[科普中國(guó)]-沸騰床加氫反應(yīng)器

沸騰床加氫的特點(diǎn)

在重渣油加氫體系中，沸騰床是由氣、液、固構(gòu)成的三相反應(yīng)系統(tǒng)，其中氣相主要為氫氣和部分烴蒸汽；液相為烴原料未蒸發(fā)的重組分；固相為設(shè)計(jì)獨(dú)特的催化劑，其在反應(yīng)時(shí)處于流化態(tài)。沸騰床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如右圖所示。

原理沸騰床反應(yīng)器的催化劑通常為擠壓物，活性組分為鎳-鉬或鎳-鈷金屬。反應(yīng)器中的催化劑由液體反應(yīng)物和富氫氣體向上提升而處于流化狀態(tài)，原料油和氣體進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)分配器在反應(yīng)器催化劑床層進(jìn)行重新分配。

沸騰床反應(yīng)器中的催化劑床層高度由循環(huán)液體流速控制。液體流速可以通過(guò)改變循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)。沸騰狀態(tài)的操作方式可以降低反應(yīng)器的壓力降，混合效果好，床層接近等溫操作。因此，沸騰床反應(yīng)器的操作類(lèi)似于連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）。沸騰床技術(shù)使用在線加排系統(tǒng)，新鮮催化劑可以不斷地加入反應(yīng)器，待生催化劑可以不斷從反應(yīng)器排出，從而保持反應(yīng)器催化劑的活性穩(wěn)定。沸騰床反應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間與催化劑活性無(wú)關(guān)，而是與反應(yīng)生成物中的沉積物量有關(guān)，一般沉積物量限制在0．8%～1．0%。1

沸騰床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)國(guó)外H-Oil工藝和LC-Fining工藝的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)基本相同，反應(yīng)器的技術(shù)核心包括流體分布系統(tǒng)、分離循環(huán)系統(tǒng)和催化劑的在線加排系統(tǒng)，其中流體分布系統(tǒng)主要包括流體預(yù)分配器和分布盤(pán)，它可使氣液流體均勻進(jìn)入反應(yīng)器的催化劑床層；而分離循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)杯、下導(dǎo)管和循環(huán)泵構(gòu)成，用于氣液分離和提供床層膨脹的循環(huán)液體；在線加排系統(tǒng)主要用于新鮮催化劑的在線加入和待生催化劑的在線排出。這兩種工藝的主要區(qū)別在于H-Oil技術(shù)使用外置的高壓循環(huán)泵，為外循環(huán)操作方式；而LC-Fining技術(shù)將循環(huán)泵內(nèi)置反應(yīng)器底部，為內(nèi)循環(huán)操作方式。2

1、流體分布系統(tǒng)

流體分布系統(tǒng)主要包括流體預(yù)分配器和分布盤(pán)。流體預(yù)分配器位于沸騰床反應(yīng)器底部的高壓室中，分布盤(pán)將高壓室和裝有催化劑的有效沸騰床反應(yīng)區(qū)隔開(kāi)。反應(yīng)器流體分布設(shè)計(jì)不合理將造成操作困難，如高壓室結(jié)焦、流體在催化劑床層分布不均、局部沸騰床層出現(xiàn)塌陷、催化劑床層有焦炭生成等。這些問(wèn)題將縮短催化劑壽命，導(dǎo)致裝置頻繁停工，縮短正常的操作時(shí)間。

