高油氣流速到V3，則催化劑床層同時出現(xiàn)貼壁和空腔兩種現(xiàn)象[4]。貼壁催化劑長時間停留在中心筒附近，在反應器內形成死區(qū)，死區(qū)內的催化劑碳含量過高，一旦進入再生燒焦區(qū)會引發(fā)超溫現(xiàn)象，嚴重時造成內構件的損壞及催化劑迷你球的出現(xiàn)。

受催化重整反應特點決定，連續(xù)重整裝置一般采用4個反應器(第一反應器，簡稱一反，以此類推)，且4個反應器尺寸不同，從一反到四反，反應器的體積依次增加。以該裝置為例，4個反應器催化劑裝填體積比為10∶15∶25∶50。這種情況下，相對于一反，二反、三反和四反經常具有過剩的流體力學能力，并且過剩的流體力學能力隨反應器尺寸的增加而增大。在進行裝置擴能改造中，既要充分利用反應器的過剩流體力學能力，又需要警惕反應器催化劑貼壁現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 反應器貼壁現(xiàn)象示意

1.2 擴能前裝置運行情況

擴能前對裝置進行滿負荷標定，以考核裝置的運行情況，發(fā)現(xiàn)在擴能中可能存在的瓶頸。主要操作條件和反應結果列于表1。

表1 擴能前的裝置主要操作條件及反應結果

本次標定進料量達到100%負荷，考慮到重整產氫與加氫裝置耗氫量相匹配，反應溫度設定在516 ℃。從表1可以看出，二反加熱爐燃料氣設計流量為2 112 m3h，實際使用流量為2 102 m3h，已接近100%負荷，另外3個加熱爐熱負荷均有較大富余量。從加熱爐現(xiàn)場燃燒情況看，一反、三反、四反加熱爐的燃燒情況良好；二反加熱爐的個別爐管有燒紅現(xiàn)象，該現(xiàn)象與燃料氣使用量接近滿負荷相符。由此可見，二反加熱爐熱負荷不足問題將成為重整裝置擴能改造的瓶頸。

從表1還可以看出，一反設計壓降為30 kPa，標定工況下壓降達32 kPa，反應器壓降偏高。

1.3 不同工況下的貼壁流量核算

采用上述標定工況條件進行重整反應器貼壁情況工程計算，擴能前各反應器的貼壁情況見表2。貼壁系數(shù)以實際流量占貼壁流量的百分數(shù)表示。

表2 擴能前重整反應器貼壁情況

從表2可以看出，一反貼壁系數(shù)接近90%。若擴能10%，將進料量提高至110 th，保持氫油摩爾比為2.6不變，計算反應器貼壁情況，結果列于表3。由表3可見，擴能后二反、三反、四反的貼壁系數(shù)均不超過92.0%，遠離貼壁點，不會發(fā)生催化劑貼壁現(xiàn)象。一反貼壁系數(shù)接近100%，將出現(xiàn)催化劑貼壁現(xiàn)象。

表3 擴能10%時重整反應器貼壁情況

造成反應器內催化劑貼壁現(xiàn)象的因素主要有三方面，即反應器設計尺寸、油氣性質和催化劑物理性質。對于現(xiàn)有重整裝置，反應器尺寸是固定的，調整設備尺寸需要付出較高的時間成本和經濟成本。重整原料油的油氣性質變化很小，在正常生產條件下基本無法調節(jié)。因此調節(jié)催化劑的物理性質對解決現(xiàn)有裝置的催化劑貼壁現(xiàn)象最易實現(xiàn)，一般采用高堆比催化劑。若采用堆密度為0.66 gmL的催化劑替換現(xiàn)有堆密度為0.56 gmL的催化劑，進料量提高至110 th，保持氫油摩爾比2.6不變，計算各反應器貼壁情況，結果列于表4。從表4可以看出，采用高堆比催化劑可使各反應器貼壁系數(shù)同時下降，其中一反貼壁系數(shù)下降約8%，降至90.5%，避免了催化劑貼壁的風險。

