（化学工程专业论文）加氢装置压缩机的配置方案及优化.pdf

加氢装置压缩机的配置方案及优化 杨成炯( 化学工程) 指导老师：李发永教授 摘要 加氢装置中的新氢压缩机、循环氢压缩机是该装置的核心设备， 对装置的生产平稳及操作周期有重要作用。根据工艺操作要求，结合 工程设计经验，参照a p i 标准对加氢装置的压缩机的配置方案、结构 进行优化，可以提高压缩机的操作可靠性。 茂名石化公司渣油加氢装置中的4 m 8 0 新氢压缩机开发研制，填 补了国内高参数、大容量压缩机的空白，两年的工业运转实践表明设 计方案合理，运转平稳，性能指标达到设计要求，满足工艺操作的需 要。该机器作加氢装置主要的替代进口产品，在石化装置中发挥着重 要的作用。 关键词：加氢装置氢气压缩机配置方案优化 t h e c o n f i g u r a t i o n a n d o p t i m i z i n g o f h y d r o g e n c o m p r e s s o r f o r h y d r o c r a c k e r u n i t y a n gc h e n g - j i o n g ( c h e m i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c tb yp r o f e s s o rl if a - y o n g a b s t r a c t i nt h eh y d r o c r a c k e ru n i t ，t h eh y d r o g e nm a k e u pc o m p r e s s o ra n d h y d r o g e nr e c y c l ec o m p r e s s o ra r et h ec r i t i c a le q u i p m e n t ，w h i c hp l a ya n i m p o r t a n t r o l ei nm a i n t a i n i n ga l o n g - t e r ms t a b l eo p e r a t i o no f t h eu n i t t h e o p e r a t i o nr e l i a b i l i t y c a nb ei m p r o v e d b yo p t i m i z i n gc o m p r e s s o rt r a i n d e s i g na n dc o m p r e s s o rc o n s t r u c t i o nb a s e du p o nt h ep r o c e s sa n do p e r a t i o n r e q u i r e m e n t s ，e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e a n d s p e c i f i c a t i o n s o fa p i s t a n d a r d s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f4 m 8 0 m a k e u pg a sc o m p r e s s o rf o r t h er e s i d u eo i l h y d r o d e s u l f u r i z a t i o n u n i t i n m a o m i n gp e t r o c h e m i c a l c o m p a n y h a sf i l l e dt h eb l a n ko f c o m p r e s s o rw i t hl a r g e s tp a r a m e t e r sa n d l a r g e s tc a p a c i t y i nc h i n a t h et w oy e a r s c o m m e r c i a lo p e r a t i o no ft h e c o m p r e s s o rh a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o m p r e s s o ri sr e a s o n a b l ei nd e s i g n a n dr e l i a b l ei n o p e r a t i o n a l lt e c h n i c a lp e r f o r m a n c e sh a v ea t t a i n e dt h e d e s i g ns p e c m c a 垃o n sa n d a l lp r o c e s sa n do p e r a t i o nr e q u i r e m e r i t sh a v e b e e nm e t t h ec o m p r e s s o rc a nb e d e s i g n e df o rh y d r o p r o c e s s i n gu n i t st o r e p l a c et h ec o m p r e s s o rw h i c h i sn o r m a l l yr e