連續催化重整再生器循環氣相空間計算原理研究及應用

（中國石油化工股份有限公司九江分公司，江西 九江 332004）

關鍵字：連續重整；再生器；氣相空間；再生氧氣檢測表；燒焦

催化重整(catalytic reforming)是以重石腦油為原料,在一定溫度、壓力、臨氫和催化劑存在的條件下進行烴類分子結構重排反應,生產芳烴、高辛烷值重整汽油和副產大量氫氣的工藝過程,是現代煉油和石油化工的支柱技術之一[1-5]。國產連續重整大致可分為原料預處理、重整反應分餾及催化劑循環再生三個過程，其中核心為催化劑再生過程。催化劑再生的好壞極大地影響了重整產物組成及液相收率。催化劑再生可分為催化劑燒焦、氧化氯化、干燥以及還原四個過程，其中催化劑燒焦過程要求低氧環境，以防床層超溫，溫度控制過程極為嚴苛。

連續重整裝置催化劑再生過程，國內外研究者報道的關于水氯平衡[6-7]、煙氣脫氯[8-10]、約翰遜網損壞[11-14]、異常處置[15-19]等一系列研究文獻頗多。而關于再生器循環氣相空間計算方法，文獻記載較少。

在實際生產過程中，催化劑再生過程因某些因素需要中斷，在重新啟動催化劑再生過程時，需注氧燒焦，注氧過程一般通過經驗操作，同時因再生循環氣氧氣檢測表測量存在滯后，故時常出現氧含量超標，若后期置換則損耗時間較長。為解決此類問題，必須確定再生器燒焦循環氣相空間的宏觀尺寸，為注氧控制過程提供切實可行的量化控制方案，節約操作時間；同時，再生燒焦過程氧氣檢測表需定期校驗。通過分析，可利用循環氣相空間相關數據對再生循環氣氧含量進行校驗，為氧氣檢測表校驗提供量化數據參考。為此，本文通過研究氧平衡的方法計算得出再生器燒焦循環氣相空間宏觀尺寸，并驗證此方法的可行性，同時應用于再生循環氣氧氣檢測表失真時量化循環氣中氧含量及為氧氣檢測表校準提供參考依據。

1 連續重整再生器簡介

國產超低壓連續重整裝置，因反應壓力低，積碳速率快，設計者為實現連續生產而設置催化劑再生系統。催化劑再生系統核心設備為再生器，催化劑再生過程大致分為催化劑燒焦、氧化氯化、焙燒以及催化劑還原四個環節，國產再生器除催化劑還原未設置在再生器中，其余三個環節均在再生器內完成。催化劑在高溫條件參與反應，負載積碳，為滿足催化劑高活性，必須連續再生，其中積碳主要是通過低氧燒焦去除，所產生的熱量由循環氣帶出，確保床層不超溫，后經氧化氯化更新，進入干燥區，對催化劑中的水進行干燥，完成再生器內的三個環節。

燒焦過程床層溫度控制較為嚴苛，在催化劑循環速率以及催化劑積碳量一定的條件下，主要通過調節循環氣量以及循環氣中氧含量控制床層溫度，國產工藝包對應設置催化劑燒焦流程見圖1。

圖1 再生器燒焦循環氣相空間簡圖

國產連續重整裝置內的催化劑通過再生器連續再生，從而保證在較苛刻的條件下，保持較高的催化活性，故催化劑連續再生工段控制極為嚴苛。為保證催化劑再生過程穩定有序，工業運行正常，時常面臨再生注氧問題，需通過一定的計算方法確定再生器燒焦循環氣相空間的尺寸，以確保不會發生注氧過程超標而引起床層超溫的現象。由于國產連續重整裝置再生工段較為復雜，現場測定再生器燒焦循環氣相空間的方法難度較大，通過校驗再生器氧含量，計算確定再生器燒焦循環氣相空間，并輔以試驗結果論證該方法的可行性，最后給出再生注氧控制方案，以及確定再生循環氣氧含量計算數值，為循環器氧氣檢測表是否失真提供參考數據。

2 再生器燒焦循環氣相空間計算原理及其應用

2.1 再生器燒焦循環氣相空間計算原理

再生器注氧燒焦過程，國產連續重整再生燒焦采用低氧燒焦，氧濃度一般控制在0.5%～0.8%（體積百分數），具體可根據再生器床層燒焦溫度確定。在重整反應過程穩定條件下，一般待生催化劑積碳相對穩定，故燒焦過程中氧含量及注氧量波動較小，過程較為穩定。

再生器燒焦區氣相空間龐大，要得到較為準確的數據，需要通過計算的方法，并輔以試驗驗證。再生器氣相空間計算，通過一段時間內氧氣注入量與循環氣氧氣檢測表測量值之間的等量關系確定，計算表達式見式（1）。

