炼油重整UOP工艺中阀门使用及改进

庞志铭

艾默生过程管理(天津)阀门有限公司

炼油重整UOP工艺中阀门使用及改进

庞志铭

艾默生过程管理(天津)阀门有限公司

本文论述了炼油行业催化重整工艺中催化剂再生工段内阀门的使用状况及出现的问题，在比较分析的基础上对阀门结构进行改进设计，已达到提高阀门使用性能，延长阀门使用寿命的目的。

炼油；重整工艺；阀门使用；改进

原油精炼是继原油开采后必须经历的一个重要工艺环节，若干年来，对各种精炼工艺的研究和优化从未间断，目的就是为了改善产物质量，降低能耗，提高经济性，增强安全性。在各种工艺中，催化重整工艺是一种较为成熟的工艺，经过一系列的改进，其在工艺性能方面已经得到了显著的提高，但是目前仍旧存在一些有待解决的问题， 特别是对催化剂再生工艺的改善，直接关系到是否能够大幅提高产率，降低成本，缩短停机时间等问题。本文结合催化重整工艺的实际工况和客户反馈，重点分析工艺中某些重要工位上的阀门在使用中存在的问题，并且提供针对性的解决方案。

1 催化重整工艺及催化剂再生工艺

催化重整工艺在石油及石化工业中被广泛应用，是将从原油中蒸馏得到的石脑油转换为高辛烷值的重整油的一种化学过程。该过程将低辛烷值的直链烃转为带支链的链烷(异构烷烃)和环烷烃，部分脱氢生成高辛烷值的芳烃。脱氢过程还生产大量的副产物氢气，可供给其他炼油过程，如加氢裂化，生成分子量较低的烃，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。除了作为汽油调和料，重整还是芳烃大宗化学品如笨、甲苯、二甲苯(BTX)和乙苯的主要来源，它们具有各种用途，最重要的是作为塑胶的转换原料。

催化剂的性能在重整反应中至关重要，其选择性、活性和稳定性对最终产物的产量和产率非常关键，然而，随着反应的持续进行，催化剂逐渐焦化而失去活性，使反应性能恶化，反应效率降低，因此，催化剂在使用一段时间后需要再生和更新。UOP(美国环球优品公司)在1971年开发并且商业化了催化剂连续再生工艺(CATALYST CONTINUOUS REGENERATION)，简称CCR(见图1)。工艺中催化剂可以连续地从最后一级反应器移除、在特定环境下再生并且返回到第一级反应器，CCR工艺实现了重整技术的一个阶段性的进步。由于重复再生，焦炭可以连续的烧除，催化剂也得到了连续的修复，所以焦炭的沉积不再成为难点，同时CCR工艺可以降低反应压力，提高汽油产物的辛烷值和提高氢气的产量。

2 再生工艺要求、特点和问题

2.1 工艺要求

CCR工艺中包括分离、烧炭、卤化、干燥和还原四个部分。经反应后的催化剂由反应器底部流出，被提升至再生器顶部的分离料斗，在分离区去除其中的粉尘，流经烧炭区烧除催化剂表面的焦炭，再经过卤化区增加催化剂表面的酸性部分，然后干燥去除水分，流经还原区在氢气环境下发生还原反应从而完成再生过程。催化剂再生后收集在闭锁料斗中，分批送至底部的提升器，再提升至反应器的顶部。

催化剂在再生过程的每个部分连续地流动，在底部的闭锁料斗中按照预先设定的量分批传送至反应器，催化剂每批的再生量决定了催化剂的再生循环率，从而也决定了重整工艺反应器的反应率，因此在整个再生系统中的每个环节之间需要安装阀门配合闭锁料斗用以准确控制流经每个反应部分的催化剂总量。其中需要依据工况要求选择合适的阀门。

2.2 闭锁料斗隔断阀的工况特点

位于料斗上游的催化剂因为含有氢气，所以要求阀门具有较高的防外漏性能。

催化剂在使用过程中呈颗粒状，直径约为0.6 mm，在阀门启闭的过程中要求催化剂不能被挤碎。

催化剂中含有一定量的粉尘，要求阀门内件具有较高的抗磨损性能。

闭锁料斗区域的工艺环境压力 ≤ 100 PSI，温度 ≤ 200℃，密封等级 ≤ ANSI Class IV，双向密封。

2.3 阀门出现的问题

在阀门启闭使用过程中，部分催化剂颗粒被挤碎形成粉末，与催化剂中一定含量的粉尘一并堆积在阀瓣与阀座的密封位置对两者造成磨损，使阀门失去密封性能；粉末与粉尘也会堆积在驱动轴与轴承之间的空隙，增加启闭扭矩，降低控制性能；在驱动轴与填料之间堆积的粉尘会造成填料和驱动轴表面的磨损导致填料失效，造成介质泄漏到大气中，因为料斗上游催化剂中含有氢气，因此会发生火灾；图2中显示了驱动轴表面磨损情况。

