應對原料劣質化的新型高效加氫反應器內構件技術

王少兵，毛俊義，王璐璐

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

應對原料劣質化的新型高效加氫反應器內構件技術

王少兵，毛俊義，王璐璐

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

介紹了中國石化石油化工科學研究院開發的新型高效加氫反應器成套技術特點及其在劣質化重油加氫工藝裝置上的應用效果。相比于原有技術，新型加氫反應器內構件整體物流混合及分配性能優異，液相分配不均度因子僅為0.08，催化劑整體利用率可達95%，扁平化結構可使床層多裝300～500 mm高度的催化劑；工業應用結果表明，新型加氫反應器內構件解決了劣質化重油加氫工藝裝置存在的床層熱點及物流分配難題，催化劑床層出口平均徑向溫差均值僅為5.3 ℃且允許更大的軸向溫升，有利于反應溫度靈活調控及裝置長周期高效穩定運轉。

加氫 反應器內構件 氣液分配器 冷氫箱

隨著世界原油需求的持續走高，原油資源的重質化、劣質化趨勢越來越明顯[1-2]。預計從2009到2030年，原油平均°API還將下降0.4個單位，平均硫含量將增加0.11百分點，未來新增原油資源主要為高硫高酸重質原油[3]。在原油劣質化日趨加劇、優質餾分油需求增加、環保要求越來越嚴格的驅動下，如何高效加工劣質化重油已成為煉油企業盈利的關鍵。

與汽柴油加氫工藝裝置相比，劣質化重油加氫工藝裝置原料重且流動擴散困難，含有較多的瀝青質、膠質及重金屬雜質，反應物流分配困難且催化劑床層容易板結形成熱點。因此，劣質化重油加氫工藝裝置對反應物流的整體分配要求更高，性能不佳的反應器內構件會造成催化劑利用率及裝置操作靈活性嚴重下降，也直接影響到裝置運轉周期。采用新型高效內構件以確保催化劑高效利用及劣質化重油加氫工藝裝置長周期高效運轉是必然的選擇。本研究介紹中國石化石油化工科學研究院(簡稱石科院)開發的新型高效加氫反應器成套技術的特點及其在劣質化重油加氫工藝裝置上的應用效果。

1 劣質化重油加氫工藝裝置內構件技術現狀

加氫反應器作為加氫裝置的核心設備，內部有入口擴散器、頂部分配盤、冷氫系統、再分配盤、出口收集器及催化劑支撐盤等。其中氣液分配器及冷氫系統是加氫反應器的關鍵內構件，對催化劑床層內物流分配起決定性作用，其性能好壞直接關系到催化劑利用效率及加氫裝置運轉性能。

1.1 氣液分配器

原有分配盤采用的氣液分配器基本上為泡帽型分配器[4]。圖1為引進的泡帽分配器結構及工作原理，分配器出口液相呈塊狀分布，存在中心匯流且噴灑角度小的問題，無法達到水力學及熱力學平衡，催化劑床層頂部僅有約30%的區域被浸潤，嚴重降低了催化劑有效利用率和加氫效果。國內對引進的泡帽分配器進行了優化改進，重點集中在如何解決分配器中心物流匯聚及噴灑角度過小的問題。

圖1 泡帽分配器工藝結構及工作原理

泡帽型分配器屬于氣相抽吸型分配模式，液體分配動力來源于氣相的抽吸。裝置大型化反應器場合泡帽型分配器易出現催化劑床層截面整體性偏流；泡帽型分配器對高黏度流體適應性差，塔盤易積垢堵塞且流體破碎分散效果不佳，用于渣油等重質油加氫工藝裝置催化劑床層易出現熱點及板結等問題。

1.2 冷氫系統

目前國內加氫反應器普遍采用的冷氫系統為對流沖擊式結構。圖2為早期引進結構[4]，位于冷氫箱正上方的冷氫管為向下開有缺口的直管；冷氫箱由頂部塔盤、中間矩形折返混合箱、底部篩孔板組成，頂部塔盤上與中間矩形折返混合箱對應位置開有兩對稱的圓形節流孔，中間矩形折返混合箱兩側設置兩塊整流篩孔板。國內近期在引進結構上進行了結構優化，如冷氫管采用均布噴孔的環形結構、冷氫箱設置強化混合強度的入口節流罩及內部擾流元件。

