碳四加氢装置扩能改造技术探讨

碳四加氢装置扩能改造技术探讨

刘杰

新疆天利高新石化股份有限公司新疆克拉玛依833699

摘要：碳四加氢装置初步设计处理能力为4．7t/h，目前碳四加工量最高达到7t/h。通过对加氢装置原有设备核算，找出制约提高加氢产能瓶颈，为装置的扩能改造做准备，改造后可以将处理能力提升至10t/h。

关键词：碳四加氢；生产能力；装置改造

随着我国原油进口数量的上升，以及国家相继颁布的各种环境保护政策及法规，炼油企业面临的挑战也越来越大。本文围绕炼油厂加氢工艺及技术进行了研究，谈一下自己的思路和看法，希望给业内人士一些启发。

一、我国加氢工艺及技术现状分析

1.碳四烯烃叠合加氢技术。随着我国即将全面实施E10乙醇汽油，含氧化合物将不允许被添加在汽油池中，市场对烷基化油的需求量将大幅提升。因此，很多含氧化合物装置如MTBE装置将被新型的工艺设备所取代。叠合加氢技术就是一种有效的解决方案，该技术包含丁烯非选择性叠合加氢技术和异丁烯选择性叠合加氢技术。由于利用这一技术生产的混合异构烃类主要是异辛烷，本身具有低蒸气压和高辛烷值，所以生产过程十分环保。选择性叠合加氢技术的原料是混合碳四，以专用固体酸为催化剂，发生选择性叠合反应，使异丁烯生成三甲基戊烯，不仅异丁烯的转化率高（约95%），而且C8烯烃的选择性高（约90%）。之后在镍基催化剂的条件下，三甲基戊烯通过缓和加氢来生成异辛烷。这一技术不仅可以得到高辛烷值的产品（MON为99，RON为100，RVP小于20kPa），同时还具有工艺简单，单位产品耗能低的优势。在设备安装方面可以在旧有的MTBE装置上改造，也可以新建。

2.加氢催化剂。在低硫高氮馏分油加氢工艺过程中，需要利用催化剂来实现产品的高效转化和清洁环保性。在加氢催化剂的研究上主要是通过载体的天然特性结合各种活性金属调配技术来实现催化剂的改性和改良，进而提高炼油加氢工艺的催化性能，实现炼油产品质量的升级。一方面，利用各种分子筛的合成和改性技术来对催化剂进行优化，比如具有高脱氮活性的加氢预处理催化剂、耐氮型加氢裂化催化剂、利用活性金属络合技术制备的全硫化加氢催化剂，这些加氢催化剂不仅活性组分原子利用程度更高，同时也避免了很多剧毒的硫化试剂，实现了绿色生产以及环保排放的目标。另一方面，催化剂的材料和形态也在不断优化升级，比如齿球形催化剂的应用，在催化条件、催化效率和使用寿命上都有了质的提高。

二、扩能前后数据对比

某碳四加氢装置于2014年11月顺利开车，开车初期加氢反应进料温度在20℃左右，常温可进行加氢反应。一反出口烯烃含量在1%左右，二反床层温度无明显变化，说明烯烃在一反中即可几乎完全反应。加氢原料采用烷基化尾气与甲乙酮尾气混合，收入到原料球罐中。2016年8月至10月，混合后碳四原料烯烃含量平均值为10．6%。催化剂选用高镍含量的LY－2005型加氢催化剂，由于原料性质及组成与原设计未发生大的变化，该催化剂可以满足扩能改造的要求对初步设计及装置扩能改造前后参数进行对比（见表1、2）。表1列出设计数据及扩能前后的操作参数，扩能后碳四加氢装置的操作与当前几乎无变化。装置扩能改造后新鲜进料与产品循环量关系见表2（催化剂设计要求：反应进料烯烃含量在7%左右）。炼厂碳四尾气混合后烯烃含量平均值为10.6%，烯烃含量可通过调整两股原料的配比来控制。以反应进料烯烃比例7%计算，扩能后的反应器进料量为16t/h。

表1碳四加氢装置主要操作参数

表2装置扩能改造前后反应进料对比

三、工艺设备分析

1.原料预精制。原料预精制部分包括脱水塔、脱硫塔及脱砷塔。脱水、脱砷塔均为2台，可以串、并联切换使用，脱硫塔为1具。

2.加氢反应器。加氢反应器共一级、二级两台，可串联、并联切换运行。单台反应器催化剂装填量为4．5m3，生产过程中催化剂的运行最大空速为6．7h－1，根据最大空速值计算出反应器总进料为10（新鲜进料）+7（产品循环）=17t/h，由此可得出加氢反应器满足加氢扩能至10t的生产要求。

