煉油重整UOP工藝中閥門使用及改進

龐志銘

艾默生過程管理(天津)閥門有限公司

煉油重整UOP工藝中閥門使用及改進

龐志銘

艾默生過程管理(天津)閥門有限公司

本文論述了煉油行業催化重整工藝中催化劑再生工段內閥門的使用狀況及出現的問題，在比較分析的基礎上對閥門結構進行改進設計，已達到提高閥門使用性能，延長閥門使用壽命的目的。

煉油；重整工藝；閥門使用；改進

原油精煉是繼原油開采后必須經歷的一個重要工藝環節，若干年來，對各種精煉工藝的研究和優化從未間斷，目的就是為了改善產物質量，降低能耗，提高經濟性，增強安全性。在各種工藝中，催化重整工藝是一種較為成熟的工藝，經過一系列的改進，其在工藝性能方面已經得到了顯著的提高，但是目前仍舊存在一些有待解決的問題， 特別是對催化劑再生工藝的改善，直接關系到是否能夠大幅提高產率，降低成本，縮短停機時間等問題。本文結合催化重整工藝的實際工況和客戶反饋，重點分析工藝中某些重要工位上的閥門在使用中存在的問題，并且提供針對性的解決方案。

1 催化重整工藝及催化劑再生工藝

催化重整工藝在石油及石化工業中被廣泛應用，是將從原油中蒸餾得到的石腦油轉換為高辛烷值的重整油的一種化學過程。該過程將低辛烷值的直鏈烴轉為帶支鏈的鏈烷(異構烷烴)和環烷烴，部分脫氫生成高辛烷值的芳烴。脫氫過程還生產大量的副產物氫氣，可供給其他煉油過程，如加氫裂化，生成分子量較低的烴，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。除了作為汽油調和料，重整還是芳烴大宗化學品如笨、甲苯、二甲苯(BTX)和乙苯的主要來源，它們具有各種用途，最重要的是作為塑膠的轉換原料。

催化劑的性能在重整反應中至關重要，其選擇性、活性和穩定性對最終產物的產量和產率非常關鍵，然而，隨著反應的持續進行，催化劑逐漸焦化而失去活性，使反應性能惡化，反應效率降低，因此，催化劑在使用一段時間后需要再生和更新。UOP(美國環球優品公司)在1971年開發并且商業化了催化劑連續再生工藝(CATALYST CONTINUOUS REGENERATION)，簡稱CCR(見圖1)。工藝中催化劑可以連續地從最后一級反應器移除、在特定環境下再生并且返回到第一級反應器，CCR工藝實現了重整技術的一個階段性的進步。由于重復再生，焦炭可以連續的燒除，催化劑也得到了連續的修復，所以焦炭的沉積不再成為難點，同時CCR工藝可以降低反應壓力，提高汽油產物的辛烷值和提高氫氣的產量。

2 再生工藝要求、特點和問題

2.1 工藝要求

CCR工藝中包括分離、燒炭、鹵化、干燥和還原四個部分。經反應后的催化劑由反應器底部流出，被提升至再生器頂部的分離料斗，在分離區去除其中的粉塵，流經燒炭區燒除催化劑表面的焦炭，再經過鹵化區增加催化劑表面的酸性部分，然后干燥去除水分，流經還原區在氫氣環境下發生還原反應從而完成再生過程。催化劑再生后收集在閉鎖料斗中，分批送至底部的提升器，再提升至反應器的頂部。

催化劑在再生過程的每個部分連續地流動，在底部的閉鎖料斗中按照預先設定的量分批傳送至反應器，催化劑每批的再生量決定了催化劑的再生循環率，從而也決定了重整工藝反應器的反應率，因此在整個再生系統中的每個環節之間需要安裝閥門配合閉鎖料斗用以準確控制流經每個反應部分的催化劑總量。其中需要依據工況要求選擇合適的閥門。

2.2 閉鎖料斗隔斷閥的工況特點

位于料斗上游的催化劑因為含有氫氣，所以要求閥門具有較高的防外漏性能。

催化劑在使用過程中呈顆粒狀，直徑約為0.6 mm，在閥門啟閉的過程中要求催化劑不能被擠碎。

催化劑中含有一定量的粉塵，要求閥門內件具有較高的抗磨損性能。

閉鎖料斗區域的工藝環境壓力 ≤ 100 PSI，溫度 ≤ 200℃，密封等級 ≤ ANSI Class IV，雙向密封。

2.3 閥門出現的問題

在閥門啟閉使用過程中，部分催化劑顆粒被擠碎形成粉末，與催化劑中一定含量的粉塵一并堆積在閥瓣與閥座的密封位置對兩者造成磨損，使閥門失去密封性能；粉末與粉塵也會堆積在驅動軸與軸承之間的空隙，增加啟閉扭矩，降低控制性能；在驅動軸與填料之間堆積的粉塵會造成填料和驅動軸表面的磨損導致填料失效，造成介質泄漏到大氣中，因為料斗上游催化劑中含有氫氣，因此會發生火災；圖2中顯示了驅動軸表面磨損情況。

