加工不同原料時(shí)潤(rùn)滑油加氫裝置反應(yīng)器床層的變化

韓 鎮(zhèn),李 翔

(中國(guó)石油化工股份有限公司濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250101)

本文以中石化濟(jì)南分公司30萬(wàn)t/年潤(rùn)滑油加氫裝置為研究對(duì)象，改裝置以糠醛精制油(減三線，減四線和輕脫瀝青油)為原料，經(jīng)過(guò)高壓加氫改質(zhì)，改善油品的黏溫性能、光安定性及熱氧化安定性，反應(yīng)后經(jīng)過(guò)常減壓分餾工序，得到高性能的含蠟潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油[1]。

潤(rùn)滑油加氫反應(yīng)部分包括兩個(gè)反應(yīng)器，分別為加氫處理、加氫精制反應(yīng)器。在加氫處理反應(yīng)器中主要發(fā)生的是硫、氮、氧的雜環(huán)化合物加氫分解反應(yīng)、烯烴和芳香烴的加氫飽和分子裂化反應(yīng)；加氫精制反應(yīng)是將原料中的少量烯烴和芳香烴進(jìn)行進(jìn)一步的飽和。兩個(gè)反應(yīng)器的操作壓力為17.0MPa。處理反應(yīng)器的反應(yīng)溫度為370～380℃，有四個(gè)床層，床層間設(shè)有冷氫點(diǎn)以控制反應(yīng)溫度。精制反應(yīng)器的反應(yīng)溫度維持在280℃，有兩個(gè)床層。

1 問(wèn)題分析

本文通過(guò)分析潤(rùn)滑油加氫反應(yīng)器在加工不同原料時(shí)各床層急冷氫量和溫升的變化趨勢(shì)來(lái)研究反應(yīng)器內(nèi)部的反應(yīng)。

1.1 原料成分

由表1可知，減四線原料所含的膠質(zhì)、芳烴、氮、硫的含量均要高于減三線原料。

表1 潤(rùn)滑油加氫裝置原料性質(zhì)

1.2 總床層溫升

表2 加氫反應(yīng)器床層總溫升

表2為兩個(gè)反應(yīng)器在加工減三、減四線原料時(shí)的床層總溫升變化，由此可知，精制反應(yīng)器的總床層溫升遠(yuǎn)低于處理反應(yīng)器，潤(rùn)滑油加氫的反應(yīng)主要在處理反應(yīng)器中進(jìn)行。處理反應(yīng)器在加工減四線時(shí)的反應(yīng)程度明顯大于在減三線時(shí)。

1.3 反應(yīng)器穩(wěn)定性

圖1 處理反應(yīng)器第二床層冷氫量

裝置自2017年5月檢修后開(kāi)工至2019年7月，一直交替加工減三線、減四線原料，期間反應(yīng)加工量、氫油比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力等操作指標(biāo)變化不大。圖1為處理反應(yīng)器第二床層在該生產(chǎn)周期內(nèi)所需冷氫量的變化趨勢(shì)圖，由該圖可知，雖然經(jīng)過(guò)多次原料換線，但加工同種原料時(shí)冷氫量變化趨勢(shì)和范圍重復(fù)性較好，表明反應(yīng)器穩(wěn)定性和催化劑活性保持較好[2]。

1.4 處理反應(yīng)器各床層反應(yīng)研究

圖2 加氫處理反應(yīng)器各床層裝置溫升

(圖中①、②、③箭頭對(duì)應(yīng)原料改變和溫度調(diào)整的時(shí)間)

圖2和圖3分別是處理反應(yīng)器在2019年5月22日到2019年6月26日時(shí)，各床層溫升和床層冷氫量的變化趨勢(shì)。

通常床層溫升可以表明床層反應(yīng)的劇烈程度，由圖2和圖3對(duì)比可知，床層溫升和該床層冷氫量的變化趨勢(shì)是高度一致的，并且二者相比,冷氫量的變化趨勢(shì)更加精細(xì)，因此可以選用床層冷氫量來(lái)研究床層的反應(yīng)規(guī)律。

在圖3中，從5月22日到箭頭①處，裝置加工減四線原料，反應(yīng)溫度控制為373℃。從箭頭①處到箭頭②處裝置加工減三線原料，反應(yīng)溫度控制376℃。從箭頭②到6月26日，裝置加工減四線原料，反應(yīng)溫度在箭頭③前，控制為372℃，箭頭③后反應(yīng)溫度提高至373℃。其他反應(yīng)指標(biāo)在此期間內(nèi)均無(wú)改變。

由圖3可知, 在減四線時(shí)，第一床層的冷氫量維持在3800～4000m3N/h；在減三線時(shí)，冷氫量維持在4500～4800m3N/h，該床層在加工減三線時(shí)的劇烈程度要強(qiáng)于加工減四線。

