UOP重整再生工藝CycleMax Ⅲ催化劑提升控制方案分析

蔡明件，王丁

(1. 中京工程設計軟件技術有限公司，北京 100098；2. 上海河圖工程股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430205)

UOP第三代連續重整再生技術(又稱CycleMax工藝)于1993年開發，截至2018年，CycleMax工藝有過三次較大的更新升級。以反應器兩兩并列重疊布置為例，其基本工藝流程如圖1所示： 催化劑從還原段靠重力依次流經重疊的第一、二反應器，從第二反應器底部催化劑收集器流出后，經L閥組用H2提升到緩沖段；催化劑再從緩沖段靠重力依次流經重疊的第三、四反應器，從第四反應器底部催化劑收集器流出后，經L閥組用N2提升到待生催化劑分離料斗淘析出粉塵，再經氯吸附后，進入再生器。催化劑在再生器內經燒焦、氯氧化、干燥、冷卻后，經L閥組用N2提升到再生催化劑分離料斗淘析出粉塵，依次經過閉鎖料斗分離罐、閉鎖料斗以及閉鎖料斗緩沖罐，通過罐間閥門開關控制催化劑循環量，同時完成催化劑從低壓的再生區輸送回高壓的反應器還原段的壓力轉換。最后催化劑從閉鎖料斗緩沖罐底部流出經L閥組用H2提升到還原段，這樣便完成了1個周期的催化劑再生循環[1-2]。

本文從工程設計角度出發，介紹了CycleMax Ⅲ對比CycleMax Ⅱ工藝的升級改進內容，并對其催化劑提升控制方案進行了闡述和分析，為重整裝置的開車和平穩運行提供參考和幫助[3-7]。

1 CycleMax Ⅲ再生單元的優化升級

1)為進一步降低再生框架高度，增加了一次再生催化劑的提升。原氮氣密封罐改為再生催化劑分離料斗，即從再生器底部流出的催化劑由原先的依靠重力流至氮封罐改為由提升風提升至再生催化劑分離料斗。氮封罐頂在在線置換催化劑模式下用到的氣體旁路線移至再生器底部[8]。

2)增加1臺提升風機、1臺除塵風機以及1套

催化劑粉塵收集系統，分別用于再生器底部再生催化劑的提升、再生催化劑分離料斗補充淘析氮氣以及回收再生催化劑分離料斗淘析管淘析出的催化劑碎片和粉末。

圖1 催化劑提升工藝流程示意

3)閉鎖料斗形式改進。由包括再生催化劑分離區、閉鎖料斗區和脈沖區一體結構的閉鎖料斗，改成3個獨立的設備——閉鎖料斗分離罐、閉鎖料斗和閉鎖料斗緩沖罐；鎖壓方式由無閥鎖壓改為有閥鎖壓；閉鎖料斗分離罐和閉鎖料斗之間新增了2臺隔劑閥，其中1臺備用，閉鎖料斗和閉鎖料斗緩沖罐之間新增了1臺隔劑閥。隔劑閥除了增加了投資費用，此外它在阻止催化劑顆粒流通的過程中，催化劑與閥體之間的磨損是不可避免的，會導致催化劑粉塵量的增加，造成反應器內約翰遜網的堵塞風險加大[9]。但總體而言，有閥鎖壓比無閥鎖壓在操作上更簡單，對設備的檢修和維護也比較方便。

4)優化了Chlorsorb氯吸附系統的設備結構。將集成氯吸附段的分離料斗改為2個獨立的設備——待生催化劑分離料斗和氯吸附罐，更有利于設備的操作、檢修和維護。

5)再生器的再加熱區即氯化區上部和燃燒區下部的中間區域，入口增加了1臺預熱器電加熱器，將從再生風機來的燒焦煙氣溫度由520 ℃升至568 ℃，然后進入再加熱區。設置電加熱器的目的是在催化劑進入氯化區前提高催化劑的溫度，使系統溫度遠高于水的露點溫度，避免和燒焦氣中的HCl形成腐蝕性很強的HCl—H2O體系[10]，典型的再生風機出口循環燒焦煙氣中H2O和HCl的質量分數分別為6.4×10-2和2.6×10-3[11-12]，降低了開工或非正常工況下設備和管道低溫冷凝腐蝕的可能性。