式（1）中：V 為再生器燒焦循環氣相空間；ωt為t 時刻循環氣中氧含量；ω0為起始計算時刻循環氣中氧含量；ω 為凈化氣中氧含量；V'為氣泄漏量；QF為氧氣注入量。

通過注氧量與系統氧含量恒等關系，可解得如下等式（2）。

基于再生器燒焦區循環氣與氧氯化區因壓差氣封的原因，存在部分氣體損耗，但損耗量測定存在一定難度，可以通過縮短注氧控制時間，則短時間內可認定泄漏量關于氧含量成線性關系，因此可以通過注氧結束后，測定注氧衰減速度來確定循環氣泄漏量，記△ω 為t 時間段內循環氣氧含量變化值，則可解得式（3）。

由式（3）可解得再生器燒焦循環氣相空間V，等式化簡如下：

通過式（4）可以計算得到再生器燒焦循環氣相空間，其中要求積分時間合適，可以降低△ω 產生的誤差，具體可通過衰減試驗觀察。

2.2 再生器燒焦循環氣相空間測定應用及方法驗證

注氧測定過程，催化劑停止運行，再生燒焦過程終止，通過測定一段時間內恒定注氧量，檢測再生循環氣氧含量變化，計算得出再生器燒焦循環氣相空間。試驗數據見表1。

表1 再生器燒焦循環氣相空間計算數值

通過如上數據計算，可以得到該再生器燒焦循環氣相空間為1968.11 m3。為對比上述數據，對應空白試驗驗證，驗證數據見表2。

表2 再生器燒焦循環氣相空間試驗驗證數值

通過上述數據對比，可以得到計算值為1968.11 m3，試驗檢驗值為1923.07 m3，計算誤差為2.34%，低于工程誤差允許值，故此計算方法可行。

2.3 再生器燒焦區注氧控制應用

國產連續重整再生器燒焦過程，一般采取低氧燒焦。因循環氣內氧含量較低，裝置容氧能力有限，為使催化劑再生燒焦過程穩定有序，并及時移除反應產生的熱量，則需穩定再生注氧量及循環氣量。在再生燒焦過程中，再生注氧量與再生循環氣氧含量處于串級控制，因循環氣氧含量測定儀在測定過程中，再生循環氣氧氣檢測表失真情況時有發生，故需及時校驗。為防止再生循環氣氧氣檢測表失真，導致氧含量超高而未提前控制致使催化劑床層超溫的情況發生，可通過監測再生循環氣中的儲氧量以反向監測再生循環氣氧氣檢測表是否失真。

在催化劑循環量以及催化劑積碳量穩定的狀態下，可認為耗氧量是穩定的，因而可以通過后臺計算機計算校驗氧含量值，從而得到計算氧含量。計算氧含量與再生循環氣氧氣檢測表測量值進行差值比較，得出是否需要校驗氧氣檢測表，同時在氧氣檢測表失真狀態下，可依靠計算氧含量來控制再生注氧量，維持正常燒焦，計算方法如式（5）所示。

式（5）中：△t 為響應時間，一般取氧氣檢測表響應時間。

通過式（5）可以解出當前t2+△t 時刻氧氣檢測表的計算值，此時可對比再生循環氣氧氣檢測表值從而確定其是否失真。因該方法計算氧氣檢測表值是根據再生循環氣相空間內儲氧量所得，從而數據較為穩定，有一定的緩沖能力。

3 結論

國產超低壓連續重整，其再生燒焦系統龐大，燒焦過程控制要求苛刻，為保證再生熱停后及時開工，不影響催化劑再生過程，亟需解決再生循環氣注氧問題。因此，本文通過對注氧過程進行物料平衡計算，給出計算再生器燒焦循環氣相空間計算方法，并輔以試驗驗證，確定再生器燒焦循環氣相空間的具體尺寸；同時，將其應用于再生氧氣檢測表的校驗過程，作為氧氣檢測表是否失真的參考依據，該數據在氧氣檢測表失真情況下，可作為循環氣氧含量以控制再生燒焦過程。通過計算及試驗得到如下結論：

（1）再生器燒焦循環氣相空間精確計算方法見式（2），但考慮再生器內部結構復雜，一般監測燒焦區與氯化區密封氣量難度較大，但通過試驗發現：較短時間內，循環氣氧含量消減速度一定，同時再生循環系統運行穩定，可認為其循環氣外排量為一定值，給出式（4）計算值。

（2）某石化公司采用國產連續重整裝置，通過計算及試驗驗證可得：該再生器燒焦循環氣相空間計算值為1968.11 m3，試驗校驗值為1923.07 m3，誤差為2.34%，在工程允許誤差范圍內，可認定方法可行。

（3）通過上述再生器燒焦循環氣相空間尺寸，將其應用于再生氧氣檢測表失真校驗過程，給出對應校驗方法，計算方法見式（5），其中響應時間一般取再生氧氣檢測表響應時間。