过程装备与控制工程

1、过程装备与控制工程 高压加氢裂化装置 概述 加氢裂化的工业装置有多种类型按反应器的作用又 分为一段法和两段法。两段法包括两级反应器，第 一级作为加氢精制段，除掉原料油中的氮、硫化物。 第二级是加氢裂化反应段。一段法的反应器只有一 个或数个并联使用。一段法固定床加氢裂化装置的 工艺流程是原料油、循环油及氢气混合后经加热导 入反应器。反应器内装有粒状催化剂，反应产物经 高压和低压分离器，把液体产品与气体分开，然后 液体产品在分馏塔蒸馏获得产品石油馏分。一段法 裂化深度较低，一般以减压蜡油为原料，生产中间 馏分油为主。二段法裂化深度较深，一般以生产汽 油为主。 补充 英文名称：hydrocracke

2、r 说明：加氢是指石油馏分在化学反应的加 工过程，加氢过程可分为加氢精制、加氢裂化、 临氢降凝、加氢异构化等，下面重点介绍加氢 裂化加工过程。 发展历程 加氢技术最早起源于20世纪20年代德国的煤和煤焦油加氢技术， 第二次世界大战以后，随着对轻质油数量及质量的要求增加和 提高，重质馏分油的加氢裂化技术得到了迅速发展。 1959年美国谢夫隆公司开发出了Isocrosking加氢裂化技术， 其后不久环球油品公司开发出了Lomax加氢裂化技术，联合油 公司开发出了Uicraking加氢裂化技术。加氢裂化技术在世界范 围内得到了迅速发展。 早在20世纪50年代，中国就已经对加氢技术进行了研究和 开发，

3、早期主要进行页岩油的加氢技术开发，60年代以后，随 着大庆、胜利油田的相继发现，石油馏分油的加氢技术得到了 迅速发展，1966年中国建成了第一套4000kt/a的加氢裂化装置。 分类 加氢装置按加工目的可分为：加氢精制、 加氢裂化、渣油加氢处理等类型，这里主 要介绍加氢裂化装置。 加氢裂化按操作压力可分为：高压加 氢裂化和中压加氢裂化，高压加氢裂化分 离器的操作压力一般为16MPa左右，中压加 氢裂化分离器的操作压力一般为9OMPa 左右。 再分类 加氢裂化按工艺流程可分为：一段加氢裂化流程、二段加氢裂化流程、 串联加氢裂化流程。 一段加氢裂化流程是指只有一个加氢反应器，原料的加氢精制和 加氢

4、裂化在一个反应器内进行。该流程的特点是：工艺流程简单，但 对原料的适应性及产品的分布有一定限制。 二段加氢裂化流程是指有两个加氢反应器，第一个加氢反应器装加 氢精制催化剂，第二个加氢反应器装加氢裂化催化剂，两段加氢形成 两个独立的加氢体系，该流程的特点是：对原料的适应性强，操作灵 活性较大，产品分布可调节性较大，但是，该工艺的流程复杂，投资 及操作费用较高。 串联加氢裂化流程也是分为加氢精制和加氢裂化两个反应器，但两 个反应器串联连接，为一套加氢系统。串联加氢裂化流程既具有二段 加氢裂化流程比较灵活的特点，又具有一段加氢裂化流程比较简单的 特点，该流程具有明显优势，如今新建的加氢裂化装置多为此

5、种流程， 本节所述的流程即为此种流程。 重点部位 1加热炉及反应器区 加氢装置的加热炉及反应器区布置有 加氢反应加热炉、分馏部分加热炉、加氢 反应加热器、高压换热器等设备，其中大 部分设备为高压设备，介质温度比较高， 而且加热炉又有明火，因此，该区域潜在 的危险性比较大，主要危险为火灾、爆炸 是安全上重点防范的区域。 防范区域 高压分离器及高压空冷区 高压分离器及高压空冷区内有高压分 离器及高压空冷器，若高压分离器的液位 控制不好，就会出现严重问题。主要危险 为火灾、爆炸和H2S中毒，因此该区域是安 全上重点防范的区域。 安全保障 3加氢压缩机厂房 加氢压缩机厂房内布置有循环氢压缩 机、氢气增

6、压机，该区域为临氢环境，氢 气的压力较高，而且压缩机为动设备，出 现故障的机率较大，因此，该区域潜在的 危险性比较大，主要危险为火灾、爆炸中 毒，是安全上重点防范的区域。 重点保护 4分馏塔区 分馏塔区的设备数量较多，介质多为 易燃、易爆物料，高温热油泵是应重点防 范的设备，高温热油一旦发生泄漏，就可 能引起火灾事故，分馏塔区内有大量的燃 料气、液态烃及油品，如发生事故，后果 将十分严重，此外，脱丁烷塔及其干气、 液化气中H2S浓度高，有中毒危险，因此该 区域也是安全上重点防范的区域。 主要设备 加氢反应器 加氢反应器多为固定床反应器，加氢反应属于气 液固三相涓流床反应，加氢反应器分冷壁反应器