3．换热设备。在碳四加氢装置中，影响装置处理量提高的冷换设备为加氢反应器进料换热器（E－1103）。该换热器操作工况复杂：在加氢催化剂使用初期，由于催化剂活性高，加氢反应温度低，此时该换热器用于冷却反应进料；在加氢催化剂使用末期，随着催化剂活性降低，加氢反应温度由初期的常温提高到140℃左右，此时该换热器用于加热反应进料。在实际生产中，由于加热用的蒸汽压力由原设计的1．0MPa降至现在的0．4MPa左右，这样装置处理量提高后加氢催化剂使用末期的加热工况最为苛刻，因此，现根据该工况的操作数据对换热器进行核算，以确定该换热器能否满足装置扩能生产的要求。根据该换热器的结构参数和装置扩能后的操作条件，分别采用HTFSTASC3和PＲO/Ⅱ软件计算得到，该换热器扩能后的总传热系数为462W/m2·℃，热负荷为2098kW。因此由传热速率方程Q=KS△tm，可以计算出装置扩能后需要的换热面积S。换热面积核算：

由平均温度差校正系数图查出φ△t=0．92

将Q与△tm代入到公式（1）中，得出：

从以上计算结果可以看出，在现场0．4MPa、160℃的蒸汽条件下，装置扩能后所需换热面积最少为126m2，因此现有加氢反应器进料换热器不能满足扩能后的生产要求。

4.工艺管线。碳四在管线内流速过快会加大静电产生的几率，同时对管线的冲刷也增大。根据生产装置安全设计规范管线选用标准：流速选择为1～2m/s。碳四加氢装置的工艺管线一部分为50mm内径，如装置进料量扩能至10t/h，则碳四在管道内的流速为2．44m/s，已超出安全范围。需要对装置内相关的50mm内径管线变更为80mm管线。

5.容器。加氢装置产品罐为正丁烷中间罐，容积为48．6m3，现使用状态为满罐分析合格后将丁烷输送至球罐中，两具罐切换收料与送料。装置扩能后，处理量将达到10t/h，按储罐安全液位80%计算，一具罐每次只能装22．5t，意味着2h左右要切换一次，操作难度较大。如产品满罐分析不合格，则无可利用空间来处理不合格品，需新增一具大容积的储罐以适应新的加工量。或者在馏出口分析合格的情况下，不进行满罐分析，储罐采取边进边出的形式。

6.流量仪表。其中碳四进T－1101A/B流量测量、加氢反应新鲜碳四进料流量测量、加氢碳四进E－1111流量控制测量、异丁烷去罐区计量测量共四块流量计不满足扩能要求，如提高进料量至10t/h，需重新对FIC－1101、FT－FIC－1110、FI－1115进行更新。

四、机动设备分析

1.机泵。部分机泵的流量对装置扩能产生影响，表7列出碳四加氢装置烃泵数据。P－1/2、P－1101两台烃泵的流量较低，需要重新选型，以适应新的加工量。

2.压缩机。压缩机的选型主要由氢气的流量来决定。加氢反应氢油比为300∶1，如原料按10t/h计算，则进入反应器的总氢气量为5170Nm3/h。新氢压缩机、循环氢压缩机全负荷运行时，总氢气量达到6000Nm3/h，因此现用压缩机完全满足扩能后的生产条件。

通过以上的技术分析，从工艺设备及机动设备两方面看，如果碳四加氢装置进行扩能改造，需要进行以下的变动：加氢反应器进料换热器：换热面积小，需重新选型；工艺管线：将部分50mm内径的工艺管线变更为80mm；正丁烷储罐：新增一具大容积储罐；流量仪表：FIC－1101、FIC－1104、FIC－1110、FI－1115四台流量计需更换；烃泵：P－1/2、P－1101，对两台烃泵重新选型进行更新。装置经过改造后可以解决炼厂碳四资源浪费的问题，同时可以为乙烯装置提供更优质、更充足的裂解原料

参考文献：

［1］乔明．石华信．世界原油供应和炼油工业中长期发展预测[j].国际石油经济，2017（5）：20—27．

［2］李大东．加氢处理工艺与工程[M]．北京：中国石化出版社，2017：25—40．