3 阀门通用设计

3.1 材料选择

图1 CCR 催化剂连续再生工艺

图2 CCR 工艺中阀门驱动轴表面磨蚀状况

密封圈与阀瓣选择抗磨蚀，同时具有一定抗腐蚀的材料， 通用材料为奥氏体不锈钢，为了增加抗磨蚀性能，需要使用一些镀层增加材料硬度，例如镀铬、碳化铬，碳化钨和镍-硼合金也被用来强化耐磨性能，但由于其耐腐蚀性能一般，所以应用受到限制。

驱动轴材料需要同时兼备一定的韧性和耐磨性，通用材料为析出硬化钢表面镀铬或者堆焊钴基硬质合金。

3.2 结构设计

为了避免催化剂在流动过程中被挤碎，阀门密封圈与阀瓣之间设计有间隙从而保证催化剂顺利流动，因为间隙使阀门不能密封，所以需要另外具有关断功能的阀门配合使用。

为了保证还原反应的氢气不外漏到大气中，在填料部分设计有预加载系统，保证长时间使用填料发生磨损松弛后载荷自动补偿达到防止外漏的目的。

4 阀门改进设计

4.1 材料选择

陶瓷材料随着近年来工业化水平的提高在阀门行业的应用愈加广阔，其优异的抗磨蚀和抗腐蚀性能能够满足诸多工况要求，其类型也颇为广泛，例如氧化铝陶瓷，氧化锆陶瓷，碳化硅陶瓷等。其缺点是对拉应力和剪切应力敏感，内部结构状态对工艺稳定性较为敏感，加工难度大等。

离子渗氮工艺可使镀层硬度达到67 HRC，有效镀层硬度大于50 HRC。但因为渗碳渗氮工艺会降低材料的抗腐蚀性，所以其仅适合用于非腐蚀性工况。

驱动轴表面堆焊钴基硬质合金可以有效地增加表面耐磨性，另外，镀铬也是一种行之有效的方法。

4.2 结构设计

为了避免催化剂粉尘在阀门密封副区域的堆积，采用全球设计较部分球设计具有优势，固定球设计较浮动球设计具有优势，在阀座背面设计施加预紧力的弹性模块时，应避免半封闭区域以消除粉尘堆积的可能性，减少扭力增加，甚至卡住的风险。在密封圈的设计中减少易于粉尘堆积的结构。密封圈应该尽可能设计成为对称结构以方便更换，降低成本。

填料结构应优先选择带有碟型弹簧的设计方案，当填料在使用一段时间而松弛后，由碟型弹簧自动形变实现对填料载荷的补偿，此种设计方案无需人为干预，及时有效地防止氢气在填料处的泄漏；另外，填料处还应采用负压防漏设计，其特点为：使用双填料布局，中间设置金属分隔环将两套填料分别置于上、下两侧，隔环位置的阀体侧壁加工通孔，其上安装连接管件，管件的另一端与储气容器相连，将容器中的压力设定为负压，当有氢气通过下层填料到达隔环位置时，上层填料防止其形成外漏，同时在负压的作用下，氢气自动进入储气容器进行保存。这种填料结构设计进一步降低氢气外漏的风险，也排除了安全隐患。

总结

通过使用特殊材料及采用专用结构设计，能够有效地提高阀门的使用效率、延长使用寿命，减少了停机维护时间，也大幅降低了业主的备品备件数量，节约了库存成本。新型的填料结构设计大幅降低氢气泄漏的几率，避免了失火现象的发生，为现场作业提供了安全保障，同时减少了人员巡查时间，降低了人力成本。

[1]“HYDROCARBON PROCESSING’S REFINING PROCESSES 2006 HANDBOOK”

[2]“TECHNOLOGY EVOLUTION IN REFINING AND PETROCHEMICALS”