（机械工程专业论文）催化裂化反再系统设备技术改造研究.pdf

催化罐化赢苒系械收鼻杖术改遣哪宽 摘要 石油被称为工业的血液和全球经济的命脉，2 05 0 年前全球的首要能源 仍然是石油。催化裂化是重质油轻质化的一个主要炼油工艺，是石油加工 工业的标志和支柱。催化裂化装置是汽油、柴油和液化气的重要生产装 置，同时也是炼油企业获取经济效益的主要来源。催化裂化对炼油工业的 成长壮大和对全球经济的发展都具有重要的意义。由于反应再生系统是催 化裂化装置的核心，困此，反再系统殴冬运行状况的好坏直接关系到催他 裂佬装鬣甚至磊化公司的效盏，戈其在我国趣入w t o 厦，原料和产品搿 盏国际化，安稳长满优运行鑫成为企业效益最大他的焦点。本文针对催化 裂化殷废再生系统设备及其技术改造的实际情况，从企业利润最大化、成 本最小化的角度出发，主要研究反应再生系统的设备如反应器、再生器、 预提升器、l p c 一1 型提升管喷嘴、粗旋快分系统、第一一三级旋风 分离器的设计、施工：维护、运行中存在的问题、技术改造的实施过程和 应用价值、国内外的先进设备技术及其发展趋势等问题。 美键词：催化裂化：反蒜系统；存在问题；技术改造；发展趋势 催化裂化反再系统谩各技术垃遭研究 a b s t r a c t 0 1 1lst h eb l o o do ft h ei n d u s t r y a n dt h el i f e l i n eo ft he 9 1 0 b e ec o n o m y s t i l li tist h ef ir s tess e n t i a le n e r g y o ft hew o r i db e f or e2 0 5 0 c a t a l y t i c cr ac k i n gisam a i no i l r e f i n i n gt e c h n i q u e o fm a k i n g h e a 7 y 0 1 1 l i g h t e r a n dt h em a r ka n d p i l i a ro fo i l r e f i n i n g l n d us t r y f 1 u i d c a t a l y t l c cr a c k l n gu n “( f c c u ) isa n i m p o r t a n tu n i tt o p r o d u c e p e t r o l e u m 、d i es e l o i la n dl p g ，a n dt h em a i n pr o d u c tu n i to fo i l r e f i n i n gf a c t or y t ow l n e c o n o m i cb e n e f i c i a lr e s u i t c a t a l y t i c cr a c k i n g 1se ss e n t i a l t ot h e g r o w t ho fo l l r e f i n i n g i n d u s t r y a n dt ot he d e v e l o p m e n t o f g l o b e ec o n o m y s i n cet h er e a c t i o na n d r e g e n e r a t i o ns ys t e mist h ec or eo ff c c u s ot h ew o r k i n g c o n d i t i o no ft h e e q u i p m e n t o ft h er e a c t i o na n d r e g e n e r a t i o ns y s t e md ir e c t l ya f f e c tf c c u ，o r e v e nt h eb e n e f i c i a lr e s u i t o fo urco m p a n y o nt h eb a s iso ft h et r u es t a t eo f c a t a l y t i c c r a c k i n g r e a c t io na n d r e g e n e f a t i o ns ys t e ma n di ts t e c h n o l o g yi n n o v a t i o n ，t os t a r t f r o mt h e a n g l e o ft h em a x i m u mo ft h ef a c t o r y b e n e f ic i a lr es u l t、t h e m i n i m u mo ft h e c o s t ， t h i sd 1s s e r t a n o n m a i n l ys t u d y t h e p r o b l e m s i n d e s j g n i n g 、 c o n s t r u c t i o n 、m a i n t e n a n c e 、w o r k i n g 、 t h e p r o c e e