q u i r e dt ob ep u r c h a s e df r o m o v e r s e a sv e n d o r s nw i l l p l a yi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei np e t r o l e u m p r o c e s s i n ga n dp e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e s ， k e yw o r d s ：h y d r o e r a e k u n i t ；h y d r o g e nc o m p r e s s o r ； c o n f i g u r a t i o n ；o p t i m i z i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 2 0 0 4 年0 9 月1 6 同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 学生签名： 导师签名： 弘。z 序 宁月，6 日一 。) 孕年 0 月o d 日一 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题背景 加氢裂化装置是石油化工厂中生产高品质油品的深加工装 置，是在高压氢气环境下，通过催化剂的作用，使重质油品发生 裂化反应，进而生产出轻质油品的过程，其中高压氢气环境是由 新氢压缩机、循环氢压缩机建立和维持的，加氢装置中的压缩机 是该装置的核心设备，对装置的生产平稳及操作周期有重要作用。 新氢压缩机叉称补充氢压缩机，用于补充加氢反应消耗的氢 气，是加氢裂化装置的反应原料的供给设备，其主要参数根据所 采用的工艺技术及装置处理量有所不同。新氢压缩机的设计参数 一般为中小流量( 2 0 ，0 0 0 1 1 ，o o o m 3 n h ) ，大压力比( 一般为8 2 0 ) ，小分子量( 一般为2 3 ) ，通常采用往复式压缩机。 循环氢压缩机一般为离心式，是维持装置反应循环的关键设 备，素有加氨装置心脏之称，需适应装置操作多工况的要求。 加氢裂化装置压缩机的选型、结构及材料规范的选用，控制 系统及辅助设旌的设置将涉及到生产操作的安全、高效、先进及 可靠。 本研究项目是国家“九五”科技攻关项目一茂名石化公司 2 0 0 x 1 0 4 t a 渣油加氢装置开发与成套技术的子课题，研究以工 程设计经验为基础， 探讨加氢裂化装置压缩机的配置方案的优 化，并以沈阳气体压缩机公司为依托，为茂名2 0 0 1 0 4 t a 渣油 加氢装置研制开发了4 1 8 0 新氢压缩机。 1 2 国内石化装置用压缩机现状 石化生产装置中常用的气体压缩机有离心式气体压缩机和往 复式气体压缩机。多年来，我国压缩机制造业在引进国外技术， 石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 消化吸收和自主开发基础上，攻克不少难关，取得重大突破。例 如，加氢装置用的循环氢压缩机、新氢压缩机等已大量在石化生 产中应用。其中，离心压缩机、往复式活塞压缩机的部分规格产 品达到了国际同类产品水平。 国内为石化企业提供压缩机的制造厂家有十余家，主要有沈 阳鼓风股份有限公司、沈阳气体压缩机公司有限公司等，其中沈 阳鼓风机股份有限公司生产的离心压缩机在国内石化压缩机市场 占有率达到5 0 以上。目前我国的富气压缩机进口流量达到 b 1 6 0 0 n m 3 h ，功率达7 1 6 6 k w ，已用于3 0 0 万吨年催化裂化和延 迟焦化装置；离心式循环氢压缩机流量达2 5 0 0 0 0 n m h ，功率达 1 6 0 0 k w ，出口压力达1 8 m p a ，已经用于1 2 0 万吨年加氢裂化装置： 裂解气压缩机流量达1 2 0 0 0 0 n m 3 h ，功率达1 8 0 0 0 k w ，已应用于3 0 - - 5 0 万吨年乙烯裂解装置；大化肥装置的空气压缩机、天然气 压缩机、氨压缩机、二氧化碳压缩机已应用于2 0 3 0 万吨合成氨 装置； 空分装置的空气压缩机流量达到2 2 0 0 0 0 n m 3 h ，功率达到 l7 5 8 0 k w ，已经应用于4 0 0 0 0 n m 3 h 空分装置。 经过2 0 年发展我国已经形成l 、d 、d z z 、h 、m 型等数十个往 复压缩机系列的数百种产品。目前，国内中小型压缩机已经基本 满足国内石化行业需求，但大型往复式压缩机还存在差距。沈阳 气体压缩机股份有限公司从德国引进了了全套往复式压缩机设计 制造技术，在大中型往复式压缩机技术开发方面已取得突破性进 展。先后研制成功符合现行国际标准的4 m 5 0 型大型氢气往复式压 缩机组、6 m 5 0 型系列氮氢气压缩机组及本文中将要讨论的4 m 8 0 型新氢压缩机组。4 m 8 0 型往复式新氢压缩机容积流量达到 3 4 0 0 0 n m 3 h ，活塞压力达到8 0 k n ，出口压力达到1 9 6 m p a ，功率 达到3 6 0 0 k w ，代表国内目前往复压缩机的最高设计及制造水平。 