鸟巢剂的应用特点.docx

1. 鸟巢保护剂 覆盖于反应器的顶部床层， 主要作用是： 过滤杂质 （含惰性杂质及活性杂质，惰性杂质主要为胶质， 炭颗粒，硅胶颗粒，硫化铁等， 活性杂质主要为油溶性有机金属化合物，如环烷酸钙，环烷酸铁等，它们分解后与硫或二氧化硫生成硫化物或硫酸盐等。在炼化领域我们俗称为金属或重金属杂质，如， Ca, Fe, Ti, Ni, V, Mg等）。鸟巢巨大的比表面积，独有的三角孔设计以及高密度的网孔使其能高效率过滤杂质；而鸟巢的孔径是可控的且其装填是根据孔径的大小以及杂质的种类分级聚配安装的，因而其过滤是最优化的能最大限度利用整个床层的空隙。应用表明， 各种杂质的过滤率超过95以上。 减低压降鸟巢保护剂有巨大的空隙率及床层截面开口面积， 这就为减低压降创造了巨大条件。尤其是，运行时间越长，杂质累计越多， 越能体现鸟巢保护剂在这方面卓越的性能。比诸于传统保护剂，能降低压降4050以上。 1.2.1 鸟巢独有的圆弧面设计使其外观看上去像鸟巢， 也像飞碟。由于这种形状高径比大大小于一， 因此， 鸟巢在随意装填的时候， 大部分会选择性开口向上；1.2.2 鸟巢两端的圆弧面， 增加了鸟巢的自流动性， 使其在随意装填以后， 在反应器运行时轻微脉动以及重心的作用下自动调整姿态到开口向上。我们称这个为自流动性。这种特性能保证鸟巢在反应器运行了一段时间后100开口向上或接近于向上的姿态。由于鸟巢保护剂是圆弧面设计， 这使任意两个鸟巢之间的接触面都是点或线接触的形式， 它比平头鸟巢的摩擦力远小得多， 这就大大提高了鸟巢在微弱外力下的自流动性；1.2.3 鸟巢因为其两端是点或线接触的形式， 接触的界面之间不再像平头的形式更容易形成堵塞而浪费掉通路及容污空间，提高了有效的容污率，并进一步改善了气液的水平分布；1.2.4 鸟巢的圆弧面进一步提高了鸟巢的空隙率， 空隙率提高到了创纪录的80以上。1.3 预脱硫脱氮 鸟巢保护剂浸渍了CoMo, NiMo等活性金属， 其主要目的是用于在临氢状态下分解油溶性的金属有机物，但同时它也有脱硫及脱氮的功能。在目前原料油的硫含量越来越高的情况下， 预脱硫脱氮的功效为整个反应器达到深度脱硫脱氮创造了条件。在胜利油田三十万吨催化汽油选择性加氢（五个月应用），安庆石化六十七万吨催化汽油选择性加氢（四个月应用）的应用表明， 鸟巢保护剂不仅能通过过滤杂质达到保护主剂的目的， 还能给整个反应系统提供额外的脱硫脱氮功效，从而减轻主剂的负荷，更加保证装置长期平稳运行。1.4 鸟巢吸附剂主要用于硅胶颗粒及重金属含量较高的场合，一般在催化剂主剂的上面，保护剂的下层，其主要作用是： 吸附硅胶颗粒和细小的重金属颗粒1.4.1 鸟巢吸附剂是由特殊的氧化铝材料制作， 纯度达98以上，开口气孔率达3040， 孔径从几十纳米到几十微米不等。而且鸟巢的可视孔密度也达400900 CPSI， 外表面积达20005000m2/m3， 因此， 它具有对细小如0.0150微米的硅胶或SiO2颗粒有良好的过滤功效；1.4.2 硅胶或SiO2颗粒不容易在非晶态物质上粘附，但容易在晶态物体上先长一个核，然后沿着某个方向生长，这是硅胶或SiO2粘附并堵塞陶瓷的机理之一。鸟巢吸附剂正是利用这个原理，为其提供高的粗糙的种核表面，并让其自动生长，达到去除硅胶或SiO2颗粒的目的；1.4.3 对于重金属及其无机化合物，鸟巢吸附剂主要依赖它发达的内通孔和高的粗糙的外表面积达到捕捉它们的功能。