催化裂化裝置反應器和再生器設計

陳萬柱，王政威，郭道生

（中國寰球工程公司 遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

化工設計

催化裂化裝置反應器和再生器設計

陳萬柱，王政威，郭道生

（中國寰球工程公司 遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

通過本公司催化裂化裝置反應器（沉降器）和再生器的設計，介紹了催化裂化裝置兩器結構設計（包括殼體、外集氣室、分布管、襯里結構等的設計）及材料選擇（包括殼體材料和內件材料）的特點，并對一些結構設計和材料選擇問題進行了詳細分析。

催化裂化；反應器；再生器；結構設計；材料選擇

催化裂化是煉油工業中一種最重要的二次加工工藝，在煉油工業生產中占有重要的地位；是石油化工中重質餾分油輕質化的主要手段。

催化反應-再生系統是整個催化裂化裝置的核心，反應器（沉降器）和再生器（以下簡稱兩器）設計的成功與否，將直接關系到裝置能否高效、長周期地運行。隨著重質餾分油催化裂化技術的不斷進步，對兩器的設計有了更加嚴格的要求。從設備角度看，主要體現在以下幾方面[1]：

(1)設備規模不斷擴大；

(2)操作溫度不斷提高；

(3)介質腐蝕加劇；

(4)更長周期操作的要求。

所有這些都給兩器的設計提出了更高的要求。本文結合本公司催化裂化裝置兩器的設計，談談兩器設計的一些問題。

1 結構設計

1.1 殼體設計

確定反再兩器的設計壓力時，除應考慮主風機的出口最大壓力外，還應考慮非正常狀態下因催化劑的堆積或其他原因引起的局部升壓，綜合考慮上述因素本裝置設計壓力取0.3 MPa。采用冷壁設計，設計溫度取350 ℃。圖1為該兩器的豎面圖。從圖1可見，該裝置為兩段提升管反應器、串聯式二段再生器結構。兩器殼體及提升管設計遵循GB150.1～150.4-2011《壓力容器》。對于大開孔，由于其開孔范圍超過了等面積補強法的要求，采用了GB150.3提供的分析法進行計算。

1.2 外集氣室

由于溫度不斷提高，內集氣室在操作中容易變形，導致焊縫開裂，影響長周期運行。本裝置采用內部有隔熱耐磨襯里結構的外集氣室，這樣可以節省貴重合金鋼，維修方便，并能降低兩器高度。

1.3 分布管

無論是在反應器床層內進行裂化反應或是在再生器床層內燒焦，都要求沿床層截面均勻地分布氣體并創造一個良好的起始流化條件，同時要抑制聚式流化原生不穩定性的惡性引發，使良好起始流化條件得以長時期的穩定保持下去。所以要選擇具有上述優點的分布裝置，本裝置選用樹枝狀分布管。

分布管的作用是均勻布氣，促進氣、固兩相接觸，為裝置良好運行創造條件。本裝置采用樹枝狀分布管，分布管是由主管和支管組成，支管兩側有垂直于支管的分支管，在分支管上焊有噴嘴。樹枝狀分布管具有以下優點[2]：

(1)壓降較小；

(2)不易變形；

(3)安裝制造方便，節省材料；

(4)分布管噴嘴向下，不易于發生催化劑倒流；

(5)采用限流噴嘴，氣流分布均勻，減少對催化劑的磨損。

圖1 兩器示意圖Fig.1 Schematic diagram of reactor and Regenerator

1.4 襯里結構設計

兩器襯里結構的設計至關重要。襯里失效主要是由于襯里的脫落和開裂，造成設備器壁的局部過熱和磨損損壞。隨著襯里材料和技術的不斷發展，無龜甲網襯里結構得到了廣泛的應用和認同。該襯里具有隔熱、耐磨或隔熱耐磨多種作用兼顧，整體性好，強度高和不易脫落的優點，適合于裝置大多數地方。由于側拉型圓環錨固釘使用日漸成熟，尤其是在無法支模澆注的單層或雙層隔熱耐磨襯里時，有較大的優越性，其使用效果不亞于帶龜甲網襯里，因此本裝置主要采用側拉型圓環的錨固釘單層或雙層隔熱耐磨襯里結構。