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 1 3 国外氢气压缩机的新进展 1 3 1 往复压缩机 近年来，国际上以美国d r 公司和意大利新比隆公司为代表 的大型往复式压缩机制造公司在大型氢气往复压缩机的设计研究 及制造技术方面有了很多新进展，其主要发展动向为： 模块化基础件设计 机身、曲轴、连杆、活塞杆的基础件作为标准件，按模块化 进行设计，气缸则根据用户的要求进行设计，根据气缸的计算活 塞力来选择基础件等级。 机身结构 机身包括曲轴箱和十字头导轨两部分，两种基本的结构如图 1 - 1 和图1 - 2 所示： 曲轴箱和十字头 导轨为整体铸件，( 如 b o r s i g 公司，d r 公司 h h e7 b ，v c ，v e 型) ： 曲轴箱和十字头图1 - 1 曲轴箱和十字头导轨为整体结构 等机分别铸造后用螺栓连接在一起( 如d rh h ev g ，v k ，w 型， n u o v op i g n o n e 的小型机) 这两种结构在工业上 均有成功的应用，整体式 的结构可使沿气缸轴线的 载荷方向达到最大的刚 度，使活塞力( 气体力加 图1 - 2 曲轴箱和十字头导轨为分体结构 上惯性力) 引起的变形为 最小。分离式的结构则通 石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 过精密加工保证两者的对中，通常在较大型机架上采用整体结构。 中体 按a p l 6 1 8 要求，选择c 型加长双中体结构对氢气压缩机是必 要的，这种结构一方面可防止和介质接触的活塞杆的任何部分进 入中间体的中间密封部分，从根本上防止对曲轴箱润滑油的污染。 另一方面在中体上可放置充n ：( 上部) 及排凝( 下部) 、放空( 上 部) 的设施。 十字头和活塞杆的连接 螺纹连接是活塞 杆和十字头传统的连 接方法，采用精制滚压 螺纹以提高疲劳强度 和减少应力集中。 最新广泛应用的 连接方法是采用液压 予拉伸的连接方法。 图1 - 3 采用液压予拉伸的活塞杆连接方法 常规的螺纹连接方法以通过活塞杆拧入十字头的深度来调节 活塞死点间隙，液压连接中的需要将图卜3 中件( 1 0 ) 予先精密 磨自4 加工到规定值。 气阀，活塞杆密封，活塞环及支撑环 往复压缩机的易损部件包括气阀，活塞杆密封及活塞环，支 撑环。这些部件的寿命制约了压缩机的运转周期，据美国 d r e s s e r r a n d 公司对2 0 0 家用户的调查统计，氢气往复压缩机非 计划停止工的原因见图4 - 8 ，其中前八项分别是气阀占3 6 ，活 塞杆密封占1 7 8 ，工艺原因占8 8 ，活塞环占7 1 ，支撑环占 6 8 ，卸荷器占6 8 ，气缸润滑系统及仪表各占5 1 。 气阀： 4 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 新氢压缩机气阀结构型式，材料及设计参数的选择至关重要。 根据美国d r 公司的统计，在总数为1 2 1 个气缸上使用的 1 0 2 8 个气阀的使用寿命资料。使用效果最好的为环状阀，其次为 网状阀，条形阀最差。 影响气阀可靠性的因素主要有： 腐蚀：在阀板、弹簧上极小的蚀点均可引起疲劳破坏。 温度：阀板、弹簧等所使用材料的温度极限。 对颗粒的容忍性：气流中携带的颗粒会引起泄漏和运动部件 的疲劳。非金属材料对颗粒的容忍性较好，因为颗粒可嵌在其上 面不影响可靠性。 差压：高的差压如果和高的温度组合则易造成阀板的变形。 冲击：阀板对阀座的冲击速度过大会造成“冲击疲劳”，其值 和材料及阀的设计有关。 脉动：如果阀在打开的位置下，阀板在阀座和导杆间来回颤 抖，这将减小可靠性。 d r 公司的调查资料还表明气阀的升程直接影响气阀寿命， 如一气阀升程为0 0 8 i n 的气阀寿命为8 0 0 0 h ，而升程为0 0 4 i n 的则可达到2 5 0 0 0 h 。 在气阀的型式及结构的选择上，制造厂的经验和业绩非常重 要，在相同使用条件下的使用经验更值得参考。 活塞环、支撑环及活塞杆密封： 氢气压缩机的活塞环、支撑环及活塞杆密封的设计及材料选 择，取决于气体的温度、压力、气缸的润滑、盘根的润滑及冷却。 目前在氢压机上广泛应用的是充填4 f ( 石墨、玻璃纤维增强的 4 f ) 。 当压缩机出口温度小于1 1 8 c 时，其寿命可达到3 年以上， 个别的可达7 1 0 年。 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 1 3 2 离心式压缩机 离心式压缩机按a p l 6 1 7 的规定条款进行设计制造，美国d r 公司、德国b o r i g 公司和瑞士s u l z e r 公司均有各自的技术特点： 压缩机壳体 按a p l 6 1 7 规定，当压缩机处理的气体介质中氢分压( 在最大 允许工作压力下) 大于1 3 8 m p a 时，压缩机应采用径向( 垂直) 剖分结构。对加氢裂化所采用的压缩机，设计规定采用双壳体筒 形压缩机。 筒形压缩机由外壳、内壳及头盖三部分组成。 1 ) 外壳：外壳体通常为整体锻件或钢板卷焊件，或部分锻件 和卷焊件用焊接方法连接。根据工艺要求外壳上除进口、出口以 外也可以加上抽出口或补入口，所有开口一般均焊接在外壳体上。 大多数制造厂按叶轮标准化的结构尺寸，确定外壳体的几何 尺寸，并相应标准化，并形成系列，美国d r e s s e r r a n d 公司b 型筒形压缩机共有1 0 种外壳尺寸，从0 8 b 至9 b 按气体流量的大 小分为三类。 