浅析UOP连续重整装置结焦问题.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 29 日 作者简介：陈耀新（1990），男，汉族，广东罗定人，大学专科，研究方向为连续重整方面。-101-浅析 UOP 连续重整装置结焦问题 陈耀新 浙江恒逸工程管理有限公司，浙江 杭州 310000 摘要：摘要：结焦是化学工业中一个常见的问题，它对生产装置的影响不容忽视。本论文主要对 UOP 连续重整装置的结焦问题进行分析，并提出相应的解决方法。首先介绍了 UOP 连续重整装置的工作原理和重要性，以及结焦问题的背景和意义。接着分析了导致结焦的原因，然后阐述了结焦问题对装置的影响，最后提出了解决结焦问题的方法，包括原料选择与控制、操作条件优化、催化剂管理与更换以及设备维护与检修等方面。通过对 UOP 连续重整装置的结焦问题进行深入分析和研究，可以为该装置的正常运行和高效生产提供指导和参考。关键词：关键词：UOP 连续重整装置；结焦问题；原因分析；影响；解决方法 中图分类号：中图分类号：TE832 UOP 连续重整装置是石化行业中常见的一种重要装置，用于生产芳烃和高辛烷值汽油，提高其燃烧性能和抗爆性能。然而，随着装置运行时间的增加，结焦问题逐渐凸显，给装置的运行和生产带来了一定的困扰。结焦问题不仅会影响装置的生产能力和产品质量，还会增加能耗和安全风险。因此，深入研究 UOP连续重整装置的结焦问题，寻找解决方法，对于装置的稳定运行和高效生产具有重要意义。1 UOP 连续重整装置工作原理 1.1 装置简介 UOP 连续重整装置主要包括预处理、重整反应和催化剂再生三个部分。预处理部分负责对原料进行预处理，去除杂质，为重整反应提供优质原料。重整反应部分采用多级反应器，重整是一个化学反应的过程，存在着多种化学反应，原料油分子在一定的操作条件下，由于催化剂的作用，使其分子结构发生重新组合，从而最大限度地促进芳烃的生成和分子异构化，达到制取芳烃或高辛烷值汽油的目的。催化剂再生部分则负责对催化剂进行再生，这一过程是连续进行的，恢复其活性，保证装置的稳定运行。1.2 反应原理 在重整催化剂上发生的基本反应是：六元环烷的脱氢反应、五元环烷的异构脱氢反应、烷烃的脱氢环化反应、直链烷烃异构化反应。除此发生副反应有烷烃的加氢裂化反应、氢解反应、芳烃脱烷基反应、生焦反应等。六元环烷烃脱氢生成芳烃是一个典型的在金属中心上完成的高吸热反应，它是重整过程所有反应中速度最快的反应，他可以在很高的空速条件下完成。五元环烷烃异构脱氢反应甲基环戊烷、二甲基环戊烷，首先进行异构化，生成六环烷烃，再脱氢生成芳烃。烷烃脱氢环化反应，对于生产高辛烷值汽油来讲，烷烃脱氢环化是关键反应，是强吸热反应，反应产物取决于反应动力学，反应速度比五烷烃脱氢反应低得多，芳烃的形成对该反应也起抑制作用，由于烷烃混合物变成相应芳烃后，平均辛烷值从 60 提高到 80，烷烃脱氢环化反应要在较高温度和较低压力下进行，才能反应得比较完全。加氢裂化和氢解反应，烷烃加氢裂化生成小分子烷烃和异构烷烃，反应使大分子变成小分子，降低了生成油液收而且耗氢，提高温度能加速加氢裂化反应的进行，并且促进焦炭的生成，使催化剂活性下降和缩短催化剂寿命。芳烃脱烷基反应，此类反应是放热反应，使较重的芳烃转化成较轻的芳烃。对于生产芳烃的装置，系统水分可以适当控制在下限，有利于轻芳烃的生产。烷烃异构化反应，烷烃异构化反应进行很快，而且正构和异构烷烃比例非常接近平衡值，该反应可提高生成油的辛烷值。