d o ft h e t ec h n o l o g yi n n o v a t i o n、i tsu s ev a l u ea n dt h ea d v a n c e d o q u i p m e n t t ec h n o l o g yo fd o m es t i ca n da br o a da n d“s d e v e l o p m e n t t r e n do f e q u i p m e n t s o fr e a c t i o na n d r e g e n e r a t i o n s ys t e m ， i n c l u d i n gf e a c t o r 、 r e g e e r a t or 、 p r e l i f t e r 、t h e t a p e o fl p c 1l i f t p i p e s p f a y n o z z l e 、 f s c 、n o 1 ，2 ，3r e v o i v es p l i t t i n ge q u i p m e n te t c 。 k e y w o r d s ：c a t a l y t i ccr a c k i n g ，r e a c t i o na n dr e g e n e r a t i o ns ys t e m t hee x i s “n gpr o b l e m ，t e c h n o l o g y i n n o v a t i o n tr e n do f d e v e l o p m e n t 3 催化裂化反再系统诅各杖术改造竹究 0 绪论 据权威机构预测，在2 0 5 0 年前全球的首要能源仍然是石油( 被称为“工业的血液 和全球经济的命脉”) ，而催化裂化是石油加工工业的标志和支柱。“多年以来，催化 裂化是重质油轻质化的一个主要炼油工艺，而且一直是汽油、柴油和液化气的重要生产 装置，同时也是炼油企业获取经济效益的主要生产装置。催化裂化装胃( f c c u ) 不仅仅 出产品、出效益，也是出技术、出人才的装置。催化裂化对炼油工业的成长壮大和对全 球经济的发展都做出了巨大的贡献。 从石油中用简单的蒸馏方法获得的汽油、煤油、柴油轻质燃料，在质和量两方面均 不能满足人们的需要。所以，往往将石油中的重质部分通过催化剂的作用，在一定温度 条件下经过一系列化学反应生产轻质产品。由于轻质油的需求量大，价值较高，工艺装 置的建设投资成本相对较低，规模又较大，经济效益好，固此受到极大重视，在炼油工 业中占有极其重要的位置，得到了巨大的发展。” 由于世界石油资源有限，因此，本世纪石油需求量将不断增长，石油仍然是不可替 代的运输燃料。发展重油深度转化、增加轻质油品仍将是2 l 世纪炼油行业的重大发展 战略。流化催化裂化仍是本世纪的重要转化技术，这是因为：( 1 ) 流化催化裂化经过 几十年来的发展，技术成熟；( 2 ) 催化裂化能最大量生产高辛烷值汽油组分；( 3 ) 原 料适应性广，从重馏分油到重质原料；( 4 ) 转化深度大，轻质油品和液化石油气收率 高；( 5 ) 装置压力等级低，操作条件相对缓和，投资少：1 6 ) 液化石油气中丙烯，丁 烯等轻烯烃利用价值高。 世界第一套流化催化裂化装置p c l an o 1 于1 9 4 2 年在美国投产以来至今已有6 1 年。我国第一套流化催化裂化装置也己于1 9 6 5 年实现工业化，到今年以来也已整整3 8 年了。锦西石化公司催化一套于1 9 7 4 年1 2 月投产，是年处理量6 0 万吨的老型催化 裂化装置，于1 9 9 8 年8 月停车，同时，锦西石化公司年处理量为1 4 0 万吨的重油催化 裂化装置开车。 本人自1 9 9 2 年7 月大学毕业后直在炼油一厂催化二车间和设备科从事设备管理 工作，因此，本文重点研究锦西石化公司催化二套装置。催化二套为高低并列式提升管 催化裂化，于1 9 8 7 年1 0 月投产，由北京石油设计院设计，公称能力为年处理裂化原料 8 0 万吨，设计加工辽河减压蜡油、大庆与辽河混合油的丙烷脱沥青油为主的原料，另外 还有可能加工酮苯蜡膏、蜡下油、减粘凝缩油等。催化裂化装置的主要产品是汽油、柴 油、液化气，于1986 年4 月破土动工，19 87 年l0 月施工完毕。 催化裂化装置主要由反应再生系统、分馏系统和吸收稳定系统组成。反应再生系统 的任务是使原料油通过反应器或提升管，与催化剂接触反应变成反应产物。反应产物送 至分馏系统处理。反应过程中生成的焦炭沉积在催化剂上，催化剂不断进入再生器，用 空气烧去焦炭，使催化剂得到再生。烧焦放出的热量，经再生催化剂转送至反应器或提 升管，供反应时耗用。由于反应再生系统是催化裂化装置的重要组成部分，也是装置的 ! ! ! 苎兰墨! 生生苎! 苎! 苎1 2 1 蠼一一。一一一一 核心，因此，反应再生系统设备运行状况的好坏直接关系到催化裂化装鼍甚至锦西石化 公司的效益。本文主要研究反应再生系统的设备及其设计、施工、维护、运行中存在的 问题、技术改造的实施过程和应用价值、国内外的先进经验技术及其发展趋势等问题。 