加氢裂化装置反应器径向温差原因分析与探讨

加氢裂化装置反应器径向温差原因分析与探讨
黎臣麟
【期刊名称】《《炼油技术与工程》》
【年(卷),期】2019(049)012
【总页数】5页(P6-10)
【关键词】加氢裂化; 径向温差; 反应器内构件; 气液分布; 催化剂装填; 氢油比【作者】黎臣麟
【作者单位】中国石油四川石化有限责任公司四川省成都市611930
【正文语种】中文
滴流床加氢反应器床层流体分布的均匀性直接影响径向温度分布，径向温度分布是流体分布均匀性的直接反映，是床层内构件及催化剂装填好坏的最好评价，也是判断床层被污染物堵塞状况的根据之一[1-2]。

某公司对柴油加氢装置与蜡油加氢装置进行技术改造来调整炼油厂产品结构，降低柴汽比，增产喷气燃料与化工原料，实现企业效益最大化。

自装置改造开工以来，柴油加氢裂化装置反应器第二床层出口径向温度高达20 ℃，蜡油加氢裂化装置裂化反应器第一床层出口径向温度高达10 ℃，给装置的“安稳长满优”运行带来了极大的操作难度与安全风险。

1 反应器径向温差形成的原因
1.1 催化剂装填质量的影响
催化剂的装填技术直接影响着催化剂的装填质量，若催化剂装填疏密不均，很容易
造成物料“短路”或床层下陷，从而导致反应器内物料和温度分布不均匀、物料与催化剂接触时间不均匀[3]、反应器压力降不均匀，影响产品质量和催化剂寿命。

某蜡油加氢裂化装置反应器各床层出口温度分布见表1。

表1 某加氢裂化装置反应器各床层出口温度Table 1 Temperature distribution at the bed outlet of hydrocracking react or ℃项目中心点温度内圈直径1 600 mm温度中圈直径3 225 mm温度外圈直径4 040 mm温度温升径向温度径向温度/轴向温升精制反应器第一层
378.0376.4375.4378.0377.2377.5376.1378.3377.7376.6375.1378.1376.4374. 220.54.10.2 第二层
377.7378.4379.8380.6378.2379.2378.4381.1379.1378.3377.8379.4378.5378.
48.13.30.41 第三层
387.1388.1386.0387.8385.2386.2383.1389.8387.3388.6385.8382.9386.8388. 615.46.90.45
续表1 ℃项目中心点温度内圈直径1 600 mm温度中圈直径3 225 mm温度外圈直径4 040 mm温度温升径向温度径向温度/轴向温升裂化反应器第一层378.5382.4382.0385.4379.3377.6381.4385.5379.3377.6381.4376.5378.5375. 31210.20.85 第二层
382.2381.7379.3383.1383.0381.7380.9384.1382.2382.1382.1380.8379.7378. 512.75.60.44 第三层
381.3380.2378.5379.9381.0379.7380.4382.6379.7379.3380.8381.1380.8380. 011.34.10.36 第四层
382.9383.7382.1385.0386.6384.3384.2386.6388.0384.1382.6386.8383.0383. 316.25.90.36
注：红色标注为最高温度，黄色标注为最低温度，精制反应器与裂化反应器直径都
为4 800 mm
从表1可以看出，精制反应器各床层出口最高温度都在反应器中心位置，第一、
第二床层出口最低温度在直径4 040 mm位置，靠近反应器器壁；裂化反应第一、第二、第三床层出口最高温度在反应器中心位置，各床层出口最低温度在直径4 040 mm位置，靠近反应器器壁。

此次催化剂采用布袋装填方式，从反应器中心
位置开始装填，导致反应器中心位置空隙率偏低，器壁空隙率偏大，器壁流动阻力减小，流体流向器壁，出现壁效应，因此靠近器壁反应温度相对较低，中心位置反应温度相对较高。

精制反应器与裂化反应器直径均为4 800 mm，精制反应器各
床层出口径向温度低于7 ℃，径向温度与轴向温升比值小于0.5，可以看出精制反应器催化剂装填质量符合要求。