（1）流體預(yù)分配器

流體預(yù)分配器設(shè)置在沸騰床的高壓室中，由帶有至少兩個(gè)擋板的環(huán)形噴嘴構(gòu)成，擋板與流體流動(dòng)方向垂直，最靠近反應(yīng)器內(nèi)部的擋板是實(shí)心板，其他的擋板中央開(kāi)口，擋板之間彼此平行且有一定間距，擋板與噴嘴的中心線成45°～90°，設(shè)置這些擋板可以使液體物流呈放射狀進(jìn)入高壓室，以便液體物流與氣體均勻混合。在通常的重質(zhì)油改質(zhì)工藝中，流體經(jīng)過(guò)帶有擋板的噴嘴分布器的壓力降為流體經(jīng)預(yù)分配器和分布盤(pán)總壓力降的5%～25%。如果液體直接注入高壓室會(huì)形成滯留區(qū)，而高壓室沒(méi)有催化劑并且液體溫度很高則容易結(jié)焦。而采用帶擋板的噴嘴可以使氣液充分混合，并且液體以放射狀進(jìn)入高壓室，可以增強(qiáng)高壓區(qū)的返混效果，不易形成滯留區(qū)，從而避免結(jié)焦。

（2）分布盤(pán)

沸騰床反應(yīng)器的分布盤(pán)位于高壓室上部，分布盤(pán)將高壓室與裝有沸騰床催化劑的有效反應(yīng)區(qū)

分開(kāi)。分布盤(pán)上有許多帶有泡帽的孔，類(lèi)似于蒸餾塔中使用的分布盤(pán)，但它需經(jīng)特殊改造后才能用于沸騰床反應(yīng)器。分布盤(pán)上的泡帽數(shù)根據(jù)泡帽直徑、泡帽間距、分布盤(pán)直徑和循環(huán)管線下導(dǎo)管直徑來(lái)估算和設(shè)計(jì)。經(jīng)分布盤(pán)的流體壓力降為20～35kPa。使用多段分布盤(pán)，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)入沸騰床反應(yīng)器的氣液均勻分布。多段分布盤(pán)包括由覆蓋泡帽的多個(gè)流體管組成的上部主分布盤(pán)和由多個(gè)流體管構(gòu)成的下部次分布盤(pán)。分布盤(pán)不但能保證貫穿整個(gè)反應(yīng)器橫界的油和氣分布均勻，也可以防止催化劑落入反應(yīng)器底部的高壓區(qū)。

2、分離循環(huán)系統(tǒng)

分離循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)杯、下導(dǎo)管和循環(huán)泵構(gòu)成。

（1）循環(huán)杯

循環(huán)杯用于氣液分離，它將循環(huán)回反應(yīng)器的氣體量降到最低。循環(huán)杯包括帶有內(nèi)部螺旋狀膜的提升管，沿反應(yīng)器軸向上升的氣液混合物通過(guò)提升管時(shí)，混合物流速瞬間增大，而當(dāng)氣液混合物從提升管上部流出后，由于流體流經(jīng)橫截面積驟然增大，液體與氣體的流速差顯著增加，從而有利于氣液分離。提升管的下端低于反應(yīng)器液面高度。氣體通過(guò)循環(huán)杯后升至反應(yīng)器頂部，部分液體經(jīng)下導(dǎo)管循環(huán)回反應(yīng)區(qū)。液體經(jīng)循環(huán)回路與新鮮原料和氫氣混合進(jìn)入沸騰床反應(yīng)器，其余的液體從反應(yīng)器排出作為液體產(chǎn)品。

當(dāng)反應(yīng)器中的液面高度低于循環(huán)杯頂部時(shí)，物流不能經(jīng)過(guò)循環(huán)杯、下導(dǎo)管、提升管、泡帽和反應(yīng)區(qū)進(jìn)行循環(huán)，這將導(dǎo)致液體滯留，出現(xiàn)過(guò)熱點(diǎn)，帶來(lái)操作問(wèn)題。使用浮動(dòng)的循環(huán)杯可以避免循環(huán)液體量不足、設(shè)備和催化劑受損進(jìn)而造成加氫裝置停工和下游設(shè)備操作不平穩(wěn)等問(wèn)題。

（2）下導(dǎo)管

下導(dǎo)管是反應(yīng)器內(nèi)等徑拉長(zhǎng)的流體返回管線。它上端與循環(huán)杯相連，下部與循環(huán)泵相連。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的液面高度低于下導(dǎo)管的頂部開(kāi)口時(shí)，液體無(wú)法進(jìn)入循環(huán)泵，沿著下導(dǎo)管的長(zhǎng)度方向設(shè)置多個(gè)孔可以解決這一難題。