反应系统的流程为：”喷入提升管底部的混合油料与来自再生二密相床层的再生催 化剂( 700 720 ) 接触，立即汽化反应，产生的反应油气携带催化剂通过提升 管向上流动，在出口处通过快速分离设施，使催化剂与油气迅速分开，以减少二次反 应。油气及夹带的一部分催化剂经两组e 型旋风分离器分离，分离出来的油气去分馏 塔，回收下来的大部分催化剂经料腿流入汽提段上部，在汽提段底部送入蒸汽，汽提段 内设5 对环型挡板，使沉积有焦炭并吸附一定量油气的催化剂与蒸汽逆流接触。催化剂 被汽提掉所吸附的油气后，进入到烧焦罐下部。 再生系统的流程是；进入烧焦罐的催化剂与二密相床返回的高温再生催化剂在烧焦 罐中混合烧焦。烧焦用的空气是由主风机供给，空气从主风机出来，通过辅助燃烧室经 分布管均匀进入烧焦罐下部，在烧焦罐中，空气和催化剂充分接触进行烧焦。再生后的 催化剂与烟气并流向b 拄 l 目b 相管，在管中进_ 步：| 舷醐鲥痂ie 积炭，并将部分或全部的co 转化 为c0 。稀相管出口设有钓彭 离器( 粗旋风分离器4 个) ，使再生f 龇齐忾矩f 气分开。带葡 盼催 分剂的烟气进入六组二级旋风分离器进步分离催化齐u ，经相旋及旋分分离出来的再生催化撩绷蝴& 落入到第j 蚴丑床，再，主1 斟匕弃i 旌第二：捌瑚鼢自炳路，一路去老夥憎反应器，其幽惦嚆环量由提 升管反应器出口温度控制再生滑阍裔q 开度来多薹览。另路返回烧焦罐，其循环量的大小由烧焦罐自4 温 度或第二密相床的藏量来控制循环滑阀的开度，再生器顶部的压力由烟气轮机入口压力( 高温蝶阀) 或阳勋滑阀并联的旁路蟛酾蚴霭封空制。沥鹅辅漪q 压力则由气日醐入口压力调节富气吸入量舜寸空制。 烟气能量回收部分：来自再生器顶的烟气是具有一定压力( 0 27mp a ) 、高温 ( 700 7l0 ) 、含催化剂( 1 克标立方米以下) 的烟气。首先进入多管式三 级旋风分离器，分离出其中大部分催化剂，使进入烟机的烟气中催化剂含量降到0 2 克标立方米以下，大于12 i lm 的颗粒基本除去以保证烟气轮机的叶片长周期运转， 净化了的烟气从三级旋风分离器顶出来，经流量计以及事故时切断高温烟气平板闸阀和 调节蝶阀，保持一定的直管段，进入烟气轮机膨胀做功，驱动主风机借以回收烟气中的 压力能和热能，烟气压力从0 25mp a ( 绝) 降至0 1 1m p a ( 绝) ，温度由( 6 50 680 降至520 ) 烟气膨胀做功后，烟气排出，经水封罐与双动滑阀泄漏 的烟气及临界流速喷嘴出来的烟气汇合后进入余热锅炉，回收烟气的显热，发生4 m p a ( 绝) 4 2 0 。c 的蒸汽，烟气经余热锅炉后，温度下降到l8o ，最后排入烟囱。再生 器顶的压力是采用烟机入口管道上的高温蝶阀和与双动动滑阀并联的旁路蝶阀分程控 制，双动滑阀正常操作时处于全关状态。烟机处于事故状态停运时，将高温闸阀关死， 水封罐装水，烟气经三旋、双动滑闽、降压孔板进入余热锅炉发生蒸汽回收热能后排入 烟囱，当烟机和余热锅炉同时出现事故，可将水封罐的水放掉，烟气即可排入烟囱，然 后再将余热锅炉入口蝶阀关死，装上盲板，正常操作时水封罐装水作切断用。 烟气中催化剂的回收系统：从三级旋风分离器出来的催化剂细粉正常时大部分小于 30um ，连续排入细粉收集罐。回收的细粉催化剂考虑装车外运。为了增加事故处理 手段，在流程上设置了废催化剂直接排至烟囱的管线。当细粉贮罐装车时，将细粉收集 催化鬟化反再系统霞各技术改造研究 罐之间切断阀关闭，催化剂暂存细粉收集罐中，装车完毕后打，f 烟气压力平衡线上阀 门，烟气对细粉贮罐充压到与细粉收集罐压力相当时，将两容器间的切断阀打开，恢复 两容器的串联操作，细粉收集罐与细粉贮罐的贮量分别为1 天、4 5 天以上，从三旋 排出的细粉灰带有1 5 3 的烟气，要连续从细粉收集罐顶部排至烟气总管，维持 整个系统压力，在放空阀下装有临界流速喷嘴，此喷嘴流速已接近临界状态，设计上考 虑了耐磨性。 反应再生系统中，就反应与再生形式而言，有同高并列式的床层反应、高低并列式 和同轴式提升管反应；就提升管而言，有直提升管和折叠式提升管两种。催化剂再生技 术有常规再生、两段再生、快速床烧焦罐再生和旋转床再生。反应再生系统的设备包括 反应器一再生器系统、三级旋风分离系统、能量回收系统、外取热器、小型自动加料 器、电液滑阀等。 综上所述，本文针对催化裂化反应再生系统设备及其技术改造的实际情况，从企业 利润最大化的角度出发，研究国内外先进设备技术及管理经验。展望未来，催化裂化设 备技术及管理水平必将更上一层楼。 催化裂化幺弄系忱设喜杖术垃造j l f 完 1 反再系统简介 1 1反应器 反应器的主要任务是为原料油和催化剂充分接触提供必要的空间，并能控制一定的 反应温度和反应时间，以提供裂化反应的条件。催化裂化反应器根据所用催化剂的类 型，分床层反应器和提升管反应器。提升管反应器有直管式和折叠式两种。锦西石化公 司催化二套装置为直管式。直提升管为一根直立的管子，见下图。 图一1 提升管反应器 f i g u r e 一1 r e a c t o ro f1 i f tp i p e 催化裂化反再系统板各技术改造研究 直提升管一般是从沉降器汽提段底部插入反应沉降器。提升管外壁用普通碳钢制 成，内壁衬有l00 毫米厚的隔热、耐塘衬里。 