3 閥門通用設計

3.1 材料選擇

圖1 CCR 催化劑連續再生工藝

圖2 CCR 工藝中閥門驅動軸表面磨蝕狀況

密封圈與閥瓣選擇抗磨蝕，同時具有一定抗腐蝕的材料， 通用材料為奧氏體不銹鋼，為了增加抗磨蝕性能，需要使用一些鍍層增加材料硬度，例如鍍鉻、碳化鉻，碳化鎢和鎳-硼合金也被用來強化耐磨性能，但由于其耐腐蝕性能一般，所以應用受到限制。

驅動軸材料需要同時兼備一定的韌性和耐磨性，通用材料為析出硬化鋼表面鍍鉻或者堆焊鈷基硬質合金。

3.2 結構設計

為了避免催化劑在流動過程中被擠碎，閥門密封圈與閥瓣之間設計有間隙從而保證催化劑順利流動，因為間隙使閥門不能密封，所以需要另外具有關斷功能的閥門配合使用。

為了保證還原反應的氫氣不外漏到大氣中，在填料部分設計有預加載系統，保證長時間使用填料發生磨損松弛后載荷自動補償達到防止外漏的目的。

4 閥門改進設計

4.1 材料選擇

陶瓷材料隨著近年來工業化水平的提高在閥門行業的應用愈加廣闊，其優異的抗磨蝕和抗腐蝕性能能夠滿足諸多工況要求，其類型也頗為廣泛，例如氧化鋁陶瓷，氧化鋯陶瓷，碳化硅陶瓷等。其缺點是對拉應力和剪切應力敏感，內部結構狀態對工藝穩定性較為敏感，加工難度大等。

離子滲氮工藝可使鍍層硬度達到67 HRC，有效鍍層硬度大于50 HRC。但因為滲碳滲氮工藝會降低材料的抗腐蝕性，所以其僅適合用于非腐蝕性工況。

驅動軸表面堆焊鈷基硬質合金可以有效地增加表面耐磨性，另外，鍍鉻也是一種行之有效的方法。

4.2 結構設計

為了避免催化劑粉塵在閥門密封副區域的堆積，采用全球設計較部分球設計具有優勢，固定球設計較浮動球設計具有優勢，在閥座背面設計施加預緊力的彈性模塊時，應避免半封閉區域以消除粉塵堆積的可能性，減少扭力增加，甚至卡住的風險。在密封圈的設計中減少易于粉塵堆積的結構。密封圈應該盡可能設計成為對稱結構以方便更換，降低成本。

填料結構應優先選擇帶有碟型彈簧的設計方案，當填料在使用一段時間而松弛后，由碟型彈簧自動形變實現對填料載荷的補償，此種設計方案無需人為干預，及時有效地防止氫氣在填料處的泄漏；另外，填料處還應采用負壓防漏設計，其特點為：使用雙填料布局，中間設置金屬分隔環將兩套填料分別置于上、下兩側，隔環位置的閥體側壁加工通孔，其上安裝連接管件，管件的另一端與儲氣容器相連，將容器中的壓力設定為負壓，當有氫氣通過下層填料到達隔環位置時，上層填料防止其形成外漏，同時在負壓的作用下，氫氣自動進入儲氣容器進行保存。這種填料結構設計進一步降低氫氣外漏的風險，也排除了安全隱患。

總結

通過使用特殊材料及采用專用結構設計，能夠有效地提高閥門的使用效率、延長使用壽命，減少了停機維護時間，也大幅降低了業主的備品備件數量，節約了庫存成本。新型的填料結構設計大幅降低氫氣泄漏的幾率，避免了失火現象的發生，為現場作業提供了安全保障，同時減少了人員巡查時間，降低了人力成本。

[1]“HYDROCARBON PROCESSING’S REFINING PROCESSES 2006 HANDBOOK”

[2]“TECHNOLOGY EVOLUTION IN REFINING AND PETROCHEMICALS”