（3）循環(huán)泵

循環(huán)泵使沸騰床反應(yīng)器的液相物流從循環(huán)杯經(jīng)下導(dǎo)管和分布盤(pán)循環(huán)。循環(huán)泵提供足夠的循環(huán)量將初始固定的催化劑床層提升和膨脹成沸騰狀。循環(huán)泵是箱式馬達(dá)泵，它將離心泵和籠式誘導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合到單個(gè)密封裝置中。循環(huán)流體系統(tǒng)改進(jìn)后使箱式馬達(dá)泵適用于輸送538℃含有蒸汽和固體的液體。

3、催化劑在線加排系統(tǒng)

沸騰床反應(yīng)器由于設(shè)有在線加排系統(tǒng)，具有廣泛的原料適應(yīng)性，產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定并能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)。催化劑的在線加排系統(tǒng)包括催化劑在線加入系統(tǒng)和催化劑在線排出系統(tǒng)。

（1）催化劑在線加入系統(tǒng)

催化劑在線加入系統(tǒng)通常包括催化劑加料漏斗，催化劑加料罐、連接管線和閥門(mén)，其中催化劑加料漏斗經(jīng)管線與催化劑加料罐相連，加料罐的頂部設(shè)有放空閥和氫氣加壓閥，催化劑加料罐經(jīng)催化劑加料管線與反應(yīng)器相連，在催化劑加料管線上裝有一個(gè)或多個(gè)閥門(mén)，該管線還與引入惰性氣體的管線相通，催化劑加料管線深入到反應(yīng)器內(nèi)部，其末端位于反應(yīng)器液面下方和沸騰狀的催化劑床層上方。當(dāng)需要將新鮮催化劑加入反應(yīng)器時(shí)，首先關(guān)閉催化劑加料罐與反應(yīng)器之間的閥門(mén)，然后打開(kāi)放空閥將加料罐放空，經(jīng)惰性氣體引入管線將氮?dú)庖氲酱呋瘎┘恿瞎拗?，除去殘余的氫氣，氮?dú)獯祾呓Y(jié)束后，關(guān)閉放空閥和氮?dú)獯祾唛y，采用氣體傳輸或液體傳輸或靠重力作用將加料漏斗中的新鮮催化劑經(jīng)管線加入到催化劑加料罐中，然后關(guān)閉管線上的閥門(mén)，經(jīng)氫氣加壓閥向催化劑加料罐充入氫氣，使得催化劑容器中的壓力基本等于反應(yīng)器壓力。然后打開(kāi)催化劑加料罐與反應(yīng)器連接管線的閥門(mén)，使得催化劑靠重力進(jìn)入反應(yīng)器。

（2）催化劑在線排出系統(tǒng)

催化劑在線排出系統(tǒng)包括待生催化劑排出罐、連接管線及閥門(mén)。待生催化劑排出罐經(jīng)催化劑排出管線與反應(yīng)器的底部相連，管線上設(shè)有一個(gè)或多個(gè)閥門(mén)。伸入待生催化劑容器的管線長(zhǎng)度最好為整個(gè)容器高度的15%～40%。在待生催化劑排出罐的上部設(shè)有能通入高壓蒸汽、惰性氣體及高壓清潔油的閥門(mén)，在容器下部設(shè)有排放閥。從反應(yīng)器排放待生催化劑前，先關(guān)閉反應(yīng)器底部和待生催化劑排放罐連接管線上的閥門(mén)，然后將待生催化劑上部的高壓清潔油閥門(mén)打開(kāi)，將罐中充滿(mǎn)與反應(yīng)液體相溶的液相物質(zhì)，該液體可為室溫或加熱到93℃，隨后往排出罐中吹入氮?dú)獾榷栊詺怏w，以除去殘余的氧氣，再打開(kāi)高壓氫氣閥門(mén)向罐內(nèi)充入氫氣至反應(yīng)壓力，打開(kāi)反應(yīng)器底部與待生催化劑排出罐相連管線上的閥門(mén)，待生催化劑由于重力作用從反應(yīng)器底部進(jìn)入待生催化劑排出罐，同時(shí)容器中等體積的液體向上流入反應(yīng)器，在此過(guò)程中，熱的催化劑顆粒與冷液體逆流接觸，上升流體冷卻催化劑。待生催化劑進(jìn)入待生催化劑排出罐，

