渣油加氢装置催化剂运行末期消除反应器热点的探索实践

渣油加氢装置催化剂运行末期消除反应器热点的探索实践

张利佳

（中国石油四川石化  四川 成都  611930）

摘要：本文对渣油加氢装置催化剂运行末期，固定床反应器中局部热点产生的原因进行了分析，对照比较了循环氢量、冷氢量、反应器入口温度、原料性质及装置处理量变化时，床层平均温度、反应器温升、反应器热点温度的变化情况，指出了反应器主要温度参数对各项操作参数变化的敏感程度，探索出在渣油加氢装置催化剂运行末期，通过控制原料组成和改善催化剂床层的流体分布，避免加氢放热反应在催化剂床层局部聚集，消除催化剂床层热点的有效操作方法。

关键词：渣油加氢；反应器热点；循环氢；氢分压；操作参数

前言

在石油炼制过程中，渣油加氢装置是使重油脱硫、重油轻质化，并实现石油资源清洁、高效利用的重要环节。但固定床渣油加氢装置催化剂设计使用寿命仅为一年（上流式＋固定床），运行周期相对较短，在催化剂运行末期，反应器床层压差增大、出现局部热点问题，一直是影响装置末期稳定运行的难题。如果不能采取有效的手段控制并消除反应器热点，将造成装置被迫停工检修的局面。近年来，炼油生产装置普遍面临原料劣质化倾向加剧的问题，这也进一步提高了渣油加氢装置生产运行的难度，加剧了装置催化剂寿命的缩短，不但使反应器床层热点问题出现的更加频繁，由此带来的催化剂结焦和装置腐蚀问题也进一步增加了装置换剂检修的困难。

本文通过控制原料组成、改善催化剂床层的流体分布和控制单反应器氢分压，消除反应器热点的实际操作方法。

1热点产生的原因分析

渣油加氢装置催化剂采用密相装填方案，催化剂运行末期，固定床反应器中局部热点形成的主要原因是催化剂床层内局部堵塞。在催化剂床层形成热点的区域，气、液两相的轴向流速相对较低，停留时间较长，导致反应深度加剧，释放热量增多；同时，因轴向通过热点区域的气、液两相流量相对较小，携带热量的能力降低，导致热点区域温度升高。但是由于在反应器床层中，气、液两相的总量充足，存在一部分气、液两相的径向流动，气、液两相通过径向流动，从热点区域周围补充并带走部分热量，使热点区域周围气、液两相恢复均匀分布。这样就形成了被包围的局部热点。

催化剂床层内局部堵塞的主要原因是反应器内催化剂径向装填的均匀性不好。例如：催化剂装填不均匀；局部区域催化剂碎裂，形成粉末集中区域；床层内构件设计和安装不合理，影响催化剂径向装填质量。反应器内催化剂径向装填的均匀性不好，将会导致反应物料在催化剂床层内“沟流”、“贴壁”等走“短路”现象的发生，也会导致部分床层的塌陷。四川石化渣油加氢装置反应器氢油比指标为850，反应器中气相物料的流速远大于液相物料的流速，这种气、液物料流速上的差别导致相的分离。一旦催化剂床层径向疏密不匀，床层内存在的通道阻力不同的时候，以循环氢为主体的气相物流更倾向于占据阻力小、易于通过的通道，而以原料油为主体的液体物流则被迫流经装填更加紧密的催化剂床层，从而造成气、液相分离，使气液间的传质速率降低，反应效果变差。在此状态下循环氢带热效果差，易造成床层高温热点的出现，继而造成热点区域的催化剂结焦速度加快，使得该区域的床层压力降增大，又反过来使得流经该热点床层去的气相物料流量更少，反应热量不能及时带走，使得该点温度更高，形成恶性循环。

大分子裂化反应，在分子量变小的同时，伴随着HDS、HDN、HDM、HDAr 以及脱烷基侧链反应的发生，但芳香核一般很难转化；裂化反应的推动力主要是热活化；氢气和催化剂的存在，大大地抑制了聚合和缩合反应，以及过度裂化反应。氢气和催化剂的存在对硫氮化合物的缩合反应存在一定程度的抑制作用，同时会促进硫氮化合物裂化反应的发生，随氢分压的增加，这种抑制缩合反应的作用愈加明显，从而可以有效地抑制催化剂表面的结焦。

2各项操作参数变化对反应器主要温度参数的影响

2.1装置处理量变化对反应器主要温度参数的影响

2020年11月1日，四川石化渣油加氢装置I系列催化剂连续运行13个月，床层压差0.3MPa，反应器床层出现TI1281及TI1279两个热点，计划于2020年12月10日更换催化剂。为平衡精渣罐存，为换剂检修做好准备，I系列处理量由115t/h逐步提升至150t/h。在此期间，装置原料主要为常渣，掺炼部分减压蜡油和催化柴油，原料性质相对稳定。装置处理量调整期间，反应器R1005-1主要温度参数变化结果见表一。

表一不同处理量反应器R1005-1主要温度参数变化

由表一可以看出装置处理量的增大，床层平均度、床层最高温度、床层温会有小幅度上涨。

2.2原料性质变化对反应器主要温度参数的影响

2021年3月1日，四川石化渣油加氢装置II系列催化剂连续运行12个月，床层压差0.27MPa，反应器床层出现TI2183及TI2178两个热点，计划于2021年4月10日更换催化剂。为进一步提高装置效益，四川石化公司采购了一批蜡油，由渣油加氢装置掺炼。为了更好的了解不同原料对装置的影响，对外购蜡油和减压蜡油进行了采样分析，具体情况见表二。