提升管的进料喷嘴安装在提升管的底部或侧壁。为了改善油气与催化剂的接触，减 少二次反应，提高轻质油的收率，喷嘴的结构正在不断改进。锦西石化公司催化二套装 置所用的喉管式喷嘴是一种缩径型喷嘴，油气线速可达到60 90 米秒。 提升管出口都设有各种类型的快速分离器，以使反应油气快速与催化剂分离，减少 不必要的二次反应，并可降低旋风分离器入口浓度。减少催化剂带入分馏塔的量。反应 器的简体由三部分组成，上段为稀相段，直径较大，线速较低，一般不大于0 6 米 秒。其作用是使携带出密相床层的催化剂沉降分离以降低旋风分离器的入口油气中的固 体浓度，从而减少旋风分离器的负荷和磨损以及减少催化剂带至分馏塔的数量。中段为 密相段，是原料油与催化剂接触、进行反应的地方。密相段有高速床和低速床两种。稀 相段、密相段之间由圆台形过渡段联结。稀相段、密相段及过渡段的壳体用普通碳铜板 制造，内部衬以l00 毫米厚的隔热、耐磨衬里，壳体外壁温度应小于200 。汽提 段位于反应器下部，由圆台形过渡段与密相段相接。为改善汽提效果，汽提段内装有环 形挡板。环形挡板与水平面夹角般都大于30 度，挡板间距700 800 毫米，层 数为5 层，最底层挡板下设一环形蒸汽管。管上向器心与水平面成45 度开有喷嘴。由 于汽提段内催化剂流速较低，故壳体不装隔热耐磨衬里。一般采用1 2c r m o 钢板制 成。 1 2 再生器 再生器简体尺寸为o7200 中52 3 0x 29 678 ，材质为a ，r 。再生器 旋风分离器为初级旋风分离器4 个，一级旋风分离器6 个，二级旋风分离器6 个。 1 3第一、二级旋风分离器 反应器旋风分离器原为两级杜康型，一、二级串联。一级旋风分离器重量靠两根 吊杆悬挂在两器顶盖上。吊杆下端的螺栓不拧紧，防止受热后旋风分离变形或拉断吊 杆。二级旋风分离器出口管焊接在集气室底盖支承上。反应器、二级旋风分离器料腿 均采用翼阀密封，翼阀阀口由直管和斜管组成，斜管端口用翼板封住，翼板吊在精加工 的吊环上。再生器旋风分离器为初级旋风分离器4 个，一级旋风分离器6 个，二级旋风 分离器6 个。再生器旋风分离器与反应器旋风分离器结构基本相同。特殊之处在于再生 器旋风分离器、料腿以及料腿拉筋考虑到再生器温度较高( 70 0 720 ) ，炼厂 催化裂化反再蠡纯证冬杖木救造研宽 基本上都采用合金钢材。旋风分离器的种类虽有不同，但基本n n 是- - 致的，如下图所 示 图2 同心圆式 f i g u r e 一2 t h et y p eo f c o n c e n t r i cc i r c l e s 图一3 蜗壳式 f ig u r e 3t h et y p eo f s n a i ls h e l l 旋风分离器是由外圆柱筒和内圆柱筒以及与外筒下端联结的圆锥筒及料斗组成 的。料斗以下连接着料腿和翼阀等部分构成旋风分离系统。气体和夹带的细粉一起从圆 柱筒切向进入。进口是一段带喇叭口的长方形直筒引入管，进口做成喇叭形可以减少入 口处的涡流和降低阻力。圆锥筒是气固分离的主要场所。料斗使催化剂转速降低，同时 将大部分夹带的气体返回椎体。一级旋风分离器出口连接一级旋风分离器气体出口要拐 9 0 度弯和二级旋风分离器入口管相连接。 1 4 第三级旋风分离器( 简称三旋) 第三级旋风分离器是催化裂化装置烟气能量回收系统的关键设备之一。三旋性能 的好坏直接关系到烟机的运行寿命与效率，有重要的经济效益和社会效益。三旋是由分 离器壳体内装有数十根旋风管并联组成的旋风分离器，如下图所示 蝈争 催化裂化反再系统设各技术文造研究 ：佛化荆和携带气出口 图一4 分离器壳体 f i g u r e 一4s p l i t t i n ge q u i p m e n t s h e l l 气管 向嚣 气管 体 辩量 图一5 旋风管 f i g u r e 一5 r e v o l v ep i p e 其主要元件是旋风管，旋风管主要由导向器、升气管排气锥、泄料盘和旋风筒组 成。导向器的作用是将轴向进入旋风管的含尘气流转变成高速旋转气流。升气管排气锥 对旋风管的分离性能有十分重要的影响。 催化裂化反再未妃啦鼻谊术文谴哪竞 2 运行中存在的问题 2 1 设备结焦及衬里损坏 锦西石化公司催化裂化装置自1 9 8 7 年1 0 月开工以来，在运行过程中存在很多问 题。“随着催化裂化反应原料的变重，裂化反应的深度不断增加，反应温度在逐步提 高，其结果使反再系统严重结焦。这一问题在锦西石化公司一度成为影响催化裂化装置 长周期安全运行的制约因素。这就要求我们改造旧设备，使用更加先进的提升管末端催 化剂和油气快速分离器，将催化剂和油气快速高效地分离开来并快速引出反应器，以缩 短油气在高温环境下的平均停留时间。设备大修时，发现在提升管上部l - - 2 米处结焦 严重，这说明原雾化喷嘴雾化效果不理想。 为了进一步提高经济效益，催化裂化装置的原料已由单一的减压馏分油发展到掺炼 沥青油、减压渣油、焦化蜡油，甚至全为常压重油。由于原料变差，在提高经济效益的 同时，也使原本不太突出的结焦问题变得越来越严重了。反应器内结焦的主要部位是提 升管出口快速分离器的顶部、旋风分离器的肩部、吊挂、拉筋和固定部位及旋风分离器 升气管外壁、灰斗、料腿、反应器顶封头、集气室死区等。