渣油加氢装置上流式反应器床层热点分析

毛粮兵，李建雷，黎臣麟，刘园元，涂银堂

（中国石油四川石化公司，四川 彭州 611900）

某公司300×104t/a渣油加氢脱硫装置（以下简称装置）采用CLG公司的UFR/VRDS工艺技术设计建造，分为平行的2个反应系列，每系列5台反应器。第1台反应器为上流式反应器（UFR），分为上下2个床层，后部4台反应器为常规固定床反应器，均为单个床层。

UFR中物料是连续相的自下而上流动，原料油和氢气的自下而上的流动方式使反应器内催化剂处于微膨胀状态［1］，其作用是避免金属、杂质、固体颗粒等的沉积造成催化剂床层堵塞，提高装置对渣油原料的适应性，有利于延长装置的运转周期［2］。但UFR内催化剂床层的不均匀膨胀，会造成物料在床层的分配不均匀，物料偏流，形成催化剂局部热点温度，引起催化剂结焦，抑制催化剂活性效能发挥，不利于催化剂的长周期运行［3］。

文中就装置I系列UFR出现床层热点进行分析并提出应对措施，为同类装置长周期运行实践提供参考。

1 问题描述

300×104t/a渣油加氢脱硫装置原料主要是减压渣油和减压重蜡油，加氢精制后的渣油作为下游催化裂化装置原料。I系列第5周期运行至442 d后UFR催化剂2床层径向温差的变化见图1。

图1 I系列第5周期UFR催化剂2床层径向温差

装置I系列第5周期实际运行547 d，运行至第453 d（2021-07-07）时UFR反应器2床层上部温度TI1288开始呈上涨趋势，之后逐渐上涨；运行至第465 d（07-19）时径向床层温度达24.1℃，热点温度TI1288在1 h内由391℃上涨到401℃。I系列运行状态如下：处理量187 t/h，掺渣比89.3%，催化柴油15 t/h，5 t/h机泵冲洗柴油循环。反应炉出口F1001-1约377℃，UFR1床层BAT377.5℃，温升4.5℃，2床层BAT382.5℃，温升9.1℃。

经过降低掺渣比、催化柴油量等多方面调整，TI1288热点温度趋于稳定，在控制TI1288温度不超402℃、径向温差不超30℃状况下运行70 d。为保证催化剂活性最大限度发挥，催化剂运行末期，对Ⅰ系列催化剂热点TI1288温度进行释放，径向温差很快超过30℃。

2 热点影响因素分析

装置上流式反应器R1001-1分上下2个催化剂床层，上部2床层采用急冷氢控制床层温升，原料油和混氢混合加热后从R1001-1底部进料自下而上流动。发现热点温度后，经过分析，确定可能的影响因素为原料油性质、掺渣比、冷氢量（2床入口温度）、催化柴油量等，并对其进行分析和调整。

2.1 掺渣比和冷氢量

2.1.1 降低掺渣比实验8月1～6日期间I系列各加工原料的处理量变化情况见图2。

图2 I系列各加工原料量的变化情况

调整期间装置处理量保持在187 t/h，特别说明，装置任何工况都有5 t/h机泵冲洗柴油循环。

08：00（8月1日）开始进行调整掺渣比，降低罐区来渣油量，同步补充减压蜡油，保持催化柴油的加工量不变，至17：00渣油掺炼比例从89.3%降至80.2%；同时将2床入口温度TC1284B从380.5℃降低至378.5℃，炉出口温度保持不变。调整I系列掺杂比和2床入口温度前后热点TI1288和其径向对比温度TI1289的变化情况见图3。

从图3可以看出：（1）降低掺渣比后，TI1288温度降低较多，从最高399.2℃降至394.5℃，降低了4.7℃；（2）通过增大冷氢量降低2床入口温度TC1284B，TC1284B降低2℃，与热点TI1288同径向温度TI1289同步降低2.5℃。由此可知，与径向其它温度点相比，同时降低掺渣比和2床层入口温度对热点TI1288的影响较大。

图3 调整掺渣比后热点TI1288变化情况

2.1.2 冷氢实验为进一步确认2床冷氢量对热点TI1288及2床层BAT的影响，在维持掺渣比80.2%、减压蜡油17 t/h、催化柴油15 t/h的情况下，稳定炉出口温度，2床层冷氢控制阀逐步关小至冷氢为0，验证冷氢对热点TI1288的影响。09：00（08.02）开始把TC1284B由378.5℃逐步升高至380.5℃，12：00开始逐步关闭TC1284B。冷氢实验中关闭冷氢阀TC1284B后热点TI1288的变化情况见图4。

图4 冷氢对热点TI1288的影响

从图4可以看出：（1）冷氢逐步关小恢复至调整掺渣比前的380.5℃，TI1288温度由394.5℃升高至396.5℃，比调整掺渣比前热点399.2℃低2.7℃。由此可得，掺渣比降低对热点温度的降低是有利的，掺渣比越高对热点温度越不利；（2）冷氢阀全关闭后，2床氢气减少约4 000 m3/h，热点TI1288最高涨至400.8℃，上涨6.3℃；同径向温度TI1289最高涨至387.7℃，上涨3.7℃。由此可知，冷氢对床层BAT有较大影响，尤其对热点TI1288影响更大。

由于反应物流在微膨胀的催化剂床层的分散程度与加工油的黏度、表面张力等因素有关［4］，降低原料的掺渣比，实际上降低了加工油的黏度，同时氢油比对液相物流的分散度也有很大影响，氢油比高，物流的分散度比较好；降低加工原料的掺渣比，提高反应的氢油比对控制床层热点有利。