直至其充滿(mǎn)并逐漸在管線中累積。當(dāng)管線和容器都充滿(mǎn)催化劑時(shí)，經(jīng)高壓清潔油閥門(mén)向排出罐中加入高壓液體油將待生催化劑管線中的固體催化劑顆粒反沖入沸騰床反應(yīng)器中，同時(shí)清洗管線及管線上的閥門(mén)，然后迅速關(guān)閉閥門(mén)。將待生催化劑排出罐卸壓至常壓，放空罐中含有的油氣。將氮?dú)獾榷栊詺怏w引入罐中除去剩余的氫氣后，打開(kāi)待生催化劑底部的閥門(mén)放出催化劑和攜帶的液體。應(yīng)注意待生催化劑與反應(yīng)器液體之間的密度差應(yīng)該控制在320．4～961．1kg/m3。3

反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)沸騰床加氫反應(yīng)器由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和操作模式使其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①操作靈活，可以在高或低轉(zhuǎn)化率下操作；

②可以周期性地從反應(yīng)器中回收或添加催化劑，在不停工的情況下可以保持催化劑的反應(yīng)活性；

③通過(guò)循環(huán)泵使催化劑床層膨脹30%～50%，保證催化劑固體顆粒之間有足夠大的自由空間；可以避免由原料夾帶或反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的固體微粒在穿越催化劑床層過(guò)程中產(chǎn)生累積、床層堵塞或床層壓力降增加的問(wèn)題；

④使用小粒徑催化劑能顯著降低擴(kuò)散的限制，提高了反應(yīng)速率，也不易發(fā)生金屬沉積堵塞催化劑孔道的情況；

⑤良好的熱轉(zhuǎn)移，使催化劑床層的過(guò)熱最小化，并能減少焦炭形成；

⑥沸騰床反應(yīng)器近似于等溫操作，在工業(yè)化的沸騰床裝置中，反應(yīng)器中任何兩點(diǎn)的溫度差都低于5℃，可以避免局部過(guò)熱。

但國(guó)外的沸騰床加氫反應(yīng)器也存在如下缺點(diǎn)：

①沸騰床為全返混反應(yīng)體系，與固定床的活塞流反應(yīng)體系相比，轉(zhuǎn)化率低，這可以通過(guò)將幾個(gè)沸騰床反應(yīng)器串聯(lián)得到部分改善；

②催化劑易發(fā)生磨損，所以要求催化劑必須具有較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性和抗磨損能力；

③由于沸騰床使用較小尺寸的催化劑顆粒，并且反應(yīng)器中催化劑的固含率較低，使得沸騰床反應(yīng)器的體積大于固定床和移動(dòng)床的反應(yīng)器；

④催化劑消耗量較大；

⑤需要密切監(jiān)測(cè)反應(yīng)器停滯區(qū)域，阻止該區(qū)域的擴(kuò)大，它會(huì)導(dǎo)致操作不穩(wěn)定；

⑥沸騰床反應(yīng)通常在高溫下操作，所以容易形成沉積物；

⑦沸騰床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和工業(yè)放大要比其他反應(yīng)器更加困難，因?yàn)檫@涉及多種因素：原料組成、催化劑性質(zhì)、催化作用和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、催化劑小球與床層之間的熱量和質(zhì)量傳遞等。3