反应器顶、旋风分离器的肩 部、吊挂、拉筋等处的大焦块，在装置大幅度波动时会脱落，落入汽提段，随催化剂进 入待生斜管后会卡住滑阀，造成催化剂循环中断，装置被迫停工。旋风分离器升气管外 壁结焦脱落和灰斗、料腿结焦，会导致旋风分离器效果变差，甚至完全失控，从而使催 化剂大量进入分馏塔中，最终使装置被迫停工。 1 9 9 5 年1 2 月5 日，锦西石化公司催化二装置停工就是由于旋风分离器灰斗及料腿 结焦造成的。大油气管线结焦是一个普遍问题，锦西石化公司催化二装置大油气管线结 焦最为严重处的焦厚3 0 0 毫米，使l 米的管径只留下巾4 0 0 毫米的通道。在装置运行 中，因气流的冲击作用，油气管线中的焦会被破坏，并随油气进入分馏塔，造成油浆循 环泵堵塞或加重油浆系统磨损。当油气管线结焦严重时，反应压力随之上升，严重时有 可能引起催化剂倒流。 过去使用的保温钉、端板和龟甲网支撑的隔热耐磨衬里实际上：是强度、膨胀系数均 不相同的层状结构，龟甲网在成型与焊接时存在一定的缺陷和残余应力，尤其在曲率变 化大的反应器下锥段。由于温度不均匀还会产生热应力，压力不均匀或介质流动状态的 变化也会引起层状结构振动，在应力和振动联合作用下焊缝容易产生疲劳破坏，最终导 致龟甲网本身变形、翘曲，致使衬里层开裂、脱落。尤其是当装置超温时，造成龟甲网 的过度膨胀，还会使龟甲网达到屈服状态，发生塑性变形。当停工冷却时，龟甲网的收 缩变形就会把龟甲网本身拉裂或在龟甲网一端板一保温钉一器壁之间的连接处拉断，致使 催化裂化反再系统诅各杖术改造研究 龟甲网开裂或鼓包，从而引起龟甲网破损，耐磨层脱落。由于耐磨层损坏，催化剂气流 会把隔热层掏空，从而引起器壁超温，影响装置的f 常运转。 装置曾经以直管式和环管式两种方式通入预提升蒸汽，见下图 图一6 直管式图一7 环管式 f i g u r e 一6 t h et y p eo ff i g u r e 一7t h et y p eo f s t r a i g h tp i p e r o u n dp i p e 由于这种预提升器提升效果较差，存在着催化剂流化不好、径向分布不均匀、循环 量提不起来、再生斜管振动等诸多问题，从而影响反应段内油、剂接触效率，最终导致 目的产品产率降低，反应器结焦，缩短开工周期。使用直管式预提升器时，提升管底部 易形成死区，开工流化极其困难；蒸汽直管注入，催化剂和原料油的接触不均匀，返混 严重。环管式预提升器的蒸汽在提升管底部以环管形式注入，虽然改善了催化剂在提升 管内的流化，但是，运行一段时间后，它的弊端逐渐显露。由于蒸汽对再生斜管催化剂 下料阻力大，一方面造成催化剂循环量提不起来、操作弹性降低，另一方面，再生斜管 振动大，成为装置运行的最大不安全隐患。 2 2 设备腐蚀 近年来，催化裂化装置设备腐蚀越来越严重，尤其是在掺炼减压原料或焦化蜡油原 料后( 锦西石化公司催化裂化装置从1 9 9 8 年1 1 月丌始，在再生器和三旋本体等部位发 现裂纹) 。反再系统的腐蚀主要表现为高温气体腐蚀、催化剂引起的磨蚀和冲蚀、应力 腐蚀等。高温气体腐蚀的主要部位是再生器到烟囱与高温烟气接触的设备及构件a 高温 烟气的成分比较复杂，其主要成分为c o ：、c o 、0 2 、n 。、n o 。、硫化物及水蒸气等，在高 温下对金属有不同的腐蚀作用。如再生器溢流口、检修平台、旋风分离器系统、外取热 催化裂化反再系统设备垃术改造研究 器返回口等部位，因长期接触高温烟气，在其表面发生不同程度的氧化和脱碳现象。腐 蚀形态均匀减薄，温度越高的部位腐蚀越严重。如稀相段及旋风分离器入口，有时c 0 与0 ，会“二次燃烧”而超温，因此该部位腐蚀较严重。在高温气体中，钢材不仅会氧 化，而且还会产生脱碳反应： f e 。c + 0 2 3 f e + c 0 2 f e 3 c + c 0 2 3 f e + 2 c 0 f e + h 。0 3 f e + c o + h z f e 。c + 2 h 。一3 f e + c h 1 氧化和脱碳的不断进行，最终将使钢材完全丧失金属的一切特征( 包括强度) ：发 黑，龟裂，粉碎等。“例如装置停工检查旋风分离器，经常见到表面有脱碳现象。催化 剂引起的冲蚀和磨蚀表现在随着反应油气的再生烟气流动的催化剂，不断冲刷着构件的 表面，使构件减薄，甚至穿孔。提升管预提升蒸汽喷嘴、原料油喷嘴、再生器主风分布 管、外取热器增压风分布管的磨损。这些设备都是为了介质能在整个设备截面上尽可能 分布均匀，以减少和避免偏流现象发生。喷嘴高速喷出介质，其附近会产生负压区，催 化剂被吸进此区对金属产生磨蚀。 例如，1 9 9 9 年催化裂化装置停工检修，发现主风分布管喷嘴磨蚀严重。旋风分离器 系统的磨损：再生烟气夹带着催化剂以大约2 1 m s 的速度进入旋风分离器，并强制向下 螺旋运动，由于离心力作用，催化剂对器壁冲刷强烈，流速愈高冲刷愈严重。其他部位 的磨损：翼阀的阀板、烟气管道弯头、闸阀的阀头、滑阀的阀道及阀板等，也常常受到 催化剂的冲刷和磨蚀。反应再生系统中，应力腐蚀主要表现在热应力引起的焊道裂开， 高温水及热应力腐蚀疲劳等。热应力腐蚀构件本身的各部分温差、具有不同热膨胀系数 的异种钢焊接和结构因素引起的热膨胀不协调。 