煤焦油悬浮床加氢装置反应温度的影响及控制

2020-11-14牛鸿权何玉婷史义存王运涛

广州化工 2020年21期

李斌，牛鸿权，何玉婷，史义存，王运涛

(陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西榆林 719000)

煤焦油是一种制取轻质燃料油品及芳烃等化工初级产品的重要原料[1]，但由于其组成复杂，不仅含有硫、氮、氧及金属等杂原子，同时还含有大量的胶质、沥青质组分以及机械杂质，在一定程度上增加了煤焦油深加工的难度[2-3]。加氢技术是煤焦油深加工的主要手段之一，其中适于加工馏分较轻的固定床加氢技术已经十分成熟，而用于处理大量含固、含沥青重质馏分的悬浮床加氢技术还有待进一步发展[4]。

1 悬浮床加氢工艺流程

悬浮床加氢工艺流程如图1所示：重质煤焦油在混合罐与一定比例的专用催化剂混合，然后经进料泵升压至21.0～23.0 MPa，然后与高压氢气混合后进入加热炉加热至410～440 ℃后送至悬浮床加氢反应器。煤焦油、氢气和催化剂从反应器的底部进入，顶部送出，反应物在两台反应器中的总停留时间一般控制在1.5～2.5 h，加权平均温度控制在445～460 ℃。从反应器顶部出来的反应产物经过热、冷两级高压分离，循环氢气经压缩机压缩后循环使用；热高分油经减压阀降压后进入低压分离器，分离出的低分油依次经汽提塔和减压塔进行分馏，得到精制轻质煤焦油、精制重质煤焦油、精制蜡油和含催化剂颗粒的煤沥青及气态烃。精制蜡油循环进入原料油缓冲罐，进行再次加氢裂化。

图1 悬浮床加氢工艺流程

在悬浮床加氢裂化过程中，对整个反应系统的影响较大的因素主要有反应温度、氢油比、催化剂添加比例、反应压力、液时空速等。其中，反应温度对加氢产品的质量和收率有着至关重要的影响。

2 反应温度的影响

煤焦油加氢过程中发生加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱氧、烯烃饱和、环状化合物加氢饱和、缩合生焦、加氢裂化等诸多反应，总体表现为强放热反应[5]。因此，加氢反应温度的控制尤为重要。

悬浮床反应温度表达方式很多，可简单归纳为起始反应温度、平均反应温度、热高分入口温度。

2.1 起始反应温度

起始反应温度T1在工艺流程上表现为悬浮床反应浆料在加热炉出口温度或者进反应器底部入口的温度，此温度将直接影响到煤焦油加氢能否进行。按照目前运行的固定床加氢精制工艺流程的操作条件，煤焦油在280 ℃就会有部分组分开始进行加氢反应，在330～360 ℃之间精制反应几乎可以全部进行，部分环状化合物开始进行加氢饱和开环的反应。

2.2 平均反应温度

平均反应温度T体现了在整个反应过程中的反应器床层的反应温度水平，计算公式如下：

R1平均反应温度TR1=(T2+T3+T4)/3

R2平均反应温度TR2=(T6+T7+T8)/3

式中：T2、T3、T4为反应器R1的反应床层温度；T6、T7、T8为反应器R1的反应床层温度。

反应器各点的温度表现为反应器内反应的深度和反应的剧烈程度，平均反应温度反映了煤焦油在反应器床层中的反应温度的平均水平。对于密度偏重(密度大于1.15 g/mL3)、胶质和沥青质含量较高的高温煤焦油，其平均反应温度高于密度在1.05 g/mL3左右的煤焦油，即进料煤焦油较轻则反应的整体温度温升不会很大，平均反应温度较低；反之如果进料煤焦油较重，则平均反应温度较高。

对于同种煤焦油来说，平均反应温度高，则产品中轻质燃料油和C4以下组分的产量增加，重质燃料油产量减少，液收率下降，反应器结焦风险增大；反之则反应深度降低，重组分转化率下降，轻质油品产量降低，重质油品产量增加。

