催化剂在线置换在沸腾床中的应用

蔚林艳

中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司 内蒙古 鄂尔多斯 017209

神华鄂尔多斯煤制油分公司煤液化生产中心加氢稳定装置采用北美AXENS N.A.公司开发的加工劣质重油的“T-Star”专利技术，由中国石化工程建设公司承担设计、采购和建设，于2007年7月全面建成[1-4]。本装置以上游来的液化重质油品为原料，经过加氢精制反应及分馏系统分离，为上游装置提供供氢溶剂，下游装置提供石脑油和改质原料。反应部分为高压、高温、临氢工况，原料中含有的杂质金属通过吸附在催化剂表面，堵塞催化剂表面微孔，导致催化剂失活；由于上游来的煤液化重原料中氧氮含量高，在加氢过程中，反应中烃类的裂解及不稳定化合物的缩合会在催化剂表面积碳，沉积在催化剂表面，也会使催化剂活性降低。为保证产品质量，要求催化剂活性维持在一定的水平，这就需要添加、卸出部分催化剂操作使总的催化剂活性保持恒定。

1 催化剂的理化性质

加氢稳定装置催化剂是加氢精制催化剂，采用的是以大孔径氢氧化铝为载体，Ni、Mo作为活性金属成分的催化剂，由催化剂生产厂家提供，各项指标由公司技术部制定[5]。其理化性质见下表：

表1 催化剂理化性质

2 在线置换催化剂的必要性

一般采用催化剂活性来衡量催化剂的催化效能。催化剂的活性是催化剂对反应速度影响的程度，是判断催化剂效能高低的标准。对于大多数工业催化剂而言，在装置的长期运行中，会造成催化剂的活性及选择性显著下降。随着催化剂活性的降低，反应速度会逐渐减慢，导致生产效率下降；同时，当催化剂的活性降低时，催化剂的选择性也会受到影响，导致副反应的发生，使得产品转化率下降，产品纯度低。因此，保证催化剂的催化效能具有相当的必要性。沸腾床反应器采用在线置换催化剂的方式来维持反应器中催化剂活性的稳定。

3 催化剂在线置换操作介绍

（1）催化剂在线添加

新鲜催化剂加入新鲜催化剂储罐，再生后的催化剂加入再生催化剂储罐，按一定量配比后进入催化剂添加计量罐中进行称重计量，后通过压差控制进入催化剂添加/卸料罐中。接着由来自高压进料泵出口的原料油经换热后，进入催化剂添加/卸料罐的底部，经罐顶返回至进料缓冲罐中，对催化剂进行预热升温。预热完成后装剂罐通过差压控制器，在装置新氢压缩机出来的高压氢气的作用下升压至高于反应器压力一定值。随后用原料油冲洗进入反应器的管线，之后打开装剂罐底部出口阀门，将催化剂与原料油混合，形成油浆的流动形式，在压差的作用下将催化剂添加/卸料罐中的催化剂输送至反应器中，接着系统降压，管线吹扫，完成添加过程。

（2）催化剂在线卸出

原料油换热后，去催化剂加卸罐和催化剂抽出闪蒸罐进行预热。系统升压所需气源通过装置新氢压缩机出来的氢气提供，控制反应器和加卸罐的压差。利用高压进料泵出口原料油对卸剂管线进行冲洗，并打开反应器卸料阀，让催化剂进入到冲洗油中，形成泥浆的流动形式，在压差的作用下将催化剂卸至卸料罐中，随后系统进行降压操作。利用侧三线馏分油，将待生催化剂从催化剂加卸罐转移到待生催化剂冷却罐中。建立冲洗/输送油缓冲罐至待生催化剂冷却罐的循环冷却流程，利用中间馏分油及水冷器对待生的催化剂进行冷却。冷却后的待生催化剂排至待生催化剂储罐，随后排至催化剂储罐进行氮气循环脱油，最终将脱油完成的催化剂卸出装置外。

4 催化剂在线置换的重点难点

4.1 维持反应器催化剂活性稳定

维持沸腾床反应器催化剂的活性，以保证加氢反应的正常运行是沸腾床反应器在线置换的重点。一般情况下，我们一般通过监测反应器床层料位、反应温升以及卸出催化剂的化验分析结果来调整催化剂置换的具体操作。