表二外购蜡油和减压蜡油分析对比

由表二及查看四川石化相关装置产品和原料质量，比较装置设计加工的减压蜡油，外购芳烃较高，十六烷值低，不饱和烃较多。

在此加工外购蜡油期间，因外购蜡油性质恶劣，对整体原料性质影响较大，且装置反应器存在热点，根据装置实际生产情况，对外购蜡油掺炼量调整频繁。装置加工外购蜡油调整期间，反应器R1005-2主要温度参数变化结果见表三。

表三原料性质变化时反应器R1005-1主要温度参数变化

由表三可以看出原料性质变化对反应器各项温度参数有明显影响。

2.3循环氢量、冷氢量、反应器入口温度调整对反应器主要温度参数的影响

反应器床层出现TI2183及TI2178两个热点后，为了消除热点，四川石化渣油加氢装置对影响反应器主要温度参数的各项操作进行了一系列的调整和比对。

表四循环氢量变化时反应器R1005-1主要温度参数变化

从工艺操作角度分析，循环氢的用量是反应器内化学反应实际所需氢气量的几百倍，对携带反应器内的反应热起到决定性作用。但是由表四可以看出，循环氢量增大对床层平均度、床层最高温度、床层温升没有明显影响，说明在装置操作工艺指标范围内对循环氢量进行调整，不能达到带出反应器内热量的目的。

表五冷氢量变化时反应器R1005-1主要温度参数变化

在正常生产中，冷氢是控制反应器温度的主要手段。由表五可以看出，冷氢量增大对床层平均度、床层最高温度、床层温升影响明显。对反应器床层通入大量的冷氢，可以有效消除反应器热点。

表六反应器入口温度变化时反应器R1005-1主要温度参数变化

由表六可以看出，在保证足够的反应深度、产品质量不受影响的前提下，反应器入口温度调整对床层平均度及床层温升影响明显，说明反应器入口温度必须严格控制。反应器入口温度对反应器热点影响并不明显，这说明在正常生产不受影响前提下，反应器入口温度并不代表反应器内的温度，小幅度的降低反应器入口温度对反应器热点温度没有明显影响。

3消除反应器热点的操作实践

3.1降低装置处理量

根据液体物料在反应器内的流动特点分析，装置处理量增大时，更多的液体物料会从热点区域周围通过，进而加剧热点形成。

3.2加强原料管理

劣质原料中的结焦前驱物在通过热点区域时，更容易结焦，加剧热点形成。在催化剂进入末期，反应器床层出现热点后，应尽量避免加工劣质原料，防止热点问题加剧，装置被迫停工检修。

掺炼催柴能加剧反应程度，在操作上要注意控制操作平稳，防止过高的温度引起床层超温、床层热点温度的产生，床层超温或者热点温度会导致结焦生炭速度加快，增大系统压降，不利于催化剂长周期运行。

来源比较复杂，性质比较不稳定，加工时对催化剂长周期运行有一定影响， 控制好掺炼比例和掺炼周期可以避免影响的持续和累积。

3.2按照氢油比指标，控制合适的循环氢量

根据气体物料在反应器内的流动特点分析，循环氢量增大时，易造成气、液相分离，使气液间的传质速率降低，反应效果变差，循环氢带热效果差，并不能改善气液两相通过催化剂床层时的流体分布，会进一步加剧热点形成。

3.2严格控制反应器入口温度

根据各个反应床层压差情况和床层平均温度，合理分配床层入口温度。在保证产品质量的前提下，尽量降低有热点的反应器入口温度。

3.3利用冷氢消除热点

在实际操作过程中，冷氢量增大后，床层上部温度首先下降，引起床层温升上涨，床层平均温度将会持续下降。当冷氢穿透整个催化剂床层后，床层温升急剧下降，大量的冷氢造成反应器氢油比上涨。根据气体物料在反应器内的流动特点分析，此时反应器内气体流量突然增大，破坏了反应器内部原先的气、液两相物料流体分布规律，使反应区热点区域温度迅速下降。

发现反应器热点后，及时对出现热点的反应器床层通入大量冷氢，降低床层平均温度和热点温度，避免热点区域的催化剂结焦，形成恶性循环。

4实施效果

通过对照比较了循环氢量、冷氢量、反应器入口温度、原料性质及装置处理量变化时，床层平均温度、反应器温升、反应器热点温度的变化情况。

5结论

在渣油加氢装置催化剂运行末期，通过控制原料组成和装置各项操作参数控制的不断地实践并逐步优化，可以达到改善催化剂床层的流体分布并消除反应器热点的目的。

参考文献：

[1]  穆海涛，孙启伟，孙振光.上流式反应器技术在渣油加氢装置上的应用[J].石油炼制与化工，2001，32（11）：11-11.

[2]  张志宏. 原料性质对渣油加氢装置的影响及控制效果[J].石油炼制与化工，2018,49（10）：38-40.

[3]  徐彬，韩剑敏，窦志俊等. 渣油加氢装置运行中存在问题及措施[J].炼油技术与工程，2013,43（2）：24-25.

[4]  崔海军，赵旺华.渣油加氢上流式反应器径向温差问题探析[J].炼油技术与工程，2019,49（9）：10-11.

[5]  朱金忠，张建明，等.2.0Mt/a渣油加氢装置长周期运行分析[J].当代化工，2020，49（3）:722-722.