物理性能序号 指标 单位 数值 1毛比重 g/cm33.33.62平均线膨胀(20-1000)10-6/K7.08.53导热系数 W/(mK) 2.63.84比热 KJ/KgK 1.21.45荷重软化温度 （0.2Mpa） 17606抗热震性能 /3次 4277软化温度 18508最大操作温度 16009耐酸度 99.5410耐碱度 98.0511吸水率 10尺寸和其它物理性能 尺寸/规格 可视比表面积 (m2/m3)微孔比表面积 （m2/g） 孔容 （ml/g） 空隙率 (%)单重 (g)堆比重 (kg/ m3)2515/400目 17661.30-2.500.10-0.206315.113172515/600目 23341.30-2.500.10-0.20 7717.48192515/900目 31161.30-2.500.10-0.20 7019.210681911/400目 17201.30-2.500.10-0.206110.613651911/600目 24161.30-2.500.10-0.20 7512.28751911/900目 31771.30-2.500.10-0.20 6815.411201. 鸟巢分配剂 装填于主剂的顶部， 主要作用是： 21 对原料油进行均匀分布， 其分布效率及均匀性是其它传统保护剂的300400。 由于其优良的分布性能， 可使原料油在经过主剂床层时得到充分反应，从而间接地使主催化剂发挥了最大功效。安庆石化六十七万吨催化汽油选择性加氢装置的运行表明， 其安装了分配剂的主剂床层顶部的径向温差控制在0.6度范围内， 远低于设计控制值3度， 且四个月运行中一直保持不变。 由于分布的均匀性， 还避免了主剂床层的由于沟流导致的局部过热并产生结焦使主剂部分失活。 22 氢油混合更均匀 在加氢反应系统中在加氢后基本没有氢油的预混装置， 作为气态物质， 大家自然而然地会认为这种混合是很均匀的， 其实不一定。 这里有个例子说明这个问题。 2004年我们曾与武汉一个发明人合作过， 他发明了一个小装置， 在发动机的前面，化油气的后面， 当时装上这个小装置后， 经测试， 使用日本发动机的摩托车可省油510， 使用国产发动机可省油1015。这个小装置实际就是一个油气的预混装置， 它的形状像一把风扇， 只是不能移动， 当油气经过它时会形成漩涡， 从而得到充分的混合。 鸟巢由于其巨大的表面， 繁密的网格以及个体与个体之间的空隙， 使氢油经过它时不断被分割再聚合， 从而达到很好的混合。 当氢油混合体经过一个床层反应后， 由于各局部的反应并不总是均匀一致的， 因此其各局部的氢含量应该也是有差异的， 因此对于多床层的反应器而言， 分配剂对氢油的预混作用我们认为是不可忽视的。 传统形状的分配剂如瓷球， 由于其切割聚合效应比鸟巢低了几十倍， 因此其混合效率只有鸟巢的几十分之一。 2. 鸟巢脉冲催化支撑剂 主要用于主剂床层的底部，其主要作用是： 3.1 作为主剂的支撑材料 3.2 减缓脉动和湍流对主剂床层的影响 当原料油经过主剂床层后再经过支撑剂床层就到了反应器的出口。 在这个过程中， 由于原料油流经的线路是由扩散到逐步收拢随之而来是流速增快的过程， 必然会产生脉动和湍流的现象。