2.3 热高压分离器入口温度

热高压分离器入口温度T9是油品离开反应器时的温度，同时也是反应产物进入热高压分离器的温度。

加氢反应产物在热高压分离器中还会有一定程度的加氢裂化反应发生，而此处的氢分压相对较低，热高压分离器入口温度过高，会因供氢不足导致热高压分离器结焦而影响正常生产运行，国内某煤焦油加氢企业已有热高压分离器结焦的案例发生。热高压分离入口温度T9过低，会导致其分离效果变差，大量的轻质油品随热高分油带入热低压分离器，造成热低压分离器负荷过大，操作稳定性变差。通过调整反应器出口的冷油和冷氢量可将进入热高压分离器的温度控制在合适的范围内。

3 反应温度的控制

悬浮床加氢装置通常有强制循环和非强制循环两种运行模式，对于不同的运行模式，反应温度的控制方式也不相同。

3.1 非强制循环悬浮床反应温度的控制

图2所示的非强制循环悬浮床加氢反应系统，其反应器内反应浆液动力来源于系统整体的压差，流动状态可按平推流考虑，反应温度控制方式与固定床加氢装置类似。起始反应温度T1可通过加热炉的热负荷来控制；反应温度T2的测温点距离反应器入口大约在3.0～4.0 m之间，其温升主要来源于反应放热，可通过调整起始温度T1和第一床层冷氢注入量来控制；反应温度T3、T4分别通过调整对应床层冷氢注入量来控制；T5是进入R2反应器的温度，通过调节R1出口的冷氢、冷油的流量来控制；反应温度T6的测温点距离反应器入口大约在3.0～4.0 m之间，其温升来源于反应放热，可通过调整反应温度T5及R2反应器的第一床层冷氢注入量来控制；反应温度T7、T8通过调整对应床层冷氢流量来控制。各床层之间的温度梯度控制应该根据反应产品的收率及床层之间的温度来相互匹配和调整。良好的温度控制表现为T2、T3、T4、T6、T7、T8温度相同，T2与T1温差约10～15 ℃。当T2、T3、T4、T6、T7、T8任何一点的温度出现较上一层温度高出10 ℃以上即表示此床层反应剧烈，应及时的加大对应床层冷氢注入量，调整反应床层温度，控制反应深度；如果调整不及时就可能会造成裂化反应加剧，导致反应器飞温。

图2 非强制循环悬浮床加氢

3.2 强制循环悬浮床反应温度的控制

图3所示为强制循环悬浮床加氢反应系统，其反应器内反应浆液的动力来源于系统的压差和反应器底部的强制循环泵。强制循环泵出口的反应浆液和炉出口来的新鲜原料通过反应器内的分布盘混合后进入反应器R1的反应床层，在较大程度上加强了物流的返混程度。因此，强制循环悬浮床加氢装置反应温度的控制方式也与非强制循环悬浮床加氢装置迥异。起始反应温度T1可通过加热炉的热负荷来控制；反应温度T2的测温点距离反应器入口大约在3.0～4.0 m之间，反应温度T2、T3、T4通过调整起始反应温度T1和R1反应器底部的强制循环泵的流量来控制；T5是进入R2反应器的温度，通过控制R1出口的冷氢、冷油的流量来控制；T6的测温点距离反应器入口大约在3.0～4.0 m之间，T6、T7、T8通过调整R2反应器底部的强制循环泵的流量来控制。良好的温度控制表现为T2、T3、T4、T6、T7、T8温度相同，T2温度点较T1温度点高10～15 ℃。

图3 强制循环悬浮床加氢

带强制循环悬浮床加氢反应系统的反应浆液较非强制循环更为均匀，反应器各测温点的温度变化幅度更小。当T2、T3、T4、T6、T7、T8任何一点的温度出现较上一层温度高或者低的现象时则说明反应器内整体反应不均衡，可通过调整物料在反应器内的流速来控制各点的温度。若反应器上部温度高于下部温度，则可适当加大反应器内浆液循环量，反之则减小。