圖2 對流沖擊式冷氫系統

在流體流動過程及冷熱物流混合效果方面，對流沖擊式冷氫系統存在如下缺陷：氣液物流易分層且冷熱物流混合不夠充分，存在較大的十字形流動死區，易導致反應物流發生整體偏流。

總體而言，抽吸型分配器及對沖式冷氫系統優化結構等原有物流分配混合系統無法滿足原料劣質化及裝置大型化工藝需求。

2 新型反應器內構件技術特點及性能

石科院依據原料劣質化及裝置大型化的工藝需求，通過冷熱態模型試驗與流體力學模擬計算相結合的方法對內構件與加氫工藝裝置類型、原料性質、催化劑床層結構進行系統研究，開發了新型物流分配系統RFDS及新型物流混合系統RQMS系列高效反應器內構件技術，已成功應用于滿足國Ⅴ排放標準汽柴油生產、蠟油及渣油等劣質化重油加氫處理多套工業裝置，積累了豐富的研究、放大、工程設計以及應用實施經驗。

2.1 新型反應器內構件結構特征

圖3(a)為石科院開發的新型物流分配及混合系統三維示意，冷氫系統[5]由均布噴孔的環形冷氫管及結構扁平化的抽吸旋流型冷氫箱組成；圖3(b)為石科院開發的第二代氣液分配器(以下簡稱“新型分配器”)[6]。

圖3 新型物流分配及混合系統示意

2.2 新型反應器內構件流體力學性能

圖4為氣液分配器流體分配性能對比，由圖4可見，開發的新型分配器流體分配性能明顯優于泡帽型分配器：①分配盤下方各個測點位置獲得的液體分配量基本相當，表征液相分配不均度因子Mf僅為0.08，而泡帽型分配器的液相分配不均度因子Mf高達0.55；②液相分配曲線平緩無明顯峰值，消除了泡帽型分配器存在的中心匯流及分配器間流動死區現象；③液相擴散范圍更寬，分配盤與催化劑床層頂部之間空高低。

圖4 氣液分配器流體分配性能對比●—泡帽型分配器(Mf=0.55)；■—新型分配器(Mf=0.08)

流體力學試驗現象表明，新型冷氫系統內部不存在氣液兩相流體分層現象；氣相質量流量超過0.32 kg(m2·s)時，冷氫箱出口液相分散為小液滴或呈霧化狀態，表明氣液物流混合已非常均勻。

新型冷氫系統與原有冷氫系統的氣液混合均勻度對比見圖5。由圖5可見：在相同操作條件下，新型冷氫系統的氣液混合均勻度比原有冷氫系統氣液混合均勻度高，在氣相質量流量為0.50 kg(m2·s)左右時氣液混合均勻度接近100%。由此可見，新型冷氫系統的流體混合傳熱性能優于原有冷氫系統。

圖5 新型冷氫系統與原有冷氫系統的流體混合性能對比◆—原有冷氫系統； ●—新型冷氫系統

2.3 新型內構件整體物流分配效果

圖6(a)為采用泡帽型分配器時催化劑床層軸徑向液相分配效果。由圖6(a)可知，催化劑床層頂部液相物料浸潤面積小、流動死區多，物料在向下流動過程中借助床層固體顆粒得以側向擴散而使整體分布效果有所改善，但在1.5 m床層深度截面液相物流分配仍然存在明顯的空白區。

圖6 催化劑床層軸徑向液相分配效果對比

圖6(b)為采用新型分配器時催化劑床層軸徑向液相分配效果。由圖6(b)可知：催化劑床層頂部被液相完全覆蓋，沒有流動死區；反應物流在床層內部1.5 m深度截面可達到完全均勻分配。以4.2 m直徑反應器及6.0 m催化劑床層高度為基準進行核算，采用新型分配器的催化劑整體利用率可達95%，遠高于采用泡帽型分配器的催化劑利用率。