2 ) 内壳：筒型压缩机的内壳为水平( 轴向) 剖分，转子在内 壳抽出后可以整体吊出，内壳全仅承受内外壳体的压差，上下壳 间的密封易于解决。内壳体和转子也可以在外部完全装配调整。 内壳的上、下壳通常为整体铸件，也有采用分段铸造，各段 间的垂直剖分面上用螺栓连接上、下面的结构，以使制造厂减少 铸模而方便的适用叶轮数不同的壳体。 分段铸造用螺栓连接带有垂直和水平剖分面的内壳体有如下 优点： 由于采用互相间螺栓连接的结构，固而结合紧密而且刚 性好。 由螺栓连接的接合面为金属密封，不存在中间级的内循 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 环： 不存在任何中间件，不产生附加的间隙及误差，因而转 子及隔板和密封的对中更好。 在水平剖分面上，紧密结合的较大面积的连接面能得到 更有效的密封： 采用经设计和试验成熟的元件( 指隔板) 使性能预测有 更高的准确性： 采用标准元件缩短制造周期。 德国b o r s i g 公司采用这种结构，可用到压力为3 5 m p a ，并在 很多机组上应用。 静止元件( 回流器、扩压器等) 则装配在内壳体上。 3 ) 头盖： 外壳体两端应与头盖连接，连接应考虑操作压力下的气密性、 装入和抽出转子的方便性以及在抽出内壳时尽可能少拆卸有关辅 助管线。 目前广泛使用的结构有如下几种： 两端头盖式 一端头盖式 一端大盖，一端小盖式 头盖与壳体的密封结 构 传统的螺栓加0 形圈 的连接方式仍是目前使用 最广泛的方法。 采用螺栓连接的头盖不采 用金属垫片来达到密封， 图5 - 2 剪切环结构 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 因为难以控制合适的密封压力。螺栓的上紧主要靠上紧力矩来控 制、 另一种广泛就用的是剪切环结构，此为美国d r c l a r k 公司 专利( u s 3 5 5 2 7 8 9 ) ，其结构简图见图5 2 剪切环通常由4 段组成，装入壳体上槽内，压力侧通过头盖 的作用力和保持环反力组成的力矩被反力矩平衡，两者互相垂直， 分段的剪切环均匀受力不会变弯。同时剪切环不会因弹性变形而 使头盖沿轴向运动。剪切环还具有装卸方便、易于安装的优点， 减少了螺栓连接中对上紧扭矩的控制要求。 内壳和外壳内表面间利用0 形密封。也有的采用类似活塞环 的金属密封圈。 转子 压缩机转子包括叶轮、轴、轴套、推力盘、平衡活塞及半联 轴节。 循环氢压缩机所处理的是低分子量，高密度、高纯度的氢， 是多级非冷却式单轴压缩机，压缩机转子的特征是： 叶轮为单向顺序排列，通常为同一直径。 叶轮与轴为紧密配合加键或径向固紧 级间密封大多为拉别令式，轴( 或轴套) 上开槽，密封 片组件装在壳体上( 也有装在转子上的设计，如德国g h hb o r s i g 公司) 推力盘( 或平衡活塞) 紧配合装于轴上并以锁紧螺母可 靠定位。 径向轴头处通常与可倾瓦相配。 联轴节处多为无键液压紧固的结构。 在根据要求的气动性能确定叶轮的型式和数量以后，根 据叶轮的选型尺寸进行一系列的计算后，最终确定压缩机转子的 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 所有结构参数。这些计算应包括： 根据确定的轴承间距和各转动元件的质量分布进行转子 横向振动特性的计算( 临界转速) ：以及根据a p l 6 1 7 要求的转子 不平衡响应的计算。 根据压缩机的最大连续运转转速及跳闸转速进行强度校 核。 转子轴向力及向位移。 叶轮 离心式氢压缩机采用的是闭式叶轮，流量系数中一般为 0 0 1 0 0 5 左右，属于低比转速型。 国外主要制造厂都致力于叶轮标准化，系列化的研究和开发， 以适应不是介质，不同操作参数的要求，德国b o r s i g 公司经过设 计、测量和试验建立了适应1 0 种壳体尺寸的2 1 种叶轮，每种叶 轮直径有2 0 种流量系数及3 种叶轮型线，可适应介质分子量从 2 1 4 0 ，流量从0 2 m 3 s 7 0 m 3 s ，美国d r e s s e r - - r a n d 公司则是 对应于每一壳体尺寸定义若干种叶轮，如3 m ( b ) 有8 种叶轮， 4 m ( b ) 有1 3 种叶轮，5 m ( b ) 有1 5 种叶轮。 叶轮的制造方法主要有铆接，铸造，电火花加工及焊接，循 环氢压缩机叶轮主要是焊接叶轮和铸造叶轮。 压缩机叶轮通常按直径流量系数按几何级数分类。 流量系数由0 0 5 的窄轩轮通常为二元叶轮，巾o 1 4 的宽 叶轮为三元叶轮，宽叶轮采用大的叶片出口角，以提高能量头， 窄叶轮采用较小的叶轮出口角以改善效率。 叶轮的直径、流量系数、叶片形状三者的组合可以达到理想 的性能和效率。 叶轮还应进行三维的有限元应力和应变的分析，并计算和分 析在最大圆周速度下叶轮的应力和变形。 石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 轴端密封 高压循环氢压缩机的轴端密封是安全运转的关键，目前工业 上已成功运用的密封型式通常为：油膜密封和干气密封。 