生焦反应，焦炭前身物是一种稠环芳烃类物质，通常它由苯环和二烯烃缩聚生成的。在后部反应器中，在较高的反应温度下，焦炭是很容易形成的。在苛刻的条件下，焦炭前身物进一步缩合，氢含量进一步减少，便形成了焦炭。这些反应在多级反应器中依次进行，最终生成高辛烷值汽油和芳烃等化学品。中国科技期刊数据库 工业 A-102-1.3 催化剂作用与再生过程 由于催化剂在高苛刻度条件下进行反应，催化剂会快速积碳而失去活性。为了恢复催化剂的活性，就需对催化剂进行烧焦处理，同时补充催化剂在烧焦过程中和反应过程中失去的部分氯化物，并还原活性金属。催化剂再生部分为反应在高苛刻度条件下操作提供了可能性。在连续重整中，这一过程是连续进行的。首先，待生剂从重叠反应器的末反流出，被提升到催化剂再生部分，待生剂按五步完成再生：烧焦、氧化/氯化、干燥、冷却、还原。再生后的新鲜催化剂被循环提升到第一反应器，用这种方式，新鲜催化剂将连续循环地通过重整反应器，保证了重整反应在高苛刻度下进行，并能长周期地运行。2 结焦原因分析 2.1 原料性质影响 原料的性质是影响结焦问题的关键因素之一。如果原料中杂质含量过高，如硫、氮等元素含量过高，会在催化剂表面形成酸性中心，加速结焦反应。重整原料干点过高时,进料中的多环化合物等大分子烃类含量大,由于大分子烃为易于裂解,同时产生缩合生炭反应,促使催化剂积炭加快,影响运转周期,得不到更多理想产品。此外，原料中的金属杂质会导致催化剂中毒，失去活性，进而影响结焦反应速率。2.2 操作条件影响 操作条件如反应温度、压力、空速等也会对结焦问题产生影响：(1)温度重整催化剂床层温度是控制产品质量的首要参数，提高反应温度对脱氢、脱氢环化、加氢裂化反应增加较大，尤其是加氢裂化反应增加的更明显。虽然对芳烃的转化率有所提高，但液收率下降，催化剂积碳增加。（2）压力 对重整反应来说，重整增加压力，加氢裂化增加而芳构化反应减少。降低压力有利于芳构化反应，但催化剂积碳加快，要求再生的速率增加。对于连续重整，反应压力 0.24MPa（D201 压力）已由设计确定，同时催化剂连续再生，活性得到保证。因此，在实际操作中反应压力不作为调节手段。（3）氢油比（H2/HC）重整循环氢气的目的是控制焦碳在催化剂上的生成，同时大量氢气循环，还起到热载体的作用，将大量热量带出了反应器。氢油比有一个最小值，高于这一数值，只要在设备允许范围内是无害的，在较低的比例下运转会使催化剂积碳速度加快，因此缩短催化剂的循环周期。开工初期,由于重整反应苛刻度调节幅度大、频率高以及重整注硫量偏少等原因,导致重整反应器内出现催化剂结焦。2.3 催化剂性能与结焦关系 催化剂的性能是影响结焦问题的关键因素之一。首先，催化剂的活性是影响结焦速率的重要因素。如果催化剂活性不足或选择性差，会导致结焦反应速率加快。在石油化工和煤化工等领域，结焦反应是一种放热反应，随着温度的升高，反应速率会加快。因此，如果催化剂活性不足，结焦反应速率会受到影响，导致装置运行效率下降，甚至可能导致装置停车。另外，催化剂的比表面积和孔容也是影响结焦问题的关键因素。如果催化剂比表面积过小或孔容不足，会导致原料在催化剂表面停留时间过长，增加结焦几率。此外，催化剂的稳定性也是影响结焦问题的因素之一。催化剂在使用过程中可能会发生失活现象，这会导致结焦反应速率加快。因此，催化剂的稳定性对于控制结焦反应具有重要的作用。2.4 设备结构与结焦关系 设备结构也是影响结焦问题的因素之一。