第二床層的冷氫量受原料切換的影響很大：加工減三線時(shí)所需的冷氫量遠(yuǎn)高于加工減四線。減四線為原料時(shí)，第二床層的冷氫量最終下降到2000～2200m3N/h，在減三線時(shí)，冷氫量一直處于增長(zhǎng)狀態(tài)，最終穩(wěn)定在6500～7500m3N/h。

第三床層的冷氫量受原料切換的影響同樣很明顯：加工減四線時(shí)，冷氫量由2500m3N/h快速上升到7000～7500m3N/h，再緩慢降低到6500～7000m3N/h。而加工減三線時(shí)，冷氫量先快速下降到3500m3N/h，再緩慢下降到2500m3N/h。

反應(yīng)溫度調(diào)整對(duì)冷氫量的影響可以從圖3中看出：自箭頭③處，反應(yīng)溫度提升1℃后，三個(gè)床層的冷氫量都會(huì)相應(yīng)的增大，說(shuō)明反應(yīng)器中的反應(yīng)仍主要受熱力學(xué)因素影響[3]。

結(jié)合圖2和圖3可知，在加工不同原料時(shí)，各床層對(duì)反應(yīng)的貢獻(xiàn)是不一樣的。在加工減三線時(shí)，第二床層的貢獻(xiàn)最大，各床層對(duì)反應(yīng)的貢獻(xiàn)從大到小分別為二、一、三、四；在加工減四線時(shí)，反應(yīng)主要發(fā)生在第三、四床層，各床層對(duì)反應(yīng)的貢獻(xiàn)從大到小分別是三、四、二、一。

表3 加氫處理反應(yīng)器在換線時(shí)各床層冷氫量穩(wěn)定時(shí)所需要的時(shí)間

各床層冷氫量，尤其是第二床層冷氫量，在加工不同原料時(shí)的不同變化原因分析如下:

(1)雖然加氫處理反應(yīng)器發(fā)生的反應(yīng)種類(lèi)較多，但發(fā)生相同類(lèi)型、不同分子大小的加氫反應(yīng)，其速率會(huì)隨著分子的增大而降低，故分子數(shù)目越小的加氫反應(yīng)越優(yōu)先反生。所以不論是減三線還是減四線，第一床層首先發(fā)生一些較小分子且容易發(fā)生的反應(yīng)，也因此該床層在加工不同原料時(shí)反應(yīng)速率的差別主要受溫度變化的影響[4]。

(2)在加工減四線時(shí)，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到第二床層時(shí)，原料所剩的小分子數(shù)目已經(jīng)不多，催化劑只能優(yōu)先吸附上一些較大的分子，而這些分子的裂解反應(yīng)速率較慢。當(dāng)反應(yīng)到第三床層時(shí)，原料中的較大分子已經(jīng)裂解變小，并且待發(fā)生加氫的原料還有很多，因此在第三四床層，反應(yīng)速率會(huì)重新增大。而在加工減三線時(shí)，由于減三線原料中的較大分子數(shù)目較少，所以第二床層的反應(yīng)速率很大，并且發(fā)生反應(yīng)的類(lèi)型應(yīng)該與第三四床層在減四線發(fā)生的反應(yīng)類(lèi)似。當(dāng)反應(yīng)到第三床層時(shí)，由于原料在第二床層反應(yīng)了很多，剩余沒(méi)有反應(yīng)的原料大幅減少，所以第三床層會(huì)隨著第二床層反應(yīng)量的增大而減少。

(3)表3為各床層冷氫量在換線時(shí)經(jīng)過(guò)大幅變化而最終穩(wěn)定所需的時(shí)間，通過(guò)表3可以簡(jiǎn)單驗(yàn)證該推斷。減四線原料所含的一些較大分子的數(shù)量要遠(yuǎn)超于減三線原料，這些分子的反應(yīng)速率雖然很慢但卻容易被吸附，而且一旦吸附到催化劑上，需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能被置換。所以，在加工減三線時(shí)，第二床層冷氫量所需要的穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)。而在第一床層上，由于催化劑首先吸附的是較小分子，所以第一床層所需的置換時(shí)間在加工減三線和減四線時(shí)均不長(zhǎng)。

2 結(jié)論

本文對(duì)潤(rùn)滑油加氫反應(yīng)器的床層急冷氫量和溫升進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油加氫反應(yīng)主要發(fā)生在加氫處理反應(yīng)器上。在加工不同原料時(shí)，不同床層對(duì)反應(yīng)的貢獻(xiàn)不同：在加工減三線原料時(shí)，加氫處理反應(yīng)器上第二床層對(duì)潤(rùn)滑油加氫反應(yīng)的貢獻(xiàn)最大；而在加工減四線原料時(shí)，第三、四床層對(duì)潤(rùn)滑油加氫反應(yīng)的貢獻(xiàn)最大。加工不同原料，各床層發(fā)生反應(yīng)所表現(xiàn)的差異性，可能和不同原料中所含較大分子數(shù)目不同有關(guān)。