干气密封是一种非接触式的密封，由在转动的碳化钨硬质合 金环上加工出一系列深度为1 5u 的螺旋槽和在弹簧作用下的 石墨静环相接触，当轴转动后，气体被吸入螺旋槽并提高压力使 碳环和动环表面分开其间隙约为0 0 0 5 0 0 2 5 r a m ，从外部气源 ( 或引自压缩机出口) 经精细过滤( 0 0 0 2 m m 级) 后被送到密封 处，通过压力控制以实现对气体介质密封。 这种新型的密封完全取消了密封供油系统，相应地简化了流 程，节省了投资和运转成本，并根本上消除了气体被油污染的可 能性。 采用二列或三列串联式的干气密封，可应用于1 4 - - 2 0 m p a 。 据统计国内应用于高压循环氢压缩机的干气密封压力为1 0 1 8 m p a 总数已达1 0 余台，在1 2 1 4 m p a 压力等级上已有更多的使 用经验。 干气密封已广泛应用于各种用途的压缩机上，并越来越显示 其优越性。 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章 加氢裂化反应工艺流程简窭 第2 章加氢裂化反应工艺流程简介 2 1 典型反应流程 加氢裂化的反应部分可以包括两个反应段，也可以只有一个 反应段，根据需要及实际情况，有些装置还包括酸性水处理部分、 气体及液化气脱硫部分。 反应工艺流程示于图2 一l 。 度盥暑 f 蟊札 图2 1 加氢裂化反应部分工艺流程 反应部分一般由一个或两个独立的或两个共用一些设备( 高 压分离器、循环氢压缩机) 的反应段组成。 一个典型的独立的反应段，一般包括以下几种设备： 反应设备包括一个或多个反应器。反应器是反应部分的核 心设备，具有精制原料油或转化原料油为目的产品的功能。 升温、降温设备一般包括若干个换热器，一个或两个加 热炉、空气冷却器、水冷却器。 互垫奎兰! 兰查! 堡主笙苎 苎! 兰塑墨型些垦堕三苎堕翌堡坌 气液分离设备有热高压分离器、冷高压分离器、低压分 离器。 转动设备包括新氢压缩机、循环氢压缩机，高压原料油 泵、循环油泵，胺液泵，注水、注硫、注氨泵，高压生成油能量 回收液力涡轮泵及高压富胺液能量回收液力涡轮泵。 洗涤设备循环氢气脱h 2 s 胺液洗涤塔及其附属配套设 备。 在工艺流程中，每一个设备均在自己所处的位置上发挥作用。 根据装置的规模、所加工原料油的性质和需要的目的产品，上述 设备不一定在所有装置中都设置。例如，水冷却器、热高压分离 器、热油循环油泵、胺液泵、能量回收液力涡轮泵、循环氢脱h 2 s 胺液洗涤塔等，均须根据催化剂性质及装置实际情况，在进行技 术、经济比较后，加以选择。 从操作条件看，反应部分的设备基本上都是在压力下操作的。 从物料看，反应部分的工艺流程，可用氢气系统及油系统划 分。 2 2 氢气系统 可以看成是富氢气体围绕着循环氢气压缩机，由一系列设备 和联接这些设备的管线组成。 循环氢气压缩机在加氢装置中执行着向反应器输送氢气，承 担着保证反应顺利进行及装置安全生产的任务，类似心脏在人体 中输送血液的作用一样。 在反应过程中消耗的氢气，包括化学反应消耗的和溶解在油 中的以及泄漏损失的氢气，采用新氢压缩机不断补充新鲜氢气加 以解决。 在反应过程中未反应的氢气，从反应器出来，经过降温并与 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章 加氢裂化反廛三茎煎望堕坌 油分离后，用循环氢气压缩机升压，大部分在换热器、加热炉中 升温后，再循环到反应器中去，以保证加氢裂化反应在高氢气压 力或过量氢气存在下顺利进行。 足够高的氢分压可抑制催化剂失活，获取满意的产品质量和 保证长周期的运转。氢分压的高低由反应器操作压力、进入反应 器总反应气体( 新鲜氢气及循环氢气) 的量、化学耗氢量和原料 油分子量等因素决定。 从反应器出来的，包括未反应氢气、反应气体、轻烃、转化 油品及未转化油的物流，温度约4 0 0 ，首先在换热器中降温， 回收热量。换热器效率及热回收率高，可以减少加热炉的热负荷。 如果需要，可设置热高压分离器，反应器流出物于此在 2 5 0 3 0 0 下进行一次气液分离，热高分底部高温液流直接送去分 馏部分。设置热高分的好处是提高装置热利用效率：防止油中稠 环芳烃析出污染换热器和( 或) 冷却器；降低空气冷却器和冷高 压分离器的负荷。热高分顶部的氢气、反应气体、轻烃及馏分油， 经过进一步回收热量和降温后，进入冷高压分离器，使富氢气体 和泠凝油分离。 通常，在空气冷却器前注入凝结水，以除去气体中大部分氨 和相应的h 2 s 。 根据需要，可对富氢气体采用液胺洗涤脱除h 。s 以提高循环 氢气的氢纯度，然后再用循环氢气压缩机升压。升压后的循环氢 气分为两股，一股与原料油混合后，先在换热器中与反应器高温 流出物换热，再去加热炉升温，达到反应温度后，进入反应器： 另一股直接去反应器，作为少量激冷剂以控制下一个催化剂床层 的反应温度。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章加氢裂化反应工艺流程简介 2 3 油系统 油在热、冷高压分离器前的工艺流程和氢系统的工艺流程一 致。新鲜原料油过滤、脱水、并用高压原料油泵升压后，先与循 环氢气混后，然后在换热器中与反应器高温流出物换热升温，再 在加热炉中加热到反应温度，进入反应器。反应后的高温未反应 氢气、反应气体、轻烃、馏分油及未转化油，进入到前述为原料 油升温的换热器中降温到2 5 0 3 0 0 时，在热高压分离器中，进 行汽液分离。