而脉动和湍流的强度及随机性会反过来影响主剂床层原料油的分布， 特别是对主剂床层的下部分布造成很大影响。 要完全消除原料油的脉动及湍流是不现实的， 但利用支撑材料独特的结构及级配可以使脉动和湍流的强度得到抑制，并使原料油的不定常运动更趋向于定常运动。 鸟巢支撑剂一个现场的湍流和脉动程度取决于这么几个因素：流速，当量直径，气、液的运动黏性系数以及现场填充物的表面特征及几何特性。如果把填充物去除， 那么上面的因素可简化为： Re=VD/uRe为雷诺数， V代表流速，D是当量直径，u表示运动粘性系数。（u=C/M? C为流体的黏性系数， M为流体的密度。） 雷诺数是一个无量纲数，是用来度量惯性力与黏性力之间的相互关系。 对于任何一个特定的流体现场（如管道， 塔等）都存在某个雷诺数，达到这个雷诺数， 流体便由层流转变成湍流状态， 这就是流体的临界雷诺数。 而在层流与湍流的中间段是一个介乎层流与湍流的过渡段， 表现为流体一定的不规则及脉动状。 由于临界雷诺数几乎是不变的，那么从以上公式可以看出， 如果某个现场的当量直径及流体性质已经确定， 实际上它的雷诺数就由流速来确定，也就是说流速越高就越接近临界雷诺数， 而流体脉动或湍流的强度越大。 随著空速的提高， 或者空速保持不变， 而当量直径变小比如塔的底部， 流体在局部的速度相应的变大， 流体由层流逐步变为脉动或湍流。因此， 对于反应器底部， 由于其当量直径相对于反应器中部来说是一个逐步变小的过程，而空速是不变的，因此原料油的流速越来越高， 雷诺数也越来越大， 于是，流体变得越来越脉动甚至出现湍流是一个很正常的现象。 现有的鸟巢脉冲催化支撑剂是瓷球的床层截面开口面当量直径的2.5到3.5倍之间， 因而在相同条件下在同一塔底其雷诺数也要比瓷球低6070（计算式为： 设瓷球的横截面开口面的当量直径为1， 那么鸟巢则为2.53.5， 鸟巢开口面积与瓷球之比为6.2512.25倍， 为达到同样的处理量， 流体流经瓷球的速度同样是流经鸟巢的6.2512.25倍。按上述公式计算，假设流体的运动黏性系数是一样的，在同样空速的情况下， 瓷球的雷诺数是鸟巢的2.53.5倍，反算的话就是鸟巢的雷诺数比瓷球低6070）。这就意味着， 鸟巢作为支撑剂在同样的空速，同样的流体，在同一个塔底的情况下，比瓷球能够使流体的脉动更小得多，湍流的强度更低得多。 同时， 由于鸟巢有繁密的网格，巨大的比表面及一定的呼吸能力，它能够将流体分隔成很小的区块，通过摩擦力及吸附力消化缓冲掉流体内部由于脉动或湍流所形成的不规则和随机性的应力，不使应力集中在某几个点， 从而使支撑剂床层在径向上所表现出的压差尽可能的低， 或者说， 其脉动将更加均匀， 强度大大降低。 从底部支撑床层竖截面的开口面积来看， 鸟巢也是瓷球的1.52.25倍， 因此， 流体微团在水平方向上进行动能交换的面积鸟巢更是要十数倍于瓷球， 这种情况下， 在鸟巢中的流体各局部微团的压差可以在极短的时间内通过相临流体微团的动能交换得到平抑并很快趋同。而瓷球就无法做到这一点。当脉动或湍流发生时， 流体在瓷球中各局部的压差要比鸟巢中的大很多， 体现在塔底径向上的压差就是参差不齐的， 而且这种参差不齐也是更加毫无规律，更加随机性的。 鸟巢脉冲催化支撑剂保有了25的吸水率及512.5的开口气孔率。