裂化反应器除第一床层径向温差偏大，其他床层催化剂装填质量符合要求。

裂化第一床层催化剂包括部分精制催化剂UF-210与再生裂化剂HC-185LT。

精制催化剂活性相对偏低，反应气化率变化较小；再生裂化剂活性高且不稳定，反应气化率变化较大。

两种催化剂在同一床层级配装填，可能导致反应气化率突然增大，对床层流体特性造成较大的影响，从而造成裂化反应器第一床层径向温差偏大。

1.2 反应器内构件的影响
不论采用炉前混氢还是炉后混油的生产工艺，氢气与原料油在进反应器之前都无法达到充分混合的状态。

混合料从管道进入反应器时，流体经过的面积突然增大，通过反应器入口扩散器以及反应器内构件使床层气液均匀分布。

若反应器内构件不能实现气、液两相的有效混合，催化剂床层必然会出现气、液分配不均，导致沟流和偏流，产生床层径向温差。

反应内构件若被杂质堵塞，同样会导致分布不均，使径向温差变大。

1.3 操作参数的影响
国内某石化公司将3.5 Mt/a柴油加氢精制装置改造为3.0 Mt/a柴油加氢裂化装
置。

原装置只设计一个加氢精制反应器，两个催化剂床层。

改造后在原反应器基础上采用十多种催化剂进行级配，以保证较高的脱硫活性、适中的芳烃饱和性能以及较低的裂化反应活性，从而实现产品质量的大幅度提升。

在装置开工后，发现第二床层(裂化剂位置)径向温差偏大，最高达到20 ℃，严重制约安全平稳运行。

在催化剂硫化期间，反应器各床层径向温差均小于3 ℃，符合相关要求。

在正常生产过程中，反应器第二床层入口的冷氢流量变化对径向温差影响明显，增加冷氢量，有利于液膜在催化剂表面的扩散，催化剂表面润湿明显改善，液体分布更加均匀，反应器径向温差迅速下降。

某柴油加氢裂化装置在停工与开工过程中反应器径向温差变化明显，见图1。

图1 停工与开工过程反应器径向温差趋势Fig.1 Tempeture difference in reactor of the dieselhydrocracking unit during shutdownand start-up process
从图1可以看出，在正常工况下，反应器第二床层温升比第一床层高6 ℃左右，第二床层径向温度比第一床层高15 ℃左右。

在停工过程中，径向温度随着床层温升降低而降低。

在反应循环升温过程中，径向温度都在6 ℃以下，当第一、第二床层温升约8 ℃，反应器径向温度都在7 ℃以下，第二床层反应温升逐步升高，第二床层径向温度迅速上升，最终达到20 ℃以上。

由于开工过程中，受加热炉负荷限制，反应升温较慢，冷氢阀全关，导致第二床层气液分布不均匀，随着反应温度提高，转化率增大，第二床层裂化段出口气化率大幅度增高，不利于径向液体分布；在高温区，反应速度加快，放热更多，携热能力下降，容易形成热点，从而使径向温差偏大。

该装置径向温差产生的原因分析如下：①原设计加工量为412 t/h，改造后加工量为357 t/h，实际加工量为290 t/h左右，原设计反应器尺寸偏大，不利于反应器床层的液相均匀分布；②氢气流量不足导致床层的气、液分配不均匀，催化剂床层
中出现严重偏流，反应器轴向流体状态与理想的平推流相差较大；③原料性质、质量空速、冷氢流量、反应转化率等操作条件发生变化，影响反应氢耗与床层的氢油比、液相在反应器内的停留时间、反应器内流体的状态、轴向返混以及催化剂表面润湿等。

④第二床层采用5种不同形状与尺寸的催化剂级配，导致单床层内催化剂空隙率分布不均匀，影响液体分布。

2 降低反应器径向温差的应对措施
2.1 催化剂装填效果的保障措施和评价
随着多年的发展，国内催化剂装填技术水平显著提高，基本能够保障催化剂装填效果。

如中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院阮宗琳等与装剂公司共同开发了一款新型高效的催化剂密相装填装置。

在离散元数学模型的基础上，采用DEM软件对催化剂密相装填过程进行模拟，确定新型加氢催化剂密相装填装置的结构组成，并设计出新型加氢催化剂密相装填装置，通过实验室评价和实际应用取得了良好的催化剂装填效果[4]。