再生器露点腐蚀：1 9 9 9 年催化裂化装景设备大检修时，对两器简体进行了磁粉探伤 检测，发现再生器简体，特别是在钢纤维衬里开裂处附近的焊道及热影响区处有8 处裂 纹，最长达1 2 0 毫米，深8 m m ，定性为烟气露点应力腐蚀。分析其开裂原因：再生烟气 的酸露点温度为1 4 2 。c ，根据稳态传热计算分析与现场操作经验，再生器的壁温低于露 点温度。因此，烟气中的水蒸汽在再生器内壁凝结成水并吸收烟气中的n o ：、s 0 ，等气 体，形成酸性水溶液，从而构成腐蚀开裂所必要的特定腐蚀介质条件。 2 3 三旋问题 催化裂化装置烟气能量回收系统中的第三级旋风分离器，以前所用的单管是带泄料 盘的，在使用过程中经常存在泄料口堵塞的问题，因为在泄料盘上只是有两个2 0 * 6 的 小矩形口，很容易就被堵塞住，造成单管失效。从1 9 8 7 年至1 9 9 6 年催化裂化装置三旋 讳化裂化反再蠢纯镘各技术改造秆竟 的使用状况来看，带泄料盘型式的单管是每次检修时( 般是一年一检修) 必须得换泄 料盘，有时由于堵塞或磨损严重等问题造成单管损坏还需更换单管，这必然会浪费大笔 的检修费用。 2 4 滑阀泄漏 滑阀是锦西石化公司催化裂化装置的关键设备，它的f 常运行直接关系到反再系统 的平稳操作和装置的安稳长满优生产。锦西石化公司1 9 9 8 年以前使用的风动滑阀，在 生产过程中，经常会遇到滑阀自锁的情况：在液压传动中，漏油是个普遍现象，一是 影响滑阀使用的安全性和可靠性，二是影响工作环境的卫生；此外，滑阀油箱水管也出 现过堵塞现象。 针对生产过程中出现的这些问题，我们认真记录，仔细研究，查找原因，利用检 修时机，逐个解决。 催化裂化反再系统设备技术改连研究 3 改造研究 3 1 新型预提升器的应用 催化裂化提升管反应器按其内部功能而言，一般由预提升段、中部进料接触混合的 裂化反应段、上部反应终止段和末端气固快速分离段四部分组成。”其中反应段内油气 和催化剂的流动分布状况、接触效率直接影响着催化裂化反应的产品分布和目的产品收 率，而提升管反应器内油、剂之间接触效率往往与预提升段出口处催化剂的预分配状态 有很大关系。特别是随着渣油催化裂化的发展催化剂的预分配状况在相当程度上直接影 响着轻质油收率和焦炭及干气产率。目前，国外大多数催化裂化装置普遍采用了预提升 技术，而国内关于预提升段结构及其气固流化行为的研究也越来越爹。由于传统的老式 预提升器存在很多的弊端，因而对预提升段进行深入、系统的研究，并开发应用新一代 高效预提升器已为锦西石化公司所关注。1 9 9 9 年6 月，利用装置大修期间，锦西石化公 司采用了洛阳设计院的专利技术对预提升段进行更新。新的预提升器外径1 7 0 0 毫米， 内设6 0 0 毫米粗的套筒，套筒由支架焊接在器壁上。预提升蒸汽在套筒内注入，量为1 吨时。预提升器底部有5 0 0 千克时的流化蒸汽。如下图所示 图一8 新型预提升器 f i g u r e 一8 n e wt y p ep r e 一1i f t e r l6 锥化裂化反再蠢统谩冬技术改韭研究 新型预提升器，通过在提升管反应器的底部增设个小型流化床来改善催化剂的流 化。该技术的关键是套筒和流化蒸汽。催化剂由再生斜管进入预提升器，在套筒内由预 提升蒸汽输送到反应区，由于套筒直径仅6 0 0 毫米，所以蒸汽线速比以前有所提高，大 约是6 米秒左右，这个过程中，催化剂得到很好的加速，可以达到以下的目的：滑落 大大降低，防止了因催化剂不稳定流动和返混的发生，使剂油接触更加均匀；缩短了催 化剂在喷嘴反应区的停留时间，减少了不必要的二次反应；套筒在提升管的中心，催化 剂从套筒中喷出后，基本消除了边壁效应。在套筒外形成一个密度为5 0 0 6 0 0 千克立 方米的密相床层，再生催化剂首先进入这个床层，这样一来可以避免预提升蒸汽和催化 剂下料的直接接触，防止蒸汽对斜管下料的影响。另外，床层的存在也增强整个系统抗 干扰的能力。预提升器底部的流化蒸汽量由孑l 板控制，大约5 0 0 千克小时。蒸汽线速 0 0 7 米秒，这个速度介于催化剂的最大流化速度和临界流化速度之间，既保证催化剂 的正常流化，又能防止催化剂从套筒外进入反应区。 预提升器改造前，锦西石化公司催化裂化装置设备结焦问题严重，曾有6 次因为反 应器旋风料腿结焦赌死，装置停工检修，平均开工周期仅3 个月。改造后，开工3 个 月，装置大修时，进入反应器内鉴定，反应器顶部、汽提段、旋风料腿及灰斗都没有结 焦，仅仅在旋风升气管后壁有少量结焦。虽然，还不能下结论预提升器的改造可以彻底 解决装置的设备结焦问题，但是，从理论和实际效果来看，改造后确实可以减轻设备结 焦问题、延长装置开工周期、改善催化荆在两器的流化、提高轻油收率、解决再生斜管 振动问题，该系统操作简便、运行平稳、增强了装置的操作弹性。以年加工能力8 0 万 吨、液收按标定情况计，改造前后各产品产量和经济效益见下表所示 表一l 改造前后的各产品产量和经济效益 l i s t la 1 lk i n d so fo u t p u ta n db e n e f i c i a lr e s u l t b e f o r ea n da f t e ri n n o v a t i o n 从表中可以看出在原料性质及主要操作条件基本不变的情况下，轻质油及液化石油 气收率有显著的增加。