2 材料選擇

2.1 殼體材料

近年來，催化裂化裝置殼體發生應力腐蝕開裂問題，引起了大家的足夠重視。殼體應力腐蝕裂紋多發生在焊縫、融合線或熱影響區[3]。材料的強度越高，其應力腐蝕敏感性越高，同時焊縫的殘余應力對焊縫的應力腐蝕開裂有加強作用，因此設計殼體時應選用Q245R作為殼體的主體材料，焊條應與本體材料相匹配。同時焊縫進行焊后消除殘余應力熱處理。

應力腐蝕開裂發生的另一個主要因素是煙氣的露點腐蝕。當設備壁溫低于煙氣露點溫度時，設備內壁則會出現酸性溶液，從而成為應力腐蝕介質。為了避免在器壁上形成酸性溶液, 設計時可以考慮提高再生器的器壁溫度，其措施有以下幾點：

(1)減小襯里厚度或適當增加襯里材料的導熱系數；

(2)適當增加外部保溫；

(3)器壁外部增加外保溫涂層。

由于增加外部保溫，內襯里脫落后不能及時發現，可能造成不必要的損失；再者，有傳熱計算得出，很薄的保溫層就能使殼體壁溫達到300 ℃以上，此時，材料的許用應力下降很多，金屬耗量增加。本裝置采用(1)(3)方法共用的措施來提高壁溫，經傳熱計算壁溫可達 200 ℃左右，此方法既避免了材料許用應力的下降，又控制了壁溫，而且不增加費用。

2.2 內件材料

高溫、腐蝕介質環境下受力的內構件材料的強度較低，同時承受沖擊力和熱應力，所以內構件選材時，應考慮以下幾方面的因素：

(1)要有較高的應力斷裂極限，同時價格工程上可以接受；

(2)要有良好的抗熱疲勞性能，要有良好的延伸性和抗沖擊性；

(3)熱膨脹系數要相近，長期處于高溫環境，要考慮熱脹差，防止熱位移引起的破壞。

考慮到上述因素，并考慮成本要求，反應器內的承重構件應選用耐熱鉻鉬鋼，再生器內的承重構件應選用含碳量不小于 0.04%的奧氏體不銹鋼，以提高高溫強度[4]。本裝置反應器內旋風分離器、料腿、吊掛等選用15CrMoR，再生器內的內旋風分離器、料腿、吊掛、主風分布管等選用0Cr18Ni9（含碳量大于0.04%）。

3 結 論

綜上所述，催化裂化兩器的結構設計和選材是一個復雜工程，隨著技術和設計水平的提高，兩器的設計水平將會達到更高水平。

［1］ 程建民. 大型重油催化裂化裝置再生器的設計[J]. 石油化工設備技術, 2003, 24(4): 1-4.

［2］ 黃吉國. 煉油裝置工程設計[M]. 山東東營: 中國石油大學出版社, 2010:130-131.

［3］ 賈起亮. 大型催化裂化裝置設備設計的幾個問題[J]. 石油化工設備技術, 2004, 25(4): 11-14.．

［4］ 陳鳳珠. 反再系統設備長周期運行的常見問題及應對措施[J]. 煉油技術與工程, 2011, 41(10): 48-50.

Design of FCC Reactors and Regenerators

CHEN Wan-zhu，WANG Zheng-wei，GUO Dao-sheng
（China Huanqiu Engineering Corp. Liaoning Branch, Liaoning Fushun 113006, China）

The reactor and regenerator of fluid catalytic cracking (FCC) unit has been designed by China Huanqiu engineering company Liaoning branch. In this paper, the equipment structure design (including shell,gas collection, distribution pipe, lining) and material selection (such as shell,internals) were introduced, and some problem about the structural design and material selection were analyzed.

Fluid catalytic cracking; Reactor; Regenerator; Structure design; Material selection

TE 966

B

1671-0460（2012）06-0634-02

2012-05-15

陳萬柱(1955-)，男，遼寧撫順人，工程師，現從事石油化工設備設計工作。E-mail：chenwanzhu@hqcec.com；024-57593892。