（1）床层料位

沸腾床反应器的器壁两侧分别装有核源和接收器，通过对接收器接收到的核源能量衰减量的计算，显示出该位置反应器内部的物料密度，用于反映反应器内催化剂的沸腾状态。沸腾状态的床层料位密度在800Kg/m3左右，标志该点位催化剂、油、气三相混合均匀，而当料位计显著低于800Kg/m3后，则意味着催化剂未沸腾至该点位。因此，通过反应器料位计的显示，可以直观的监测到沸腾床反应器内催化剂床层所在的位置。按照操作规程，一般会规定反应器正常运行状态下催化剂床层料位所在位置，如果实际床层低于此位置，则显示反应器中催化剂量有所减少，需要通过在线添加催化剂来补偿；如果实际床层高于此位置，则显示反应器中催化剂有所增加，需要通过在线卸出催化剂来维持平衡。

（2）反应温升

反应温升用于反映原料油在催化剂的作用下与氢气发生加氢反应后所放出的热量，是以反应器内部平均加权温度减去入口温度所得。温升的变化是判断加氢反应深度的重要指标，如果温升低，则表示加氢反应深度不够，可以通过提高催化剂活性增加反应深度，一是可以增加在线置换催化剂的频率来提高新鲜催化剂在反应器中的藏量，二是可以通过调整在线加入催化剂的类型，也就是减少再生催化剂、增加新鲜催化剂添加的比例，这样也可以保证反应器中催化剂的活性得到提高。

（3）催化剂分析结果

在线卸出的催化剂经过冷却、脱油等操作后，会将其集中进行再生，通过再生恢复催化剂活性后再次添加至反应器中。再生前后，我么会对卸出的催化剂进行采样、分析，通过对分析结果的收集与对比，对该阶段反应器中催化剂的状态进行评估，进一步监测反应器中催化剂的活性状态以及失活情况，结合反应器运行条件，通过调整在线置换催化剂的频率、比例等手段，改善反应器中催化剂的活性。

4.2 催化剂加卸过程的压差控制

催化剂在线置换过程中，是通过调整补充氢压缩机出口来的，进入催化剂添加/卸出罐的新氢量来控制反应器与催化剂添加/卸出罐的压差。压差的建立，是实现催化剂添加与卸出的必要条件。在催化剂添加过程中，需要将催化剂添加罐的压力控制在比反应器压力高一定值；催化剂卸出过程中，需要将催化剂卸出罐的压力控制在比反应器压力稍低一些。合理的压差控制，既能保证催化剂可以正常添加与卸出，也可避免由于压差太大造成催化剂流速太大，而出现堵塞管线、载体粉碎或是影响反应器正常运行操作的情况。同时，压差控制也是在线置换催化剂过程中的难点。由于催化剂添加/卸出系统小，且随着催化剂的添加/卸出过程的流动，催化剂添加/卸出罐内气体空间变化极快，这就表现为该罐的压力波动频繁，因此需要随时调整该罐的进气量以及排出量，保证压差的稳定。

4.3 催化剂加卸过程的预热

在线置换催化剂不管是添加还是卸出过程中，在升压之前都要经过预热环节。在线添加催化剂过程中的预热要求是催化剂添加罐罐体温度达到150℃以上，罐顶出口温度达到预热油的温度；在线卸出催化剂过程中的预热要求是催化剂卸出罐温度达到150℃以上。之所以要在升压之前进行预热操作，主要是考虑到催化剂添加/卸出罐的材质要求。为防止铬钼合金的脆性断裂，必须保证罐体温度达到要求后再进行升压操作。除此之外，预热还能最大程度的避免催化剂置换过程的温度变化对反应器的正常运行造成影响。

4.4 添加/卸出催化剂结束标志

在催化剂添加/卸出罐的罐体由高至低安装有四个核料位计，同时罐出口管线也安装了一个核料位计，通过观察核料位计指示来判断催化剂添加/卸出的完成。催化剂在线添加过程中，该罐出口管线的核料位计显著小于某一密度时，表明罐内催化剂已全部加至反应器中；催化剂在线卸出过程中，该罐罐体的四个核料位计分别指示了反应器卸出催化剂至该罐的高度，我们一般通过规定卸出量确定需要卸至该罐的位置，当指示已卸至该位置时，停止从反应器卸出催化剂。