这些开口气孔充当了压力的缓冲区，当周围的压力大于里面的压力时，它们就吸附， 当周围压力小时， 它们就释放，这就好比每个鸟巢都是一个肺，均匀分布在塔底的各个点，起到平抑周围压力的作用。 ? 支撑剂床层径向上的压差无疑会对主剂床层的气液分布造成很大影响， 越接近支撑剂的部位影响越大，甚至占主剂床层三分之一的处于下部的位置都会受影响。 因为鸟巢支撑剂能够最大限度消除这种不规则脉动和湍流的影响， 最大限度保证原料油在主剂下部的分配，提高主剂催化效能的发挥， 我们称这种功效为末端保护。 出现极端现象时，也就是当反应器出现顶部板结，气流分布非常不匀时，沟流将造成底部流体的更大更强烈的脉动和湍流， 而这些又会带动主剂床层底部的脉动， 这种脉动会进一步加剧主剂底部流体各局部压差， 而流体压差极短时间频繁的变动又会使催化剂主剂内外部形成极短时间的压差， 这样原料油在催化剂内外极快的进出，破坏催化剂的强度， 并在上层催化剂的重压下使该部分催化剂粉化成泥。流体较强的压差和不均匀的分布会引起反应的不均匀，反应过度的地方温升太高， 形成结焦或胶质，而这又反过来促进分布的更加不均。 因此， 应该极力避免底部流体的剧烈脉动和湍流， 以保护催化剂。 但显然，我们认为某种轻微的相对均匀的脉动是极有利于催化剂功效的发挥的， 因为它提高了流体在催化剂内外的交换率， 而催化剂又不至于破坏强度。鸟巢脉冲催化支撑剂正可以做到这一点。因此，从这个意义上来说， 鸟巢脉冲催化支撑剂也可以起到对主剂的末端保护及促进作用。 3.3 利用反应器底部的脉动及湍流，实行全程超深度脱硫。 鸟巢脉冲催化支撑剂浸渍了低活性的CoMo金属， 它利用经过主剂反应后原料油的自然温升加上流体在塔底的自然脉动， 实现反应器全程超深度脱硫。 由于鸟巢所有的网格是不超过0.25mm厚的薄壁组成，因此， 它可以借助流体的自然脉动实现流体在鸟巢壁内外极快速的进出，从而达到超高效的流体与催化剂表面接触的更新，所以，虽然是低含量的活性金属， 但实际表现的催化活性却是很高的。 在流体脉动的过程中， 流体各部位的压力是频繁变化的，这就为鸟巢壁内壁外自然形成了一个在极短时间内的一个压差，使流体能够反复沿着低压的方向流动。 由于壁足够薄，路径极短（不超过0.125mm），因此原料油在鸟巢壁内被吸附并解吸的过程完全可以实现。 这很像我们的肺在呼吸，也像我们的脉搏在跳到，因此我们把这个过程称为脉冲式催化反应。这个部位的鸟巢也叫脉冲催化支撑剂。 除了脉冲的作用， 原料油经过主剂后自然温升很高，这也使低活性催化剂能发挥更大的功效。 而鸟巢脉冲催化支撑剂有极高的强度，足以抵抗这种反复压差及温度的变化，实现反应器长期稳定的运行。 3.4 减低整个反应器压降 由于鸟巢巨大的空隙率及床层开口截面积， 减低压降是毋庸置疑的。 特别是， 当反应器在提高空速， 或运行一段时间有杂质沉积在支撑剂床层上时， 这种效果将更加明显。前面已经论证清楚， 在相同条件下， 鸟巢的雷诺数比瓷球低6070， 因此， 它有更大的余地为提高空速创造可能， 或在支撑剂、保护剂被杂质部分堵塞的情况下保证反应器的平稳运行。 3.5 过滤杂质，保护下游换热器的热交换效率 由于床层底部的脉动及湍流现象， 影响到了主剂的下部， 实际上主剂下部也是有轻微脉动的状态的， 这种脉动导致催化剂之间轻微的摩擦，而轻微的摩擦会使极少量的粉末脱落，而这些粉末随著原料油进入到支撑