7、和热 壁反应器两种：冷壁反应器内有隔热衬里，反应器材质 等级较低；热壁反应器没有隔热衬里，而是采用双层堆 焊衬里，材质多为21/4Cr1M0。加氢反应器内的催 化剂需分层装填，中间使用急冷氢，因此加氢反应器的 结构复杂，反应器人口设有扩散器，内有进料分配盘、 集垢篮筐、催化剂支承盘、冷氢管、冷氢箱、再分配盘、 出口集油器等内构件。 加氢反应器的操作条件为高温、高压、临氢，操作 条件苛刻，是加氢装置最重要的设备之一。 主要设备 2高压换热器 反应器出料温度较高，具有很高热焓，应尽可 能回收这部分热量，因此加氢装置都设有高压换热 器，用于反应器出料与原料油及循环氢换热。现在 的高压换热器多为U型管

8、式双壳程换热器，该种换 热器可以实现纯逆流换热，提高换热效率，减小高 压换热器的面积。管箱多用螺纹锁紧式端盖，其优 点是结构紧凑、密封性好、便于拆装。 高压换热器的操作条件为高温、高压、临氢，静密 封点较多，易出现泄漏，是加氢装置的重要设备。 主要设备 3高压空冷 高压空冷的操作条件为高压、临氢， 是加氢装置的重要设备，中国华北地区某 炼油厂中压加氢裂化装置，高压空冷两次 出现泄漏，使装置被迫停工处理，因此， 高压空冷的设计、制造及使用也应引起重 视。 主要设备 4高压分离器 高压分离器的工艺作用是进行气油水三相分离， 高压分离器的操作条件为高压、临氢，操作温度不 高，在水和硫化氢存在的条件下

9、，物料的腐蚀性增 强，在使用时应引起足够重视。另外，加氢装置高 压分离器的液位非常重要，如控制不好将产生严重 后果，液位过高，液体易带进循环氢压缩机，损坏 压缩机，液位过低，易发生高压窜低压事故，大量 循环氢迅速进入低压分离器，此时，如果低压分离 器的安全阀打不开或泄放量不够，将发生严重事故。 因此，从安全角度讲高压分离器是很重要的设备。 主要设备 反应加热炉 加氢反应加热炉的操作条件为高温、高压、 临氢，而且有明火，操作条件非常苛刻，是加 氢装置的重要设备。加氢反应加热炉炉管材质 一般为高Cr、Ni的合金钢，如TP347。 加氢反应加热炉的炉型多为纯辐射室双面 辐射加热炉，这样设计的目的是为

10、了增加辐射 管的热强度，减小炉管的长度和弯头数，以减 少炉管用量，降低系统压降。为回收烟气余热， 提高加热炉热效率，加氢反应加热炉一般设余 热锅炉系统。 主要设备 6新氢压缩机 新氢压缩机的作用就是将原料氢气增压送入反应系统，这 种压缩机一般进出口的压差较大，流量相对较小，多采用往复 式压缩机。 往复式压缩机的每级压缩比一般为235，根据氢气气源 压力及反应系统压力，一般采用23级压缩。 往复式压缩机的多数部件为往复运动部件，气流流动有脉 冲性，因此往复式压缩机不能长周期运行，多设有备机。 往复式压缩机一般用电动机驱动，通过刚性联轴器连接， 电动机的功率较大、转速较低，多采用同步电机。 主要设

11、备 7循环氢压缩机 循环氢压缩机的作用是为加氢反应提供循环氢。循环氢压缩 机是加氢装置的“心脏”。如果循环氢压缩机停运，加氢装置 只能紧急泄压停工。 循环氢压缩机在系统中是循环作功，其出人口压差一般不 大，流量相对较大，一般使用离心式压缩机。由于循环氢的分 子量较小，单级叶轮的能量头较小，所以循环氢压缩机一般转 速较高（800010000r/nfin），级数较多（68级）。 循环氢压缩机除轴承和轴端密封外，几乎无相对摩擦部件， 而且压缩机的密封多采用干气式密封和浮环密封，再加上完善 的仪表监测、诊断系统，所以，循环氢压缩机一般能长周期运 行，无需使用备机。 循环氢压缩机多采用汽轮机驱动，这是因