5 催化剂在线置换过程中存在的问题及处理经验

5.1 催化剂在线置换过程中存在的问题

（1）管线堵塞

由于对压差、输送油、冲洗油等操作的不当控制，会使催化剂在线置换过程中发生管线及罐口堵塞的问题，影响催化剂的置换率，甚至影响反应器催化剂的整体活性。

压差控制太大，催化剂会在压差的作用下加速从罐底流动至管线，而管线的流通量有限，大量催化剂下落至管口位置后没有来得及输送至后路管线，造成罐口底部及罐出口附近管线堆积催化剂而堵塞。

在催化剂添加/卸出过程中，输送油和冲洗油的作用也尤为重要。控制得当的输送油要求既可以带动催化剂流通至反应器，也要保证罐内下落的催化剂可以及时被输送至后路。如果出现输送油中断的情况，则管线中的催化剂会因流动不畅而堆积堵塞。

（2）压力波动

由于催化剂添加/卸出系统小，但是在催化剂置换过程中，进出催化剂添加/卸出系统的物料比较多，包括用于压差控制的新氢、催化剂输送油、冲洗油等，随着催化剂的添加/卸出过程的流动，催化剂添加/卸出罐内气体空间变化极快，导致其压力波动较大。在加剂过程中，催化剂添加罐的压力太高会引发压差高高的联锁，联锁动作会将催化剂输送油阀门关闭；在卸剂过程中，催化剂卸出罐的压力太高会使得反应器中催化剂无法卸出，催化剂卸出罐的压力太低则会引发压差低低的联锁，联锁动作会关闭反应器卸剂阀。

（3）高低分液位波动

在线置换催化剂过程中，由于催化剂以及输送油在反应器中的进出，以及卸剂过程中催化剂闪蒸罐向热低压分离器排放输送油的过程，会造成高、低分液位的波动。如果对液位调整不及时，会造成高、低分液位高报警。

5.2 处理操作

（1）防堵塞操作

为了避免催化剂在线置换过程中发生管线堵塞问题，可采取以下操作：1）加剂预热时催化剂添加罐应内尽可能的充满油；2）催化剂在线置换过程中根据压力变化，随时调整进出催化剂添加/卸出罐的物料；3）催化剂置换前后，应打通催化剂输送油流程进行冲洗管线，并冲洗足够时间；4）加剂过程中，要保证催化剂加剂罐内催化剂全部加至反应器再关闭加剂阀，避免催化剂加剂罐罐底催化剂堆积；5）卸剂过程中，当催化剂卸出罐的核料位指示已完成规定催化剂量的卸出时，关闭反应器至催化剂卸出罐卸剂阀并对反应器卸剂管线进行冲洗，保证反应器卸剂线畅通。

（2）压力调整

为了避免催化剂在线置换过程中发生压力波动问题，可采取以下操作：1）加剂操作时，在打通加剂流程之前，要把补氢阀改为手动控制，自动控制波动较大，补氢阀容易全开或全关；2）卸剂操作时，压差控制也要改为手动，避免阀门在压差控制下大幅开关；3）卸剂过程中，由于反应器中卸出的催化剂和油进入催化剂卸出罐，催化剂卸出罐中的油气需要通过催化剂闪蒸罐进行排放，要通过调整催化剂闪蒸罐的油相、气相的排放量，尽可能维持催化剂闪蒸罐的油气平衡。

（3）高低分液位调整

为了避免在线置换催化剂过程中发生高、低压分离器液位报警情况的发生，操作员在进行加卸催化剂之前要将高、低压分离器的液位控制在正常范围内，并在加卸催化剂过程中加强液位调整。同时，由于催化剂闪蒸罐排放至热低压分离器的输送油温度低，如果瞬间加大热低压分离器至分馏系统的油量后，会影响正常的分馏过程，导致产品不合格。因此在催化剂置换过程中，应当平稳调整高、低压分离器液位，维持正常操作。

6 结束语

神华煤制油加氢稳定装置反应器为沸腾床工艺，为了使沸腾床反应器中催化剂的活性保持相对稳定的水平，在正常生产中通过对反应器中催化剂在线置换即在线添加新鲜催化剂和卸出废旧催化剂的方法使催化剂的催化效能得到有效保证。通过监控反应器温升和核料位变化，以及对催化剂的采样分析，确定催化剂置换量以及置换频率等的具体操作。同时由于此操作是在不停工过程中进行的在线置换方法，如若操作不当会对反应器操作产生一定的影响，因此，要严格按照规程，合理控制好压差、输送油等的参数稳定，保证在线置换催化剂过程顺利完成。