6)增加再生空冷器空氣側(冷端)出口至冷卻區冷卻器入口(冷端)跨線并設溫控閥，使冷卻器入口空氣維持在約48.9 ℃，避免環境溫度的波動對冷卻器入口空氣溫度的影響。

7)簡化催化劑加料系統。取消在線更換催化劑所用的2號催化劑加料系統，僅保留1號催化劑加料系統。將從1號催化劑加料閉鎖料斗出來的催化劑改為2路，其中1路去重整第四反應器底部，供正常添加催化劑用，以補充被除去的催化劑粉末，維持待生催化劑分離料斗料位；另1路去再生器底部，實現不停工在線更換催化劑。

8)重整第一反應器頂部還原段中部排出的含氯氫氣先去反應器底部的置換氣換熱器換熱升溫，然后進入反應器底部的催化劑收集器與催化劑逆流接觸。催化劑吸附還原氣中的一部分氯氣，隨還原氣去再接觸部分。該項改進有利于延長重整氫氣脫氯劑的使用壽命。

2 催化劑提升控制方案分析

2.1 反應器間催化劑提升控制

2.1.1催化劑提升速率和斜坡速率

催化劑提升速率概念貫穿于整個重整催化劑循環系統，對于CycleMax Ⅲ工藝不同設備間的催化劑輸送提升，其控制方案雖有差異，但基本控制原理一致，下面以反應器間催化劑提升為例進行分析。

如圖1所示，催化劑二次提升氣流量FIC-314增大會使進入提升管的催化劑量增大，提升管壓降PDT-306也隨之變大，催化劑提升管差壓的高低直接反映了催化劑提升量的多少[10]，所以采用提升管壓降來控制催化劑的提升速率，即提升量。

另一方面，無論何時催化劑開始循環，UOP再生專用控制系統(CRCS)都會根據催化劑提升管的差變率，即提升管壓降的時間函數，將催化劑的提升速率以爬坡的方式逐漸上升到設定值，即通過斜坡速率來控制催化劑提升速率變化量的大小。催化劑提升速率的增幅必須緩慢，即二次提升氣流量緩慢增大，這樣產生的提升管壓降不會導致L閥組和催化劑收集器間的差壓PDT-307突然變得太大而阻止催化劑從反應器流出。斜坡速率可根據操作經驗人為調整，催化劑循環系統的各催化劑提升斜坡速率保持一致。

2.1.2連續模式

正常操作時，第二反應器和第三反應器間催化劑提升選用連續模式。還原段料位調節器LIC-301、一次提升氫氣/第三反應器頂緩沖區的差壓調節器PDIC-306、二次提升氣流量調節器FIC-314 3個回路構成串級控制回路，其中PDIC-306與FIC-314構成兩級副回路，LIC-301是主回路。

為確保還原段料位始終位于正常范圍內，一要控制閉鎖料斗緩沖罐到還原段的催化劑補入量，通過調整再生催化劑循環速率來實現；二要控制還原段至第一反應器的催化劑下料量，即調整第二反應器底部催化劑的提升速率(提升量)。前者通過直接手動修改催化劑循環速率設定器HIC-309的數值即可實現[13-16]。

如圖1所示，LIC-301輸出信號與反應器間催化劑提升速率限制器發出的斜坡速率信號經過低信號選擇器LY-302選擇計算后的輸出信號，作為PDIC-306的設定值，并與PDT-306的測量值比較，輸出偏差信號給FIC-314，以調節流量控制閥FV-314的開度來維持還原段的料位穩定。