首先，设备结构设计不合理，可能会导致物质在反应或加工过程中流动不畅，从而形成局部的高温区域。径向反应器中，有时某些部位（特别是反应器底部）没有循环气流通，催化剂不能流动，这样的部位，通常称为“死区”。死区的危害很大，由于该部位设有循环气流动，渗到访区的烃类，在高温低H2HC摩尔比条件下，将会迅速结焦，沉积在催化剂上，使催化剂失去活性，特别是由于该部位催化剂难于流动，在系统内所起到的作用降低，导致整个装置效率下降这些区域容易产生结焦现象。其次，设备结构存在的缺陷，如裂缝、磨损等，可能会破坏设备的密封性，导致反应或加工环境发生变化。例如，在连续重整反应器中，被气体松动了的固体催化剂颗粒靠自身重力向下移动，气体则在颗粒中国科技期刊数据库 工业 A-103-的缝隙中穿过，在接触过程中发生化学反应。为确保催化剂在再生器中正常的移动，有一点应特别注意：那就是，若保证催化剂顺利的向下移动，必须避免催化剂在中心管附近的滞流，因为，当气流的流速很高时，由于床层压降而产生的催化剂床层径向力变得很大，以致产生足够大的摩擦力把一部分催化剂支撑在中心管附近，催化剂不能流动的部分构成死区，严重时将被迫停工，这种现象 UOP 称做为贴壁(PINNING)。贴壁现象与气体流速、密度、温度、压力等有关，与中心管的设计因素亦有关，其中影响最大的是气体的流速变化。对于贴壁现象引起催化剂不能流动，这部分催化剂的积炭可高达 1820，一旦气速减小催化剂向下流动后，这部分高积炭催化剂带入再生器，将十分危害，在烧焦时会引起超温、烧坏设备。所以一旦发现贴壁现象，应立即停车。正常情况下各反应器温降恒定，如一反发生贴壁现象，则一反温降明显下降，二反温降增大。此外，设备结构的材料选择也是影响结焦问题的重要因素。一些材料在高温下容易与反应物质发生反应，生成新的物质，这些新生成的物质往往具有较高的结焦倾向。3 结焦问题对装置的影响 3.1 生产能力下降 在生产装置中，结焦是一个不容忽视的问题。它主要表现为设备内部的焦垢沉积，这些焦垢不仅会堵塞管道，限制物质的流通，还会导致装置的生产能力下降。更严重的是，随着结焦的加剧，设备内部的传热效率也会降低，进一步影响了生产效率。3.2 能耗增加 结焦现象不仅会降低装置的传热效率，还会对生产过程产生不利影响。为了维持正常的生产，往往需要增加能源的投入，导致能耗增加。同时，清除结焦也需要消耗大量的人力和物力，增加了额外的成本。首先，结焦会降低装置的传热效率。在生产过程中，传热效率是决定生产效率的关键因素之一。如果装置内部结焦，就会阻碍热量的传递，导致传热效率降低。为了保持生产线的稳定运行，我们需要增加能源的投入，以弥补传热效率的损失。这不仅增加了生产成本，还可能导致能源浪费。其次，清除结焦需要消耗大量的人力和物力。当装置内部出现结焦时，需要采取措施清除这些结焦。这通常需要停机操作，并由专业人员使用专门的工具进行清理。这个过程不仅需要花费大量时间，还需要消耗大量的人力和物力。这对于生产型企业来说，无疑增加了额外的成本。3.3 产品质量问题 在生产过程中，结焦可能会发生在各种不同的环节，如冶炼、热处理、烧结等。然而，无论在哪个环节发生，都会对产品的质量产生负面影响。结焦的不均匀性和不确定性是导致产品质量问题的主要原因之一。由于结焦层的厚度和硬度难以控制，产品可能在不同的部位表现出不同的质量特征。例如，在钢材冶炼过程中，如果结焦不均匀，可能会使钢材的硬度和韧性分布不均，导致产品的稳定性下降。这不仅会影响产品的使用寿命，还可能会对生产安全造成威胁。