2.2 反应温度

8月5日，凌晨大暴雨导致炉出口温度大幅度波动，加热炉出口温度从377.5℃短时间降至372℃，通过调整后，2 h后恢复至377.5℃。反应炉出口温度大幅波动和调整催化柴油加工前后的热点变化情况见图5。

图5 反应炉出口温度大幅波动和调整催化柴油加工前后的热点变化情况

从图5可以看出：（1）热点TI1288温度、同径向TI1289温度、2床入口温度TC1284B都同步逐渐升高，热点TI1288涨幅最大；（2）8月5日13：00催化柴油提高至20 t/h后，TI1288在约20：00达到最高值401℃，上涨4.9℃。

0：00（08.06）开始降低催化柴油至12 t/h，各点温度逐渐下降，热点TI1288恢复至396.5℃。催化柴油量增加提高了2床入口温度、2床BAT、TI1288温度，不利于热点温度的控制。催化柴油掺炼量越大，对热点的影响越大。

8月5日00：30炉出口温度大幅降低后，UFR床层各点温度都下降明显，热点TI1288也出现5.6℃的降幅，说明当前阶段反应温度对热点影响是极大的，床层温度过高不利于热点温度的控制。

2.3 催化柴油掺炼量

进行掺炼催化柴油量的调整。维持掺渣比80.2%，稳定炉出口温度377℃，稳定冷氢阀TC1284B开度不变。08：00（08.05）催化柴油掺炼量从10 t/h逐步提高到20 t/h，同步降低减压蜡油掺炼量（变化情况见图2）。

3 热点危害分析

加工油原料性质、催化剂装填质量、反应器内构件质量、运行操作条件、反应器入口分配器等多种因素都会造成UFR床层热点的形成［5，6］，对装置生产运行有4方面影响。

3.1 床层飞温

导致UFR 2床层下部温度过高，在提温过程中，床层BAT提高1℃，TI1288上涨超5℃。该点温度上涨速度远远大于其他部位温度的涨速，如果提温过高，TI1288温度无法控制，甚至造成“飞温”，危害装置安全平稳运行。

催化剂运行末期，2床层径向温差超30℃，TI1288一度快速达到407℃，过高的温度形成恶性循环，会造成催化剂结焦粘结，影响催化剂的膨胀，导致物流分配不均匀。

3.2 影响操作平稳

TI1288温度的不可控严重影响操作的平稳性。在催化剂末期运行中，TI1288温度多次快速上涨超过405℃，给安全生产带来隐患；为稳定生产运行，控制TI1288，反复调整加工方案，反应炉出口温度频繁升降，同时2床层入口温度无法自动控制，需要手动频繁调整。

3.3 限制反应器提温

装置运行至第452 d，UFR床层各点温度随运行天数稳定同步。热点温度形成前，UFR床层BAT在397.8℃，热点TI1288形成后，为控制热点温度防止其上涨过快产生“飞温”，需要降低UFR入口温度和2床层入口温度，从而限制了床层的提温，运行末期TI1288上涨超过400℃，UFR床层BAT反而将至371℃。

催化剂运行末期，热点TI1288不断上涨，各床层温度降低8℃左右，UFR和第1固定床反应器的入口温度无法提温，末期温度达不到设计值，无法最大效能发挥催化剂活性效能，降低催化剂的利用率，不利于催化剂长周期运行。

3.4 影响产品质量

催化剂末期运行中，催化剂活性下降，需要提高床层温度来抵消催化剂失活的影响。由于TI1288热点温度的形成限制UFR和第1固定床反应器的提温，产品精制渣油的质量恶化。形成热点温度前后产品质量情况见表1。

表1 形成热点温度前后产品质量情况

从表1可以看出，TI1288热点温度形成后，通过改变加工方案，原料油性质明显改善，但催化剂对金属Ni+V，Fe和残炭值的脱除率分别下降了3.69%，6.01%，10.58%。

4 降低床层径向温差的应对措施

确定了对热点TI1288的影响因素后，从控制掺渣比、催化柴油加工量和反应温度3方面提出具体应对措施来降低UFR 2床层的径向温差。

（1）为保证装置I系列正常运行，首先控制热点温度TI1288≯400℃，炉出口温度控制在375℃以下；加工方案总体原则是掺渣比≯80%，稳定轻重循环油的加工量。

（2）装置I系列反应器整体CAT温度的提高通过提高后3个固定床反应器的BAT温度来实现。因原料性质波动而导致热点温度TI1288上升，可减少或者停止催化柴油的掺入。

（3）热点温度偏高或持续升高，可适当降低炉出口温度；同时也可通过上流式反应器冷氢来降低热点温度。

5 结束语

（1）通过分析，确定了对UFR床层热点TI1288影响较大的主要是掺渣比、反应温度和催化柴油量，高掺渣比、高反应温度、大催化柴油量都会导致热点TI1288快速升高。

（2）掺渣比和催化柴油加工量的变化，本质是原料性质的变化。因此，严格监控原料油的性质对稳定热点温度有重要作用。

（3）为保证装置安全平稳运行，使运行周期达到换剂计划，热点出现后的运行过程中要控制好掺渣比、反应温度和催化柴油量3个参数；同时适当调节后3个固定床反应器温度来补偿上流式反应器相对低温度控制方式的影响。但由于UFR出口温度不高，限制后面固定床温度的提高，需注意为提高固定床温度导致固定床氢油比不足引发反应物在催化剂上的偏流、结焦、热点形成等风险。

（4）加强对UFR 2床层径向温差的监控，通过对热点温度控制参数的总结，不断优化对径向温差有利的操作参数，实现多种加工方案的精准控制，从而降低反应器床层的径向温差，充分发挥催化剂活性效能，达到提高催化剂的利用率，延长装置的运行周期的目的。