12、为蒸汽汽轮机的 转速较高，而且其转速具有可调节性。 主要设备 8自动反冲洗过滤器 加氢原料中含有机械杂质，如不除去，就会沉 积在反应器顶部，使反应器压差过大而被迫停工， 缩短装置运行周期。因此，加氢原料需要进行过滤， 现在多采用自动反冲洗过滤器。 自动反冲洗过滤器内设约翰逊过滤网，过滤网 可以过滤掉25/1m的固体杂质颗粒，当过滤器进出 口压差大于设定值（01018MPa）时，启动反 冲洗机构，进行反冲洗，冲洗掉过滤器上的杂质。 防范措施防范措施 开工时的危险因素及其防范措施 加氢反应系统干燥、烘炉 加氢装置反应系统干燥、烘炉的目的是除去反应系统内的水分，脱除加热炉 耐火材料中的自然水和结晶水

13、，烧结耐火材料，增加耐火材料的强度和使用 寿命。加热炉煤炉时，装置需引进燃料气，在引燃料气前应认真做好瓦斯的 气密及隔离工作，一般要求燃料气中氧含量要小于10%。防止瓦斯泄漏及 窜至其他系统。加热炉点火要彻底用蒸汽吹扫炉膛，其中不能残余易燃气体。 加热炉烘炉时应严格按烘炉曲线升温、降温，避免升温过快，耐火材料中的 水分迅速蒸发而导致炉墙倒塌。 加氢反应器催化剂装填 催化剂装填应严格按催化剂装填方案进行，催化剂装填的好坏对加氢装置的 运行情况及运行周期有重要影响。催化剂装填前应认真检查反应器及其内构 件，检查催化剂的粉尘情况，决定催化剂是否需要过筛。催化剂装填最好选 择在干燥晴朗的天气进行，保证

14、催化剂装填均匀，否则在开工时反应器内会 出现偏流或“热点”，影响装置正常运行。催化剂装填时工作人员须要进入 反应器工作，因此，要特别注意工作人员劳动保护及安全问题，需要穿劳动 保护服装，带能供氧气或空气的呼吸面罩，进反应器工作人员不能带其他杂 物，以防止异物落入反应器内（一般催化剂装填由专业公司专业人员进行）。 加氢反应系统置换 加氢反应系统置换分为两个阶段，即空气环境置换为氮气环境、氮气 环境置换为氢气环境。在空气环境置换为氮气环境时需要注意，置换 完成后系统氧含量应1%，否则系统引入氢气时易发生危险；在氮气 环境置换为氢气环境时应注意，使系统内气体有一个适宜的平均分子 量，以保证循环氢压缩

15、机在较适宜的工况下运行，一般氢气纯度为 85%较为适宜。 加氢反应系统气密 加氢反应系统气密是加氢装置开工阶段一项非常重要的工作，气 密工作的主要目的是查找漏点，消除装置隐患，保证装置安全运行。 加氢反应系统的气密工作分为不同压力等级进行，低压气密阶段所用 的介质为氮气，氮气气密合格后用氢气作低压气密。由于加氢反应器 材质具有冷脆性，一般要求系统压力大于20MPa时，反应器器壁温 度不小于100，所以，氢气20MPa气密通过以后，首先开启循环 氢压缩机，反应加热炉点火，系统升温，当反应器器壁温度大于 100后，系统升压，作高压阶段气密。 分馏系统冷油运 分馏系统冷油运的目的是检查分馏系统机泵、

16、 仪表等设备情况，分馏系统冷油运应注意工艺流程 改动正确，做到不跑油、不窜油。 分馏系统热油运 分馏系统热油运的目的是检查分馏系统设备热 态运行状况，为接收反应生成油作好准备。分馏系 统升温到100C左右时应注意系统切水，防止泵抽 空。升温到250左右时应进行热紧。 加氢反应系统升温、升压 加氢反应系统升温、升压时应按要求的升温、升压速度进行，一 般要求系统升温速度为20几左右，系统升压速度不大于15MPa/h。 如升温、升压速度过快易造成系统泄漏。 加氢催化剂的硫化、钝化 加氢反应催化剂在开工前为氧化态，氧化态催化剂没有加氢活性， 因此，催化剂需要进行硫化。催化剂硫化的方法有湿法硫化、干法硫