表4 采用高堆比催化劑時的反應器貼壁情況

隨著催化劑堆密度的提高，同樣的碳含量將會加大再生燒焦負荷。中海油惠州石化有限公司200 kta連續(xù)重整裝置同樣采用美國UOP公司第三代超低壓連續(xù)重整工藝技術，采用堆密度為0.67 gmL的催化劑替換堆密度為0.56 gmL的催化劑，反應部分催化劑裝填質量提高了15%。裝置于2017 年進行72 h的催化劑性能測試。在反應溫度507 ℃、84%進料負荷、催化劑循環(huán)速率87.5%的工況下，待生催化劑碳質量分數(shù)高達5.5%～6.2%，催化劑生焦速率比常規(guī)堆比催化劑生焦速率快[5]。再生循環(huán)氣氧質量分數(shù)達0.82%，再生器峰溫為570 ℃，接近裝置報警上限值。更換高堆比催化劑后，再生器的燒焦負荷增大。因此在本裝置采用更換高堆比催化劑解決擴能后的催化劑貼壁問題之前，需要確認裝置自身的燒焦能力。本裝置生產需要加工部分焦化石腦油，焦化石腦油組分偏重，會提高催化劑的積炭速率。裝置設計燒炭速率為45.35 kgh，擴能前標定期間，再生循環(huán)氣氧質量分數(shù)為0.75%，再生器峰溫為570 ℃，催化劑循環(huán)速率為72%，待生催化劑碳質量分數(shù)為5.87%。催化劑生焦速率為38.33 kgh，達設計燒炭能力的85%，再生器燒焦負荷較大。若采用高堆比催化劑，再生器燒焦負荷會進一步增大，將超過設計燒炭能力，成為重整裝置擴能改造的瓶頸。因此無法選用高堆比催化劑解決擴能后一反催化劑貼壁問題。

2 增設一反跨線方案

2.1 增加一反跨線的流程設計

為充分利用二反、三反、四反的流體力學能力，同時有效避免一反催化劑貼壁現(xiàn)象，擬采用增加一反跨線的方法，提高裝置處理量。將第一加熱爐出口油氣分成兩部分，一部分進入一反，另一部分與一反的產物混合后進入二反[6]。第二加熱爐的熱負荷是連續(xù)重整裝置四合一加熱爐中最大的，將全部反應原料送入第一加熱爐可以減輕第二加熱爐的負荷?？缇€如圖2中紅線所示。該方法投資成本小，操作簡單，產生的經濟效益大。

圖2 增加一反跨線方案示意

2.2 增加一反跨線的模擬計算

表5 采用增設一反跨線方法時各反應器貼壁情況

重整裝置擴能后主要反應條件及反應結果的模擬值見表6。由表6可以看出，采用上述增加一反跨線的方法，在反應器入口溫度為527 ℃、氫油摩爾比為2.3的條件下，將裝置擴能至900 kta，可以使C5+產品RON達到103，純氫收率達到3.75%。同時催化劑積炭速率為40.47 kgh，低于裝置的設計燒炭速率(45.35 kgh)。

表6 重整裝置擴能后的主要反應條件及反應結果的模擬值

3 擴能后裝置運行情況

裝置擴能改造中增設一反跨線，油氣自一反加熱爐出口分為兩股，一股進入一反，另一股與二反加熱爐出口油氣混合后進入二反。該管線上設置一個高溫閘閥和孔板流量計，設計最大通過流量為12.5 th，通過閥門開度控制通過該跨線的油氣流量。在重整進料量大于100 th的情況下，可開啟跨線閥門，通過控制進入一反的油氣量以有效避免催化劑貼壁現(xiàn)象。裝置完成擴能改造后，重整滿負荷進料量接近110 th，擴能10%。

擴能后對裝置進行一次大負荷標定，以驗證增加跨線方案的工業(yè)可行性。為保證裝置產氫量與加氫裝置的氫氣使用量相匹配，此次標定設定反應器入口溫度為516 ℃。主要考察擴能后裝置的C5+產品收率、芳烴含量及純氫產率是否滿足生產需要。同時驗證增加一反跨線對避免一反催化劑貼壁和降低二反加熱爐熱負荷的效果。主要操作條件和反應結果列于表7。

表7 擴能后重整裝置主要操作條件及反應結果

由表7可以看出，擴能后裝置的C5+產品收率、芳烴含量及純氫產率與擴能前數(shù)據(jù)相當。經過此次擴能改造，提高了裝置處理量，同時產品性質滿足正常生產要求。

增加一反跨線后，直接分流了進入一反的油氣。一反壓降由擴能前的32 kPa降低至25 kPa?，F(xiàn)場實際情況驗證了跨線的增加有效降低了催化劑貼壁的風險，催化劑循環(huán)流動正常。

擴能后標定期間，再生循環(huán)氣氧質量分數(shù)為0.8%，再生器峰溫為580 ℃，催化劑循環(huán)速率為72%，待生催化劑碳質量分數(shù)為6.2%。催化劑生焦速率為40.49 kgh，較擴能前標定期間提高2.16 kgh，小于設計燒炭速率(45.35 kgh)，滿足裝置正常生產要求。

4 結 論

現(xiàn)有重整裝置的擴能改造中容易出現(xiàn)反應器內催化劑貼壁、加熱爐熱負荷不足、再生器燒焦能力不足等問題。對于再生器燒焦能力有限的裝置，不宜采用高堆比催化劑來解決反應器內催化劑貼壁問題。實踐證明，通過增加反應器跨線的方法進行擴能改造，可有效避免反應器貼壁現(xiàn)象的發(fā)生，同時有利于降低跨線下游加熱爐的熱負荷。