此外，结焦还会影响生产过程中的计量和混合等环节。例如，在制药行业，如果药液在加热过程中结焦，可能会影响药液的计量精度和混合均匀度，进而影响药品的质量。同样，在食品加工行业中，如果原料在加热过程中结焦，可能会影响原料的加热效果和混合效果，进而影响产品的口感和质量。3.4 安全风险增加 结焦还会增加装置的安全风险。首先，在石油化工装置中，结焦会导致设备内部的压力增加。当结焦量达到一定程度时，设备内部的压力会超过其承受极限，增加了设备爆炸的风险。这种爆炸事故不仅会对装置本身造成严重损坏，还会对周边环境和人员造成不可估量的危害。其次，在结焦过程中，一些具有毒性的物质可能吸附在焦垢上。随着结焦量的增加，这些毒性物质会不断积累，增加了人员接触和操作的风险。长期暴露在这种环境下，操作人员可能会出现头晕、恶心等不适症状，甚至可能导致更严重的健康问题。3.5 原料选择与控制 为了降低结焦发生的可能性，合理的选择和控制原料的质量和成分显得尤为重要。首先，要选用杂质含量低的原料，重整原料一般控制干点180。原料中的杂质是导致结焦的重要因素之一。这些杂质可能在高温下分解、氧化，形成焦炭状的物质，导致设备结焦。因此，选用杂质含量低的原料是降低结焦发生的关键。在选择原料时，应尽量选择纯度高、杂质少的原料，并对其进行严格的检测和控制，以保证原料中国科技期刊数据库 工业 A-104-质量的稳定性。其次，要避免使用易结焦的添加剂。某些添加剂在高温下易发生化学反应，形成焦炭状的物质，导致设备结焦。因此，在生产过程中，应尽量避免使用易结焦的添加剂。如果必须使用添加剂，应选择那些在高温下不易发生化学反应的添加剂，并对其用量和使用方法进行严格的控制。接下来，要控制原料的配比和混合。原料的配比和混合也是影响结焦的重要因素。在生产过程中，应根据工艺要求和实际情况，对原料进行合理的配比和混合。例如，对于一些高粘度的原料，可以适当加入溶剂或稀释剂，降低其粘度，减少结焦的可能性。此外，还可以通过采用先进的混合设备和技术，提高原料的混合均匀度，降低结焦的风险。最后，加强生产过程中的监控和管理。在生产过程中，应加强对原料和产品的监控和管理。可以定期对原料和产品进行抽样检查，对其成分和质量进行严格把关。同时，还应对生产过程中的温度、压力、流速等参数进行严格的控制和管理，防止因操作不当导致的结焦问题。3.6 操作条件优化 优化操作条件也是解决结焦问题的重要手段。首先，操作温度的控制至关重要。高温是焦炭生成的主要因素，因此，适当降低操作温度可以减少焦炭的形成。但是，温度也不能过低，否则可能会影响生产效率。因此，需要根据实际情况，合理调控操作温度。其次，压力的控制同样重要。在某些生产过程中，压力的变化也会影响焦炭的生成。通过提高压力，可以减少气体分子的自由行程，从而减少焦炭在设备内的停留时间。这样，焦炭生成的几率就会降低。另外，空速也是一个不可忽视的因素。空速指的是气体在设备内的流速。提高空速可以增加气体的流动速度，使得气体在设备内的停留时间缩短，从而减少焦炭的生成。同时，提高空速还可以提高设备的处理能力，进一步提高生产效率。除此之外，还应该关注原料的性质、设备的结构等因素对结焦问题的影响。只有全面考虑各种因素，才能更好地解决结焦问题。尤其开工初期,尽量减少重整反应苛刻度调节幅度大、频率高，适量向重整进料注硫。进料中的硫太少或者无硫，使得重整加热炉管及反应器内壁及内构件的表面的金属离子没有硫化，脱氢活性得不到抑制，造成发生较强的脱氢碳化反应，会象滚雪球似地形成碳化过程，炭越积越多，造成反应器内大量结焦，使得重整催化剂床层压降的增大，影响重整催化剂的流动，严重时使反应器内构件损坏。