17、 化两种方法，常用的硫化剂有二硫化碳、DMDS，催化剂进行硫化时 系统的H2S浓度很高，有时高达1%以上，因此，要特别注意硫化氢中 毒问题。 新硫化的加氢裂化催化剂具有很高的加氢裂化活性，为抑制这种 活性，需要对加氢裂化催化剂进行钝化。钝化剂为无水液氨。加氢裂 化催化剂进行钝化时应注意维持系统中硫化氢浓度不小于005%。 加氢反应系统逐步切换成原料油 加氢催化剂的硫化、钝化过程完成后，加 氢反应系统的低氮油需要逐步切换成原料油， 切换步骤应按开工方案要求的步骤进行。切换 过程中应密切注意加氢反应器床层温升的变化 情况。 装置操作调整 加氢反应系统原料切换步骤完成之后，应 进一步调整装置的工艺操

18、作，使产品质量合格， 从而完成开工过程。 防范措施防范措施 停工时的危险因素及其防范措施 反应系统降温、降量 加氢装置停工首先反应系统降温、降量。在此过程 中应遵循先降温后降量的原则。反应系统进料量降 低，空速减小，加氢反应器温升增加，易出现反应 “飞温”现象。所谓“飞温”就是反应器温度迅速 上升，以致不可控制的现象。 用低疑点原料置换整个系统 加氢装置的原料油一般较重，凝点较高，在停工时 易凝结在催化剂、管线及设备当中。为避免上述情 况出现，在停工前应用低疑点油置换系统，所用的 低凝点油一般为常二线油。 停反应原料泵 切断反应进料时，应注意反应器温度应适宜，使裂 化反应器无明显温升。 反应系

19、统循环带油及热氢气提 切断反应进料后，反应加热炉升温，用热循环氢带 出催化剂中的存油，热氢气提的温度应根据催化剂 的要求确定，一般为枷左右，热氢气提的温度不 能过高，以避免催化剂被热氢还原。 反应系统降温、降压 加氢反应系统按要求的速度降温、降压。 反应系统N：置换 反应系统用N，置换成N：环境，使系统的氢 烃浓度1%。 卸催化剂 使用过的含碳催化剂在空气中易发生自燃， 反应器是在N2气环境下进行卸催化剂作业，必 须由专业的卸剂公司人员进反应器进行卸剂， 因此，在卸催化剂装桶应使用N：或干冰保护 催化剂，避免催化剂自燃。 加氢设备的清洗及防腐 加氢装置高压部分的设备及部件，在停工后应用碱液进行

20、清洗， 以避免在接触空气后发生腐蚀，损坏设备。另外，高硫系统的 设备主要是后处理部分在打开前应用水进行冲洗，以避免硫化 铁在空气中自燃。 装置退油及吹扫 加氢装置停工，应将装置内的存油退出并吹扫干净，保证不留 死角。 辅助系统的处理 加氢装置停工后将装置的火炬系统、地下污水系统等辅助系统 处理干净，并加盲板使装置与系统防腐以使装置达到检修条件。 防范措施防范措施 3.正常生产时的危险因素及其防范措施 遵守“先降温后降量”的原则 加氢装置正常操作调整时必须遵守“先降温后降量”、“先提 量后提温”的原则，防止“飞温”事故的发生。 反应温度的控 加氢装置的反应温度是最重要的控制参数，必须严格按工艺技

21、 术指标控制加氢反应温度及各床层温升。 高压分离器液位控制 高压分离器液位是加氢装置非常重要的工艺控制参数，如液位 过高易循环氢带液，损坏循环氢压缩机；如液位过低易出现高 压窜低压事故，造成低压部分设备毁坏，油品和可燃气体泄漏， 以至更为严重的后果。因此应严格控制高压分离器液位，经常 校验液位仪表的准确性。 反应系统压力控制 加氢装置反应系统压力是重要的工艺控制参数，反应压力影响氢 分压，对加氢反应有直接的影响，影响加氢装置反应系统压力的因素 很多，应选择经济、合理、方便的控制方案对反应系统的压力进行控 制。 循环氢纯度的控制 循环氢纯度影响氢分压，对加氢反应有直接的影响，是加氢装置 重要的工

22、艺控制参数，影响循环氢纯度的因素很多，催化剂的性质、 原料油的性质、反应温度、压力、新氢纯度、尾氢排放量等因素都影 响循环氢纯度，其中可操作条件为尾氢排放量。加大尾氢排放，循环 氢纯度增加；减小尾氢排放循环氢纯度降低。 循环氢纯度高，氢分压就会较高，有利于加氢反应进行，但是， 高循环氢纯度是以大量排放尾氢、增加物耗为代价的；循环氢纯度低， 氢分压就会较低，不利于加氢反应进行，而且，循环氢纯度低时，循 环氢平均分子量大，在循环氢压缩机转速不变的情况下，系统压差就 会增加，循环氢压缩机的动力消耗也会增加。因此，循环氢纯度要控 制适当。 加热炉的控制 加热炉是加氢装置的重要设备，加热炉的使用应引起重