目前，将催化剂硫化期间的床层径向温差是否小于3 ℃作为催化剂装填效果好坏的评价标准之一。

由于催化剂硫化期间工况特殊，如油品相对较轻、氢气全量循环及少量的氢气消耗等，均降低了径向温差，因此该评价方法存在一定局限性。

图2为某加氢裂化装置硫化和蜡油原料切换径向温差趋势图。

图2 某加氢裂化装置硫化和蜡油原料切换径向温差趋势Fig.2 Radial temperature difference between sulfurationand feed switching in hydrocracking unit
从图2可以看出，某加氢裂化装置在硫化期间，各反应器床层径向温差小于3 ℃;在切换蜡油过程中，反应温度波动较大，径向温差明显上升;在生产平稳期间，最大径向温差在6 ℃左右。

说明此次催化剂装填效果较好。

2.2 采用新型高效内构件
加氢工艺技术水平的高低主要取决于催化剂性能，而催化剂性能的充分发挥则在很大程度上取决于反应器内部构件的先进性和合理性[5]。

通过采用新型高效的反应器内构件，能够有效避免因为气、液混合不均导致的偏流，降低催化剂床层径向温差。

目前加氢装置反应器分配器采用泡罩的比较常见，但是在一些重油加氢装置出现了堵塞。

通过选用CLG开发的管状喷射式分配器得到了良好效果，新的分配器针对性的增加了容垢空间和能力，并且使得二次物料分配更加均匀[6]。

国内科研单位也开发新型的内构件，如中国石化石油化工科学研究院开发的新型加氢反应器内构件，包含新型的分配器和新型的冷氢系统，并且实现了良好的工业应用[7]。

壳牌公司也开发了一款高效分配器(HD TRAY)，实现了良好的气、液分配效果，尤其是在催化剂顶层就实现了液相的均匀分配。

2.3 建立实际模型，优化操作参数
针对反应操作参数引起的径向温差，首先就是要加强监控及管理。

做好关键数据的采集和显示，建立温差计算模块，直观显示。

径向温差要对应床层温升综合考虑，一般控制条件为：径向温差/轴向温升的比值小于0.5,这样能剔除部分因反应温升造成的影响。

因为正常反应导致的径向温差是没有合适的手段去解决的，剔除该因素后应消除其他影响因素。

新改扩建加氢装置要核算好反应氢耗与循环氢流量的平衡。

在循环氢流量偏低的工况下，要适当控制反应深度，降低转化率，降低氢耗，合理控制氢油比，减少催化剂结焦，避免径向温差的扩大。

3 总结
(1)在高负荷高转化率工况下，蜡油加氢精制反应器与裂化反应器最高温度主要集中在反应器中心位置，最低温度集中在反应器器壁位置，主要是反应器中心位置空隙率偏低，器壁空隙率偏大，器壁流动阻力减小，流体流向器壁，出现壁效应。

裂化反应器第一床层径向温差偏大，是单床层采用不同尺寸不同活性的催化剂级配，
反应气化率变化加剧，气液比过大，不利于径向液体分布，从而使径向温差偏大。

(2)柴油加氢裂化装置第二床层径向温差达到20 ℃，在一定范围之内，其径向温升与轴向床层温升呈正比，与冷氢流量呈反比。

由于反应器内径向气液相分布不均匀，油品和氢气在催化剂床层的流动状态严重偏离活塞流，径向局部液体流量不均匀，径向反应速率偏差大，停留时间不一致，传质传热偏差加剧，最终导致反应器床层径向温差增大。

(3)加强对反应器径向温差的监控。

从实际生产中，不断探索操作参数对径向温差
的影响，建立模型实现精准控制，降低反应器径向温差，从而提高催化剂的利用率，有利于装置的安全生产与长周期运行。

参考文献
【相关文献】
[1] 韩崇仁.加氢裂化工艺与工程[M].北京:中国石化出版社，2001：665.
[2] 李立权，陈崇刚.大型加氢反应器内构件的研究及工业应用[J].炼油技术与工程，2012，42(10)：27.
[3] 史建公，谈文芳，赵良英,等.固体催化剂装填技术及设备进展[J].中外能源，2014，19(10)：65.
[4] 阮宗琳，刘旭，杨秀娜,等.新型加氢催化剂密相装填装置的设计与应用[J].炼油技术与工程，2016，46(9)：38.
[5] 石巨川.降低固定床渣油加氢反应器径向温差的技术措施[J].石油炼制与化工，2013，44(1)：84.
[6] 徐彬，魏翔.渣油加氢反应器径向温差大原因分析及改进措施[J].石化技术与应用，2013.31(3)：218.
[7] 王少兵，张占柱，毛俊义,等.新型加氢反应器内构件的工业应用[J].石化技术与应用，
2016.34(3)：226.。