底部分离出的高沸点油直接去分馏部分，顶部的气 体及油蒸汽，在换热器中回收热量，注入洗涤用的高压水和进一 步冷却后，进入冷高压分离器。在此，分离出的富氢气由循环氢 压缩机升压循环使用，液体则去低压分离器。在低压分离器中进 一步释出气体的油品，与水分离。酸性水去酸性水处理部分，油 品仍去分馏部分。 】4 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章氢气的来源及其压缩过程 第3 章氢气的来源及其压缩过程 3 1 氢气的特性及来源 氢气是最轻的化学元素，是无色、无味、无臭的气体。密度 最小( 空气的1 1 4 5 ) 。化学性质较活泼，能燃烧，易与许多金 属和非金属直接化合，自然界的氢主要存在于化合物中，如水、 碳氢化合物等。 加氢裂化装置即是将原料油在一定温的度压力氢气和催化剂 作用下，将原料油的大分子转化为小分子的过程，在此过程中须 耗用一定量的氢气，通常由新氢压缩机不断的向装置补充。 工业上加氢裂化装置所需的氢气通常来自下列途径： 1 ) 专设的制氢装置 包括以轻烃为原料的蒸汽转化制氢；以重油( 减压渣油) 为 原料的部分氧化制氢。氢气的净化过程则有化学吸收净化和变压 吸附净化两种方式。 2 ) 利用重整装置提供的副产品氢气。 3 ) 利用从加氢等装置排出的低浓度氢气中，提纯回收氢气。 国内炼厂广泛采用以轻烃为原料的蒸汽转化制氢和变压吸附 净化。可得到纯度为9 9 9 的氢气。 3 2 氢气的压缩过程 和其它气体一样，氢气可以通过往复式或离心式压缩机提高 压力以满足工艺操作的要求，在每一典型应用条件中，应根据氢 气的流量，需提高的压力来决定采用何种型式的压缩机，对大、 中型加氢裂化装置，新氢压缩机采用往复式压缩机，循环氢压缩 机采用离心式压缩机。 3 2 1 氢气在往复式压缩机中的压缩 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章氢气的来源及其压缩过程 容积式压缩机是利用容积的改变使气体受到压缩，在往复式 压缩机中就是利用活塞在气缸中的运动来实现的，氢气在往复式 压缩机中的压缩，一般具有以下特点： i 可通过多级压缩实现较大的压力比： 往复式压缩机对被压缩气体的分子量不敏感，可以在每一压 缩级中达到2 3 的压力比，适合用于新氢的压缩。 i i 要限制每一压缩级的出口温度不超过1 3 5 。 氢气和空气相比具有较大的滑移位数，在压缩过程中，易通 过活塞环泄漏，造成温度的升高，亦降低了容积效率，同时较低 的气体出口温度亦有利于气阀的寿命和可靠性。还减少了氢气在 材料中的渗透。 i i i 从安全角度要求，尽量采用无油或少油润滑。 经验证明，对气缸采用过多的润滑与润滑不充分相比，对可 靠性的危害更大。目前在无油或少油润滑的压缩机上，活塞环寿 命可达到4 0 0 0 8 0 0 0 小时，活塞支撑环和活塞杆密封环的寿命可 达到3 年( 2 5 ，0 0 0 小时) 或更长。 i v 控制活塞平均速度不大于3 5 m s 活塞平均速度由下式定义：( 对双作用气缸) v ：2 - s n m s 6 0 式中：v 活塞平均速度，m s ； s 活塞行程，m ： n 压缩机转速，r m i n 。 较高的活塞速度可能由较高的转速或较大的行程长度造成， 则对应着较频繁的气阀的开闭次数以及往复运动部件较大的惯性 力，同时对活塞杆密封环、活塞环及支撑环亦造成较大的磨损， 从安全角度要求，要限制其活塞平均速度。 1 6 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章氢气的来源及其压缩过程 v 在多级压缩的往复式压缩机中，要采取级间回流的控制手 段，使每级压力比尽量接近设计值。 往复式压缩机是对容积( 或体积) 敏感的机器，当每级气缸 的进气量( 一定入口压力下的) 改变时，会造成级压力比的变化， 进而影响各级活塞力的改变，会影响或恶化压缩机各列和整机的 动力平衡。 3 2 2 氢气在离心式压缩机中的压缩 离心式压缩机是通过高速旋转的叶轮将动能传递给被压缩的 气体，继而在压缩机的静止部件( 导流器，扩压器) 中使速度能 变为压力能，提高气体的压力，因而离心式压缩机是对气体分子 量敏感的机器。 在离心式压缩机中，通常用下式来估计所需压缩机的叶轮数 埘鲁 争石- l 】 k g m k g( 3 - 1 ) 式中： 心。，一需提供的能量头，k g m k g ： r l 气体常数，r = 8 4 8 m w ： k 一绝热指数； 叩。一多变效率； p 2 - - 出口压力，m p a , p l 一入口压力，m p a ； t 。一入口温度，o l ( 。 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章氢气的来源及其压缩过程 。葛ooi谜赠茛瓣矗oj，套斛鞍锹媳鹾。oani一螂赠嵋臂三ur甚。燃 兽籁 眷窭 。 占 篝篓 匣茁 图 球o o 曩耋 o o t 十 h ， 蚺 一 卜。 o 嚣“ h o _ o o 辍 篓z 翊 籁 萋留 圹 嘲 寸 寸 m 一 o o 。 _ 求 n j 旷 蛙旷 蝼矿扩 扩州s腻 蛹 趟； 。