23、视。加热炉各路流量 应保持均匀，并且不低于规定的值，防止炉管结焦；保持加热炉各火嘴燃烧 均匀，尽量使炉堂内各点温度均匀；控制加热炉各点温度不超温；保持加热 炉燃烧状态良好。 闭灯检查 加氢装置系统压力高，而且介质为氢气，容易发生泄漏，高压氢气发生泄漏 时容易着火，氢气火焰一般为淡蓝色，白天不易发现，在夜间闭上灯后，很 容易发现这种氢气漏点。因此，定期进行这种夜间闭灯检查，对发现漏点， 将事故消灭在萌芽状态，保证装置安全稳定运行具有重要意义。 装置防冻凝问题 加氢装置的原料一般较重，凝点较高，通常在2030，容易发生冻凝。如 发生冻凝事故，不但影响装置稳定生产，还容易引发安全生产事故，因此， 加

24、氢装置的防冻凝问题应引起足够重视。 循环氢压缩防喘振问题 加氢装置的循环氢压缩机多为离心式压缩机，离心式压缩机存在喘振问题， 因此，在操作中应保持压缩机在正常工况下运行，避免压缩机出现喘振。 原料质量的控制 加氢装置的原料性质，对加氢装置的操作有重要影响，必须严格控制。一般 控制原料的干点在规定的范围内，Pe不大于1X10(-6，如铁含量高，反应器压 差增加过快，装置不能长周期运行。C1不大于1X10（-6，N低于规定的值，原 料没有明水。 防硫化氢中毒 加氢装置的原料中含有硫，这些硫在加氢后变为硫化氢，并在脱丁烷塔塔顶 及脱硫部分富集，形成高浓度的硫化氢。硫化氢的毒性很强，允许最高浓度 为1

25、0mg/m3。因此，加氢车间必须注重防硫化氢中毒问题，在高硫区域内进 行切液、采样等操作时尤其注意，要求带防毒面具并有人监护。 时刻保持冷氢线畅通 加氢装置的急冷氢是控制加氢反应器床层温度的重要手段，它 对抑制反应温升具有重要作用。高凝点油有时倒窜人冷氢线内 凝结，堵塞冷氢线，如有这种情况发生将十分危险，因此，操 作过程中要时刻保持冷氢线畅通。 密切注意热油泵及轻烃泵的运行状况 加氢装置的一些热油泵运行温度较高，高于油品的自燃点，若 有泄漏，易发生火灾事故。因此，在操作时要注意热油泵的运 行状态，注意泵体、密封等处有无泄漏，如有泄漏应立即处理。 加氢装置内存有大量的轻烃，如发生泄漏，会引发重大

26、事故。 因此，对轻烃泵的运行状况也要引起足够重视。 设备腐蚀 加氢装置高温、高压、临氢、系统内 存在U2S、NH3，因此，加氢装置的腐蚀问 题也应引起重视，解决加氢装置腐蚀问题 的主要方法是合理选材，在使用时加强监 视与检测。 1高温氢腐蚀 氢气在常温下对普通碳钢没有腐蚀，但是在高温、高压下则会产生腐 蚀，使材料的机械强度和塑性降低。 高温氢腐蚀的机理为氢气与材料中的碳反应生成甲烷，使材料的 机械强度和塑性降低，形成的甲烷在钢材的晶间积聚，使材料产生很 大的内应力或产生鼓泡、裂纹。至于在什么条件下产生腐蚀，则根据 Nels。n曲线确定。 为避免高温氢腐蚀，加氢装置高温、高压、临氢部分的设备、管

27、 线多采用合金钢或不锈钢。 2氢脆 氢原子渗入钢材后，使钢材晶粒中原子结合力降低，造成材料 的延展性、韧性下降，这种现象称为氢脆。这种氢脆是可逆的， 当氢气从材料中溢出后，材料的力学性能就能恢复。 氢脆的危害主要出现在加氢装置的停工阶段，装置停工阶段， 系统温度、压力下降，氢气在材料中的溶解度下降，由于氢气 溢出的速度很慢，这时材料中的氢气处于过饱和状态，当温度 冷却到150时，大量的过饱和氢气会聚积到材料的缺陷处，如 裂纹的前端，引起裂纹扩展。 所以加氢装置停工时降温、降压的速度应进行适当的控制，进 行脱氢处理。 4湿H2S的腐蚀 湿H2S的腐蚀是指温度较低并且含水部位的U2S腐蚀，包括 高压空冷、高压分离器、脱丁烷塔塔