1)主回路分析。當LIC-301下降時，關小FV-314開度，降低了催化劑提升量，從而使還原段料位上升。反之亦然。

2)副回路分析。如果PDT-306實際測得的差壓值比PDIC-306設定值大，說明二次提升氣的流量大，催化劑提升速率快，還原段料位下降快，此時FV-314需要關小。當二次提升氣的流量繼續增大到某個程度時，大量提升氣體向上流動會阻礙催化劑向下流動到L閥組，導致還原段的料位反而上漲[13]。如果PDT-306實際測得的差壓值比PDIC-306設定值小，說明催化劑提升速率慢，導致還原段料位上漲，FV-314則需開大。

當開車或再生系統重啟時，斜坡速率使得催化劑提升速率從0逐漸增加到設定值，在此期間，催化劑斜坡速率信號可能會高于還原段的料位信號，因為斜坡速率是根據操作經驗人為設定的，可能設定得較高，這樣，催化劑斜坡速率信號對FV-314開度的影響要高于LIC-301信號對FV-314開度的影響。此時LY-302將選擇LIC-301信號作為其輸出信號去重新設定PDIC-306的給定值，調節FV-314的開度。

2.1.3批量模式

使用批量模式的原因之一是二次提升氣量太大，置換氣壓差太高，從而“托”住了催化劑，使其不能順利流入到L閥組中，導致器間催化劑提升受阻。此時可手動由連續模式切換至批量模式，或者由系統自動激活批量模式，自動激活批量模式的條件是當二次提升氣與置換氣壓差PDT-307高于某個設定值且持續15 s以上。

如圖1所示，批量模式啟動后，首先關閉第二反應器底出口催化劑隔離閥組上隔離閥XV-338，下隔離閥XV-340保持全開狀態，將L閥組中所含的催化劑提升至第三反應器頂的緩沖段；然后關閉XV-340，打開XV-338，催化劑依靠重力落入兩閥之間的管線中暫存；最后關閉XV-338，打開XV-340，儲存在2臺閥之間的催化劑先下落至L閥組隨即被提升至緩沖段。如此往復，通過上述程序控制步驟改變XV-338和XV-340的開關順序，從而改變提升氣與置換氣的壓差，將催化劑分批送入緩沖段。當完成6個批次后，系統自動返回連續模式操作。

2.2 第四反應器至待生催化劑分離料斗催化劑提升控制

與反應器間催化劑提升控制類似，緩沖段料位調節器LIC-303、一次提升氮氣/待生催化劑分離料斗差壓調節器PDIC-325、二次提升氣流量調節器FIC-339構成串級控制回路，其中PDIC-325與FIC-339串級構成兩級副回路，LIC-303是主回路控制器。

為確保緩沖段料位始終位于正常范圍內，一要控制第二反應器到緩沖段的催化劑補入量，即改變第二反應器底部催化劑的提升速率，由于第二反應器底部催化劑的提升速率又與還原段料位直接相關聯，所以第二反應器到緩沖段的催化劑補入量實際受還原段料位的控制。二要控制緩沖段至第三反應器的催化劑下料量，通過改變第四反應器底部催化劑的提升速率調整。該催化劑提升控制邏輯與反應器間催化劑提升控制類似，不再贅述。

2.3 閉鎖料斗緩沖罐至還原段催化劑提升控制

2.3.1催化劑循環速率

催化劑循環速率能直觀反映催化劑在反再系統的移動量。催化劑的循環速率即還原段、緩沖段、待生催化劑分離料斗以及氯吸附罐的催化劑補入速率或移出速率與再生催化劑分離料斗催化劑補入速率、閉鎖料斗緩沖罐催化劑移出速率相同，且均等于4組催化劑提升線的提升速率。再生催化劑分離料斗催化劑移出速率、閉鎖料斗緩沖罐催化劑補入速率、閉鎖料斗裝料或卸料的速率三者相同，且都遠大于催化劑的循環速率，這樣才能保證整個反再系統催化劑嚴格連續地輸送。