新型分配器內構件整體結構扁平化，反應器空間有效利用率高，每個床層可比原有技術多裝300～500 mm高度的催化劑，新裝置設計或原有加氫裝置技術改造均可應用。

3 新型內構件在劣質化重油加氫工藝裝置上的應用效果

體現反應器內構件技術水平最基本的指標是反應器內催化劑床層的溫度分布。如催化劑床層內物流分布均勻，就不會出現徑向溫差甚至熱點。

3.1 裝置工藝特點及原內構件運行效果

相比于常規蠟油加氫處理裝置，摻煉45%DAO的2.3 Mta混合蠟油加氫處理裝置呈原料劣質化、裝置大型化特點，且主催化劑床層高達10 m，對內構件物流及混合分配性能要求高[7-8]。

混合蠟油加氫處理裝置反應器為四段催化劑床層結構，涉及物流分配的關鍵內構件采用泡帽型分配器及對沖式冷氫系統。裝置全周期運轉過程中催化劑床層出入口徑向溫差嚴重超標甚至形成40 ℃左右的熱點，嚴重影響到催化劑整體利用率及裝置運行周期，導致裝置處理能力、催化劑床層反應溫度及產品質量調整受到制約。

3.2 新型內構件運行效果

為消除嚴重超標的催化劑床層徑向溫差對裝置整體性能的影響，采用石科院開發的新型高效內構件技術對主催化劑床層頂部物流分配及混合系統等關鍵內構件進行更新改造。分配盤采用新型物流分配系統(RFDS-HR)，冷氫箱采用新型冷氫系統(RQMS-HR)。

表1為新型內構件改造前后裝置運轉效果對比。采用新型高效內構件改造后，表征物流分配效果及催化劑整體利用率的床層徑向溫差均大幅下降且床層出口徑向溫差僅為5.3 ℃，床層熱點消除且長周期運轉穩定；相比內構件改造前，床層軸向溫升由17.8 ℃上升到22.3 ℃，說明新型內構件能處理更加劣質的原料或包容更加劇烈的加氫反應。

表1 內構件改造前后效果對比

4 結 論

開發的新型加氫反應器內構件整體性能優異，能有效解決重質油加氫工藝裝置普遍存在的物流分配不均導致催化劑床層徑向溫差過大或熱點問題，有助于催化劑利用率提升及劣質化重油加氫工藝裝置長周期高效運轉。

(1) 新型加氫內構件成套技術能有效提高催化劑利用率。新型內構件流體分散均勻且液相分配不均度因子僅為0.08，催化劑整體利用率可達95%。

(2) 新型加氫內構件整體結構扁平化，能有效提高反應器空間利用率。與原有技術相比，每個床層可多裝300～500 mm高度的催化劑。

(3) 采用新型加氫反應器內構件的劣質化重油加氫工藝裝置床層物流分配效果顯著改善，床層熱點消除，催化劑床層出口平均徑向溫差均值為5.3 ℃且允許更大的軸向溫升或處理更加劣質的原料。

[1] 李大東，張寶吉.石油資源的高效利用——未來煉廠面臨的主要挑戰[J].世界石油工業，2008，15(5)：38-45

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[3] 李大東.加氫處理工藝與工程[M].北京：中國石化出版社，2004：797-802

[4] 林世雄.石油煉制工程[M].3版.北京：石油工業出版社，2000：457-461

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[6] 中國石油化工股份有限公司.氣液分配器：中國，ZL 201010517606.4[J].2012-05-16

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NEW EFFICIENT INTERNALS FOR HYDROTREATING OF INFERIOR RAW MATERIALS

Wang Shaobing， Mao Junyi， Wang Lulu

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

New and high efficient internals of hydrotreating reactor for processing inferior residue feed developed by SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing were introduced. Comparing with existing technology， the overall gas-liquid mixed flow and distribution performance are better than that of the new internals. The liquid phase distribution of the uneven factor is only 0.08 and the overall utilization factor of the catalyst reaches 95%. The flat structure of the internals can make the catalyst loading more 300—500 mm in height. The Industrial application results show that the difficulty problems of the poor distribution of fluid and hot points in catalyst bed， existed in the original internals used in the reactor， are solved. The average radial temperature differences of the catalyst bed is only 5.3 ℃， and it allows greater axial temperature rise， which provide a reliable technical support for long and high efficient operation for the units.

hydroprocessing； reactor internals； gas-liquid distributor； quench box

2016-01-16。

王少兵，碩士，高級工程師，主要從事化工過程工程技術開發與應用研究工作。

王少兵，E-mail：wsb.ripp@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(113020，CLY14055)。