迥丑譬水喇程耀逛曾婚姻柑肇旷匿隆h-c垛 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章氢气性能及其压缩过程 离心式压缩机中，高速旋转的叶轮向气体提供的能量取决于 叶轮周速，由于材料强度的限制，在循环氢压缩机中一般均小于 2 7 0 m s ，因而每级叶轮能提供的能量头约为3 0 0 0 k g m k g ，由上 式，当气体的分子量越小，为达到相同的压力比，压缩机所需提 供的能量头则越大。 由表3 1 可见，对上例要达到2 5 的压力比，采用离心式压 缩机来压缩氢气比空气需增加3 0 个叶轮，通常离心式压缩机每一 壳体最大可安装的叶轮数约为1 0 个，所以对氢气需要4 个壳体 ( 缸) ，这几乎是不可能的方案。 1 9 石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章新氢及循环氢压缩机配置 第4 章新氢及循环氢压缩机配置 4 1 新氢及循环氢压缩的工艺操作工况 在加氢裂化装置的整个操作周期中，从开工初期的反应系统气 密( 介质为氮气n 。) ；反应系统干燥：催化剂的予硫化( 采用以循 环氢为载硫介质的气相硫化方法) ，正常操作中的不同阶段( 指因 催化剂积炭活性降低引起循环氢流量改变，以及反应器床层积垢造 成压力降加大) ，新氢及循环氢压缩机均应能适应工况要求，并平 稳而可靠的连续运转。 表4 - 1 某1 5 0 x1 0 4 t a 加氢裂化装置新氢压缩机操作条件 额定工况初期末期氮气硫化 流量度m a n h 2 9 0 5 02 9 1 3 52 8 6 8 95 0 0 01 5 0 0 0 进口条件 压力m p a 2 32 32 3o 62 3 温度 4 04 04 04 04 0 分子量 2 0 32 0 32 0 32 9 0 72 0 3 排气压力 1 7 4 71 7 2 31 7 4 74 51 6 0 3 新氢压缩机除氮气工况外，其进气条件没有变化，即工厂氢气 的条件，排气压力随着工况的变化而有所不同，根据上一章的分析 结果，新氢压缩机一般均采用往复式压缩机，往复式压缩机的排气 压力是随背压的变化而变化的，所以新氢压缩机的排气压力不需做 专门的调节；新氢的流量一般采用旁路法进行调节。 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章新氢及循环氢压缩机配置 表4 2 某15 0 1 0 4 t a 加氢裂化装置循环氢压缩机操作条件 额定工况初期末期氮气 硫化 流量度m 3 n h 2 4 0 5 8 02 3 4 7 2 7 2 1 8 7 1 46 0 0 0 02 2 0 0 0 0 进口条件 压力m p a 1 4 51 4 51 4 54 01 4 5 温度 4 54 54 54 54 5 分子量4 3 1 3 ，7 9 4 3 12 9 0 72 0 4 4 排气压力 1 7 4 71 7 2 31 7 4 74 5 1 6 0 3 注：气体中含h 。s ：硫化2 ，其他工况0 0 2 9 循环氢压缩机各工况参数由工艺操作要求确定，其进出口压力 由工艺所选定的反应压力及在操作周期中可预见的压力降来决定， 一般对直馏瓦斯油和轻蜡油可采用8 i o m p a ，对重蜡油和二次加工 生成油则是按照氢油比的要求来确定的，在加氢裂化中采用大大超 过化学反应所需的高氢油比来提高氢分压，降低催化剂表面积炭速 度，以及有效的导出反应热，使床层温度容易控制。对重馏分油加 裂化通常的氢油比为1 0 0 0 1 5 0 0 m 3 m 3 ，甚至高达2 0 0 0 m 3 m 3 进料。 循环氢压缩机的操作工况根据工艺要求由产品方案，生产周期 的初期、未期气体组成的变化，反应器超温时急冷氢的最大排气量， 以及开工阶段的氢气循环工况，催化剂预硫化工况、及催化剂氮气 再生工况等因素的变化而确定，在上述各种工况与操作介质主要是 氢气时，尽管分子量略有变化但对机器操作影响不大，唯有在催化 剂氮气再生工况时，由于分子量达2 9 ，而出口压力仅要求4 o 5 o m p a ，采取降转速操作，通常由制造厂提出在该工况下可能达到 的流量以保证所需要的操作压力。 4 2 循环氢压缩机的机型选择 根据第三章的分析结果，由于压差大，分子量小的特点，新氢 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章新氢厦循环氢压缩机配置 压缩机的般均采用往复式压缩机：循环氢压缩机则根据其流量的 变化，可有往复式或离心式多种选择。下面分别对几种不同的新氢 及循环氢压缩机的机型选择方案进行分析和研究。 4 2 1 往复式循环氢压缩机配置 该方案为传统的加氢压缩机配置方案，早期加氢装置规模较小， 处理量一般在3 0 x 1 0 4 t a 以下，压力不超过6 o m p a ，新氢和循环氯 的流量较小，新氢压缩机和循环氢压缩机均采用往复式压缩机，分 别由各自独立的电动机驱动。 新氢压缩机根据工艺参数的不同，采用多级压缩，为了获得好 的动力特性，机器一般为对称平衡型结构，设旁路进行流量调节。 根据循环氢压缩机的低压比，大流量的特点，往复式循环氢压 缩机多采用单级压缩，双缸并联，对称平衡型结构布置。 由于往复式压缩机的易损件多，操作可靠性差，新氢和循环氢 压缩机均需设置备机，一般为一开各的配置。 由于加氢反应属于放热反应，循环氢的作用之一是带走反应生 成热，采用电机驱动往复机作循环氢压缩机存在着由于电气故障而 突然停机的问题，这样及其容易导致反应器中的温度飞升，而酿成 事故。 