改用新型预提升器后，总液体收率提高1 1 个百分点，焦炭产率 下降0 4 个百分点，在催化剂循环量不变的条件下，再生滑阀开度由2 6 下降为2 2 ， 装置运行平稳，开工转剂极为方便。设备技术改造投资仅为6 5 万元，年增效益却为 z 5 1 3 万元，年获经济效益与一次性设备改造投入的比例是3 8 ：l 。 中l 化裂化反再系统诅备技术改造研究 更重要的是，应用新预提升器后，解决了装置安稳长满优运行的瓶颈问题、改善了 装置频繁检修的尴尬局面、延长了装置的开工周期。从应用的实际情况可以看出，新型 预提升器在提升管底部设扩大段，使再生催化剂进入提升管后有足够的缓冲空间，减少 了原提升管反应器侧面进剂形成的偏流。新型预提升器采用双循环系统，即催化剂由再 生斜管进入扩大段，然后从扩大段进入内输送管代替了催化剂由再生斜管进入提升管的 单一循环系统，从而减少了再生斜管压力、密度波动、振动等因素给提升管反应器带来 的影响。催化剂经内输送管形成催化剂流束后喷入提升管中心，然后与原料油均匀接 触，从而提高气固接触效率，使轻质油收率提高1 1 个百分点。 通过合理布置预提升蒸汽与流化蒸汽，减少了预提升蒸汽对再生斜管下料的阻止作 用，同时再生催化剂在抽力作用下全部进入内输送管，然后送入提升管，使催化剂的循 环量增加2 0 左右。扩大管内的流化蒸汽通过内输送管与提升管形成的环隙进入提升管 边壁区域进一步向提升管边壁补汽，迫使催化剂向提升管中心流动，有效地减少了边壁 效应。反应区内气固接触效率的提高，使裂化反应更加充分，从而使系统设备结焦减 少。但是，新型预提升器也存在着需我们以后要解决的问题。因为它结构复杂，所以底 部和上部焊接在一起，停工时底部封头无法解开，卸不净的催化剂和废渣清除比较困 难。 3 2 l p c 一1 型喷嘴的应甩 随着锦西石化公司加工辽河原油所占比例的增加和原料性质逐渐变差，锦西石化 公司催化二套装置固有的局限性日益暴露出来，主要表现为：生焦率高、再生烧焦超负 荷、两器热平衡难以维持、总的能耗偏高、产品分布不均匀、装置被迫降量生产，影响 了综合效益。为了适应新的情况，通过调研和技术论证，锦西石化公司决定于1 9 9 9 年6 月，利用检修时机更换原料雾化喷嘴，采用洛阳石化工程公司设备研究所研制的l p c l 型喷嘴，代替原来的喉管式喷嘴。 为了了解喷嘴的作用机理，应首先熟悉以下理论： ( 1 ) 液体射流或液膜是被两相之间相对运动的气动力破碎的，确定单个液滴稳定性 的重要参数是无因次量纲的韦伯数，当液体进入汽流中并处于较大的韦伯数下，液滴就 连续被破碎。 w e = v g ( v g v l ) 2 d g l 式中：w e 一韦伯数，k g m yg - - - 气体密度，k g m 3 v g 气体速度，m s v l - - - 液体速度，m s d - - - 液滴直径，m g l 液滴表面张力，n m 2 催化裂化反再系统设各杖术玫造舛宪 ( 2 ) 随着气量和流速的增加，两相流将依次由汽泡流发展为块状流、环状流、雾状 流。在环状流和雾状流之间有一个过渡区，称为环状雾。 ( 3 ) 当汽、液物流在喷嘴混合后，具有较大的初速度的气体核心对附壁液膜不断 起着卷吸作用，使液膜减薄，在喷嘴口则对液膜有进一步的破碎作用。 由以上理论可知，催化裂化原料雾化喷嘴的作用机理为：催化原料油和雾化蒸汽在 其内部混合后，液体油类在蒸汽中处于较大韦伯数下，因此连续破裂。特别是随着通道 变小，流速不断增高，两相流逐渐过渡到环状雾或雾状流，同时高速流动的蒸汽对附壁 油膜不断卷吸，喷嘴口对油膜也起到一定程度的破碎作用，最终使原料油获得良好的雾 化效果和穿透催化剂流的动量，达到催化裂化生产工艺的要求。 l p c l 型喷嘴和喉管式喷嘴的结构分别如下图所示 图一9l p c l 型喷嘴 f i g u r e 9 t h e t y p eo fl p c ls p r a yn o z z l e 图一1 0 喉管式喷嘴 f i g u r e 一1 0 t h et y p eo ft h r o a t 锥化裂化反再系统馥鲞技术敝造研宪 l p c l 型喷嘴由三部分组成，前面是预混合室，中部是文丘璺管，后部是扁平式 喷头。 喉管式喷嘴是在直管喷嘴的基础上发展起来的，设有预混合室，内流线按一定规 格形成曲加工环，出口为圆口，结构比较简单。 l p c l 型喷嘴设有混合室，使锝原料油和雾化蒸汽能比较充分地混合，有利于提 高喷嘴的雾化效果，同时混合室的特殊结构对油、汽有一定的缓冲作用，使得油、汽互 不影响，即使油压高于蒸汽压力时也不会发生“顶牛”现象。而喉管式喷嘴无此结构， 使得雾化流中油雾分布不够均匀，油、汽调节不够灵活，相互之间影响较大。 l p e i 型喷嘴设有文丘里管，预混合后的油气经文丘里管的收缩段、喉管及扩散段 进一步雾化成细小颗粒。l p c 一1 型喷嘴由于设有文丘里结构，使得油、汽速度很容易达 到卷吸液膜的临界速度，因此附壁液膜被卷吸到具有较大韦伯数的气体核心中，使它连 续破碎。