2.3.2催化劑提升控制

如圖1所示，首先根據反再系統的操作條件，在HIC-309中手動輸入催化劑循環速率設定值，HIC-309的輸出作為一次提升氫氣/一段還原氣的差壓控制器PDIC-357的設定值；并與再生催化劑提升管壓降PDT-357的測量值進行比較，輸出偏差信號給流量控制器FIC-372；最后通過調節FV-372的開度來控制再生催化劑提升速率，控制整個系統催化劑的循環速率。為了維持系統壓差的穩定，在CRCS中根據操作經驗手動調整斜坡速率，使再生催化劑提升速率以爬坡的方式逐漸從0上升到設定值。另一方面，CRCS根據閉鎖料斗實際循環時間計算出實際催化劑循環速率，與催化劑循環速率設定值比較，通過調整提升管PDIC-357的設定值向上或向下，直到實際催化劑循環速率與需要的催化劑循環速率相等。

如果差壓值PDT-357的實際測量值大于給定值，說明二次提升氣的流量大，催化劑提升速率快，還原段催化劑補入速率快，導致還原段料位上漲快，則需要關小FV-372開度。反之亦然。

2.4 再生器底部至再生催化劑分離料斗間催化劑提升控制

該提升控制的目的是維持再生催化劑分離料斗料位在允許的界限范圍內波動。如前所述，再生催化劑分離料斗催化劑移出速率遠大于再生催化劑分離料斗催化劑補入速率，所以再生催化劑分離料斗料位會呈現出等幅的周期性振蕩，在一個完整的閉鎖料斗循環時間內(約200 s)，再生催化劑的料位必然會存在一個高點和低點。因此，再生催化劑分離料斗料位不需要維持在某設定值上，這與還原段或緩沖段料位控制有著本質的不同。

如圖1所示，首先在控制面板中手動輸入合適的再生催化劑分離料斗料位LI-307的上下邊界，然后CRCS會根據PDIC-357的輸出值和再生器底部催化劑提升比較，并經過一系列內部運算后，所得結果作為一次提升氮氣/再生催化劑分離料斗差壓控制器PDIC-345的設定值，并與PDT-345的測量值比較，輸出偏差信號給流量控制器FIC-368；最后通過調節流量控制閥FV-382的開度來控制再生催化劑提升速率，即再生催化劑分離料斗催化劑補入速率。

需要指出的是，一旦CRCS檢測出再生催化劑分離料斗料位的波動范圍超出了設定的邊界，CRCS將忽略手動輸入的催化劑提升比而改用系統計算的提升比。此舉一方面降低了因料位過低導致的氫氧環境隔離失效的風險；另一方面也降低了因料位過高導致的催化劑粉塵淘析不暢的風險。

如果PDT-345的實際測量值大于PDIC-345的設定值，說明二次提升氣的流量大，催化劑提升速率快，再生催化劑補入速率快，導致料位LI-307上漲快，此時FV-382需要關小。反之亦然。

2.5 待生催化劑分離料斗料位

待生催化劑分離料斗料位LI-305不設料位控制，以保證整個反應再生系統催化劑提升的平穩操作。一旦還原段、緩沖段、再生催化劑分離料斗料位控制穩定，則待生催化劑分離料斗的料位也隨之穩定。在催化劑初次開工循環時，待生催化劑分離料斗的料位會先上漲而后趨于穩定，這是因為系統內催化劑由靜止開始移動，顆粒間空隙加大，堆積密度減小，體積堆積變大所致。當待生催化劑分離料斗的料位趨于穩定后，又會呈現下降的趨勢，表明分離料斗淘析管淘析出了催化

劑碎片和粉末，系統內催化劑藏量減少，需要添加新鮮的催化劑。

3 結束語

本文詳細介紹了CycleMax Ⅲ再生工藝的升級改進，提高了再生裝置的操作效率以及安全性，同時也有利于設備檢修和維護。闡述并分析了CycleMax Ⅲ再生工藝中重要的4組催化劑提升控制過程，從而提高對整個再生裝置設計理念的認識，為再生裝置平穩運行提供了參考。