该方案一般适用于处理量较小，反应转化率较低的加氢精制装 置，对于转化率高的加氢裂化装置，不能采用该方案。 4 2 2 离心式循环氢压缩桃配置 随着石化工业的不断发展，加氢装置的规模也在不断扩大，大 型化已成为国际上石化工业的发展方向，目前国内最大的加氢装置 处理量已达到4 0 0 x 1 0 4 t a ，循环氢的流量达到4 9 x 1 0 4 m 3 n h 。超大 规模的装置对压缩机的性能和可靠性提出了更高的要求，传统的往 复式循环氢压缩机无论是流量范围，还是操作可靠性均不能满足要 求。 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章新氢及塑堡墨堡塑塑里墨 在大型加氢装置中，我们采用离心式压缩机作为循环氢压缩机 的方案，压缩机采用蒸汽轮机驱动。 针对离心式循环氢压缩机特点，我们做了以下几点研究： 1 ) 循环氧压缩机的压比 由于氢气的低分子量以及每一压缩机壳体中叶轮数的限制和 叶轮最高圆周速度的限制，离心式压缩机不可能达到较大的压力 比。 由式( 3 - 1 ) ，得： h 州= 百8 4 8xt 1 鲁【( 争可_ 1 设离心压缩机所能提供的能量头为 h ， 。，则可能达到的最 大压力比( p 2 p 。) 。为： 噜小e 筹嚣州鲁 设离心压缩机有7 级叶轮，其 。 。按2 1 0 0 0 k g m k g ，t i = 3 1 3 。k ，m = 3 5 ，k = i 3 8 ( 平均) n = 0 7 5 ，则： 尽) 一；色塑型! 兰! 二! + 1 警 、p 一8 4 8 3 1 31 3 8 0 7 5 。 = 1 1 0 1 6 6 9 4 3 2 2 7 2 3 6 8 4 2 “ = 1 3 0 离心是循环氢压缩机能够达到的的压力比般不超过1 3 ，由 表4 2 ，循环氢的压比约为1 2 ，离心压缩机可以满足装置的循环氢 压比要求。 2 ) 变工况调节 加氯裂化操作中的不同阶段如s o r ( 操作初期) ，e o r ( 操作未 期) ，以及脱硫，再生等工况，压缩介质的分子量在较大的范围内 变化，通过改变压缩机的转速来改变向气体提供的能量头，以适应 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章新氢及循环氢压缩机配置 工艺操作的要求。 理论上压缩机叶轮向气体提供的能量头为： 1 h 一= 二c 2 。u 2 k j k g ( 4 一1 ) g 式中：c 。u _ 一叶轮出口绝对速度在周围速度方向的投影，m s , u 2 _ 叶轮出口圆周速度，m s ； g 一重力加速度，m s 2 ； 另一表达式为： t 1 2 h 酬= 1 i r2 睾 ( 4 2 ) 1 5 式中：1 l ，2 - 一称为能量头系数 u ：的改变使压缩机向气体提供的能量改变，可以得到要求的性 能。 离心式循环氢压缩机由变转速的蒸汽轮机驱动，可以通过转速 的改变来适应不同工况( 分子量改变，流量或压力比改变) 的要求。 3 ) 循环氢压缩机反喘振系统 喘振是离一1 1 , 式压缩机的固有特性，主要发生在小流量，高压差 的工况，严重的喘振可以导致气体倒流、压缩机振动等严重事故。 压缩机的反喘振系统是装鼍的平稳操作的重要保证，在普通的离心 式压缩机系统中是必须设置的系统。 研究加氢装置的工艺控制系统发现，在加氢装置中，循环氢压 缩机的入1 3 均设有可靠的压力控制系统，可保证压缩机入1 3 压力和 流量保持稳定，而压缩机出口亦有压力控制，该控制系统和普通的 压缩机反喘振系统功能相同，所以在循环氢离心压缩机组上可不再 设专门反喘振系统。 4 ) 机组的可靠性 离心压缩机为连续旋转运动的机器，与往复式压缩机相比，没 石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章新氢及循环氢压缩机配置 有往复运动件，易损件的数量大大减少，从结构上讲其可靠性有了 很大提高。 离心压缩机可以采用蒸汽轮机直接驱动，石油化工厂都有自己 完善的蒸汽动力系统，采用蒸汽轮机驱动一般不会发生象电气系统 那样的突然停机事故，这对装置的反应温度平稳控制极为有利。 4 3 新氢压缩机配置方案 新氢压缩机采用往复式压缩机，由低速同步电机驱动 往复式新氢压缩机可以采用多级压缩，提供较大的压力比，如 前所述，往复式压缩机属容积式压缩机，其压缩过程对气体的组份 不敏感，适合于操作的不同工况，压缩分子量较小的新氢和分子量 较大的氮气。 目前大型加氢装置所需的新氢量一般为5 1 1x 1 0 4 m 3 n h ，如此 巨大的新氢量，如果采用传统的一开一备的配置方式，对压缩机的 机型选择、驱动电机的功率、操作可靠性和经济性方面都将面临新 的问题，根据工程经验，考虑到上述的几个因素，对于大型加氢装 置，在选择新氢压缩机时，通常有以下三种方案可作为优先选择， 即2 6 0 的，3 5 0 ，2 1 0 0 。三种方案的一般性对比见表2 在选择配置方案时，主要对下列问题进行研究。 1 ) 压缩机基础件的等级的选择 选择合适的往复式压缩机基础件有利于提供新氢压缩机配置 方案的可靠性和经济性，根据统计大型往复式压缩机的基础件每提 高级个等级，压缩机的能力一般提高一倍，价格约上升5 0 7 0 ，提高基础件等级