其结果使核心区不再是单纯的蒸汽( 其中包含大量油滴) ，附壁液膜变薄，速 度增加，成为环状雾。而蒸汽动量也在此过程中消耗，既达到了良好的雾化效果，又降 低了喷嘴出口速度，减少了催化剂的破碎损耗，避免了设备振动，保证了安全生产。喉 管式喷嘴的出口速度则较高，约为l p c 一1 型喷嘴的2 倍，对催化剂的冲击粉碎影响较 大。 l p c 一1 型喷嘴设计成扁平式喷头，使得出口油雾呈扇状薄层，扇状薄层组成如下 图所示 图一ll 喷嘴喷出的扇装薄层组成 f i g u r e 1 1f a n s h a p e dl a y e ro fs p r a yn o z z l e 该结构增加了催化剂与之接触的面积和穿透能力，减少了油、剂返混现象，提高了 催化剂的选择性，抑制了二次反应。喉管式喷嘴喷出的是圆柱状浊股，覆盖面积小， 油、剂接触效果差，二次反应加剧，产品分布变差。 l p c 一1 型喷嘴采用扁平的鸭嘴型结构，一方面提高了喷嘴口与提升管的压差，有利 于残存在汽液混合物中的液膜的膨胀破碎，增加了喷口对液膜的进一步干扰，使其变得 更薄而且发生波动，强化了对残存液膜的破碎，另一方面喷嘴的扁平结构还使得喷嘴在 开停工或检修过程中不易被催化剂和异物堵塞。喉管式喷嘴采用圆筒直口对残存薄液膜 的卷吸破碎作用相对较弱，影响了雾化效果，并且该结构极易被下落的催化剂或焦块堵 20 伟化裂化反再系统诅备技术敞造研究 塞，影响了正常生产。l p c l 型喷嘴内表面及喷孔经过渗硼处理，其硬度h r c 6 5 ，具 有较好的耐磨性。喉管式喷嘴未经处理，耐磨性相对较差。 锦西石化公司催化裂化装置于1 9 9 9 年6 月将原来的四组喉管式喷嘴更换为六组 l p c l 型喷嘴，新喷嘴的设计技术条件见下表。 表一2 设计技术条件 l i s t 一2d e s i g nt e c h n o l o g yc o n d i t i o n 项目数据 总进料量1 2 8 t h 进料温度 2 8 0 进料压力 o 4 m p 雾化蒸汽量 2 5 w 油浆回炼量2 0 t h 喷嘴投用后，对其运行状况进行了一次标定，标定结果与改造前的主要操作参数及 物料平衡分别列表如下页所示。 通过表中标定数据和近一段时间的运行状况，可得出以下结论： ( 1 ) 应用l p c l 型喷嘴后，轻质油收率可以得到明显提高，其中汽油收率约提 高5 。5 ，轻柴油收率降低3 。5 ，总液收约提高2 。 ( 2 ) 采用l p c l 型喷嘴后，焦炭产率可降低1 ，因此使再生烧焦负荷降低，解 决了长期困扰装置的难题，两器热平衡得到了改善，同时较低的主风量也能 使催化剂达到良好的再生效果。 ( 3 ) 应用l p c l 型喷嘴后，平衡剂微反应活性提高5 个单位，原因有两点：一 方面，新喷嘴出口速度约降低一倍，因此对催化剂的j 中击破坏作甩减弱；另 一方面，生焦率降低，再生烧焦负荷下降，催化剂烧焦效果好。 ( 4 ) l p c 一1 型喷嘴操作弹性大。锦西石化公司催化裂化装置处理量在2 0 0 0 2 5 0 0 t d 之间仍能保持良好的运行状态，且提降量方便可靠，提高了操作的 灵活性。 ( 5 ) 该喷嘴油、汽互不干涉，提降油、汽量不会发生“顶牛”现象，解决了以前 “汽顶油”而造成的油路单向阀频繁动作的问题，减少了设备振动，保证了 安全生产。 ( 6 ) 应用l p c l 型喷嘴后，产品分布发生了变化，因此给后续系统的操作带来 了影响。最突出的问题在于汽油收率提高、轻柴油收率下降，造成分馏塔顶 部负荷增大、中部负荷降低、后续操作系统难度增大。 利用喷嘴更换前后的标定数据，进行经济效益计算，结果见表一5 。若处 理量按每年8 0 万吨计算，则年净增效益为：8 0 x1 0 x5 2 4 3 6 = 4 1 9 x1 0 i 元 催化晕化反再系统证技术改造砷宽 表一3 主要操作参数 l i s t 3m a i no p e r a t ep a r a m e t e r 项目喉管式喷嘴 l p c 一1 型喷嘴 反应温度5 0 04 9 5 催化剂单耗k g t 0 50 4 5 催化荆活性 5 56 0 再生剂含碳w 0 40 2 5 回炼比 o 60 8 剂油比 4 54 反应器压力m p a o 。1 3 5o 1 3 5 原料预热温度3 0 0 2 8 0 集合管压力m p a 0 4o 5 5 汽提蒸汽t h 2 41 6 物化蒸汽t h 2 。63 5 再生器压力m p a o 1 3 5 0 1 3 5 再生器温度 7 0 06 9 5 再生器藏量t 4 03 5 2 反应器藏量t 1 61 6 再生时间m i n5 。13 7 主风量n m 3 h 4 6 8 0 04 2 0 0 0 烟气分析c o w o ：2o 2 烟气分析c 0 2 w 1 5 21 4 2 烟气分析0 2 诚 2 42 o 原料性质p 9 1 79 2 7 2 原料性质h k 3 0 53 0 8 原料性质3 5 0 1 28 原料性质残炭 o 3 8o 4 2 22 催化裂化反薯系统设套技术改造研宪 表一4 物料平衡 i s t 一4 b a l a n c eo ft h em a t e r i a l 喉管式喷嘴l p c 一