最早发现低硫对连续重整运行有结焦危害的是国内连续重整装置，后来该装置将重整进料的脱硫保护床切除，并且向进料中不断注入的硫，才避免了结焦的发生。3.7 催化剂管理与更换 催化剂的管理与更换也是解决结焦问题的重要环节。首先，通过定期检查催化剂的外观、物理性质和化学性质，可以及时发现催化剂的失活情况。此外，通过对催化剂进行表征分析，可以了解催化剂的活性、选择性、稳定性和抗结焦性能，为催化剂的优化和更换提供依据。其次，当催化剂失活时，需要及时更换。在更换催化剂时，需要遵循一定的操作规范，确保更换过程的顺利进行。同时，需要选择合适的催化剂品种和规格，以满足生产工艺的要求。更换后的催化剂需要进行充分的活化处理，以确保其活性。此外，定期清理反应器内的沉积物和杂质，可以保持催化剂的活性，延长其使用寿命。3.8 设备的选择与维护 装置初期设备选择设计尤为重要，为避免贴壁现象以及死区的产生，应尽力按照贴壁曲线操作，并应留出 40的余量。设备维护是预防结焦问题的关键措施。定期对装置进行清洗和检修，可以及时发现并解决设备内部存在的结焦和堵塞问题。通过清洗设备内部，可以去除积炭和残留物，保证设备的正常运行。此外，检修过程中可以对设备进行检查和调整，确保设备的状态良好，防止结焦问题的发生。为了有效地进行设备维护与检修，制定合理的维护计划和操作规程至关重要。维护计划应包括设备的清洗周期、检修时间和具体操作步骤等。操作规程应明确设备的操作规范和注意事项，避免因操作不当导致结焦问题的发生。同时，加强对设备的监控和检测，及时发现并处理异常情况，确保设备的稳定运行。3.9 加装结焦预防装置 加装结焦预防装置也是解决结焦问题的一种有效方法。针对易发生结焦的设备，可以采取相应的预防措施，如加装清洗装置、加湿装置等。例如，在换热器中加装清洗装置，可以定期清洗换热器内的积炭，保证设备的传热效率；在冷凝器中加装加湿装置，可中国科技期刊数据库 工业 A-105-以防止冷凝器内壁结霜，避免因结霜导致的设备性能下降。这些措施都可以有效预防结焦问题的发生，提高设备的运行效率和稳定性。4 结束语 结焦是生产装置中一个潜在的危害，会对设备的运行效率和生产能力产生负面影响。为了确保生产装置的稳定运行和高效生产，我们需要深入了解结焦的形成机制及其对生产装置的影响。在此基础上，采取有效的预防和治理措施，如原料选择与控制、操作条件优化、催化剂管理与更换、设备的选择维护以及加装结焦预防装置等措施来减少结焦对生产装置的影响。从而提高生产装置的运行效率和生产能力。参考文献 1 胡 端 义,黎 亮,郑 澜 等.间 歇 式 热 脱 附 炉 炉 膛 结 焦 原 因 探 讨 和 对 策 分 析 J.油 气 田 环 境 保护,2023,33(05):37-40.2 张晓 辉,王 丁,刘永毅 等.汽 油精 制装 置进料 换 热器 结焦 堵塞 原因及 对 策 J.化学 工程 与装 备 2023(09):167-170.3张兵,郑晓军,杨彩娟等.渣油加氢装置加热炉结焦量化表征及预测J.石化技术与应用,2023,41(05):363-366+376.4李法军.石化企业催化裂化装置结焦原因及解决对策研究J.辽宁化工,2023,52(07):1006-1008.5樊学东,李阿君.催化裂化装置沉降器防结焦技术J.化学工程与装备,2023(07):169-171.